基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制系统及方法，属于自动控制电器元件领域。将闭环控制系统与接触器相结合，通过速度检测和单片机，检测并控制铁芯的运动速度，对接触器的进行闭环控制。本发明能够实现触头无弹跳闭合和无弧分断，从而达到提高接触器使用寿命的目的，且适应性强，可靠性高，适于推广应用。
【专利说明】基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于自动控制电器元件领域，主要涉及一种可以实现接触器无弹跳闭合和 无弧分断的闭环控制系统及方法，特别是涉及一种基于运动过程随动控制的智能接触器闭 环控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 接触器是一种应用广泛的自动控制电器元件，其性能指标不仅有直接的经济利 益，而且接触器工作的高可靠性对电力系统与自动控制系统的运行是至关重要的。由于频 繁的操作，接触器必须具有足够长的使用寿命才能保证一定的使用期限。正常情况下，接触 器电寿命一般为其机械寿命的1/5至1/20,因而提高电寿命才是提高接触器使用寿命的关 键。而影响接触器电寿命的主要因素是吸合时碰撞引起的二次弹跳产生的电磨损和分闸时 产生的电弧。如果能实现接触器无弹跳闭合和无弧分断就能减小接触器触头的电磨损，使 接触器的电寿命提高近20倍，甚至高于机械寿命，这是相当可观的数据。除此之外，无弧 分断还可以减少有害金属蒸汽对空气的污染，降低对灭弧装置的要求，提高接触器的实际 通断能力。正因为如此，接触器的无弹跳闭合和无弧分断技术一直是电器领域中研究的热 点问题之一。采用智能控制是实现接触器无弹跳闭合和无弧分断，提高接触器电气寿命的 有效途径。
[0003] 近年来，国内外学者围绕交流接触器动态特性和智能控制做了许多的研究和探索 工作。1996年西英格兰大学的H.N 〇uri提出了一种采用直流励磁并将励磁周期分成励磁 和停歇两个阶段的操作方案，通过采用控制和限定线圈的通电时间来减少闭合过程中触头 运动的速度，使触头振动时间最短。2000年，Kiely等人提出了一种交流接触器的电子操作 方案，其原理是对接触器线圈用直流励磁，并在电磁铁动作过程中，把励磁周期分成通电和 停歇2个阶段。通过改变停歇时间可以改变电磁铁动铁芯的闭合速度，并达到减小触头振 动的目的。这就是智能型交流接触器的雏形。
[0004] 接触器智能化的问题越来越得到我国学者的广泛关注。2001年，福州大学张培萌 等人在接触器两相触头上各接一个单向晶闸管，通过单片机控制晶闸管的通断来实现接触 器的少弧或无弧运行。2010年，汪先兵等人提出了一种通过控制PWM占空比的智能控制方 法，来控制线圈电流，减少触头一、二次弹跳。许志红等人将蚁群算法应用在智能交流接触 器电磁系统的优化计算中，得到较为满意的设计参数，使智能交流接触器具有更加合理的 电磁机构与动态特性。福州大学、河北工业大学、西安交通大学等高校也都做了大量工作， 对接触器的无弧分断和无弹跳闭合提出了大量有价值的方法和思路。
[0005] 但是，以上方法和思路都存在一定的不足和缺陷。以上所提到的控制方法都是是 开环控制，这些方法控制精度低，容易受到外界干扰，输出一旦出现误差无法补偿，所以不 能够较好的实现无弹跳闭合或者只能在某一特定情况下实现无弹跳闭合。这些设计对外界 条件要求高，且可靠性差。由于机构动作的分散性和时效性较大，影响机构动作时间的不确 定因素较多，现有的控制方法已经满足不了需求，急需一种新的控制方法的出现。
【发明内容】
[0006] 发明目的 针对现有技术的不足，本发明提出一种基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制 系统及方法，对接触器进行闭环控制，能够实现触头无弹跳闭合和无弧分断，从而达到提高 接触器使用寿命的目的。
[0007] 技术方案 一种基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制系统，其特征在于：控制系统包括 单片机、驱动电路、速度检测模块和接触器，其中单片机包括速度给定模块、加减运算模块、 PID控制器和A/D转换模块，速度给定模块与A/D转换模块通过加减运算模块连接PID控制 器，PID控制器连接驱动电路，驱动电路连接接触器，接触器连接速度检测模块，速度检测模 块连接A/D转换模块。
[0008] -种如上所述基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制系统的控制方法，其 特征在于：将闭环控制应用于智能接触器中，控制接触器的动态特性；由单片机控制接触 器线圈的电压，通过速度检测模块来实时的检测铁芯的速度，然后将速度信号反馈到单片 机中，与事先设定的速度规划曲线进行比较，进行PID调节，然后单片机再调整输出的电 压，从而调整铁芯的速度，形成一个闭环的控制系统。
[0009] 上述的基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制方法，其特征在于：具体步 骤如下： 步骤1 :通过单片机给驱动电路电压，经过驱动电路的放大和调理后，给接触器的线圈 供电，使铁芯动作； 步骤2 :通过速度检测模块，将铁芯的实时运动状态通过模拟信号传给单片机； 步骤3 :经过A/D转换模块后，将速度给定模块与得到的数字信号比较，经过加减运算 模块得出差值，经过PID控制器调节后得出最优的输出电压； 步骤4:然后再经过驱动电路的放大和调理后，给线圈供电，形成闭环控制系统。
[0010] 优点及效果 本发明是一种基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制系统及方法，具有如下优 点和有益效果： 本发明不同于传统的智能接触器的控制方法。首次将闭环控制思想应用于智能电器领 域，对智能电器的发展有很强的推动作用。采用闭环控制将影响接触器运动时间的诸多不 确定因素加以弱化，使本接触器的适应性和可靠性有了很大的提高，且能够规划接触器的 动态特性，实现了接触器触头运动过程的分阶段控制。使分、合过程的触头运动跟随事先规 划好的运动特性，可以准确控制每触头的分断时刻、闭合时刻，克服了动作机构分散性、使 用环境不确定性等诸多不确定因素对接触器分断时间不稳定造成的影响，使接触器的无电 弧分断向实际应用迈进了一步，对无弧分断的研究有很大的推动作用。本发明的新型接触 器基本消除了触头闭合时产生的弹跳和分闸时产生的电弧，提高了接触器的使用寿命，且 适应性强，可靠性高，具有很强的市场竞争力和广泛的应用前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 图1是本发明的控制系统原理图； 图2为本发明的硬件电路图。
[0012] 附图标记说明： 1 一速度给定模块，2-加减运算模块，3 -PID控制器，4一驱动电路，5-A/D转换模块， 6一速度检测模块，7-接触器。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图对本发明做进一步的说明： 本发明提出了一种基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制系统，如图1和图2 中所示，控制系统包括单片机、驱动电路4、速度检测模块6和接触器7,其中单片机包括速 度给定模块1、加减运算模块2、PID控制器3和A/D转换模块5,速度给定模块1与A/D转 换模块5通过加减运算模块2连接PID控制器3, PID控制器3连接驱动电路4,驱动电路4 连接接触器7,接触器7连接速度检测模块6,速度检测模块6连接A/D转换模块5。
[0014] 一种如上所述基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制系统的控制方法，其 特征在于：将闭环控制应用于智能接触器中，控制接触器的动态特性；由单片机控制接触 器线圈的电压，通过速度检测模块来实时的检测铁芯的速度，然后将速度信号反馈到单片 机中，与事先设定的速度规划曲线进行比较，进行PID调节，然后单片机再调整输出的电 压，从而调整铁芯的速度，形成一个闭环的控制系统。
[0015] 上述基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制方法，其具体步骤如下： 步骤1 :通过单片机给驱动电路4电压，经过驱动电路的放大和调理后，给接触器7的 线圈供电，使铁芯动作； 步骤2 :通过速度检测模块6,将铁芯的实时运动状态通过模拟信号传给单片机； 步骤3 :经过A/D转换模块5后，将速度给定模块1与得到的数字信号比较，经过加减 运算模块2得出差值，经过PID控制器调节后得出最优的输出电压； 步骤4 :然后再经过驱动电路4的放大和调理后，给线圈供电，形成闭环控制系统。 [0016] 本发明这种基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制系统的原理如下：由单 片机控制线圈的电压，通过速度检测模块的传感器来实时的检测铁芯的速度，然后将速度 信号反馈到单片机中，与事先设定的速度规划曲线进行比较，进行PID调节，然后单片机再 调整输出的电压，从而调整铁芯的速度，形成一个闭环的控制系统，吸合时，通过给线圈电 压使铁芯做加速运动，运动到某一位置后，在反力的作用下使线圈做减速运动，使铁芯在将 要闭合时的速度将为〇,但还保持很大的加速度，这样在碰撞时动能为〇就不能产生弹跳， 而且还有很大的加速度也就是还有很大的压力，这样就可以做到无弹跳闭合。在分断时，使 铁芯的速度降为〇,并保持较大的加速度，减小铁芯与支架的碰撞，减小铁芯的震动，提高接 触器的使用寿命。
[0017] 本发明是一种闭环控制方法，通过速度反馈来实时检测铁芯的运动状态，通过单 片机控制，使触头达到无弹跳开合闸。通过单片机给驱动电路4电压，经过驱动电路的放大 和调理后，给接触器7的线圈供电，使铁芯动作，分合闸动作开始。通过速度检测模块6,一 般都采用精度高响应速度快的速度传感器来检测铁芯的运动速度，得到实时的铁芯的运动 状态。传感器将铁芯的实时运动状态通过模拟信号传给单片机。经过A/D转换模块5,将模 拟信号转换成单片机可识别的数字信号。速度给定模块1存储于单片机中，这里的速度给 定模块是根据接触器的工作气隙长度、触头系统的质量等，得出的最优的铁芯运动的速度 曲线，曲线大致为：在吸合时，使触头先加速运动，到达某一位置后，开始做减速运动。使铁 芯在将要闭合时，触头的速度为0,加速度还很大。在开闸时，同理。将速度给定模块1与得 到的数字信号比较，经过加减运算模块2得出差值，经过PID控制器调节后得出最优的输出 电压。然后再经过驱动电路4的放大和调理后，给线圈供电。形成闭环控制系统。在实际 速度小于给定速度曲线时，给线圈通电，使衔铁加速运动，当实际速度大于给定曲线时，在 反力的作用下比如弹簧反力，使铁芯做减速运动。使铁芯的实际速度与给定的最优速度曲 线相吻合。实现了接触器无弹跳闭合和无弧分断，从而提高接触器的使用寿命，首次将闭环 控制应用于接触器中，对智能电器的发展有重要的意义。
【权利要求】
1. 一种基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制系统，其特征在于：控制系统包 括单片机、驱动电路（4)、速度检测模块（6)和接触器（7)，其中单片机包括速度给定模块 (1)、加减运算模块（2)、PID控制器（3)和A/D转换模块（5)，速度给定模块（1)与A/D转换 模块（5)通过加减运算模块（2)连接PID控制器（3)，PID控制器（3)连接驱动电路（4)，驱 动电路（4 )连接接触器（7 )，接触器（7 )连接速度检测模块（6 )，速度检测模块（6 )连接A/D 转换模块（5)。
2. -种如权利要求1所述基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制系统的控制 方法，其特征在于：将闭环控制应用于智能接触器中，控制接触器的动态特性；由单片机控 制接触器线圈的电压，通过速度检测模块来实时的检测铁芯的速度，然后将速度信号反馈 到单片机中，与事先设定的速度规划曲线进行比较，进行PID调节，然后单片机再调整输出 的电压，从而调整铁芯的速度，形成一个闭环的控制系统。
3. 根据权利要求2所述的基于运动过程随动控制的智能接触器闭环控制方法，其特 征在于：具体步骤如下： 步骤1 :通过单片机给驱动电路（4)电压，经过驱动电路的放大和调理后，给接触器（7) 的线圈供电，使铁芯动作； 步骤2 :通过速度检测模块（6)，将铁芯的实时运动状态通过模拟信号传给单片机； 步骤3 :经过A/D转换模块（5)后，将速度给定模块（1)与得到的数字信号比较，经过加 减运算模块（2)得出差值，经过PID控制器调节后得出最优的输出电压； 步骤4 :然后再经过驱动电路（4)的放大和调理后，给线圈供电，形成闭环控制系统。
【文档编号】G05B19/042GK104155908SQ201410418718
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月25日 优先权日:2014年8月25日
【发明者】宗鸣, 曹正第, 董天宇 申请人:沈阳工业大学