CN102315043B - 双闭环反馈控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双闭环反馈控制模块，其在接触器的起动过程、吸持阶段中，形成两个闭环控制回路，直接对接触器线圈电流进行精确控制，进而可以对接触器的整体动作特性进行优化控制，全面提高接触器的整体性能指标。本发明硬件成本低，可改善系统的电压调整率，提高系统的瞬态响应速度，增加系统的稳定性。

Description

双闭环反馈控制模块

技术领域

本发明涉及器械智能控制领域，特别是一种交流接触器双闭环反馈控制模块。 

背景技术

低压电器的智能化控制与设计技术，近年来在国内外都得到长足的发展，新设计思路不断涌现。以系统中大量采用的电磁式交直流接触器为例，近年来新产品不断出现。随着智能电网的建设，一次回路、二次回路、检测监测回路中电器产品的智能化、可通信等各项性能指标得到广泛的重视。

智能交流接触器目前主要的控制思路和控制方法如下：

    （1）高电压直流起动、低电压直流保持的控制方案

对于传统的交流励磁电磁式交流接触器来说，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，所以目前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，早期的智能交流接触器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接触器的励磁线圈上，满足接触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，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，提高交流接触器的整体性能指标。

但是，其存在如下缺点：

首先，其采用调节电压的控制原理。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，尤其对大容量的接触器（如：630A以上的交流接触器），控制非常困难。

其次，需要实时监控接触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。

第三，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接触器容量的增加，电压电流应力迅速增加，成本也迅速增加；在低压保持时，需要辅助电源提供线圈保持电压，辅助电源的容量也随着接触器的容量的增加而增加，对开关管的保护和控制回路成本也增加。因此，整体成本增加。

（2）带电压反馈的接触器控制方案

将交流工频电压经过滤波和整流后，变成直流脉动电压，该电压通过PWM调制器加于接触器控制线圈上。通过电压检测模块，将电压反馈信号送入单片机系统，以此反馈电压信号为依据来确定输出控制脉冲的占空比，电压和控制脉冲占空比的对应关系由仿真或实验获得，控制脉冲通过PWM调制器中电力电子开关驱动电路，来控制线圈供电回路中电力电子开关器件的通断，从而可以实时调节线圈两端的直流电压。在吸合过程完成后，改变控制脉冲的占空比以调节线圈两端的电压，使得线圈在一个很小的直流电压下保持接触器闭合，起动过程中的优化通过合理设置起动过程中PWM占空比来实现。

此方案为单闭环控制方案，存在一个电压反馈环，属于电压型PWM控制方案。其缺点是在控制过程，电路中的电流没有参入控制，由于线圈电感的作用，电流滞后于电压的变化，因而系统响应速度慢，稳定性受到影响。从控制理论的角度讲，电压控制单闭环系统是一个无条件的二阶稳定系统。而电流控制双闭环系统是一个无条件的一阶稳定系统，系统稳定性好。再者，电压反馈控制方案，在起动过程中，需要高占空比，电压检测模块无法在起动的短时间内，快速扑捉到电压瞬时值，起动过程优化控制效果将会受到影响。同样，大容量时控制开关器件有一定难度。

（3）带电流反馈的单闭环控制方案

交流电经整流后，通过电力电子开关调制给接触器线圈供电，由中央控制模块接收线圈电流的反馈信号，来实现对开关管的控制，不同的线圈电流对应不同的调制占空比，从而保持线圈中通过的电流不变。智能控制的实现主要靠中央控制模块中的脉冲控制芯片来控制。电流采用动态控制，当电流很小时，采用固定大占空比使电流快速上升，当电流增加到接近期望的数值时，占空比变小并根据电流值的大小进行变化，通过这种方式，电流可稳定在期望值左右。采用不同的指令电流与放大器的比例系数可以得到不同的控制电流。

但是，带电流反馈的单闭环控制方案仍然属于电压型PWM控制方案，通过调节PWM占空比的方法，改变线圈有效电压，整体响应速度还是比较慢，控制效果有待提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种双闭环反馈控制模块，实现交流接触器起动、吸持、分断全过程的智能优化控制。

本发明采用以下方案实现：一种双闭环反馈控制模块，包括两端并接有续流电路的交流接触器线圈，一交流电压经整流滤波电路为该交流接触器的线圈供电；其特征在于，还包括：一微控制器；一交流电压采样电路，采样所述交流电压值送给所述微控制器进行处理；一电流传感器，采集所述线圈的电流值转化为电压信号经第二有源滤波回路滤波后送入第二程控运放电路，该第二程控运放控制电路根据所述微控制器发出的增益控制指令对输入的信号进行放大处理；一采样电路，检测所述线圈的回路的峰值电流并转换成电压信号，经第一有源滤波电路滤波处理后送入第一程控运放控制电路，该第一程控运放控制电路根据微控制器发送的增益控制指令，对输入信号进行处理；一PWM控制单元，与所述的微控制器连接，其驱动一电力电子开关对所述线圈的回路进行斩波控制，所述的第一程控器和第二程控器将处理的信号输入该PWM控制单元，为PWM输出提供判断依据；一模式设定单元，与所述的微控制器连接；以及一参数设置及显示电路。

本发明具有如下优点：

（1）双闭环反馈控制。在接触器的起动过程、吸持阶段中，形成两个闭环控制回路，直接对接触器线圈电流进行精确控制，进而可以对接触器的整体动作特性进行优化控制，全面提高接触器的性能指标。

（2）控制范围宽、可靠性高。双闭环反馈控制方案中,在接触的起动过程中，起动环会对线圈电流进行逐周控制，达到设定值后即保持动态恒流，避免了过大的起动电流对接触器线圈造成过激，并可以根据不同时刻接触器的运行状态，快速调节线圈电流值，实现优化控制，避免电流突变和过电压的产生，对控制电路干扰较小，尤其在大容量接触器的控制中，可靠性得到明显提高。

（3）硬件成本明显降低。在电压型的控制模式中，直接采用电力电子器件对接触器线圈电压进行控制，随着接触器容量的增加，开关管容量增加，相应的控制电路和保护电路成本迅速增加，硬件成本明显增加；双闭环反馈控制方案中，激磁电路的起动电流和保持电流均是通过控制电路的控制从电网斩波获得，控制电路在每个开关周期内检测斩波的电力电子开关电流值，超过设定值即进行限制使之恒流，因此，开关器件和辅助电源的容量不会随接触器容量的变化有明显的增加，可以按照接触器正常的起动激磁磁势来选择电力电子开关的容量，硬件成本低。

（4）控制过程运行速度快。首次将电流型PWM模块引入智能交流接触器的控制系统中。

电压型PWM反馈控制方案，在控制过程中激磁电路中的电流没有参入反馈控制，由于线圈电感的作用,电流滞后于电压而变化，因而系统响应速度慢，稳定性差。再者，电压反馈控制方案，在起动过程中，需要高占空比，电压检测模块无法在起动的短时间内，快速扑捉到电压瞬时值，起动过程优化控制效果将会受到影响。

电流型PWM 是针对电压PWM 型的缺点发展起来的，它在原有的电压环上增加了电流反馈环节，构成电压电流双闭环控制。内环为电流控制环，外环为电压控制环。无论电流的变化,还是电压的变化,都会使PWM 输出脉冲占空比发生变化。这种控制方式可改善系统的电压调整率，提高系统的瞬态响应速度，增加系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明的硬件连接原理框图。 

具体实施方式

本发明将开关电源中采用的电流型PWM控制系统应用到交流接触器的智能控制中。系统上电时，由微控制器检测模式设置电路的电平状态，根据不同的电平状态，进入参数设置程序或加载上次设置参数直接运行。若位于参数设置状态，通过参数设置及显示电路，可以设置交流接触器的起动电流时域曲线，保持电流值，并存储和显示设置参数。

若位于运行状态，系统交流电压采样子电路循环采样交流电压，如果电压值在所设置的吸合阈值之内，微控制器起动PWM控制系统，驱动电力电子开关对交流接触器线圈的回路进行斩波控制，接触器进入起动阶段，采样电路检测线圈回路的峰值电流并转换成电压信号，经滤波处理后送入程控运放控制电路，程控运放控制电路根据微控制器系统发送的增益控制指令，对输入信号进行处理，处理之后的信号送入PWM控制单元，将增益后的电压信号接入到PWM控制系统内的电流检测比较器进行对比，为PWM输出提供判据，通过调节输出PWM的占空比和导通周期数，将电流迅速调节至微控制器系统设定值（该设定值可由仿真或实验获得）后，以一定的时钟频率对电流进行动态补偿，使线圈电流保持动态恒定；交流接触器的起动过程可以分为多个时间段，在不同的时间段内微控制器系统可以写入不同的电流值增益指令，将起动过程中不同的电流值连起来，成为起动电流的时域曲线，根据不同的交流接触器，设置不同的起动电流曲线，使交流接触器的运动速度、电磁吸力、磁链、位移、撞击能量等变化规律达到最佳状况，实现交流接触器起动过程的最优控制。采样电路、有源滤波电路、程控运放控制电路、PWM控制单元构成系统起动闭环控制回路，对交流接触器起动电流进行精确的闭环控制，微控制器则通过该控制程控运放电路来控制环路增益。

交流接触器起动过程结束后，转入吸持运行过程，通过电流传感器测量交流接触器线圈电流值，并转化成电压信号，经滤波后送入另一程控运放控制电路，根据微控制器发送的增益控制指令，对输入信号进行放大处理，然后将信号送入PWM控制单元，将增益后的电压信号接入到PWM控制单元内的误差放大器进行对比，为PWM输出提供判断依据，通过调节输出PWM的占空比和导通周期数，将电流迅速调节至微控制器系统设定值后，以一定的时钟频率对电流进行快速动态补偿，使线圈电流保持动态恒定；根据不同容量的接触器，单片机可以向控制吸持阶段的程控运放控制电路写入不同的电流值增益指令，从而控制吸持电流的值，使该交流接触器控制模块具有广泛适用性。

 电流传感器、吸持控制电路的有源滤波电路、吸持控制电路的程控运放控制电路与PWM控制系统构成控制模块的保持闭环回路，对交流接触器保持电流进行精确的闭环控制，微控制器通过控制程控运放控制电路来控制环路增益。系统运行过程中，当交流电压采样子电路检测到电源电压位于设置的分断阈值时，微控制器控制PWM控制单元，快速关闭PWM输出，使接触器迅速分断。如果需要控制分断过程的分断时刻，也可以通过吸持阶段的闭环进行不同情况的分断控制。

为了让一般技术人员更好的理解本发明的工作原理，我们结合图1对工作原理进行简单说明。

工作原理如下：如图1所示，当系统上电时，由微控制器M检测模式设置子电路N的电平状态，根据不同的电平状态，确定系统是进入参数设置程序，还是加载上次设置参数直接运行。若位于参数设置状态，通过参数设置及显示电路S，可以设置交流接触器的起动电流时域曲线、保持电流值，并存储和显示设置参数。

若位于直接运行状态，系统交流电压采样子电路V1循环采样交流电压V，如果电压值在所设置的吸合阈值之内，微控制器M起动PWM控制单元P，驱动电力电子开关B对交流接触器线圈C回路进行斩波控制，交流接触器线圈C与续流电路E相并连接，接触器进入起动阶段，采样电路D检测线圈回路的峰值电流并转换成电压信号，经有源滤波电路L1滤波处理后送入程控运放控制电路A1，程控运放控制电路A1根据微控制器M发送的增益控制指令，对输入信号进行处理，处理之后的信号送入PWM控制单元P中，将增益后的电压信号接入到PWM控制单元P内的电流检测比较器进行对比，为PWM输出提供判据，通过调节输出PWM的占空比和导通周期数，将线圈电流迅速调节至微控制器M的设定值后，以一定的时钟频率对线圈电流进行动态补偿，使线圈电流保持动态恒定；交流接触器的起动过程可以分为多个时间段，在不同的时间段内微控制器M可以写入不同的电流值增益指令，将起动过程中不同的电流值连起来，成为起动电流的时域曲线，根据不同交流接触器的特性，设置不同的起动电流曲线，使交流接触器的运动速度、电磁吸力、磁链、位移、撞击能量等变化过程达到最佳状况，实现交流接触器起动过程的最优控制。采样电路D、有源滤波电路L1、程控运放控制电路A1、PWM控制单元P构成系统起动闭环控制回路，对交流接触器起动电流进行精确的闭环控制，微控制器M通过控制程控运放控制电路A1来控制环路增益。

交流接触器起动过程结束后，转入吸持运行过程，通过电流传感器I测量交流接触器线圈C电流值，并转化成电压信号，经有源滤波回路L2滤波后送入程控运放控制电路A2，根据微控制器系统M发送的增益控制指令，对输入信号进行放大处理，然后将信号送入PWM控制系统P，将增益后的电压信号接入到PWM控制系统P内的误差放大器进行对比，为PWM输出提供判据，通过调节输出PWM的占空比和导通周期数，将电流迅速调节至微控制器系统M设定值后，以一定的时钟频率对电流进行快速动态补偿使电流保持动态恒定；根据不同容量的接触器，微控制器系统M可以向控制吸持阶段的程控运放控制电路A2写入不同的电流值增益指令，从而控制吸持电流的值，使该交流接触器控制模块具有广泛适用性。

电流传感器I、吸持控制电路的有源滤波回路L2、吸持控制电路的程控运放控制电路A2与PWM控制单元P构成控制模块的保持闭环回路，对交流接触器保持电流进行精确的闭环控制，微控制器M通过程控运放控制电路A2来控制环路增益。系统运行过程中，当交流电压采样子电路检测到电源电压位于设置的分断阈值时，微控制器M控制PWM控制单元P，快速关闭PWM输出，使接触器迅速分断。如果需要控制分断过程的分断时刻，也可以通过吸持阶段的闭环进行不同情况的分断控制。

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。 

Claims (2)

1. 一种双闭环反馈控制模块，包括两端并接有续流电路的交流接触器线圈，一交流电压经整流滤波电路为该交流接触器的线圈供电；其特征在于，还包括：

一微控制器；

一交流电压采样电路，采样所述交流电压值送给所述微控制器进行处理；

一电流传感器，采集所述线圈的电流值转化为电压信号经有源滤波回路滤波后送入第二程控运放控制电路，该第二程控运放控制电路根据所述微控制器发出的增益控制指令对输入的信号进行放大处理；

一峰值电流采样电路，检测所述线圈回路的峰值电流并转换成电压信号，经有源滤波电路滤波处理后送入第一程控运放控制电路，该第一程控运放控制电路根据微控制器发送的增益控制指令，对输入信号进行处理；

一PWM控制单元，与所述的微控制器连接，其驱动一电力电子开关对所述线圈的回路进行斩波控制，所述的第一程控运放控制电路和第二程控运放控制电路将处理的信号输入该PWM控制单元，为PWM输出提供判断依据；

一模式设定单元，与所述的微控制器连接；以及

一参数设置及显示电路；所述峰值电流采样电路、有源滤波电路、第一程控运放控制电路、PWM控制单元构成系统起动闭环控制回路，对交流接触器起动电流进行闭环控制；所述电流传感器、吸持控制电路的有源滤波回路、吸持控制电路的第二程控运放控制电路与PWM控制单元构成控制模块的保持闭环回路，对交流接触器保持电流进行闭环控制。

2.根据权利要求1所述的双闭环反馈控制模块，其特征在于：所述的放大处理后的信号是接入所述PWM控制单元的误差放大器进行比对，微控制器通过调节输出PWM的占空比和导通周期数，将线圈电流迅速调节至所述微控制器的设定值后，以一定的时钟频率对线圈电流进行动态补偿，使线圈电流保持动态恒定。

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