一种闭环斩波起动直流保持的电磁电器控制系统

摘要

本发明涉及一种闭环斩波起动直流保持的电磁电器控制系统。该系统包括单片机控制模块、脉宽调制模块、三路电流监视电路等，通过闭环斩波控制，直接以线圈电流作为反馈量，快速的调节线圈两端PWM电压的占空比和导通周期数，达到调节线圈电流的目的，在起动过程中可以快速调节起动电流，达到动态过程合理配合的目的。在闭合阶段，根据不同的容量选择不同的直流保持电源，实现节能无声运行。

说明书

技术领域

本发明涉及器械智能控制领域，特别是一种闭环斩波起动直流保持的电磁电器控制系统。 

背景技术

电磁电器作为一种传统电器在控制系统中得到广泛的应用，如电磁式接触器、电磁式继电器、电磁式脱扣器等等。随着系统自动化水平的不断提高，对电磁电器的性能指标提出了更高的要求。

普通电磁电器在运行中存在如下特点：

（1）合闸相位角影响其吸合动特性。对交流供电的电磁机构和脉动直流供电的电磁机构，合闸相角的随机性导致了电磁机构吸合过程激磁电流、磁路中的磁通、磁链、铁心的运动速度等均随机变化，在某些相角下将出现合闸困难的现象，直接影响电磁电器的吸合特性。

（2）动作时间的分散性。电磁机构动作时间的分散性特点无论对交流电磁电器还是对直流电磁电器都同样存在，造成了电磁电器的控制困难，对于需要快速动作的电磁式断路器影响更加明显。虽然微处理器控制系统的时间在微秒级以内，但是，机构动作时间的分散性，常常导致控制失败。并且，随着开关电器的频繁工作，触头系统的磨损、机构的老化等因素，将导致动作时间发生变化。因此，单方向的开环控制模式无法有效的完成电磁电器的智能控制。

（3）工作电压范围窄。一般电磁电器的工作电压按国家标准规定在（80% ～ 115%）Ue，在临界吸合电压时极易产生持续的振动，电压过高时又容易引起线圈温升上升，导致线圈烧损现象，造成了接触器的品种规格繁多，加工麻烦。

（4）分磁环的影响。单相控制电源的交流电磁电器，在吸持状态下会产生振动与噪声，因此，需要设计安装分磁环，分磁环往往成为交流电磁电器工作的弱点，由于分磁环的断裂引起交流电磁电器机械寿命终止的现象较为普遍，再者对于空调制冷行业等单相交流电磁电器来说，设计理想的分磁环，减少工作噪声，也是一个设计难点。

（5）磁路中存在磁滞涡流损耗。对于交流电磁电器来说，其交变的磁场导致了磁路中的铁损现象，虽然采用硅钢片的铁心结构，仍然存在较大的损耗，并且，给产品设计和磁路分析带来一定难度。

从上分析可以看出，对于传统的交流励磁的电磁电器来说，由于交流电磁机构具有铁磁材料损耗大、分磁环易断裂、运行中交流噪声大、起动过程受吸合相角影响等缺点，目前在智能控制模式中常常采用直流励磁的工作模式。这样，可以去掉分磁环、不受合闸相角的影响、实现节能无声运行。因此，早期的电磁电器智能控制方案均采用直流高电压起动、直流低电压保持的控制原理。

起动过程中，通过控制模块的整流、滤波以后将一个直流高电压施加在交流电磁电器的励磁线圈上，满足电磁电器对起动磁势的要求。当起动过程结束，通过微处理器控制芯片，切断起动回路，起动低电压直流保持回路，实现节能无声运行。在起动过程中，还可以将起动过程分段控制，调节动铁心运动速度，实现“软起动”控制方案，大大减少铁心的闭合过程碰撞、降低触头弹跳，提高电磁电器的整体性能指标。

但是，其存在如下缺点：

首先，无法解决机构的影响所导致的电磁电器动作分散性问题，和由于触头系统的磨损而导致的动作时间变化问题；

其次，在电磁机构中，直接影响机构工作的是磁路中的磁势，由于将交流电磁机构通入了直流激磁电源，其磁路中的磁抗（磁滞、涡流损耗引起）、电路中的电抗就不存在了，那么，线圈中的电流将大幅度增加。在控制过程中，起动回路的开关管将承受极大的电流冲击，尤其对大容量的电器，采用调节电压的控制原理控制起动过程非常困难。

第三，需要实时监控电磁电器线圈中的电流变化规律，才可以实现整体过程的优化控制，采用电压控制方案实现较困难。

第四，高压起动低压保持方案中，需要两个电力电子开关进行高低电平的转换，而高压起动电力电子开关随着电磁电器容量的增加，电压电流应力迅速增加，成本也迅速增加。

第五，大部分电磁电器均属于电压源供电的工作模式。在这种模式中，由于工作气隙的变化，使得在整个运动过程中交流电感等参量是变化的，在动态过程中其系统中的电压、电流、磁通、磁链、位移、速度、吸力等参量均随时间改变，造成控制难点。机构闭合以后和打开位置的磁状态相差甚远，因此，这种采用改变电压的控制模式，无法有效、实时地控制磁路中的激磁磁势。

第六，在起动过程结束，转到保持阶段时，由于快速切断吸持电路、起动保持电路，将造成冲击电流和操作过电压。等等。

发明内容

本发明的目的是提供一种闭环斩波起动直流保持的电磁电器控制系统，是一具有闭环斩波起动、闭环直流保持、过程智能转换的控制系统。

本发明采用以下方案实现：一种闭环斩波起动直流保持的电磁电器控制系统，包括一电源，该电源经整流滤波电路整流后再经一电力电子开关为一设置有低压保持回路的线圈供电，以构成主回路；其特征在于，还包括：

一恒压自动切换电源，其经所述低压保持回路为线圈供电；

一单片机控制模块，该单片机控制模块通过一电压采样电路采集所述整流滤波电路的输出电压；

一脉宽调制模块，该脉宽调制模块经一自举驱动电路驱动所述的电力电子开关工作，所述单片机控制模块为该脉宽调制模块提供一PWM信号，用于限制该脉宽调制模块的最大工作频率和最大工作占空比；

一第一电流监视电路，用于所述主回路保持电流的检测；

一第二电流监视电路，该第二电流监视电路的输出接到所述的脉宽调制模块，用作所述主回路电流的反馈输入；

一第三电流监视电路，该第三电流监视电路的输出接到所述的脉宽调制模块，用于限制所述主回路的最大电流；

一切换点检测电路，所述单片机控制系统控制该切换点检测电路通过所述第一电流监视电路判断低压保持回路的切换时刻；以及

一双路DA转换器，其接收单片机控制系统的指令通过数模转换产生两路独立的参考电压，一路给所述脉宽调制模块提供参考值，用来控制主回路的电流值，另外一路给所述切换点检测电路提供参考电压，用于设置切换点电流值。

在本发明一实施例中，所述的脉宽调制模块包括：

一振荡器；所述PWM信号输入给该振荡器；

一误差放大器，所述双路DA转换器产生的参考电压接入到该误差放大器；

一电流比较器，所述的误差放大器的输出端与该电流比较器的第一输入端连接，所述第三电流监视电路的输出端与该电流比较器第二输入端连接；以及

一RS锁存器，所述电流比较器和振荡器的输出信号进入该RS锁存器，该RS锁存器的输出经过一第一保护电路与一驱动电路连接。

在本发明一实施例中，所述的电力电子开关设置有一第二保护电路。

本发明通过闭环斩波控制，直接以线圈电流作为反馈量，快速的调节线圈两端PWM电压的占空比和导通周期数，达到调节线圈电流的目的，在起动过程中可以快速调节起动电流，达到动态过程合理配合的目的。在闭合阶段，根据不同的容量选择不同的直流保持电源，实现节能无声运行。其应用在电磁电器的控制领域中，具有工作稳定、噪声小、使用范围宽、控制可靠等特点，可以总结其优点如下：

1、采用了电流监视器：在起动闭环控制中，没有采用电流互感器来检测电路中的电流，而是采用电流监视器与检测电阻来检测电路中的电流值，具有体积小、价格低廉、安装方便的特点；

2、采用了高速脉宽调制模块：该模块主要由时钟信号输入端口、误差放大器、电流比较器、RS锁存器、过温及欠压保护电路、驱动电路等部分组成，可以通过单片机系统对其直接控制，与采用模拟芯片进行PWM控制的方案相比，具有体积小、控制精度高、控制方便、抗干扰能力强的特点；

3、使用了双路DA转换器：该转换器由单片机控制，通过数模转换产生两路独立的参考电压，一路给高速脉宽调制模块提供参考电压，方便脉宽调制，优化起动过程；另一路给切换点检测电路提供参考电压，合理设置起动过程与吸合过程的转换，减少转换过程的电流冲击。

4、使用了切换点检测电路：因为，电磁电器的起动电流数倍于保持电流值，在切换过程中由于线圈的阻感特性，其线圈电流要连续衰减，如果起动过程关闭后立即打开低压保持电路，可能会从低压保持回路抽出短时大电流，影响系统稳定性，加入切换点检测电路后，可以检测主回路的电流值，在适当的时刻进行切换，减小切换过程的电流突变，增强系统稳定性；

5、具有恒压/恒流自动切换保持电源：低压回路电源系统设计成恒压/恒流自动切换系统，可以扩大控制系统的适用范围，电磁电器线圈电阻较大时，输出恒定电压，电磁电器线圈电阻较小时，输出恒定电流，使不同线圈电阻的电磁电器可以得到合理的保持功率。

6、闭环斩波起动、闭环直流保持控制：在电磁电器起动过程中实时调节线圈电流，做到起动参数的合理配合，在保持过程中属于直流工作方式，减少了斩波工作方式产生的开关噪声和损耗，在需要保持阶段稳定、无噪声的场合，具有显著优点。

附图说明

图1是本发明实施例的电路原理框图。

其中，P为直流或交流电源，A为整流滤波电路，D为第二保护电路，E为恒压（恒流）自动切换电源，F为低压保持回路，B为电压采样电路，H为自举驱动电路，G为电力电子开关，N为续流二极管，C为电磁电器的线圈，R1为检测电阻，R2为检测电阻，R3为检测电阻，Q1为电流检测器，Q2为电流检测器，Q3为电流检测器，L为切换点检测电路，J为双路DA转换器，K为单片机控制模块，S为振荡器，EA为误差放大器，O为电流比较器，R为RS锁存器，V为第一保护电路，Y为驱动输出电路，1为脉宽调制模块，2为第一电流监视电路，3为第二电流监视电路，3为第三电流监视电路。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明提供一种闭环斩波起动直流保持的电磁电器控制系统，包括一电源P，该电源可以是直流电源，也可以是交流电源，该电源P经整流滤波电路A整流后再经一电力电子开关G为一设置有低压保持回路F的线圈C供电，以构成主回路；其特征在于，还包括：一恒压自动切换电源E，其经所述低压保持回路为线圈供电；一单片机控制模块K，该单片机控制模块K通过一电压采样电路B采集所述整流滤波电路A的输出电压；一脉宽调制模块1，该脉宽调制模块1经一自举驱动电路H驱动所述的电力电子开关G工作，所述单片机控制模块K为该脉宽调制模块1提供一PWM信号，用于限制该脉宽控制模块1的最大工作频率和最大工作占空比；一第一电流监视电路2，用于所述主回路保持电流的检测；一第二电流监视电路3，该第二电流监视电路的输出接到所述的脉宽控制模块1，用作所述主回路电流的反馈输入；一第三电流监视电路4，该第三电流监视电路4的输出接到所述的脉宽控制模块1，用于限制所述主回路的最大电流；一切换点检测电路L，所述单片机控制系统K控制该切换点检测电路L通过所述第一电流监视电路2判断低压保持回路F切换时刻；以及一双路DA转换器J，其接收单片机控制系统K的指令通过数模转换产生两路独立的参考电压，一路给所述脉宽调制模块1提供参考值，用来控制主回路的电流值，另外一路给所述切换点检测电路L提供参考电压，用于设置切换点电流值。所述的脉宽调制模块包括：一振荡器S；所述PWM信号输入给该振荡器S；一误差放大器EA，所述双路DA转换器J产生的参考电压接入到该误差放大器EA；一电流比较器O，所述的误差放大器EA的输出端与该电流比较器O的第一输入端连接，所述第三电流监视电路4的输出端与该电流比较器第二输入端连接；以及一RS锁存器R，所述电流比较器和振荡器的输出信号进入该RS锁存器R，该RS锁存器R的输出经过一第一保护电路V与一驱动电路连接。

具体的说，请继续参见图1，图1中的B为电压采样电路，直接对电源电压进行采样，当电源电压在电器工作允许范围之内，电磁电器进入起动阶段。这种采样方式大大减少了开关电源对采样电压的干扰和影响，提高了系统的运行可靠性。第二保护电路D用于保护电力电子开关G，防止电路中的寄生参数产生过压及过流损坏电力电子开关G；恒压/恒流自动切换电源E为具有电压反馈环和电流反馈环的开关电源系统，能根据负载的大小自动进行恒压输出和恒流输出之间的切换；检测电阻R1、检测电阻R2、检测电阻R3为毫欧级功率电阻串入主回路中，分别配合电流监视器Q1、电流监视器Q2、电流监视器Q3将毫欧电阻两端的电压进行放大用于检测主回路的电流值；单片机控制系统K负责参数的设置及系统运行状态的显示，同时，为其他外围电路正常工作提供控制信号；双路DA转换器J接受单片机系统K的指令通过数模转换产生两路独立的参考电压，一路给高速脉宽调制模块提供参考值，用来控制主回路的电流值，另外一路给切换点检测电路L提供参考电压，用于设置切换点电流值。

电磁电器线圈等效为电感量很大的阻感负载，线圈串入降压斩波回路中既作为电感使用，同时又作为负载，系统交直流通用；AC/DC电源P经整流滤波电路A后变成直流电，经过电力电子开关G的斩波作用，产生高频方波电压施加在线圈两端，由于线圈电感很大，主回路中的电流近似为直流。电流监视器Q2的输出接入脉宽调制模块中误差放大器EA的FB引脚，用作主回路电流的反馈输入；电流监视器Q3的输出接入脉宽调制模块中电流比较器O的CS引脚，用于限制主回路的最大电流；双路DA转换器J产生的参考电压VREF接入脉宽调制模块中误差放大器EA的VREF引脚，单片机控制系统K输出高速PWM信号到脉宽调制模块中振荡器S的OSCIN引脚，用于限制脉宽调制模块的最大工作频率和最大工作占空比，电流比较器O和振荡器S的输出信号进入RS锁存器R，RS锁存器R的输出经过第一保护电路V，进入驱动电路Y，第一保护电路V可以实现脉宽调制模块的过热、欠压等保护功能，驱动电路Y输出一个PWM信号VEXT给自举驱动电路H，驱动电力电子开关G进行高频斩波。 脉宽调制模块配置成典型的电流型PWM芯片的工作方式，其最大工作频率和最大工作占空比由单片机控制系统K控制，误差放大器EA的参考电压由双路DA转换器J提供。

电磁电器在起动过程中单片机向双路DA转换器J发送不同的指令，产生的不同的参考电压VREF，脉宽调制模块根据不同的参考电压，控制主回路产生不同的线圈电流值。通过合理的设置，可以优化电磁电器的起动过程，减小吸合过程产生的铁心撞击和弹跳，提高整体性能指标。

起动过程结束后，单片机控制系统K控制高速脉宽调制模块使其关断，同时触发切换点检测电路L使其工作，电流监视器Q1用于主回路保持电流的检测，DA转换器J产生的参考电压V2与电流监视器Q1的输出信号进行比较，当电流监视器的输出信号小于参考电压V2的值时，切换点检测电路打开低压保持回路，将一直流恒压/恒流源加到电磁电器线圈两端，使电器保持吸持状态。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。