专利名称：基于脉宽调制技术的永磁机构控制器的制作方法
技术领域：
本发明属于输配电设备的中低压电器领域，涉及一种永磁机构控制器， 特别涉及一种基于脉宽调制技术的永磁机构控制器。
背景技术：
由于直流电网结构的特有优点，在船舶电力等领域具有由传统的低压交 流辐射型网络向中压交流/直流环网过渡的趋势。因此开展中压直流电力系 统及配套设备的研究已成为世界性的热点。对于中压直流电网而言，直流断 路器的缺乏使其成为研究直流网络保护动作的重要环节之一。由于永磁机构 所具有的独特优点及其在真空断路器和接触器领域的成功应用，永磁操动机 构也逐渐应用于直流断路器领域。近年来前人针对永磁机构做过各种有益的探索，这些探索主要基于如下 思想，即将电磁操动机构或弹簧操动机构替换成永磁机构，利用永磁力使永 磁机构保持在合闸位置，通过合闸控制和分闸控制实现永磁机构的合闸与分 闸。虽然具备上述工作特性的传统永磁机构具有节能降噪，简化结构，提高 吸合可靠性等诸多优点，然而这些研究还存在一些缺陷，主要表现为以下两 种形式一、永磁机构驱动控制器在电网系统供电电压偏低或不正常供电时， 永磁机构无法可靠分断；二、当长期失电后，永磁机构因人为原因不慎闭合 需要分断时，由于控制电路无储能而无法分断。针对上述不足，申请人也进行了专题研究，并先后申请了专利号为CN200510041964.1,专利名为'永磁机构接触器合闸失压保护和分闸提高 刚分速度的方法，的专利和专利号为CN200610104936.4，专利名为'一种 具有并联磁路的永磁机构接触器'的专利，对传统永磁机构工作原理提出了
改进，提高了永磁机构工作可靠性，也保留了传统永磁机构所具的节能降噪 等优点，并在此基础上提出了工作原理有别于传统永磁机构的新型永磁机 构，新型永磁机构的工作原理主要进行了以下改进永磁机构在合闸位置处 永久磁铁提供的磁吸力小于弹簧反力，给线圈通一较小电流，使永久磁铁和 线圈的合成磁势产生吸力保持永磁机构闭合，当电网系统供电电压偏低或线 圈两端不通电时永磁机构会在反力作用下自动分断。目前，对于永磁机构控制器的研究大都集中在传统永磁机构控制器上， 但是由于上述无需分闸控制能够自动分断的新型永磁机构其控制原理与传 统永磁机构不同，故对于该新型永磁机构的控制器还少有研究。此外现有控 制器普遍引入微处理器，虽然微处理器能够实现对传统永磁机构分、合闸的 智能控制，但仍存在一些不足，主要表现在当开关电器运行于恶劣的工作环 境中时，由于众多干扰源可能造成微处理器软硬件无法正常工作，例如硬 件部分，通常微处理器都有一个复位引脚，用于系统的复位，但复位电路易 受电源波动的干扰，当微处理器电源受到干扰后，电压下降至低电平时，复 位端电位也随之下降至低电平，使微处理器无法正常工作；软件部分，程序 在运行过程中，有时由于某种噪声干扰的影响，会出现死循坏现象，或者出 现程序"乱飞"现象，影响系统的正常工作。上述因素都会降低控制器的工 作稳定性和可靠性。发明内容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出一种基于脉宽调制技术(PWM)的永磁机构控制器，以实现对上述新型永磁机构的 控制，该控制器以PWM控制芯片为核心元件采用电子电路控制，克服了上 述现有控制器的不足，具有电路结构简单，体积小，控制过程稳定，抗干扰 能力强及成本低廉等优点。为实现上述任务，本发明采取如下的技术方案
一种基于脉宽调制技术的永磁机构控制器，包括线圈供电模块和脉宽调 制控制模块，'其特征在于，所述的线圈供电模块由整流滤波电路和相连接的 降压斩波电路组成；所述的脉宽调制控制模块由延时电路、控制信号调节电 路和PWM控制电路组成；在脉宽调制控制模块内部，延时电路、控制信号调节电路和PWM控制电路依次相连，辅助电源分别为延时电路、控制信号 调节电路和PWM控制电路提供所需直流电压；脉宽调制控制模块的PWM 控制电路与线圈供电模块的降压斩波电路连通；交流输入电源经整流滤波电路整流滤波为降压斩波电路所需的平滑直 流电压，该平滑直流电压通过降压斩波电路获得所需的可调直流斩波电压加在永磁机构操作线圈上；脉宽调制控制模块的PWM控制电路将延时电路和控制信号调节电路 提供的可变给定控制信号与PWM控制电路产生的锯齿波信号进行比较，确 定输出控制脉冲的占空比，通过控制脉冲的通断调节线圈两端的直流斩波电压。本发明提出的基于脉宽调制(PWM)技术的永磁机构控制器，具有如下的技术特点1、 新型永磁机构线圈两端加的控制电压为直流斩波电压，由于控制器中选用的功率开关器件MOSFET的工作频率高，当工作频率达到几十千赫 时即可避免由于线圈通以低频斩波电压而使永磁机构产生的振动噪音，达到 与线圈两端通直流电压同样的效果，同时省去了输出滤波环节，克服了由于 储能元件易坏而使控制器可靠性降低的缺点，有效的降低了控制器成本，縮 小了控制器体积。2、 根据新型永磁机构的工作原理，要求线圈两端所加的控制电压在合 闸过程完成后能够由高的合闸电压自动调节成低的保持电压，这个控制电压 自动转换调节功能通过延时电路和控制信号调节电路实现，并且延时电路可 根据不同的合闸时间调节合闸电压维持时间，同时控制信号调节电路输出的 控制信号，其高低电压值均可灵活调节，从而使合闸电压和保持电压能够分 别实现单独调节。3、本发明对控制信号调节电路提出两种实现方式，其中方式一是由调 压电路和三极管组成，该电路结构简单，元器件数量少，有利于控制器的小 型化，但是由于这种方式对于控制信号高低电压值的单独调节，原理较为复 杂，调节不方便，故本发明又提出第二种实现方式，方式二是由二选一数控模拟开关CD4053和调压电路组成，该电路对于控制信号高低电压值的单独 调节，原理简单，调节方便，实现了对控制信号的精确调节。
图1是新型永磁机构线圈供电电压示意图；图2是基于脉宽调制技术永磁机构控制器的结构框图；图3是控制器主电路原理图；图4是主电路实测输出电压波形；图5是控制器延时电路原理图；图6是延时电路实测输出电压波形；图7是PWM控制芯片TL494脉宽调压原理图；图8是控制器PWM控制电路原理图；图9是控制器两种控制信号调节电路原理图；图10是控制信号调节电路和PWM控制电路实测输出电压波形；以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
1、新型永磁机构控制原理及控制器结构设计 1)新型永磁机构控制原理与传统永磁机构工作原理不同，新型永磁机构能够实现无需分闸控制即
可自动分断，而实现上述改进主要在于对永磁机构的控制电压进行调节。图 1是新型永磁机构线圈供电电压示意图，在永磁机构吸合过程，线圈两端通 以高占空比的直流斩波电压或等效的直流吸合电压V ，g使永磁机构在较 大的电磁吸力作用下完成合闸运动，此后控制电压将自动降为一低占空比的 直流斩波电压或等效的直流保持电压使永磁体和线圈产生的吸力力 克服反力弹簧的反力将永磁机构保持在合闸状态。 2)控制器结构设计为实现对新型永磁机构的控制，输出该永磁机构需要的线圈供电电压，本发明提出一种以PWM控制芯片为核心元件，基于脉宽调制技术的永磁 机构控制器，图2是基于脉宽调制技术永磁机构控制器的结构框图，控制器 由线圈供电模块和脉宽调制控制模块组成，线圈供电模块由整流滤波电路和 降压斩波电路组成，脉宽调制控制模块由辅助电源，延时电路，控制信号调 节电路，PWM控制电路组成。控制器的工作原理为交流工频电源经整流滤波电路整流滤波为降压斩波电路所需的平滑直流电压，该直流电压通过由功率开关器件MOSFET和 续流二极管构成的降压斩波电路，获得所需的可调直流斩波电压，加在永磁 机构操作线圈上，PWM控制电路将延时电路和控制信号调节电路提供的可 变给定控制信号和PWM控制芯片内置振荡器产生的锯齿波信号进行比较， 确定输出控制脉冲的占空比，控制脉冲通过控制降压斩波电路中功率开关器 件MOSFET的通断，从而实现调节线圈两端的直流斩波电压，控制信号调 节电路可由两种方式实现，辅助电源则为延时电路，控制信号调节电路， PWM控制电路提供所需直流电压。 2、控制器电路设计方案 1)主电路设计降压斩波电路，电路采用MOSFET作为主控元件，实现了 AC-DC的转
变。结合图3、图4对本发明提出的主电路的设计进行如下的详细说明，图3为控制器主电路原理图，整流桥D1，输入滤波电容C，电阻Rc组成输入 整流滤波电路，Rc为泄放电阻，可将输入滤波电容上积累的电荷泄放掉， 避免因电荷积累而使断电后电容两端带电，保证使用的安全性，而保险丝F 用于保护电路中过电流时的安全分断。功率开关器件MOSFET管Q，续流 二极管D2组成直流降压斩波电路，Rg为串入栅极一只低值电阻，可以防止 功率管栅极，源极端电压振荡，Rs为并联在栅极与漏极之间，作为功率管 MOSFET关断时能量泻放回路，保证开关管能快速关断，Rb、 Cb形成 MOSFET的RC保护电路。电路工作原理如下单相50Hz、 220V交流电压，通过全桥整流电路及 电容的平滑滤波得到稳定直流输入Uin， Q导通时，输出电压U。ut与输入电 压Uin相同；当Q关断时输出电压U。ut近似为零，故^1="^,其中a为Q的导通占空比，U。ut即为加在线圈两端的直流斩波电压。U。ut的调节是通过改变加在MOSFET管栅极驱动电压的导通占空比a来实现。导通占空比a 的调节是通过PWM控制电路实现的，具体工作原理将在后面进行详细的说 明。图4为负载是线圈时，主电路实测输出电压波形，由图可知主电路在刚 上电时先输出持续时间为50ms的高占空比的斩波直流电压，再降为低占空 比的斩波直流电压。2)延时电路设计延时电路的功能即是在新型永磁机构合闸过程中将合闸电压延时一个 合闸时间。结合图5、图6对本发明提出的延时电路的设计进行如下的详细 说明，图5为延时电路原理图，延时电路由电压比较器LM2903及其外围电 路实现，该电路用单电源供电，V15为+ 15V。R4为上拉电阻，由于LM2903 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电
源一般须接一只电阻，选3 15K。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高 电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上 拉电阻与负载的值。LM2903的正相输入端加一个RC延迟电路， W(/) = (1-^F15，其中r-i 3C6。当t=t时Uc(t) = 9.48V，反相相输入端加 一个固定的参考电压电路，参考电压U-二Uc("二9.48V。 R,禾P 112根据 "-=/ 2/ (i !+i 2) XFA5来选取。延时电路的工作过程如下当控制器通电工作时，电容C6开始充电， 当时正相输出端电压Uc(t)小于反相输入端电压U-， LM2903输出电压 UT为零电平。当f》时，正相输出端电压Uc(t)大于反相输入端电压U-，比 较器LM2903反转，UT输出为高电平。t即为永磁机构在合闸过程所需的合闸时间，R3选用可变电阻，改变R3阻值即可调节t，也就是合闸时间的大小。例如，取吸合时间t二50ms，因此取R3二10kD， C5 = 5pf。图6为延时电路实测输出电压波形，图中标号分别表示，1为LM2903 反相输入端电压U-， 2为LM2903正相输出端电压Uc(t)， 3为LM2903输 出电压Ut，由图可知延时电路能够实现将零电位延时50ms的功能。 3)控制信号调节电路和PWM控制电路设计结合图7，图8，图9和图IO对本发明提出的PWM控制电路和两种控 制信号调节电路的设计进行如下的详细说明。P丽控制电路采用P丽控制芯片，其型号为电压驱动型脉宽调制器 TL494。图7是PWM控制芯片TL494脉宽调压原理图，其中TL494输出脉 宽调制控制脉冲为TL494内部驱动输出晶体管VT,(图中未示出，可参见 P丽控制芯片说明书)的发射极输出脉冲电压，其工作过程为PWM控制 信号Uw与PWM控制芯片TL494内置振荡器所产生的锯齿波信号分别输入 PWM控制芯片TL494内部PWM比较器的正相输入端和反相输入端，比较 器输出控制VT,的导通截止，通过VT,发射极即9脚输出相应的脉宽调制控制脉冲。由于VT,发射极输出宽度随PWM比较控制信号电压的升高而变窄，因此PWM控制信号Uref高低电压输入顺序与TL494输出高低占空 比的控制脉冲输出顺序相反。图8是PWM控制电路原理图，控制信号Uref通过TL494的3脚即PWM比较器输入端输入，实现脉宽调压功能TL494采用单端输出工作方式即仅使用输出晶体管VT,，将9脚即VT,的发射极作为控制脉冲的输出。控制器的工作频率由TL494的工作频率决定，其工作频率仅取决于外接在TL494振荡器上的定时元件，即电阻RT和电容CT的数值。振荡频率/ = *。如工作频率设定为20kHz，则取电阻RT二50kQ，电容CT=0.001nf。图9是两种控制信号调节电路原理图，控制信号调节电路实现方式一如 图a所示，三极管Q,与可调电阻R7并联，其基极与延时电路的输出相接， 其工作过程为当Kr时，即合闸过程，LM2903输出端向三极管Q1的基 极输出零电平，三极管处于截止状态，控制信号调节为低电压，其值为t/ref =/ 8r15/(/ 6+/ 7+i 8);当t》r时，即保持状态，比较器LM2903反转，向三 极管Q1的基极输出高电平，Ql导通，工作于饱和状态，其饱和管压降U^二0.6V，此时R7相当于被三极管Ql短接，故控制信号t/re产&(^ —0.6)/(/ 6+/ 8)。吸合过程和饱和保持过程的控制信号Uref由导通占空比a吸合、 a保持和TL494基准锯齿波电压伏值决定。TL494基准锯齿波电压范围为0 3.3V， 《吸合=^/等娜合/￡4、 a保持二t/等谢呆持/t/in，其中Uin为整流滤波后直流电压 Uin=300V，由此可得吸合参考电压t/rd^=3.3cc吸合，保持参考电压t4f保持二3.30t保持，调节R7、 R8的阻值可以调节C/ref吸合和t4f保持的值。控制信号调节电路实现方式二如图b所示，由Rh,、 Rffi组成的调压电路与CD4052的输入端Xio连接，由Ru、 Ru组成的调压电路与CD4052的 输入端Xn连接，LM2903输出端与CD4052控制端A连接，CD4053的控
制端B接地，CD4053的输出端Xo输出控制信号Uref，其工作过程为，当 /<r时，LM2903输出零电平，CD4052的输入通道Xio与输出端Xo接通， 控制信号t4f二T^ K15/(i H2+Wm);当Or时，即保持状态，比较器LM2903 反转输出高电平，CD4052的输入通道Xi,与输出端Xo接通，控制信号t^f K15/(WU+/ U);调节&2、 R^的阻值可以分别单独调节t4f吸合和t4f ，的值，实现控制信号的精确调节。图10为控制信号调节电路和PWM控制电路实测输出电压波形，图中 标号分别表示，1为TL494输出控制脉冲，2为TL494内置振荡器产生的锯 齿波，3为控制信号Uef，由图可知当控制器开始工作，控制信号先输出一 延时为50ms的吸合参考电压，之后自动调节为保持参考电压，TL494输出 的控制脉冲占空比也随之改变。
权利要求
1、一种基于脉宽调制技术的永磁机构控制器，包括线圈供电模块和脉宽调制控制模块，其特征在于，所述的线圈供电模块由整流滤波电路和相连接的降压斩波电路组成；所述的脉宽调制控制模块由延时电路、控制信号调节电路和PWM控制电路组成；在脉宽调制控制模块内部，延时电路、控制信号调节电路和PWM控制电路依次相连，辅助电源分别为延时电路、控制信号调节电路和PWM控制电路提供所需直流电压；脉宽调制控制模块的PWM控制电路与线圈供电模块的降压斩波电路连通；交流输入电源经线圈供电模块的整流滤波电路整流滤波为降压斩波电路所需的平滑直流电压，该平滑直流电压通过降压斩波电路获得所需的可调直流斩波电压加在永磁机构操作线圈上；脉宽调制控制模块的PWM控制电路将延时电路和控制信号调节电路提供的可变给定控制信号与PWM控制电路产生的锯齿波信号进行比较，确定输出控制脉冲的占空比，通过控制脉冲的通断调节线圈两端的直流斩波电压。
2、 如权利要求1所述的基于脉宽调制技术的永磁机构控制器，其特征 在于，所述的降压斩波电路由功率开关器件MOSFET和续流二极管构成。
3、 如权利要求1所述的基于脉宽调制技术的永磁机构控制器，其特征 在于，所述的P丽控制电路采用P丽控制芯片，其型号为电压驱动型脉宽调 制器TL494。
4、 如权利要求1所述的基于脉宽调制技术的永磁机构控制器，其特征 在于，所述的延时电路由比较器LM2903、 RC延迟电路和分压电路组成。
5、 如权利要求1所述的基于脉宽调制技术的永磁机构控制器，其特征 在于，所述的控制信号调节电路由调压电路和三极管组成，或者由二选一数 控模拟开关和调压电路组成。
全文摘要
本发明公开了一种基于脉宽调制技术的永磁机构控制器，包括线圈供电模块和脉宽调制控制模块，线圈供电模块由整流滤波电路和相连接的降压斩波电路组成；脉宽调制控制模块由延时电路、控制信号调节电路和PWM控制电路组成；其工作过程为交流电经整流滤波，通过降压斩波电路，获得所需的可调直流斩波电压，加在永磁机构操作线圈上，PWM控制电路输出控制脉冲，通过控制降压变换器中功率开关器件的通断，调节线圈两端的控制电压；本发明的控制器能够实现对无需分闸控制可自动分断的新型永磁机构的控制，具有电路结构简单，体积小，控制过程稳定，抗干扰能力强及成本低廉的优点。
文档编号H01H47/00GK101127286SQ200710018279
公开日2008年2月20日 申请日期2007年7月17日 优先权日2007年7月17日
发明者刘懿莹, 翊 吴, 潘晨曦, 王小华, 荣命哲 申请人:西安交通大学