CN105470046B - 接触器的线圈驱动电路及线圈驱动电流的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种接触器的线圈驱动电路，由二极管D3、N‑MOS管Q2、电阻R1、电阻R2和电阻R3组成，其中，由时钟窄脉冲信号CLK形成方波信号的上升沿，用以控制线圈驱动电路的N‑MOS管Q2导通后，在接触器的吸合阶段，通过方波发生器自吸合电流检测端检测线圈的吸合电流Ics2，进行比较运算后输出方波信号的下降沿，与时钟窄脉冲信号CLK所形成的方波信号的上升沿一起构成吸合占空比信号，用以控制线圈驱动电路的N‑MOS管Q2的通断，直到接触器进入吸持阶段；在接触器的吸持阶段，通过方波发生器自吸持电流检测端检测线圈的吸持电流Ics1，进行比较运算后输出方波信号的下降沿，与时钟窄脉冲信号CLK所形成的方波信号的上升沿一起形成吸持占空比信号，用以控制线圈驱动电路的N‑MOS管Q2的通断。

Description

接触器的线圈驱动电路及线圈驱动电流的控制方法

技术领域

本发明涉及交流接触器领域，具体涉及一种接触器的线圈驱动电路及线圈驱动电流的控制方法。

背景技术

传统接触器操作系统由线圈、静铁心、衔铁和反力弹簧组成。当接触器线圈通电后，静铁心和衔铁之间产生吸力，当吸力大于弹簧反作用力时，衔铁被吸向静铁心，直到与静铁心接触为止，这时主触头闭合，这个过程称为吸合过程。线圈持续通电，衔铁与静铁心保持接触，主触头保持闭合状态的过程，称为吸持过程。当线圈中电流减少或中断时，静铁心对衔铁的吸力减小，当吸力小于弹簧反作用里时，衔铁返回打开位置，主触头分开，这个过程称为释放过程。

接触器用于频繁地接通和分断交、直流电路，且可以远距离控制的低压电器。其主要控制对象是电动机，也可以用于控制电热器、电焊机和照明灯等电力负载。目前全国接触器的使用量巨大，中大容量的接触器在吸持状态时，每台消耗的有功功率平均约为60W，功率因数只有0.3左右。降低接触器的能耗对节能减排有重大贡献。

目前已有的接触器节电器采用交流转直流，大电流吸合，小电流保持的方式，大大降低了电磁线圈铁损、铜损和短路环的损耗，可以减小90％以上的有功功耗。但这些技术还有一定的缺陷，只解决的有功功耗的问题，对于功率因数的提高却无能为力，某些节电技术还会使得功率因数降低。如申请号为200510029373.2的专利中，采用脉冲形式给电磁线圈供电，使电磁线圈以恒定的小电流工作；采用该方式工作，不仅会产生大量的谐波，而且输入电流的有效值不跟随输入电压，导致功率因素很低，按照该技术制作样机，实际PF值小于0.3。申请号201210196762.4和201010040019.9的专利的技术，在输入交流电压过零附近给电磁线圈励磁，使得输入电流与输出电压处于一种类似反相的状态，按照该技术制作样机，功率因数小于0.1。

在国家标准GB21518-2008中，根据接触器线圈损耗分为三个能效等级。一般传统接触器为3级能效，而带节电技术的接触器可以做到2级能效。对于容量为100A以上的接触器，为了达到1级能效需要需要把线圈吸持功耗降到1VA以下。目前的接触器节电技术绝大部分没有考虑过功率因数的问题，采用现有的节电技术，很难做到1级能效。

针对现有技术所存在的上述的缺陷，本发明提供了一种交流接触器的节电电路，在降低接触器线圈有功功耗的同时可以提高功率因数，使得传统接触器达到1级能效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种采样及电路工作状态切换灵活，且易于设计实现的线圈驱动电路。

相应的，本发明另一个要解决的技术问题是，提供一种采样及电路工作状态切换灵活，且易于设计实现的线圈驱动电流的控制方法。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种接触器的线圈驱动电路，适用于方波发生器来控制调节线圈的驱动电流，所述线圈驱动电路，由二极管D3、N-MOS管Q2、电阻R1、电阻R2和电阻R3组成，二极管D3的阴极与接触器线圈的入端相连，二极管D3的阴极还引出作为线圈驱动电路的第一输入端；二极管D3的阳极分别与N-MOS管Q2的漏极及接触器线圈的出端相连，N-MOS管Q2的源极分别与电阻R3的一端及电阻R1的一端相连，电阻R3的另一端接地；电阻R1的另一端通过电阻R2接地；N-MOS管Q2的栅极引出作为第二输入端，用于与方波发生器的方波信号输出端相连；电阻R3的一端引出作为吸持电流检测端；电阻R1的另一端引出作为吸合电流检测端；

所述方波发生器包括线圈驱动控制部分，其包括时钟发生模块、第一比较器、第二比较器、延时信号发生模块及第二逻辑电路，其具体连接关系是，第一比较器的第一输入端与线圈驱动电路的吸持电流检测端相连，第一比较器的第二输入端与第一电压基准相连；第二比较器的第一输入端与线圈驱动电路的吸合电流检测端相连，第二比较器的第二输入端与第二电压基准相连；时钟发生模块的输出、第一比较器的输出、第二比较器的输出和延时信号发生模块的输出分别与第二逻辑电路的输入相连，第二逻辑电路的输出作为方波发生器的第二方波输出端；所述线圈驱动电路的吸合电流Ics2的电流峰值为吸持电流Ics1的电流峰值为其REF1为第一电压基准，REF2为第二电压基准，R1为电阻R1的阻值，R2为电阻R2的阻值，R3为电阻R3的阻值；

其中，由时钟发生模块输出时钟窄脉冲信号CLK形成方波信号的上升沿，用以控制线圈驱动电路的N-MOS管Q2导通，在接触器的吸合阶段，通过方波发生器自吸合电流检测端检测线圈的吸合电流Ics2，进行比较运算后输出方波信号的下降沿，与时钟窄脉冲信号CLK所形成的方波信号的上升沿一起构成吸合占空比信号，用以控制线圈驱动电路的N-MOS管Q2的通断，直到接触器进入吸持阶段；在接触器的吸持阶段，通过方波发生器自吸持电流检测端检测线圈的吸持电流Ics1，进行比较运算后输出方波信号的下降沿，与时钟窄脉冲信号CLK所形成的方波信号的上升沿一起形成吸持占空比信号，用以控制线圈驱动电路的N-MOS管Q2的通断。

优选的，所述线圈驱动电路的吸合电流Ics2是吸持电流Ics1的10至20倍。

优选的，所述方波发生器，包括信号发生模块和第一逻辑电路，第一逻辑电路的第一输入端接延时信号DELAY，第一逻辑电路的第二输入端与信号发生模块的输出相连，第一逻辑电路的输出作为方波发生器的第一方波输出端GATE1；其中，信号发生模块用于产生控制N-MOS管Q1的占空比信号SIGN1，以控制N-MOS管Q1的通断；延时信号DELAY，在吸合阶段，用于控制第一逻辑电路屏蔽信号SIGN1，使得方波发生器的第一方波输出端不输出信号，用以让PFC电路不工作；在吸持阶段，控制第一逻辑电路不屏蔽信号SIGN1，使得方波发生器的第一方波输出端输出信号，用以控制PFC电路工作。

本发明还提供一种接触器线圈驱动电流的控制方法，所述线圈的驱动电流通过采用峰值电流控制方式控制线圈驱动电路的N-MOS管Q2的占空比来调节，所述线圈驱动电路的N-MOS管Q2的占空比控制，包括如下步骤，时钟控制开关管导通阶段，由时钟窄脉冲信号CLK形成方波信号的上升沿，用以控制线圈驱动电路的N-MOS管Q2导通，在接触器的吸合阶段，通过方波发生器检测线圈的吸合电流Ics2，进行比较运算后输出方波信号的下降沿，与时钟窄脉冲信号CLK所形成的方波信号的上升沿一起构成吸合占空比信号，用以控制线圈驱动电路的N-MOS管Q2的通断，直到接触器进入吸持阶段；在接触器的吸持阶段，通过方波发生器检测线圈的吸持电流Ics1，进行比较运算后输出方波信号的下降沿，与时钟窄脉冲信号CLK所形成的方波信号的上升沿一起形成吸持占空比信号，用以控制线圈驱动电路的N-MOS管Q2的通断。

优选的，所述方波发生器的比较运算步骤是，在接触器的吸合阶段，延时信号DELAY控制第二逻辑电路屏蔽第一比较器COM1，不屏蔽第二比较器COM2；通过方波发生器检测的吸合电流Ics2传输给第二比较器COM2，当吸合电流Ics2等于第二电压基准时，第二比较器COM2输出高电平信号，控制第二逻辑电路输出低电平，以产生方波信号的下降沿；在接触器的吸持阶段，延时信号DELAY控制第二逻辑电路屏蔽第二比较器COM2，不屏蔽第一比较器COM1，通过方波发生器检测的吸持电流Ics1传输给第一比较器COM1，当吸持电流Ics1等于第一电压基准时，由第一比较器COM1输出高电平信号，控制第二逻辑电路输出低电平，以产生方波信号的下降沿。

相对于现有技术而言，本发明的有益效果是，可以比较方便地设置接触器线圈的吸合电流和吸持电流，同时使得控制电路的简单，减少了元器件，降低了成本和体积。

附图说明

图1为本发明第一实施例接触器的线圈驱动电路应用于节电电路的整体电路原理图；

图2为图1所示电路中关键节点的波形图；

图3为方波发生器内部PFC电路中开关管占空比的控制逻辑框图；

图4为图3所示逻辑框图所实现的PFC电路中开关管占空比相关的关键信号的逻辑时序图；

图5为方波发生器内部线圈驱动电路中开关管占空比的控制逻辑框图；

图6为图5所示逻辑框图所实现的线圈驱动电路中开关管占空比的关键信号的逻辑时序图；

图7为方波发生器内部供电部分的控制逻辑框图。

具体实施方式

第一实施例

实施电路图如图1所示，一种交流接触器的节电电路，包括线圈驱动电路，还包括整流滤波电路、PFC电路、辅助供电电路和方波发生器。

所述整流滤波电路，用于把输入交流电整流成脉动的直流电；并把输入窄脉冲电流滤为平滑的电流后，以消除50Hz的工频分量以外的其他高次谐波分量后，输出给PFC电路，包括电感L1、整流桥DB1与电容C1，其具体连接关系是，电感L1串联在交流电输入端与整流桥DB1的输入端之间，整流桥DB1的输出端与电容C1并联后引出作为整流滤波电路的输出端。

所述PFC电路，用于接收整流滤波后的电能，让输入电流的有效值跟随输入电压变化，并输出给线圈驱动电路及辅助供电电路，包括变压器T1、N-MOS管Q1、二极管D2与电容C3，变压器包括原边绕组与副边绕组，其具体连接关系是，原边绕组同名端与整流滤波电路的输出端连接，原边绕组异名端分别与N-MOS管Q1漏极及二极管D2的阳极相连，二极管D2的阴极通过电容C3接地，二极管D2的阴极还引出作为PFC电路的输出端；N-MOS管Q1栅极与方波发生器的第一输出端相连，N-MOS管Q1源极接地；副边绕组接辅助供电电路。

所述辅助供电电路，用于在接触器吸持阶段，为方波发生器提供电能，由二极管D1与第二电容C2组成，其具体连接关系是，第一二极管D1的阳极与PFC电路相连，二极管D1的阴极通过电容C2接地，二极管D1的阴极还引出作为辅助电源电路的输出端VDD。

所述线圈驱动电路，用来控制接触器线圈的电流，由二极管D3、N-MOS管Q2、电阻R1、电阻R2和电阻R3组成。其具体连接关系是，二极管D3的阴极与PFC电路的输出端相连，二极管D3的阴极还引出作为线圈驱动电路的输出正端，用于与接触器线圈的一端相连；二极管D3的阳极与N-MOS管Q2的漏极相连，N-MOS管Q2的漏极还引出作为线圈驱动电路的输出负端，用于与接触器线圈的另一端相连；N-MOS管Q2的栅极与方波发生器的第二输出端相连，N-MOS管Q2的源极通过电阻R3接地，电阻R1和R2串联后与R3并联。电阻R1与电阻R2的连接点为线圈驱动电路的第二输出端，N-MOS管Q2的源极作为线圈驱动电路的第一输出端，这两个输出端连接到方波发生器，作为接触器线圈电流的反馈信号，分别控制接触器线圈的吸合电流与吸持电流。接触器线圈的感量较大，在吸合状态与吸持状态，接触器线圈都工作在连续模式，并且电流纹波很小。

所述方波发生器U1包括第一引脚、第二引脚、第三引脚、第四引脚、第五引脚、第六引脚和第七引脚。第一引脚与N-MOS管Q1的栅极相连，控制PFC电路工作。第二引脚与辅助供电电路输出端相连，用以给方波发生器提供吸持状态所需的电能。第三引脚接地。第四引脚与线圈驱动电路的第二输出端相连，用于检测吸合阶段接触器线圈的电流。第五引脚与线圈驱动电路的第一输出端相连，用于检测吸持阶段接触器线圈的电流。第六引脚与N-MOS管Q2的栅极相连，通过控制N-MOS管Q2的通断，来控制接触器线圈的电流。第七引脚与N-MOS管Q1的漏极相连，用以给方波发生器提供首次启动时所需的电能。

方波发生器发出方波信号控制PFC电路，在吸合阶段，延时信号通过第一逻辑电路屏蔽信号发生模块的信号，让PFC电路不工作；在吸持阶段，延时信号通过第一逻辑电路不屏蔽信号发生模块的信号，让PFC电路正常工作。

接触器线圈的电流采用峰值电流控制，在吸合过程中，通过第二电压基准REF2与线圈驱动电路第二输出端的电压信号比较，来控制接触器线圈的吸合电流；在吸持过程中，通过第一电压基准REF1与线圈驱动电路第一输出端的电压信号比较，来控制接触器线圈的吸持电流；通过设置电阻R1与电阻R2的分压比k，可以使得吸合电流是吸持电流的k*REF2/REF1倍。

图2为图1中关键节点电压的波形。在时间t1之前为接触器的吸合阶段，方波发生器不输出GATE1信号，PFC电路不工作；方波发生器输出占空比较大的方波信号GATE2，接触器线圈流过较大的电流。在时间t之后为接触器的吸持阶段，方波发生器输出GATE1信号，PFC电路正常工作；方波发生器输出占空较小的方波信号GATE2，接触器线圈流过较小的电流。

更具体地，方波发生器内部有第一电压基准REF1、第二电压基准REF2、延时信号DELAY、第一比较器、第二比较器、第一控制逻辑电路、第二控制逻辑电路、启动供电电路、时钟发生电路、信号发生模块。

PFC电路部分的控制框图如图3所示，延时信号DELAY、信号发生模块分别与第一逻辑电路输入相连，第一逻辑信号输出与方波发生器的第一引脚相连。信号发生模块发出方波信号SIGN1，用于控制N-MOS管Q1的通断。具体的逻辑如图4所示，在时间t1之前为吸合阶段，延时信号控制第一逻辑电路屏蔽信号SIGN1，使得方波发生器第一引脚不输出GATE1信号；在时间t1之后为吸持阶段，延时信号控制第一逻辑电路不屏蔽信号SIGN1，使得方波发生器第一引脚输出GATE1信号，控制PFC电路工作。

线圈驱动电路部分的控制框图如图5所示。方波发生器的第四引脚、第二电压基准REF2分别与第二比较器的输入相连。方波发生器的第五引脚、第一电压基准REF1分别与第一比较器的输入相连。时钟发生电路的输出、第一比较器的输出、第二比较器的输出和延时信号DELAY分别与第二逻辑电路的输入相连。第二逻辑电路的输出与方波发生器的第七引脚相连。

各信号逻辑如图6所示。在时间t1之前为吸合阶段，t1之后为吸持阶段。t1～t2时间段内为线圈电流从吸合电流下降到吸持电流的过渡时期，本专利不做说明。在吸合阶段，延时信号DELAY控制第二逻辑电路屏蔽第一比较器输出的COM1信号，不屏蔽第二比较器输出的COM2信号。时钟发生电路输出窄脉冲周期信号CLK，CLK信号控制第二逻辑电路输出高电平，这时N-MOS管Q2导通，接触器线圈被励磁，CS2信号电压上升。等到CS2信号的电压等于第二电压基准REF2时，COM2信号变成高电平，控制第二逻辑电路输出低电平，这时N-MOS管Q2关断，CS2信号电压比第二电压基准REF2低，COM2信号变为低电平。电阻R1、电阻R2的远大于电阻R3的取值，接触器线圈在吸合状态的电流峰值为

在吸持状态，延时信号DELAY控制第二逻辑电路不屏蔽第一比较器输出的COM1信号，屏蔽第二比较器输出的COM2信号。时钟发生电路输出窄脉冲周期信号CLK，CLK信号控制第二逻辑电路输出高电平，这时N-MOS管Q2导通，接触器线圈被励磁，CS1信号电压上升。等到CS1信号的电压等于第一电压基准REF1时，COM1信号变成高电平，控制第二逻辑电路输出低电平，这时N-MOS管Q2关断，CS1信号电压比第一电压基准REF1低，COM1信号变为低电平。接触器线圈在吸持状态的电流峰值为

方波发生器供电部分的控制框图如图7所示。启动供电电路的输入与方波发生器的第七引脚相连，启动供电电路的输出与方波发生器的第二引脚相连。在吸合状态时，PFC电路不工作，辅组供电电路不能提供能量，启动电路把第七引脚的高电压转换为低电压VCC，给方波发生器内部的电路供电。在吸持状态，辅组供电电路能够正常工作给方波发生器供电，延时信号DELAY控制启动供电电路停止工作。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (5)

1.一种接触器的线圈驱动电路，适用于方波发生器来控制调节线圈的驱动电流，其特征在于：

所述线圈驱动电路，由二极管D3、N-MOS管Q2、电阻R1、电阻R2和电阻R3组成，二极管D3的阴极与接触器线圈的入端相连，二极管D3的阴极还引出作为线圈驱动电路的第一输入端；二极管D3的阳极分别与N-MOS管Q2的漏极及接触器线圈的出端相连，N-MOS管Q2的源极分别与电阻R3的一端及电阻R1的一端相连，电阻R3的另一端接地；电阻R1的另一端通过电阻R2接地；N-MOS管Q2的栅极引出作为第二输入端，用于与方波发生器的方波信号输出端相连；电阻R3的一端引出作为吸持电流检测端；电阻R1的另一端引出作为吸合电流检测端；

所述方波发生器包括线圈驱动控制部分，其包括时钟发生模块、第一比较器、第二比较器、延时信号发生模块及第二逻辑电路，其具体连接关系是，第一比较器的第一输入端与线圈驱动电路的吸持电流检测端相连，第一比较器的第二输入端与第一电压基准相连；第二比较器的第一输入端与线圈驱动电路的吸合电流检测端相连，第二比较器的第二输入端与第二电压基准相连；时钟发生模块的输出、第一比较器的输出、第二比较器的输出和延时信号发生模块的输出分别与第二逻辑电路的输入相连，第二逻辑电路的输出作为方波发生器的第二方波输出端；所述线圈驱动电路的吸合电流Ics2的电流峰值为吸持电流Ics1的电流峰值为其REF1为第一电压基准，REF2为第二电压基准，R1为电阻R1的阻值，R2为电阻R2的阻值，R3为电阻R3的阻值；

其中，

由时钟发生模块输出时钟窄脉冲信号CLK形成方波信号的上升沿，用以控制线圈驱动电路的N-MOS管Q2导通，

在接触器的吸合阶段，通过方波发生器自吸合电流检测端检测线圈的吸合电流Ics2，进行比较运算后输出方波信号的下降沿，与时钟窄脉冲信号CLK所形成的方波信号的上升沿一起构成吸合占空比信号，用以控制线圈驱动电路的N-MOS管Q2的通断，直到接触器进入吸持阶段；

在接触器的吸持阶段，通过方波发生器自吸持电流检测端检测线圈的吸持电流Ics1，进行比较运算后输出方波信号的下降沿，与时钟窄脉冲信号CLK所形成的方波信号的上升沿一起形成吸持占空比信号，用以控制线圈驱动电路的N-MOS管Q2的通断。

2.根据权利要求1所述接触器的线圈驱动电路，其特征在于：所述线圈驱动电路的吸合电流Ics2是吸持电流Ics1的10至20倍。

3.根据权利要求1所述接触器的线圈驱动电路，其特征在于：所述方波发生器包括PFC电路控制部分，其包括信号发生模块和第一逻辑电路，第一逻辑电路的第一输入端接延时信号DELAY，第一逻辑电路的第二输入端与信号发生模块的输出相连，第一逻辑电路的输出作为方波发生器的第一方波输出端GATE1；其中，

信号发生模块用于产生控制N-MOS管Q1的占空比信号SIGN1，以控制N-MOS管Q1的通断；

延时信号DELAY，在吸合阶段，用于控制第一逻辑电路屏蔽占空比信号SIGN1，使得方波发生器的第一方波输出端不输出信号，用以让PFC电路不工作；在吸持阶段，控制第一逻辑电路不屏蔽占空比信号SIGN1，使得方波发生器的第一方波输出端输出信号，用以控制PFC电路工作。

4.一种接触器线圈驱动电流的控制方法，所述线圈的驱动电流通过采用峰值电流控制方式控制线圈驱动电路的N-MOS管Q2的占空比来调节，所述线圈驱动电路的N-MOS管Q2的占空比控制，包括如下步骤，

时钟控制开关管导通阶段，由时钟窄脉冲信号CLK形成方波信号的上升沿，用以控制线圈驱动电路的N-MOS管Q2导通，

在接触器的吸合阶段，通过方波发生器检测线圈的吸合电流Ics2，进行比较运算后输出方波信号的下降沿，与时钟窄脉冲信号CLK所形成的方波信号的上升沿一起构成吸合占空比信号，用以控制线圈驱动电路的N-MOS管Q2的通断，直到接触器进入吸持阶段；

在接触器的吸持阶段，通过方波发生器检测线圈的吸持电流Ics1，进行比较运算后输出方波信号的下降沿，与时钟窄脉冲信号CLK所形成的方波信号的上升沿一起形成吸持占空比信号，用以控制线圈驱动电路的N-MOS管Q2的通断。

5.根据权利要求4所述的接触器线圈驱动电流的控制方法，其特征在于：所述方波发生器的比较运算步骤是，

在接触器的吸合阶段，延时信号DELAY控制第二逻辑电路屏蔽第一比较器COM1，不屏蔽第二比较器COM2；通过方波发生器检测的吸合电流Ics2传输给第二比较器COM2，当吸合电流Ics2等于第二电压基准时，第二比较器COM2输出高电平信号，控制第二逻辑电路输出低电平，以产生方波信号的下降沿；

在接触器的吸持阶段，延时信号DELAY控制第二逻辑电路屏蔽第二比较器COM2，不屏蔽第一比较器COM1，通过方波发生器检测的吸持电流Ics1传输给第一比较器COM1，当吸持电流Ics1等于第一电压基准时，由第一比较器COM1输出高电平信号，控制第二逻辑电路输出低电平，以产生方波信号的下降沿。