CN103021735A - 具有高速脉宽调制功能的交流接触器智能控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高速脉宽调制功能的交流接触器智能控制模块，包括一AC/DC电源，该AC/DC电源依次经整流滤波电路、电力电子开关为交流接触器线圈供电；其还包括一电压采样电路、单片机控制系统、双路DA转换电路、锯齿波发生电路、方波时钟信号、高速脉宽调制器、自举电路、补偿电路、切换点检测电路、霍尔电流传感器、续流电路、低压保持回路以及恒压/恒流自动切换电路；本发明采用新的Buck结构作为线圈功率级拓扑，降低了功率级电路的阶次，系统更容易稳定，补偿电路更容易设计；采用霍尔电流传感器进行电流采样，不改变线圈功率级电路的阻抗特性，充分利用了电流传感器的精度高、隔离特性及高带宽等优点，形成了具有隔离特性的闭环控制。

Description

具有高速脉宽调制功能的交流接触器智能控制模块

技术领域

本发明涉及器械智能控制领域，特别是一种具有高速脉宽调制功能的交流接触器智能控制模块。 

背景技术

据统计，电力用户80%以上的电能是通过用户端电气设备进行传输，并在终端用户设备上消耗的。因此，在庞大的智能电网与能源管理系统中，用户端用电设备和用电系统是重要的组成部分，其可靠性和智能化程度直接影响智能电网的可靠性与运行。电磁式交流接触器作为用户终端使用中广泛应用的一大类产品，近年来，其智能化进展受到广泛的关注。对于传统的电磁式交流接触器来说，其运行条件复杂、种类繁多，在不同的系统中，针对不同的负载，有着不同的工作情况。电磁式交流接触器的电磁机构具有铁磁材料损耗大、短路环容易断裂、运行中交流噪声大、起动过程和分断过程受交流相角影响等缺点，因此，常常希望控制其交流电磁系统采用直流励磁的工作模式。这样，可去掉短路环、不受交流相角的影响、实现节能无声运行，早期交流接触器智能控制方案均是基于该原理设计的。

交流接触器的智能化工作始于20世纪80年代，其操作电磁机构的线圈在电磁机构吸合过程加以起动强直流励磁电流，使电磁机构有足够的吸力克服反力而使可动部分运动。当铁心闭合以后，施加较小的吸持直流励磁电流，并消除了短路环，达到了节能和无噪声的目的。到了20世纪90年代，智能化交流接触器的控制技术得到了进一步改进，不但具有吸持节能和无噪声的特点，更加入了门槛电压环节，消除了当电源电压发生骤降现象时，接触器铁心发生剧烈振动，而导致触头熔焊的现象。对于任何AC4使用类别的交流接触器，需要承担6倍额定电流的开断，触头电弧侵蚀和电寿命主要决定于接触器的开断过程。由于交流电弧常常在过零时熄灭，让电弧在电流零区开断是一个最佳的开断瞬间，即零电流分断。将高电压起动、低电压保持的动态控制技术引入交流接触器的控制中，可形成具有微电弧能量分断特性的智能交流接触器，提高接触器的各项性能指标。

交流接触器的智能化过程，实际上是将电力电子技术、计算机技术、人工智能技术、电磁兼容技术等多项技术融合的过程。随着电力电子技术的飞速发展，给交流接触器的智能控制带来了崭新的发展空间。电力电子技术是一门新兴技术，它是电力学、电子学、控制理论学科交叉而成的，已经成为现代电气工程和自动化工程不可缺少的基础。电力电子技术分为电力电子器件制造和变流技术（整流、逆变、斩波、变频、变相等）两个分支，变流技术对电器的智能化有着举足轻重的作用。利用电力电子器件实现工业规模电能变换的技术，也称为功率电子技术。一般情况下，它是将一种形式的工业电能转换成另一种形式的工业电能。如，将交流电能变换成直流电能或将直流电能变换成交流电能；将工频电源变换为设备所需频率的电源；在正常交流电源中断时，用逆变器将蓄电池的直流电能变换成工频交流电能等等。电力电子技术在交流接触器智能控制中的广泛应用，改变了传统的控制模式，扩大了应用范围，提高了控制精度，改善了产品的性能指标。

传统的交流接触器产品机构分散性大，不易控制精准，即使设计好的运行控制程序，在运行过程中，也常常达不到良好的控制效果。因此，具有自适应的功能的控制方案就显得十分重要，可以根据具体运行情况，实时自适应的调整交流接触器的运行状态，提高交流接触器运行的可靠性。随着用电负荷的迅速增加，需要更加完善的故障保护，既然智能交流接触器自身具有信号采集、处理的功能，应该方便的实现自保护功能，不仅电路发生故障时，自身控制模块发生故障，也能够判断、保护、发出报警信号。智能交流接触器区别于传统交流接触器的一个显著特点，就是可以实现整个运行过程的实时优化控制，并具有一定的自调整和保护功能，始终工作于最佳状态。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有高速脉宽调制功能的交流接触器智能控制模块。

本发明采用以下方案实现：一种具有高速脉宽调制功能的交流接触器智能控制模块，包括一AC/DC电源，该AC/DC电源依次经整流滤波电路、电力电子开关为交流接触器线圈供电；其特征在于：还包括一电压采样电路、单片机控制系统、双路DA转换电路、锯齿波发生电路、方波时钟信号、高速脉宽调制器、自举电路、补偿电路、切换点检测电路、霍尔电流传感器、续流电路、低压保持回路以及恒压/恒流自动切换电路；所述的电压采样电路采集所述整流滤波电路输出的电压给一单片机控制系统；该单片机控制系统控制一双路DA转换电路产生两路参考电压，所述切换点检测电路受控于所述单片机控制系统，并将其中一路参考电压与所述的霍尔电流传感器对交流接触器采集的信号进行比较，以实现对所述低电压保持回路的控制，所述的恒压/恒流自动切换电路经所述的低压保持回路与所述交流接触器线圈连接；所述高速脉宽调制器根据另一路参考电压通过所述自举电路控制所述电力电子开关；所述的霍尔电流传感器的输出还经所述的补偿电路接入到所述的高速脉宽调制器，用于交流接触器线圈的线圈电流反馈；所述的方波时钟信号为所述的锯齿波发生电路以及高速脉宽调制器提供方波信号；所述的锯齿波发生电路负责将方波信号转换成同频率的锯齿波，为高速脉宽调制器提供误差比较信号。

在本发明一实施例中，还包括一电压跌落/断路识别电路，所述的单片机控制系统经该电压跌落/断路识别电路与所述的电压采样电路连接。

在本发明一实施例中，所述的高速脉宽调制器配置成电压型PWM工作模式。

本发明的模块起动过程为单一反馈电流闭环设计、调试容易、电路结构简洁；具有锯齿波发生器，锯齿波幅值较大，脉冲宽度调制时具有良好的抗噪声裕量；可在更大的范围内调节占空比，增加了系统的动态性能，避免了次谐波振荡及复杂的斜坡补偿电路；采用改造后的Buck结构作为线圈功率级拓扑，与传统的Buck结构相比，去掉了输出滤波电容，降低了功率级电路的阶次，系统更容易稳定，补偿电路更容易设计；采用霍尔电流传感器进行电流采样，不改变线圈功率级电路的阻抗特性，充分利用了电流传感器的精度高、隔离特性及高带宽等优点，形成了具有隔离特性的闭环控制。

附图说明

图1是本发明实施例采用的新的Buck拓扑电压控制模式电路示意图。

图2是本发明实施例PWM电压控制模式原理图。

图3是本发明实施例模块电路原理框图。

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。

首先，在对本发明模块做具体介绍之前，这里先对其特点做简单说明，以利一般技术人员更好的理解本发明。本发明提出一种具有高速脉宽调制功能的交流接触器智能控制模块。该智能控制模块具有以下特点：

（1）设计了新颖的Buck拓扑电路

传统的Buck拓扑电路分为电压控制模式电路和电流控制模式电路。传统的电压控制模式电路，以输出电压为控制变量，只存在单一的输出电压闭环反馈，其输出端存在电感、电容组成的输出滤波器，可将方波电压变为具有很小纹波的直流电压。传统的Buck拓扑电流控制模式以输出电压为控制变量，同时存在输出电压闭环反馈和电感峰值电流闭环反馈，用电压外环控制电流内环，达到了稳压和快速的负载响应及输入电压响应的目的，其输出端也存在电感、电容组成的输出滤波器。但是，都不能很好的满足交流接触器过程控制。因此，本发明提出新的Buck拓扑电压控制模式电路结构如图1所示。根据接触器的工作特点，将交流接触器的线圈直接接入Buck拓扑电路的回路中，既作为电感，同时也作为负载使用。该电路只存在单一的电流闭环反馈，去掉了输出滤波电容，降低了功率级电路的阶次，具有反馈回路带宽高、补偿容易、系统稳定等优点。

（2）高速脉宽调制器可配置成典型的电压型PWM工作模式

该智能控制模块的核心是高速脉宽调制器，其通过自举电路直接控制电力电子开关器件，实现电流反馈闭环控制。高速脉宽调制器有PWM电压控制模式和电流控制模式。图2为PWM电压控制模式原理图。由图2可知，控制回路由误差放大器、PWM比较器、RS触发器、时钟晶振电路组成；V _ref 为基准电压，V _R 为锯齿波信号，其频率等于时钟频率，V_o为反馈信号，V_e为误差放大器的输出信号，V_s为驱动信号。误差放大器把基准电压V _ref 与反馈信号V_o进行比较放大得到误差信号V_e，再由PWM比较器对V_e和V _R 进行比较，得到方波信号送入RS触发器的复位端，时钟信号clock输入到RS触发器的置位端产生V_s信号，用于驱动电力电子开关。

PWM电压控制模式应用于传统的恒压输出的开关电源变换领域时，由于只采用了单一的输出电压反馈，当输入电压突然变小时，因为主电路有较大的输出电容C及电感相移延时作用，输出电压的变小也延时滞后，输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至PWM比较器将脉宽展宽，造成开关电源瞬态响应较慢，此外还需增加额外的限流措施，来防止开关电源过流及短路，造成电路结构复杂。其主要优点有：锯齿波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；占空比调节不受限制；对于多路输出电源，它们之间的交互调节效应较好；单一反馈电压闭环设计、调试比较容易；对输出负载的变化有较好的响应调节。

但是，其对输入电压的变化动态响应较慢；补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压变化使其更为复杂；输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿。

PWM电流控制模式应用于传统的恒压输出的开关电源变换领域时，是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。电流内环是瞬时快速按照逐个脉冲工作的。功率级是由电流内环控制的电流源，而电压外环控制此功率级电流源。在这样的双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电压，不必控制LC储能电路。因此，电流模式控制PWM具有比起电压模式控制大得多的带宽。其具有良好的线性调整率和快速的输入输出动态响应；消除了系统二阶特性，这相对电压模式来说具有更大的带宽和更方便的补偿方式；固有的逐个脉冲限流功能，简化了过载保护和短路保护。但是，其需要双环控制，增加了电路设计和分析的难度；容易发生次谐波振荡，即使占空比小于50％，也有发生高频次谐波振荡的可能性。因而需要斜坡补偿；功率级电路的谐振会给控制环带来噪声。

经过比较分析，本发明并非用于传统的恒压输出开关电源，其输出控制变量直接为交流接触器线圈电流（相当于直接控制电感电流），并不控制其输出电压值。因此较佳的可以采用PWM电压控制模式，以线圈电流信号作为反馈信号，仅对线圈电流这一单一输出量作闭环控制，采用重新设计的Buck拓扑电压控制模式电路结构，去掉大容量输出滤波电容，降低系统主电路的阶次，消除了输出LC滤波器给控制环增加的双极点，使控制回路更容易补偿。同时，直接以电流量作为控制量，不需要增加额外的限流措施来防止过流或短路。通过单片机采样输入电压，根据输入的电压的有效值补偿锯齿波幅值，增加了电压前馈功能，使该控制模式对输入电压的变化具有较快的响应能力，将PWM电压控制模式应用于本设计，既保留了传统设计中电压模式的优点，又克服了其传统应用中的缺点。

（3）采用霍尔电流传感器进行电流采样，不改变线圈功率级电路的阻抗特性，充分利用了电流传感器的精度高、隔离特性及高带宽的优点，形成具有隔离特性的闭环控制方案。

具体的，请参见图3，该智能控制模块通过霍尔电流传感器检测接触器线圈电流信号，由单片机控制系统进行整体控制，通过脉宽调制器和自举电路对电力电子开关进行控制，实现交流接触器运行过程的闭环控制，并具有抗电压跌落的保护功能。请继续参见图3，图中，A为AC/DC电源，B为整流滤波电路，C为电力电子开关，D为恒压/恒流自动切换电路，E为低电压保持回路，Q为交流接触器线圈，H为电压跌落/断电识别电路，U为电压采样电路，P为单片机控制系统，R为双路DA转换电路，T为方波时钟信号，K为锯齿波发生电路，U1为参考电压1，U2为参考电压2，J为自举电路，M为高速脉宽调制器，O为补偿电路，I为续流电路，S为霍尔电流传感器电路，X为切换点检测电路。

霍尔电流传感器电路S负责检测接触器线圈电流，单片机控制系统P负责运行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转换电路R接受单片机系统的指令产生两路独立的参考电压U1和U2，为控制系统提供电压基准；锯齿波发生电路K负责将时钟方波信号转换成同频率的锯齿波，为高速脉宽调制器M提供误差比较信号；补偿电路O负责将系统的幅值裕度和相位裕度设置在合理值，保证系统的动态性能及稳定性。

高速脉宽调制器M配置成典型的电压型PWM工作模式，反馈信号与参考电压进行比较，产生误差电压，该误差电压与恒定频率的锯齿波信号进行比较，通过脉冲宽度调制原理，输出开关信号，控制电力电子开关C进行斩波。由于本电路的反馈信号为线圈电流值，因此本电路不存在传统的电压模式PWM电压变换器的外加限流电路的缺点，线圈功率级电路由电力电子开关、续流二极管、线圈组成，采用新设计的Buck结构作为线圈功率级拓扑，与传统的Buck结构相比，去掉了输出滤波电容，交流接触器线圈电感很大，可以得到平稳的直流，由于去掉了输出滤波电容，降低了功率级电路的阶次，系统更容易稳定，补偿电路更容易设计。

该模块起动过程采用电流瞬时值比较方式，可以快速调节线圈激磁状态，具有自动峰值电流限制，电流控制精度高，动态响应快等优点，在保持过程中属于直流工作方式，避免斩波产生的开关噪声和损耗，系统更安全稳定，保持过程可以根据接触器线圈电阻大小自动进行保持电压环和保持电流环的快速切换，当输出电流小于设计的最大保持电流时，保持电压环工作，接触器处于恒压保持状态，当输出电流达到设计的最大保持电流时，保持电流环工作，接触器处于恒流保持状态。

设计切换点检测电路是因为：接触器的起动电流数倍于保持电流，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，触发开关电源保护功能，影响系统稳定性，切换点检测电路检测线圈电流值，当其衰减到恒压/恒流自动切换电源的功率范围之内时再打开低压保持回路，进行起动电流到保持电流的平稳切换。

总之，该控制模块起动过程为单一反馈电流闭环设计、调试容易、电路结构简洁；具有锯齿波发生器，锯齿波幅值较大，脉冲宽度调制时具有良好的抗噪声裕量；可在更大的范围内调节占空比，增加了系统的动态性能，避免了次谐波振荡及复杂的斜坡补偿电路；采用改造后的Buck结构作为线圈功率级拓扑，与传统的Buck结构相比，去掉了输出滤波电容，降低了功率级电路的阶次，系统更容易稳定，补偿电路更容易设计；采用霍尔电流传感器进行电流采样，不改变线圈功率级电路的阻抗特性，充分利用了电流传感器的精度高、隔离特性及高带宽等优点，形成了具有隔离特性的闭环控制。

工作原理如下：交流接触器线圈Q在电路中可以等效为阻感负载，线圈串入重新设计的降压斩波回路中既作为电感，又作为负载；系统交直流通用，AC/DC电源A经整流滤波电路B后变成直流，经电力电子开关C斩波产生高频方波电压施加在接触器线圈两端，由于线圈电感很大，线圈中的电流近似为直流。霍尔电流传感器电路S的输出接入高速脉宽控制器M，用作线圈电流的反馈，通过反馈作用快速控制接触器线圈激磁电流；高速脉宽控制器M配置成典型的电压型PWM工作方式，快速逐周期的调节线圈激磁电流，其最大工作频率和最大工作占空比由单片机控制系统P控制，控制起动电流的参考电压U1由双路DA转换电路R提供，接触器起动过程可以分为多个时段，在每个时段单片机控制系统P向双路DA转换电路R发送不同的指令，产生不同的参考电压，高速脉宽控制器M根据不同的参考电压，控制产生不同的线圈电流。通过合理的设置时段和参考电压，可以优化起动过程，减小触头弹跳。

起动过程结束后，单片机控制系统P关断高速脉宽调制器M，同时触发切换点检测电路X，DA转换电路R产生另一路参考电压U2与霍尔电流传感器电路S的输出信号进行比较，当输出信号小于参考电压时，切换点检测电路X打开低压保持回路，将恒压/恒流源D加到接触器线圈Q两端，使接触器维持低压吸持状态。

电压跌落/断电识别电路H用于判断电压跌落的原因，若属于电源断电的情况，接触器立即释放，若属于电压跌落故障时，启动抗电压跌落功能，交流接触器保持吸持状态，若在规定时间内一旦电压跌落结束，则关闭抗电压跌落功能，恢复接触器正常保持状态，若经设定时间(此时间可调)后，电压仍未恢复，则关闭抗电压跌落模块，接触器释放，控制模块采用开关电源作为辅助工作电源，在开关电源副边输出回路并联超级电容，用作电压跌落故障时模块的后备电源。 

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 (3)

1.一种具有高速脉宽调制功能的交流接触器智能控制模块，包括一AC/DC电源，该AC/DC电源依次经整流滤波电路、电力电子开关为交流接触器线圈供电；其特征在于：还包括一电压采样电路、单片机控制系统、双路DA转换电路、锯齿波发生电路、方波时钟信号、高速脉宽调制器、自举电路、补偿电路、切换点检测电路、霍尔电流传感器、续流电路、低压保持回路以及恒压/恒流自动切换电路；所述的电压采样电路采集所述整流滤波电路输出的电压给一单片机控制系统；该单片机控制系统控制一双路DA转换电路产生两路参考电压，所述切换点检测电路受控于所述单片机控制系统，并将其中一路参考电压与所述的霍尔电流传感器对交流接触器采集的信号进行比较，以实现对所述低电压保持回路的控制，所述的恒压/恒流自动切换电路经所述的低压保持回路与所述交流接触器线圈连接；所述高速脉宽调制器根据另一路参考电压通过所述自举电路控制所述电力电子开关；所述的霍尔电流传感器的输出还经所述的补偿电路接入到所述的高速脉宽调制器，用于交流接触器线圈的线圈电流反馈；所述的方波时钟信号为所述的锯齿波发生电路以及高速脉宽调制器提供方波信号；所述的锯齿波发生电路负责将方波信号转换成同频率的锯齿波，为高速脉宽调制器提供误差比较信号。

2.根据权利要求1所述的具有高速脉宽调制功能的交流接触器智能控制模块，其特征在于：还包括一电压跌落/断路识别电路，所述的单片机控制系统经该电压跌落/断路识别电路与所述的电压采样电路连接。

3.根据权利要求1所述的具有高速脉宽调制功能的交流接触器智能控制模块，其特征在于：所述的高速脉宽调制器配置成电压型PWM工作模式。

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