CN105609371B

CN105609371B - 一种pwm波控制的电磁继电器驱动电路及实现方法

Info

Publication number: CN105609371B
Application number: CN201510562599.2A
Authority: CN
Inventors: 沈德明; 张弦; 裴超; 陈小龙
Original assignee: NANJING SCIYON DRIVE TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NANJING SCIYON DRIVE TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2017-07-07
Anticipated expiration: 2035-09-07
Also published as: CN105609371A

Abstract

本发明公开了一种PWM波控制的电磁继电器驱动电路及实现方法，包括微处理器模块、电磁继电器驱动电路，其中，电磁继电器驱动电路包括驱动电路电源、电磁继电器、续流二极管、三极管、电阻。电磁继电器的主触点线圈两端与二极管并联，二极管的负极接电源，二极管的正极接三极管的集电极，电源经过电阻分压，接到微处理器模块的一个A/D口上，微处理器模块的一个I/O口产生的PWM波经过电阻控制三极管的基极，三极管的发射集经过电阻接地。本发明结构简单、节约成本、电磁继电器动作快，同时保证安全稳定工作。

Description

一种PWM波控制的电磁继电器驱动电路及实现方法

技术领域

本发明属于工业自动化变频器领域，涉及一种12V电磁继电器驱动电路，具体地说是一种PWM波控制的电磁继电器驱动电路及实现方法

背景技术

变频器是利用电力半导体器件的通断作用，将工频电源变换为另一频率的电能控制装置，能实现对交流异步电机的软启动、变频调速、提高运转精度、改变功率因数、过流/过压/过载保护等功能。

在变频领域中，对于电磁继电器的驱动经常采用如图1的驱动，这种电路结构简单，成本低，但对于电磁继电器的控制却有很多的缺点：一方面这种驱动电路电磁继电器必须与电源电压匹配，就是说这种电磁继电器的电压必须与电源电压基本相等才可以正常驱动。而现在变频器领域的工作电压一般为15V～18V，电磁继电器的额定电压一般为12V或24V，均与工作电压不匹配。

如果实际施加的线圈电压过低，那么可能会导致电磁继电器不发生动作而失效，即使能动作，由于线圈电压低，线圈产生的磁力比较小，电磁继电器动作缓慢，导致燃烧的电弧时间比较长，会加速电磁继电器的失效；如果施加的线圈电压过高，那么会导致电磁继电器的线圈发热比较高，如果时间比较久(连续通半小时左右)，线圈的温度超过了线圈的温度等级，那么线圈会发生熔化，烧毁失效，即使没有烧毁，由于线圈电压高，产生的磁力比较大，动作快速，那么产生的动能需要通过弹性使能进行释放，所以电磁继电器的接点会发生长时间的回跳，加速电磁继电器的失效。

针对上述问题，现有的技术主要有如下几种解决方法：一是在变压器中增加一路12V或24V输出，以用于驱动额定电压为12V或24V的电磁继电器；二是增加升压电路，将工作电压15V～18V升压至24V，以用于驱动额定电压为24V的电磁继电器；三是增加降压电路，将工作电压15V～18V降压至12V，以用于驱动额定电压为12V的电磁继电器，此三种方案无疑均增加了电磁继电器驱动电路的成本。

发明内容

为解决电磁继电器的额定电压与变频器领域的工作电压相匹配问题，本发明的目的是提供一种PWM波控制的电磁继电器驱动电路及实现方法，该驱动电路结构简单、节约成本，驱动电磁继电器动作快，同时保证安全稳定工作。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种PWM波控制的电磁继电器驱动电路，其特征在于：该驱动电路包括微处理器模块和控制电路，所述控制电路由驱动电路电源VCC、电磁继电器KM1、续流二极管D1、三极管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4组成；

其中：所述微处理器模块一个A/D口连接由电阻R1、电阻R2构成的分压电路来采样电源电压信号，一个I/O口输出连接电阻R3；所述电阻R1一端接驱动电路电源VCC，另一端通过电阻R2接地，构成分压电路，所述微处理器模块的一个A/D口连接该分压电路；所述微处理器模块的一个I/O口接驱动信号输入线，再通过电阻R3后并接电阻R4、三极管Q1基极，电阻R4的另一端接地，三极管Q1发射极接地，三极管Q1集电极接续流二极管D1的正极；所述续流二极管D1的负极接所述电磁继电器驱动电路电源VCC，续流二极管D1的正负极分别连接在电磁继电器KM1两端。

本发明中，所述驱动电路电源VCC为15～18V；所述的电磁继电器KM1额定电压UO为12V。

一种PWM波控制的电磁继电器驱动电路的实现方法，其特征在于该实现方法包括以下步骤：

1)由微处理器模块的A/D口采样分压电路电压，并将分压模拟量经过A/D转换为数字量，设定该电压值为U’，通过公式换算实际VCC：

VCC＝U’*(R1+R2)/R2 (1)

2)微处理器模块换算PWM波占空比，通过I/O口发出相应的PWM波：设定PWM波占空比为D，PWM波周期为T，一个周期内，高电平、低电平对应时间分别为t_on、t_off；

PWM波占空比D取值为：

D＝UO/VCC (2)

根据占空比同时符合D＝t_on/(t_on+t_off)，PWM波周期为T，因此，计算出t_on＝TD，t_off＝T(1-D)，微处理器模块一个I/O口即发出相应的PWM波；

3)电磁继电器驱动电路在微处理器模块输出PWM波驱动下，保持电磁继电器KM1处于稳定的闭合工作状态。具体步骤如下：

启动时间段设为t1，工作时间段设为t2；

步骤一：启动时间段t1，微处理器模块输出PWM波为高电平，所述的三极管Q1导通，所述的电磁继电器KM1闭合，电磁继电器内的线圈处于储能状态；

步骤二：工作时间段t2，微处理器模块输出PWM波交互为高电平、低电平，占空比由微处理器模块计算所得，高电平对应的时间设为t_on，低电平对应的时间设为t_off；

当高电平t_on时，所述的三极管Q1导通，所述的电磁继电器KM1闭合，同时电磁继电器KM1中的线圈处于储能状态；

当低电平t_off时，所述的三极管Q1截止，所述的电磁继电器KM1中负载电流经续流二极管D1释能，维持所述的电磁继电器KM1闭合。

所述电磁继电器KM1中负载电流在一个周期的初值和终值相等。

当启动电磁继电器后，微处理器根据采集到的驱动电源电压信号，发出相应的PWM波，控制电磁继电器正常工作。

本发明具有结构简单、节约成本、电磁继电器动作快的特点，同时保证安全稳定工作。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、通过电阻R1、R2分压检测功能，可使电磁继电器驱动电路电源电压能够被微处理器模块测量出来，并计算出相应的PWM波占空比，可使电磁继电器电源电压在15V～18V间自由切换。

2、由微处理器模块产生的PWM波控制三极管Q1的导通与关断，导通时，电磁继电器闭合，电磁继电器中的线圈处于储能状态；关断时，电磁继电器通过续流二极管释能，仅通过控制PWM的占空比，不需要增加额外电路，即可使电磁继电器安全稳定地工作在额定电压12V。

3、如图3所示，当t＝t1时，PWM波的高电压使电磁继电器线圈中的电流稍大，从而电磁继电器线圈产生的磁力稍大，以使电磁继电器触点快速动作，在安全的范围内，导致燃烧的电弧时间比较短，从而延长电磁继电器的寿命。

附图说明

图1是现有技术中电磁继电器的驱动电路；

图2是本发明的PWM波控制的电磁继电器驱动电路结构框图；

图3是本发明的结构示意图；

图4为等效后的电磁继电器驱动电路分析图。

图5是微处理器模块输出PWM波示意图。

图中：D1-续流二极管；KM1-电磁继电器；Q1-三极管；R1、R2、R3、R4-电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

图2是本发明公布的PWM波控制的电磁继电器驱动电路结构框图，包括微处理器模块和控制电路。

其中：微处理器模块为包含中央处理单元(CPU)的微处理器(MCU)、数字信号处理器(DSP)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)或可编程控制器(PLC)的电路模块；

结合图3，控制电路包括驱动电路电源VCC、续流二极管D1、电磁继电器KM1、三极管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4。各组成相互关系是：所述电阻R1一端接电磁继电器驱动电路电源VCC，另一端接电阻R2以及微处理器模块的一个A/D口，电阻R2另一端接地；所述续流二极管D1与电磁继电器KM1线圈两端并联，所述二极管D1的负极与电源VCC相连，所述二极管D1的正极与三极管Q1的集电极相连；所述电阻R3的一端接微处理器模块的一个I/O口，R3另一端并接电阻R4和三极管Q1的基极，电阻R4另一端接地，三极管Q1的发射极接地；微处理器模块产生的PWM波控制所述三极管Q1的基极。

一种PWM波控制的电磁继电器驱动电路的实现方法，包括以下步骤：

VCC＝U’*(R1+R2)/R2 (1)

PWM波占空比D取值为：

D＝UO/VCC (2)

3)电磁继电器驱动电路在微处理器模块输出PWM波驱动下，保持电磁继电器KM1处于稳定的闭合工作状态。

如图4所示，所述的电磁继电器驱动电路在微处理器模块输出PWM波驱动下，保持电磁继电器KM1处于稳定的闭合工作状态，其实现步骤如下：

步骤一：在t1阶段，输出高电平，持续时间稍长，三极管Q1导通，电磁继电器线圈中的电流稍大，从而电磁继电器线圈产生的磁力稍大，以使电磁继电器触点快速动作，而不发生触电弹跳，电磁继电器闭合，此时电磁继电器内的线圈处于储能状态；

步骤二：在t2阶段，当t＝t_on时，微处理器模块输出高电平，三极管Q1导通，电磁继电器中的等效电感L中有电流流过，电流按指数曲线缓慢上升，即

UO＝VCC-U_L U_L＝di/dt_on*L (1-1)

在t2阶段，当t＝toff时，微处理器模块输出低电平，三极管Q1截止，电磁继电器中负载电流经续流二极管D1释能，电流按指数曲线下降，即

UO’＝U_L’ U_L’＝di/dt_off*L (1-2)

当电路作用于稳态中，即电磁继电器处于稳定的工作状态中，负载电流在一个周期的初值和终值相等，由(1-1)可得

UO-VCC＝-△I/t_on*L

由(1-2)可得

UO＝△I/t_off*L

即

UO/VCC＝t_on/(t_on+t_off)＝D，D为所述的PWM波的占空比；

在t2阶段，利用电磁继电器中的等效电感不断的储能与释能，通过微处理器模块有效调制PWM波的占空比D，构成一个降压斩波电路，使电磁继电器稳定地工作在其额定电压12V。

Claims

1.一种PWM波控制的电磁继电器驱动电路的实现方法，其特征在于：该驱动电路包括微处理器模块和控制电路，所述控制电路由驱动电路电源VCC、电磁继电器KM1、续流二极管D1、三极管Q1、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4组成；

其中：所述微处理器模块一个A/D口连接由电阻R1、电阻R2构成的分压电路来采样电源电压信号，一个I/O口输出连接电阻R3；所述电阻R1一端接驱动电路电源VCC，另一端通过电阻R2接地，构成分压电路，所述微处理器模块的一个A/D口连接该分压电路；所述微处理器模块的一个I/O口接驱动信号输入线，再通过电阻R3后并接电阻R4、三极管Q1基极，电阻R4的另一端接地，三极管Q1发射极接地，三极管Q1集电极接续流二极管D1的正极；所述续流二极管D1的负极接所述电磁继电器驱动电路电源VCC，续流二极管D1的正负极分别连接在电磁继电器KM1两端：实现方法包括以下步骤：

1）由微处理器模块的A/D口采样分压电路电压，并将分压模拟量经过A/D转换为数字量，设定该电压值为U’，通过公式换算实际VCC：

VCC= U’*（R1+R2）/R2 （1）

2）微处理器模块换算PWM波占空比，通过I/O口发出相应的PWM波：设定PWM波占空比为D，PWM波周期为T，一个周期内，高电平、低电平对应时间分别为t_on、t_off；

PWM波占空比D取值为：

D= UO/VCC （2）

根据占空比同时符合D=t_on/（t_on+ t_off），PWM波周期为T，因此，计算出t_on =TD，t_off =T(1-D)，微处理器模块一个I/O口即发出相应的PWM波；

3）电磁继电器驱动电路在微处理器模块输出PWM波驱动下，保持电磁继电器KM1处于稳定的闭合工作状态。

2.根据权利要求1所述的PWM波控制的电磁继电器驱动电路的实现方法，其特征在于：步骤3）具体步骤如下：

启动时间段设为t1，工作时间段设为t2；

3.根据权利要求1所述的PWM波控制的电磁继电器驱动电路的实现方法，其特征在于：所述电磁继电器KM1中负载电流在一个周期的初值和终值相等。