无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器的制作方法

专利名称：无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器，实现了永磁接触 器的合闸过程的智能化动态控制，属于智能化低压电器技术领域。
背景技术：
永磁接触器作为一种基于新原理和永磁应用技术的新型开关设备，它除了实现电 磁接触器的全部功能外，还具有显著的节能、无噪音、不受电网电压波动影响、线圈不易烧 毁、抗晃电性能和高可靠性等优点，已成为电器领域的一个研究热点。近年来，关于永磁接触器的研究多集中于新型永磁操动机构、模拟与电子控制电 路方面，取得了相当有益的成果。经检索，专利号为200920038135. 1的专利“一种永磁接触 器的控制装置”的中国专利和专利号为200410062796. χ的专利“永磁式双稳态接触器”的中 国专利，以及专利号为200920041428. 5的专利“节能运行无噪声永磁机构接触器及其控制 单元”的中国专利均公开一种新型永磁操动机构以及采用模拟控制单元实现对永磁接触器 的分合间控制。然而，现有的配模拟电子控制单元的永磁操动机构只能实现接触器的分、合 闸状态控制，并不能控制其动作过程，因而不能够实现控制动触头、动铁心按理想运动曲线 进行分、合间操作来提高永磁接触器运动过程的动态特性。同时只能作为单一开关设备的 永磁接触器显然已不能满足配电系统自动化的要求，这就促进了接触器向智能化、多功能、 高性能方向发展。随着传感器技术、电子技术和计算机技术的进步，智能化电器已经受到人 们的关注，以微处理器为核心的测控技术被成功地应用在各种低压电器中，提高了低压电 器的动态品质、供电的可靠性以及电网的安全性。专利号为03108018. 9的专利“降低双线 圈双稳态永磁机构接触器触头材料损耗的方法”的中国专利和专利号为200920089918. 2的 专利“智能永磁真空交流接触器”的中国专利，以及专利号为200820126036. 4的专利“适用 于工业用电机控制的智能永磁接触器”的中国专利均采用了数字化的处理芯片实现永磁接 触器的智能化控制、检测以及通讯的功能。然而以上专利永磁接触器的智能化控制电路中， 并未通过引入微处理器来充分利用各种信号反馈使其带有闭环控制，采用现代数字控制手 段来实现永磁接触器检测_反馈-调节_控制的智能化闭环操作，从而对永磁接触器运动 过程进行智能动态控制，使接触器的动态吸力和反力达到良好配合，减小动静铁心及动静 触头间的碰撞速度，实现最优运动特性下的吸合控制，有效地减少触头的一、二次弹跳，提 高接触器的电气和机械寿命。当在国标规定的85% -110%额定电压下吸合永磁接触器时，在整个运动过程中， 电压较高，吸力特性较陡峭，远大于反力，在该吸力作用下，动铁心不断被加速，导致动、静 触头的接触时碰撞速度过快，加剧了触头的一次弹跳。当触头闭合后，动铁心还处于运动状 态，具有一定的动能，同时随着动铁心位移的减小，永磁体产生的吸力增加幅度很大，此时 吸力包括电磁吸力和永磁体产生的吸力两部分的作用力，使接触器在合闸的末期吸力裕度 很大，在自身的动能、电磁吸力和永磁吸力三部分的作用下带动动铁心运动克服弹簧反力 使永磁接触器实现合间，从而导致动、静铁心碰撞速度过快，碰撞能量较大，从而加剧了触头的二次弹跳的产生进而产生的电弧对触头的烧蚀作用严重降低接触器电气寿命，二次弹 跳造成的危害较动、静触头刚接触时碰撞而产生的一次弹跳造成的危害严重的多，特别是 在接通电动机或照明负荷时，因起动电流往往大至额定电流的6 10倍，发生在这种大电 流下的多次弹跳会大大加剧电弧对触头的侵蚀，甚至会产生触头的熔焊故障，严重影响工 作于AC3使用类别(笼型感应电动机的起动、运转中分断)下接触器的电气和机械寿命。因 此避免触头的一、二次弹跳是提高接触器电气寿命和可靠性的关键。对于接触器动铁心位移的获取，最初是采用在接触器内部安装位移或速度测量装 置的办法，如光学传感器、直线感应传感器等。该方法存在以下不足首先，位移或速度传感 器的价格较高，这会导致成本的大大增加；其次，接触器的内部空间是一个大噪声、强振动 甚至是高温的环境，市场上现有的各种传感器往往不足以承受几十万甚至上百万次的往复 动作；再次，位移或速度传感器的尺寸都比较大， 明显增加了接触器的体积。对于小规格的 接触器无法安装，通用性不强，同时可动构件数量的增加不仅会使故障机率上升还会对接 触器本身的动态特性产生一定的影响。

发明内容
技术问题针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种无 位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器，采用现代微处理器控制手段，实现永磁接触 器合闸过程的智能化动态控制。从磁路和电路方面进行分析，寻找它们之间的联系，推导出 永磁接触器动铁心位移与线圈电压、线圈电流的计算公式，进而实现通过检测线圈电压、线 圈电流的实时信号估算出接触器合间过程每一时刻动铁心位移信号的一种无位置传感器 的检测动铁心位移的方法。以此实时跟踪的动铁心位移作为反馈信号，对接触器的合闸过 程形成检测-反馈-调节-控制的智能化闭环操作。根据位移信号，在合闸的前期阶段(即 触动阶段到超行程阶段)，施加一个低于额定电压下的一个固定占空比的PWM控制电压，通 过位移信号和线圈电压信号的反馈，在该位移段保持线圈的控制电压稳定，使其产生的动 态吸力稍高于反力特性，减小动、静触头接触瞬间的速度，有效减少接触器的一次弹跳。当 检测到反向弱磁控制的动铁心位移点，微处理器分别控制功率开关导通与关断对线圈施加 反向电压，控制线圈产生反向电流，实现线圈磁场对永磁体的反向弱磁，使永磁接触器的动 态吸力和反力达到良好配合，实现合闸末期动、静铁心的低速碰撞甚至达到动铁心的软着 陆，有效减少触头的二次弹跳，从而实现了永磁接触器最优运动特性下的合间控制，综合提 高永磁接触器的电气和机械寿命。技术方案为实现上述目的，本发明的无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接 触器采用如下技术方案本发明的无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器以微处理器为中心，微处 理器的输入端分别接控制电压检测模块、备用电源控制模块、线圈电压/电流检测电路的 输出端，微处理器的输出端分别连接第一开关控制电路、第二开关控制电路的输入端；交 流电源输入分别接整流滤波电路、控制电压检测模块、开关电源电路的输入端；整流滤波电 路的输出端一路依次连接第一功率开关、线圈、第三功率开关，另一路依次连接第二功率开 关、线圈、第四功率开关；线圈连接线圈电压/电流检测电路的输入端；第一开关控制电路 输出端分别连接第一功率开关、第三功率开关的输入端，第二开关控制电路输出端分别连接第二功率开关、第四功率开关的输入端；开关电源电路连接备用电源控制模块的输入端， 备用电源控制模块的输出端分别接微处理器、第二开关控制电路的输入端。所述的控制电压检测模块以霍尔电压传感器VSM025A为核心，交流电源输入的一 个输入端L通过第二十八电阻与霍尔电压传感器的第1引脚相连，另一个输入端N与霍尔 电压传感器的第2引脚相连；DC/DC模块的第3引脚、第5引脚分别与霍尔电压传感器的第 4引脚、第5引脚相连；第二十九电阻与第七稳压管并联后一端与霍尔电压传感器的第3引 脚、第三十电阻的一端相连，另一端与第一路工作电源VCC的电源地、DC/DC模块的第4引 脚、第二十四电容的一端相连；第三十电阻的另一端与第二十四电容的另一端、微处理器的 第18引脚相连，DC/DC模块的两个输入端分别与开关电源电路中的第三路工作电源5V、0V 相连。所述的开关电源电路中第一电容并联于交流电源输入的两端，交流电源输入的L 端分别连接第一 AC/DC模块、第二 AC/DC模块的第1引脚，交流电源输入的N端分别连接第 一 AC/DC模块、第二 AC/DC模块的第2引脚；第二电容、第三电容并联于第一 AC/DC模块的 第一路输出的第4引脚与第3引脚之间，输出第一路工作电源VCC ；第四电容、第五电容并 联于第一 AC/DC模块第二路输出的第6引脚与第5引脚之间，输出第二路工作电源VCCl ； 第六电容、第七电容并联于第二 AC/DC模块输出端的第3引脚与第4引脚之间，输出第三 路5V工作电源，其中第一 AC/DC模块型号为XMA3. 5-WD05P05M,第二 AC/DC模块型号为 DBA2. 5-S05W。所述的第一开关控制电路、第二开关控制电路包括与交流220V电源输入相连接 的输入接插件，交流电源的输入端经过保险丝与整流桥的输入端相连，第八电容、压敏电阻 并联于整流桥的输入端；整流桥输出的正端经过第一二极管连接电流输入接插件的J2-1 端，第九电容、第十电容、第一电阻分别与第十一电容、第十二电容、第二电阻串联后一端与 第一二极管的负端相连，另一端与整流桥的输出负端相连；第九电容、第十电容的负端、第 一电阻的一端分别与第十一电容、第十二电容的正端、第二电阻的一端相连；第三电阻、第 四电阻串联后一端与电流输入接插件J2-1端相连，另一端与整流桥的输出负端相连；开关 电源电路的第一路工作电源VCC分别通过第五电阻、第八电阻分别与第五光耦、第六光耦 的第1引脚相连，第五光耦、第六光耦的第2引脚接微处理器的第26引脚，第三DC/DC模块、 第四DC/DC模块的输出端第4引脚分别接第五光耦、第六光耦的第4引脚，第五光耦、第六 光耦的第3引脚分别通过第六电阻、第九电阻分别与第一功率开关Q1、第三功率开关Q3的 栅极连接，同时第五光耦的第3引脚通过第七电阻分别与第一功率开关Ql的源级、第三DC/ DC模块的第3引脚、线圈接插件J3-2端、第四功率开关Q4的漏极相连接，第六光耦的第3 引脚通过第十电阻分别与第三功率开关Q3的源级、第四DC/DC模块的第3引脚、整流桥的 输出负端、第四功率开关Q4的源极、第二路工作电源VCCl的电源地相连接在一起；备用电 源控制模块中的电源CPU_VCC分别通过第十一电阻、第十二电阻分别与第九光耦、第十光 耦的第1引脚相连，第九光耦、第十光耦的第2引脚接微处理器的第15引脚，第七DC/DC模 块、第八DC/DC模块的输出端第4引脚分别接第九光耦、第十光耦的第4引脚，第九光耦、第 十光耦的第3引脚分别通过第十二电阻、第十五电阻分别与第二功率开关Q2、第四功率开 关Q4的栅极连接，第九光耦的第3引脚通过第十三电阻分别与第二功率开关Q2的源级、第 七DC/DC模块的第3引脚、线圈接插件J3-1端、第三功率开关Q3的漏极相连接；第十光耦的第3引脚通过第十六电阻分别与第四功率开关Q4的源级、第八DC/DC模块的第3引脚相 连接；第一功率开关Q1、第二功率开关Q2的漏极与接插件J2-2端相连在一起；第三DC/DC 模块、第四DC/DC模块的两个输入端分别与开关电源电路中的第一路工作电源VCC、GND相 连，第七DC/DC模块、第八DC/DC模块的输入端第1引脚与备用电源控制模块中的CPU_VCC 相连，第七DC/DC模块、第八DC/DC模块的第2引脚与GND相连；第二二极管、第三二极管、 第四二极管、第五二极管分别反向并联于功率开关Ql、Q2、Q3、Q4的漏极与源极之间，用于 功率开关的保护；其中第三DC/DC模块、第四DC/DC模块、第七DC/DC模块、第八DC/DC模块 的型号为 14D-05S12NCNL，功率开关 Q1、Q2、Q3、Q4 的型号为 M0SFET-IRFP350。所述的第一开关控制电路驱动第一功率开关Ql与第三功率开关Q3实时导通实现 合闸过程中线圈的正向增磁；第二开关控制电路驱动第二功率开关Q2与第四功率开关Q4 实时导通，实现合闸过程中线圈的反向弱磁。
所述的线圈电压/电流检测电路以线性光耦器件HCNR200为核心，由第三电阻、第 四电阻对线圈电压分压后，进入线圈电压检测电路的输入端口 C0IL_Vol，然后通过第十九 电阻一路与第一运放相连，通过第二十电阻与线性光耦器件的第1引脚相连，第二路工作 电源VCCl与线性光耦器件的第2引脚相连；另一路与线性光耦器件的第3引脚相连，线性 光耦器件的第4引脚与第二路工作电源VCCl的电源地相连；线性光耦器件的输出端第5、 6引脚分别与第二运放的第3、2引脚相连，第二运放的第11引脚分别与第一路工作电源 VCC的电源地、5V稳压管的正端相连，5V稳压管负端通过第二十二电阻、第二十电容滤波后 接微处理器的第17引脚；线圈电流的接插件输入端口 J2-1通过第二十三电阻与输入端口 J2-2、第三路5V工作电源地相连，线圈电流的接插件输入端口 J2-1 —路通过第二十四电阻 与第三运放相连，通过第二十五电阻与线性光耦器件的第1引脚相连，第三路工作电源5V 与线性光耦器件的第2引脚相连；另一路与线性光耦器件的第3引脚相连，线性光耦器件的 第4引脚与第三路工作电源5V的电源地相连；线性光耦器件的输出端第5、6引脚分别与第 四运放的第3、2引脚相连，第四运放的第11引脚分别与第一路工作电源VCC的电源地、5V 稳压管的正端相连，5V稳压管的负端通过第二十七电阻、第二十三电容滤波后接微处理器 的第20引脚。有益效果本发明的无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器，采用现代数 字化控制手段，实现了永磁接触器合间过程的检测_反馈-调节_控制的智能化动态控制。 通过对等效的磁路模型和电路模型的分析推导出永磁接触器动铁心位移与线圈电压、线圈 电流的关系式，进而实现通过检测线圈电压、线圈电流的实时信号估算出接触器合闸过程 动铁心实时位移信号的一种无位置传感器检测方法。根据动铁心位移信号反馈，在合闸的 前期阶段，线圈两端施加一个小于额定电压的固定占空比的PWM控制电压使其产生的电磁 吸力稍高于反力特性，减小动铁心的动能和减缓动铁心的运动速度，减小动、静触头接触瞬 间的碰撞能量，有效减少接触器的一次弹跳。当检测到反向弱磁控制的动铁心位移点即超 行程阶段，以此位移作为反馈信号，微处理器分别控制功率开关导通与关断使线圈施加反 向电压，控制通过线圈的反向电流，实现线圈产生的磁场对永磁体的反向弱磁，使接触器在 合闸末期的永磁吸力大幅度减小，使接触器的动态吸力和反力达到最佳配合，以实现动铁 心的软着陆，实现最优运动特性下的合间控制，有效减少触头的二次弹跳，综合提高了永磁 接触器的电气和机械寿命。


图1为所述的无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器原理框图；图2为所述的反向弱磁控制策略图；图3为所述的控制电压检测模块电路图；图4为所述的微处理器的电路图； 图5为所述的开关电源电路图；图6为所述的备有电源控制模块电路图；图7为所述的开关控制电路图；图8为所述的线圈电压/电流检测电路图；图9为所述的无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器程序主流程图；图10(a)为所述的不采用反向弱磁控制下触头弹跳实验波形图；图10(b)为所述 的采用反向弱磁控制下触头弹跳实验波形图。
具体实施例方式如图1所示，本发明的无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器主要包括微 处理器1、整流滤波电路2、控制电压检测模块3、开关控制电路、功率开关、线圈电压/电流 检测电路8、开关电源电路4、备用电源控制模块5等。其中第一开关控制电路6驱动第一 功率开关Ql与第三功率开关Q3导通实现线圈的正向增磁；第二开关控制电路7驱动第二 功率开关Q2与第四功率开关Q4导通实现线圈的反向弱磁。交流电源输入14第一路经整 流滤波电路2，为线圈提供所需的平滑直流电压。交流电源输入14第二路经控制电压检测 模块3与微处理器1的输入端相连，控制电压检测模块3检测外部交流电压值，为微处理器 1分合间永磁接触器提供依据。交流电源输入14第三路经过开关电源电路4为整个工作电 路提供三路+5V的工作电源。其中第一路VCC工作电源主要作为备用电源控制模块5、第一 开关控制电路6等模块芯片的工作电源，第二路VCCl工作电源主要作为线圈电压检测电路 8的工作电源，第三路5V工作电源主要作为线圈电流检测电路8的工作电源。同时开关电 源电路4中的第一路VCC工作电源为备用电源控制模块5充电，备用电源控制模块5为微 处理器1、第二开关控制电路7提供可靠的工作电源，以便断电后的接触器的可靠分闸。如图2所示，本发明的无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器反向弱磁控 制策略图，在规定的额定电压下吸合永磁接触器时，在整个运动过程中，电压较高，从而吸 力特性较陡峭，远大于反力，在该吸力作用下，动铁心不断被加速，导致动、静触头的接触时 碰撞速度过快，加剧了触头的一次弹跳。同时随着动铁心位移的减小，永磁体产生的吸力增 加幅度很大，此时由电磁吸力和永磁吸力两部分的作用力，使其在合闸的末期吸力裕度很 大，从而导致动、静铁心碰撞速度过快，碰撞能量较大，加剧了触头的二次弹跳的产生进而 产生的电弧对触头的烧蚀作用严重降低接触器电气寿命，严重影响工作于AC3使用类别下 接触器的电气和机械寿命。基于以上原因，本发明提出了合闸过程中反向弱磁控制策略，根 据动铁心位移信号，在合闸的触动阶段到超行程阶段期间(即图2中位移0 < χ < X1)，施 加一个小于85%-110%额定电压的固定占空比的PWM调制电压U1，并通过其位移信号和线 圈电压的反馈，在该位移段保持线圈的控制电压稳定，使产生的电磁吸力稍高于反力特性，控制动、静触头接触瞬间的碰撞速度，有效减少接触器的一次弹跳。当检测到反向弱磁控制的位移点(即图2中位移X1 < χ < X2)，微处理器1分别控制功率开关导通与关断对线圈施 加反向电压U2，控制线圈的反向电流，实现线圈产生的磁场对永磁体的反向弱磁，使永磁接 触器的动态吸力和反力达到良好配合，实现动铁心的软着陆，有效地减少触头的二次弹跳， 从而综合提高AC3工作类别下永磁接触器的电气和机械寿命。如图3所示，本发明的控制电压检测模块3以霍尔电压传感器VSM025A为核心，交 流电源输入14的一个输入端L通过第二十八电阻R28与霍尔电压传感器U14的第1引脚相 连，另一个输入端N与霍尔电压传感器U14的第2引脚相连。DC/DC模块U15的第3引脚、 第5引脚分别与霍尔电压传感器U14的第4引脚、第5引脚相连。第二十九电阻R29与第 七稳压管D7并联后一端与霍尔电压传感器U14的第3引脚、第三十电阻R30的一端相连， 另一端与第一路工作电源VCC的电源地、DC/DC模块U15的第4引脚、第二十四电容C24的 一端相连。第三十电阻R30的另一端与第二十四电容C24的另一端、微处理器1的第18引 脚相连，DC/DC模块U15的两个输入端分别与开关电源电路4中的第三路工作电源5V、0V相 连。所采用的霍尔传感器应用霍尔效应闭环原理，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲 以及各种不规则波形的电压或电流，广泛应用于变频调速、伺服电机牵引、电机测量和控制 等系统中。测量电压时，在传感器原边回路串联第二十八电阻R28后与交流电源相并联，为 使传感器达到最佳精度，尽量选择第二十八电阻R28的大小使原边输入电流在额定值IOmA 左右，为确保测量电阻的稳定性，第二十八电阻R28的功率选在IOW以上。第二十九电阻 R29将传感器副边输出电流信号转换为电压信号，第七稳压管D7起稳压保护作用，电压信 号经第七稳压管D7过压保护和第三十电阻R30、第二十四电容C24组成滤波电路滤波后送 入微处理器1的第18引脚。VSM025A的匝数比为3000 1200，故控制电压实际值Cntrl_ Vol 与交流电压 UjL 有如下关系Cntrl_Vol = 0. 4(R28/R29) XUjlo如图4所示，本发明的微处理器1为整个智能化动态控制的核心，通过接收控制电 压检测模块3的信号、线圈电压/电流检测电路8的信号来驱动第一开关控制电路6与第二 开关控制电路7执行相应的操作。为了很好满足抗干扰、小型化和执行速度快的要求，本发 明的微处理器1选择了 STC12系列单片机，其型号为STC12C5612AD。STC12C5612AD是宏晶 科技生产的单时钟/机器周期(IT)的单片机，是高速、低功耗和超强抗干扰的新一代8051 单片机。其指令代码完全兼容传统8051，但速度要比之快8-12倍，尤其适用于电机控制等 强干扰场合。工作电压3. 5V-5. 5V ；工作频率0-35MHz，相当于普通8051的0_420MHz ；内 部集成了 768字节的RAM(256常规，512扩展)，8路10位精度高速A/D转换器，速度可达 IOOKHz (10万次/秒)；4路可编程计数器阵列(PCA)，所有的PCA模块均可用作PWM输出； 有两个专用16位定时器TO和Tl，并且PCA模块可再实现4个16位定时器；利用ISP/IAP 技术可将内部12K字节的Data Flash当作EEPROM使用，方便地进行字节读、字节编程和扇 区擦除等，其擦写次数达10万次以上。此外，内部引入了看门狗功能，极大地方便了单片机 系统的可靠性设计。图中微处理器1的第3与4引脚分别与晶振Y1、第十三电容C13、第 十四电容Q4相连，作为微处理器i的时钟电路。微处理器1的第31引脚经过第十五电容 C15与CPU_VCC相连，经过第十八电阻R18与电源地相连作为微处理器1的复位电路。微处 理器1的第28引脚分别与CPU_VCC、第十六电容C16、第十七电容C17相连作为微处理器1 的工作电源。微处理器1的第26、15引脚作为第一开关控制电路6与第二开关控制电路7的PWM输出端口。微处理器1的第1引脚与第32引脚作为在线烧程序端口，微处理器1的 第17、20引脚作为线圈电压/电流检测电路8的输入端口，微处理器1的第18引脚作为控 制电压检测模块3的输入端口。图中JP2为在线编程接口，用于微处理器1的在线下载程 序和在线升级程序。如图5所示，本发明的开关电源电路4中第一电容Cl并联于交流电源输入14的 两端，交流电源输入14的L端分别连接第一 AC/DC模块Ul的第1引脚、第二 AC/DC模块U2 的第1引脚，交流电源输入14的N端分别连接第一 AC/DC模块U1、第二 AC/DC模块U2的 第2引脚。第二电容C2、第三C3并联于第一 AC/DC模块Ul的第一路输出的第4引脚与第 3引脚之间，输出第一路工作电源VCC;第四电容C4、第五电容C5并联于第一 AC/DC模块Ul 第二路输出的第6引脚与第5引脚之间，输出第二路工作电源VCCl ；第六电容C6、第七电容 C7并联于第二 AC/DC模块U2输出端的第3引脚与第4引脚之间，输出第三路5V工作电源。 其中第一 AC/DC 模块 Ul 型号为 XMA3. 5-WD05P05M，第二 AC/DC 模块 U2 型号为 DBA2. 5-S05W。 其中第一路VCC工作电源主要作为备用电源控制模块5、第一开关控制电路6等模块芯片的 工作电源，第二路VCCl工作电源主要作为线圈电压检测电路8的工作电源，第三路5V工作 电源主要作为线圈电流检测电路8的工作电源。同时开关电源电路4中的第一路VCC工作 电源为备用电源控制模块5充电，备用电源控制 模块5为微处理器1、第二开关控制电路7 提供可靠的工作电源，以便断电后的接触器的可靠分闸。如图6所示，本发明的备用电源控制模块5，图中开关电源电路4中第一路工作电 源VCC通过第十七电阻R17与锗二极管D6的正端相连，锗二极管D6的负端分别与备用电 池BYDYl的正极、接插件JP1-4引脚相连，备用电池BYDYl的负极与电源地相连。接插件 JP1-2、JP1_3引脚与微处理器1的工作电源CPU_VCC相连，接插件JPl-I引脚与开关电源电 路4中第一路工作电源VCC相连。正常工作状态下，利用短接件把接插件JP1-3、JP1-4引 脚连接在一起。为了实现系统外部电源断电后预定时间内，智能永磁接触器仍能继续工作 以完成分闸指令的发送，微处理器1的工作电源CPU_VCC不是直接取自开关电源电路4中， 而是取自备用电池BYDYl中，开关电源电路4正常工作时为备用电源控制模块5中的备用 电池BYDYl充电；当外部交流电源输入14断电，开关电源电路4虽立即停止工作，但此时备 用电池BYDYl储能足够在所需时间内维持微处理器1、第二开关控制电路7的正常工作，保 证永磁接触器的可靠分闸。 如图7所示，本发明的第一开关控制电路6、第二开关控制电路7包括与交流220V 电源输入相连接的输入接插件J1，交流电源的输入端经过保险丝Fl与整流桥DO的输入端 相连，第八电容C8、压敏电阻RYl并联于整流桥DO的输入端。其中第八电容C8为滤波电 容，RYl为过压保护。整流桥DO输出的正端经过第一二极管Dl连接输入接插件J2-1端， 第九电容C9、第十电容C10、第一电阻Rl分别与第十一电容C11、第十二电容C12、第二电阻 R2串联后一端与第一二极管Dl的负端相连，另一端与整流桥DO的输出负端相连。第九电 容C9、第十电容ClO的负端、第一电阻Rl的一端分别与第十一电容C11、第十二电容C12的 正端、第二电阻R2的一端相连。其中第九电容C9、第十电容C10、第i^一电容C11、第十二 电容C12以及第一电阻R1、第二电阻R2组成复合的滤波电路，以便为线圈提供平滑的直流 电压。第三电阻R3、第四电阻R4串联后一端与接插件J2-1端相连，另一端与整流桥DO的 输出负端相连。其中接插件J2为线圈电流检测的检测端口。开关电源电路4的第一路工作电源VCC分别通过第五电阻R5、第八电阻R8分别与第五光耦TO、第六光耦U6的第1引 脚相连，第五光耦TO、第六光耦TO的第2引脚接微处理器1的第26引脚，第三DC/DC模块 U3、第四DC/DC模块U4的输出端第4引脚分别接第五光耦TO、第六光耦U6的第4引脚，第 五光耦TO、第六光耦U6的第3引脚分别通过第六电阻R6、第九电阻R9分别与第一功率开 关Q1、第三功率开关Q3的栅极连接，同时第五光耦U5的第3引脚通过第七电阻R7分别与 第一功率开关Ql的源级、第三DC/DC模块U3的第3引脚、线圈接插件J3-2端、第四功率开 关Q4的漏极相连接，第六光耦U6的第3引脚通过第十电阻RlO分别与第三功率开关Q3的 源级、第四DC/DC模块U4的第3引脚、整流桥DO的输出负端、 第四功率开关Q4的源极、第 二路工作电源VCCl的电源地相连接在一起。其中第一功率开关Ql与第三功率开关Q3分 别为功率器件MOSFET。第三DC/DC模块U3与第四DC/DC模块U4为+5V变成+12V的DC/ DC模块。第一功率开关Ql和第三功率开关Q3利用光耦实现对其驱动，第三与第四DC/DC 模块U3、U4输出+12V为第一功率开关Q1、第三功率开关Q3的栅源极之间提供+12V的导通 电压。当微处理器1的第26引脚输出低电平，从而分别使第五光耦TO与第六光耦TO导通， +12V电压加到第一功率开关Q1、第三功率开关Q3的栅源极两端，从而第一开关控制电路6 驱动第一功率开关Ql与第三功率开关Q3导通实现线圈的正向增磁。备用电源控制模块5 中的电源CPU_VCC分别通过第十一电阻R11、第十二电阻R12分别与第九光耦U9、第十光耦 UlO的第1引脚相连，第九光耦U9、第十光耦UlO的第2引脚接微处理器1的第15引脚，第 七DC/DC模块U7、第八DC/DC模块U8的输出端第4引脚分别接第九光耦U9、第十光耦UlO 的第4引脚，第九光耦U9、第十光耦UlO的第3引脚分别通过第十二电阻R12、第十五电阻 R15分别与第二功率开关Q2、第四功率开关Q4的栅极连接，第九光耦U9的第3引脚通过第 十三电阻R13分别与第二功率开关Q2的源级、第七DC/DC模块U7的第3引脚、线圈接插件 J3-1端、第三功率开关Q3的漏极相连接。第十光耦UlO的第3引脚通过第十六电阻R16分 别与第四功率开关Q4的源级、第八DC/DC模块U8的第3引脚相连接。第一功率开关Q1、 第二功率开关Q2的漏极与接插件J2-2端相连在一起。第三DC/DC模块U3、第四DC/DC模 块U4的两个输入端分别与开关电源电路4中的第一路工作电源VCC、GND相连，第七DC/DC 模块U7、第八DC/DC模块U8的输入端第1引脚与备用电源控制模块5中的CPU_VCC相连， U7、U8的第2引脚与GND相连。其中Q2与Q4分别为功率器件MOSFET。第七DC/DC模块U7 与第八DC/DC模块U8为+5V变成+12V的DC/DC模块。第二功率开关Q2和第四功率开关 Q4利用光耦实现对其驱动，第七DC/DC模块U7、第八DC/DC模块U8输出+12V为第二功率 开关Q2、第四功率开关Q4的栅源极之间提供+12V的导通电压。当微处理器1的第15引脚 输出低电平，从而使第九光耦U9和第十光耦UlO导通，+12V电压加到第二功率开关Q2、第 四功率开关Q4的栅源极两端，从而使第二开关控制电路7驱动第二功率开关Q2与第四功 率开关Q4导通实现线圈的反向弱磁。其中第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、 第五二极管D5分别反并联于第一功率开关Q1、第二功率开关Q2、第三功率开关Q3、第四功 率开关Q4的漏极与源极之间，用于功率开关的Q1、Q2、Q3、Q4的保护。
如图8所示，本发明的线圈电压/电流检测电路8以线性光耦器件HCNR200为核 心，HCNR200由一只高性能发光二极管LED和两只具有严格比例关系的光电二极管PDl和 PD2构成。LED与PDl组成隔离转换电路的输入部分并形成负反馈，PD2则作为隔离转换电 路的输出部分。LED发出的光被后两者接收，从而在器件输出端产生与光强度成正比的输出电流，PDl将产生的电流反馈到LED上，以对输入信号进行反馈控制。该电路由第三精密电 阻R3、第四精密电阻R4对线圈电压分压后，进入线圈电压检测电路的输入端口 COIL_Vol， 然后通过第十九电阻R19 —路与第一运放UlA相连，通过第二十电阻R20与线性光耦器件 U12的第1引脚相连，第二路工作电源VCCl与线性光耦器件U12的第2引脚相连；另一路与 线性光耦器件U12的第3引脚相连，线性光耦器件U12的第4引脚与第二路工作电源VCCl 的电源地相连。线性光耦器件U12的输出端第5、6引脚分别与第二运放U2A的第3、2引脚 相连，第二运放U2A的第11引脚分别与第一路工作电源VCC的电源地、5V稳压管D8的正端 相连，稳压管D8负端通过第二十二电阻R22、第二十电容C20滤波后接微处理器1的第17 引脚。线圈电流的接插件输入端口 J2-1通过第二十三电阻R23与输入端口 J2-2、第三路 5V工作电源地相连，线圈电流的接插件输入端口 J2-1 —路通过第二十四电阻R24与第三运 放U3A相连，通过第二十五电阻R25与线性光耦器件U13的第1引脚相连，第三路工作电源 5V与线性光耦器件U13的第2引脚相连；另一路与线性光耦器件U13的第3引脚相连，线 性光耦器件U13的第4引脚与第三路工作电源5V的电源地相连。线性光耦器件U13的输 出端第5、6引脚分别与第四运放U4A的第3、2引脚相连，第四运放U4A的第11引脚分别与 第一路工作电源VCC的电源地、5V稳压管D9的正端相连，稳压管D9的负端通过第二十七电 阻R27、第二十三电容C23滤波后接微处理器1的第20引脚。其中第一运放UlA和第二十 电阻R20以及第三运放U3A和第二十五电阻R25用于调节初级运放输入偏置电流If大小。 随着线圈电压以及电流信号的增加，第一运放U1A、第三运放U3A的反向输入端电压升高， 同时第一运放U1A、第三运放U3A的输出端电压降低将趋于0V，LED流过电流If增加，PDl 受到LED的照射使得电流Ipdi增加，从而把第一运放U1A、第三运放U3A的反向输入端电压 重新拉回0V。此时，If不再增加，电路形成稳定的负反馈。第十八电容C18、第二十一电容 C21起反馈作用，同时滤除电路中的毛刺信号，避免线性光耦器件HCNR200的LED受到意外 冲击。线性光耦器件U12与U13的输出端电压分别用5V稳压管D8与D9保护后经第二十二 电阻R22、第二十电容C20以及第二十七电阻R27、第二十三电容C23滤波电路滤除高频电 压信号，最后分别送入微处理器1的第17引脚与第20引脚。
如图9所示，本发明的无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器程序主流程 图。由于STC12C5612AD单片机内部有四路可编程计数器阵列(PCA)，PCA含有一个特殊的 16位定时器，有四个16位的捕获/比较模块与之相连。每个模块可编程工作在四种模式下 上升/下降沿捕获、软件定时器、高速输出或可调制脉冲输出(即PWM模式)。本发明利用 工作在P丽模式下的模块0 (PWMO)和模块1 (PWMl)产生P丽控制信号，对功率开关MOSFET 的门极进行触发，实现永磁接触器的合、分闸操作以及反向弱磁控制。PCA定时器是四个 PCA模块的公共时间基准，当工作在PWM模式下时，PCA定时器被拆分为两个独立的8位定 时器，特殊功能寄存器CL和CH分别用来存放PCA定时器的低8位和高8位。PWM的输出频 率取决于PCA定时器的时钟源。PCA时钟输入源可以为以下四种中的任意一种FoSC/12、 Fosc/2、定时器0的溢出和ECI/P3. 4输入。本发明选择定时器0的溢出作为PCA时钟源。 由于PWM定时器为8位，所以PWM周期=256/定时器0的溢出频率。适当设置定时器0的 初值便可得到所需周期的PWM输出。图中，X2为动铁心从分闸位置运动到合闸位置的总行 程，PWM0、PWM1分别为永磁接触器弱磁与增磁PWM驱动信号。无位置传感器反向弱磁控制的 智能永磁接触器工作流程为程序开始通过控制电压检测模块3检测外部交流电压值，若检测得到的电压在70% 115%范围内，则由微处理器1输出相应的PWM控制脉冲信号初 始化PCA定时器，同时每一个采样周期开始检测，对线圈的电压u和电流i进行采样，并计 算出动铁心位移X，根据χ的大小选择相应的PWMl占空比。当检测到位移0 < χ < X1时， 微处理器1选择相应的PWMl占空比驱动第一开关控制电路6使第一功率开关Q1、第三功率 开关Q3导通，使永磁接触器实现增磁；当检测到位移X1 < χ < X2时，微处理器1选择相应 的PWMO占空比驱动第二开关控制电路7使第二功率开关Q2、第四功率开关Q4导通，使永磁 接触器实现弱磁，当检测到位移χ的值到达最大X2时，迅速关断合闸回路，这样使得电气过 渡时间和机械动作时间严格匹配，大大缩短了功率开关器件导通和发热时间，延长了功率 器件的寿命，而且很大程度上减少了触头的一、二次弹跳，有效地提高了永磁接触器的电气 和机械寿命。 永磁接触器合闸过程中产生的触头一、二次弹跳的次数可以直观反映接触器的电 气和机械寿命，触头一、二次弹跳的次数越多，电气寿命越短。为了反映触头的弹跳次数，本 发明针对KFC2-250A的E形永磁机构的接触器利用该无位置传感器反向弱磁控制策略以及 无智能控制策略的两种情况进行了实验验证。实验中触头弹跳采用以5V直流电压将电阻 与接触器触头串联，通过测量电阻两端电压的变化 得到合间过程中触头发生振动的情况。 图10所示为两种控制情况下的实验波形。从图中可以看出，相比较于图10(a)接触器在图 10(b)所示的无位置传感器反向弱磁控制策略下，使永磁接触器在合间过程的动态吸力与 反力达到了良好配合，动铁心运动过程趋于减速，尤其在动铁心合闸末期，由于对线圈施加 了反向电流，很大程度上降低了动铁心合闸瞬间末速度，有效地实现了动铁心软着陆于静 铁心，减小了动静铁心的碰撞能量，使触头一、二弹跳次数明显减少，提高了永磁接触器的 电气和机械寿命。
权利要求
一种无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器，其特征在于该接触器以微处理器(1)为中心，微处理器(1)的输入端分别接控制电压检测模块(3)、备用电源控制模块(5)、线圈电压/电流检测电路(8)的输出端，微处理器(1)的输出端分别连接第一开关控制电路(6)、第二开关控制电路(7)的输入端；交流电源输入(14)分别接整流滤波电路(2)、控制电压检测模块(3)、开关电源电路(4)的输入端；整流滤波电路(2)的输出端一路依次连接第一功率开关(9)、线圈(13)、第三功率开关(11)，另一路依次连接第二功率开关(10)、线圈(13)、第四功率开关(12)；线圈(13)连接线圈电压/电流检测电路(8)的输入端；第一开关控制电路(6)输出端分别连接第一功率开关(9)、第三功率开关(11)的输入端，第二开关控制电路(7)输出端分别连接第二功率开关(10)、第四功率开关(12)的输入端；开关电源电路(4)连接备用电源控制模块(5)的输入端，备用电源控制模块(5)的输出端分别接微处理器(1)、第二开关控制电路(7)的输入端。
2.根据权利要求1所述的无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器，其特征在 于，所述的控制电压检测模块(3)以霍尔电压传感器VSM025A为核心，交流电源输入(14) 的一个输入端L通过第二十八电阻(R28)与霍尔电压传感器(U14)的第1引脚相连，另一 个输入端N与霍尔电压传感器(U14)的第2引脚相连；DC/DC模块(U15)的第3引脚、第5引脚分别与霍尔电压传感器(U14)的第4引脚、第5引脚相连； 第二十九电阻(R29)与第七稳压管(D7)并联后一端与霍尔电压传感器(U14)的第3引脚、 第三十电阻(R30)的一端相连，另一端与第一路工作电源VCC的电源地、DC/DC模块(U15) 的第4引脚、第二十四电容(C24)的一端相连；第三十电阻(R30)的另一端与第二十四电容 (C24)的另一端、微处理器(1)的第18引脚相连，DC/DC模块(U15)的两个输入端分别与开 关电源电路⑷中的第三路工作电源5V、0V相连。
3.根据权利要求1所述的无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器，其特征在 于，所述的开关电源电路⑷中第一电容Cl并联于交流电源输入(14)的两端，交流电源输 入(14)的L端分别连接第一 AC/DC模块(Ul)、第二 AC/DC模块(U2)的第1引脚，交流电 源输入(14)的N端分别连接第一 AC/DC模块(Ul)、第二 AC/DC模块(U2)的第2引脚；第 二电容(C2)、第三电容(C3)并联于第一 AC/DC模块(Ul)的第一路输出的第4引脚与第3 引脚之间，输出第一路工作电源VCC ；第四电容(C4)、第五电容(C5)并联于第一AC/DC模块 (Ul)第二路输出的第6引脚与第5引脚之间，输出第二路工作电源VCCl ；第六电容(C6)、 第七电容(C7)并联于第二 AC/DC模块(U2)输出端的第3引脚与第4引脚之间，输出第三 路5V工作电源，其中第一 AC/DC模块(Ul)型号为XMA3. 5-WD05P05M，第二 AC/DC模块(U2) 型号为 DBA2. 5-S05W。
4.根据权利要求1所述的无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器，其特征在 于，所述的第一开关控制电路(6)、第二开关控制电路(7)包括与交流220V电源输入相连接 的输入接插件(Jl)，交流电源的输入端经过保险丝(Fl)与整流桥(DO)的输入端相连，第八 电容(C8)、压敏电阻(RYl)并联于整流桥(DO)的输入端；整流桥(DO)输出的正端经过第 一二极管(Dl)连接电流输入接插件的J2-1端，第九电容(C9)、第十电容(ClO)、第一电阻 (Rl)分别与第十一电容(Cll)、第十二电容(C12)、第二电阻(R2)串联后一端与第一二极管 (Dl)的负端相连，另一端与整流桥(DO)的输出负端相连；第九电容(C9)、第十电容(ClO) 的负端、第一电阻(Rl)的一端分别与第十一电容(Cll)、第十二电容(C12)的正端、第二电阻(R2)的一端相连；第三电阻(R3)、第四电阻(R4)串联后一端与电流输入接插件J2-1端相连，另一端与整流桥(DO)的输出负端相连；开关电源电路(4)的第一路工作电源VCC分 别通过第五电阻(R5)、第八电阻(R8)分别与第五光耦⑴5)、第六光耦(U6)的第1引脚相 连，第五光耦⑴5)、第六光耦(U6)的第2引脚接微处理器(1)的第26引脚，第三DC/DC模 块(U3)、第四DC/DC模块(U4)的输出端第4引脚分别接第五光耦⑴5)、第六光耦(U6)的第 4引脚，第五光耦⑴5)、第六光耦(U6)的第3引脚分别通过第六电阻(R6)、第九电阻(R9) 分别与第一功率开关Q1、第三功率开关Q3的栅极连接，同时第五光耦(U5)的第3引脚通 过第七电阻(R7)分别与第一功率开关Ql的源级、第三DC/DC模块(U3)的第3引脚、线圈 接插件J3-2端、第四功率开关Q4的漏极相连接，第六光耦(U6)的第3引脚通过第十电阻 (RlO)分别与第三功率开关Q3的源级、第四DC/DC模块(U4)的第3引脚、整流桥(DO)的输 出负端、第四功率开关Q4的源极、第二路工作电源VCCl的电源地相连接在一起；备用电源 控制模块(5)中的电源CPU_VCC分别通过第十一电阻(Rll)、第十二电阻(R12)分别与第九 光耦(U9)、第十光耦(UlO)的第1引脚相连，第九光耦(U9)、第十光耦(UlO)的第2引脚接 微处理器(1)的第15引脚，第七DC/DC模块(U7)、第八DC/DC模块(U8)的输出端第4引脚 分别接第九光耦(U9)、第十光耦(UlO)的第4引脚，第九光耦(U9)、第十光耦(UlO)的第3 引脚分别通过第十二电阻(R12)、第十五电阻(R15)分别与第二功率开关Q2、第四功率开关 Q4的栅极连接，第九光耦(U9)的第3引脚通过第十三电阻(R13)分别与第二功率开关Q2 的源级、第七DC/DC模块(U7)的第3引脚、线圈接插件J3-1端、第三功率开关Q3的漏极相 连接；第十光耦(UlO)的第3引脚通过第十六电阻(R16)分别与第四功率开关Q4的源级、 第八DC/DC模块(U8)的第3引脚相连接；第一功率开关Q1、第二功率开关Q2的漏极与接 插件J2-2端相连在一起；第三DC/DC模块(U3)、第四DC/DC模块(U4)的两个输入端分别 与开关电源电路(4)中的第一路工作电源VCC、GND相连，第七DC/DC模块(U7)、第八DC/DC 模块(U8)的输入端第1引脚与备用电源控制模块(5)中的CPU_VCC相连，第七DC/DC模块 (U7)、第八DC/DC模块(U8)的第2引脚与GND相连；第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第 四二极管(D4)、第五二极管(D5)分别反向并联于功率开关Q1、Q2、Q3、Q4的漏极与源极之 间，用于功率开关的保护；其中第三DC/DC模块(U3)、第四DC/DC模块(U4)、第七DC/DC模 块(U7)、第八DC/DC模块(U8)的型号为14D-05S12NCNL，功率开关Q1、Q2、Q3、Q4的型号为 M0SFET-IRFP350。
5.根据权利要求1所述的无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器，其特征在 于，所述的第一开关控制电路(6)驱动第一功率开关Ql与第三功率开关Q3实时导通实现 合闸过程中线圈的正向增磁；第二开关控制电路(7)驱动第二功率开关Q2与第四功率开关 Q4实时导通，实现合闸过程中线圈的反向弱磁。
6.根据权利要求1所述的无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器，其特征在 于，所述的线圈电压/电流检测电路(8)以线性光耦器件HCNR200为核心，由第三电阻 (R3)、第四电阻(R4)对线圈电压分压后，进入线圈电压检测电路的输入端口 C0IL_Vol，然 后通过第十九电阻(R19) —路与第一运放(UlA)相连，通过第二十电阻(R20)与线性光耦 器件(U12)的第1引脚相连，第二路工作电源VCCl与线性光耦器件(U12)的第2引脚相 连；另一路与线性光耦器件(U12)的第3引脚相连，线性光耦器件(U12)的第4引脚与第二 路工作电源VCCl的电源地相连；线性光耦器件(U12)的输出端第5、6引脚分别与第二运放(U2A)的第3、2引脚相连，第二运放(U2A)的第11引脚分别与第一路工作电源VCC的电源 地、 5V稳压管(D8)的正端相连，5V稳压管(D8)负端通过第二十二电阻(R22)、第二十电容 (C20)滤波后接微处理器(1)的第17引脚；线圈电流的接插件输入端口 J2-1通过第二十三 电阻(R23)与输入端口 J2-2、第三路5V工作电源地相连，线圈电流的接插件输入端口 J2-1 一路通过第二十四电阻(R24)与第三运放(U3A)相连，通过第二十五电阻(R25)与线性光 耦器件(U13)的第1引脚相连，第三路工作电源5V与线性光耦器件(U13)的第2引脚相 连；另一路与线性光耦器件(U13)的第3引脚相连，线性光耦器件(U13)的第4引脚与第三 路工作电源5V的电源地相连；线性光耦器件(U13)的输出端第5、6引脚分别与第四运放 (U4A)的第3、2引脚相连，第四运放(U4A)的第11引脚分别与第一路工作电源VCC的电源 地、5V稳压管(D9)的正端相连，5V稳压管(D9)的负端通过第二十七电阻(R27)、第二十三 电容(C23)滤波后接微处理器(1)的第20引脚。
全文摘要
无位置传感器反向弱磁控制的智能永磁接触器主要包括微处理器、整流滤波电路、控制电压检测模块、开关控制电路、功率开关、线圈电压/电流检测电路、开关电源电路、备用电源控制模块等。其中第一开关控制电路驱动功率开关Q1与Q3导通实现线圈的正向增磁；第二开关控制电路驱动功率开关Q2与Q4导通实现线圈的反向弱磁。本发明采用实时检测线圈电压和电流信号估算出接触器合闸过程动铁心实时位移信号实现一种无位置传感器检测方法，通过动铁心位移信号的反馈，采用反向弱磁控制策略，对接触器合闸过程形成检测-反馈-调节-控制的智能化闭环操作，使其动态吸力和反力达到良好配合，减少触头的一、二次弹跳，提高接触器的电气和机械寿命。
文档编号H02J9/04GK101866777SQ201010173208
公开日2010年10月20日 申请日期2010年5月14日 优先权日2010年5月14日
发明者任其文, 房淑华, 林鹤云, 汪先兵, 金平 申请人:东南大学