CN106952781A - 一种采用双反馈系数控制策略的智能接触器控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用双反馈系数控制策略的智能接触器控制模块，交直流工作电源经由滤波电感、安规电容构成的EMI滤波器接入三个相对独立的整流桥D1、D2、D3；整流桥D1连接至非隔离式开关电源；整流桥D2与滤波电容相连得到直流电，经开关管调制后施加在续流二极管和由交流接触器线圈、去磁电路、电流采样模块构成串联支路的两端；整流桥D3连接至由分压电阻R1、R2构成的电压采样电路，实时采集工作电源的电压信号并发送至数字信号处理器中；电流采样模块采集接触器线圈电流信号，通过信号放大模块K1、K2放大并发送至数字信号处理器中；数字控制模块通过分析工作电源的电压信号和接触器线圈电流信号，实时监控工作电源的状态并调控吸合与分断操作过程。

Description

一种采用双反馈系数控制策略的智能接触器控制模块

技术领域

本发明涉及器械智能控制领域，特别是涉及一种采用双反馈系数控制策略的智能接触器控制模块。

背景技术

传统交流接触器由交流电直接控制，工作电压范围通常在额定工作电压的75%到110%。工作电压过低将导致线圈电流偏小，无法产生足够电磁吸力使接触器的动静触头可靠闭合；电压过高则使线圈电流偏大，产生的电磁吸力过强导致动静触头闭合时碰撞能量大，引起剧烈触头弹跳，产生电弧，严重时产生的电弧可能造成触头熔焊，致使接触器无法正常分断电路引发故障；工作电压过高也将使接触器吸合后的线圈电流偏大，损耗增加，发热严重，可能会使线圈烧毁，因此无法进一步拓宽工作电压范围。为满足不同的需求，企业常根据工作电压等级定制接触器线圈，市面上常见的电压等级有24V、48V、110V、220V、380V等，对应线圈规格多，设计复杂，生产周期长。另外，传统的交流接触器缺失抵抗工作电源波动的能力，当电源因故障或负载变化剧烈而出现电压大幅度波动、电压暂降等情况时，可能引起接触器误动作导致系统故障，引发事故，造成损失。

近年来电力电子技术和控制技术被引入交流接触器中，动态调节吸合、吸持、分断过程，弥补传统交流接触器的缺陷。现有技术中，针对110V以下交直流供电系统设计了升压电路和降压斩波电路级联控制模块，可灵活切换工作状态，解决传统交流接触器低电压下吸合困难的问题；现有技术还提供了一种新型智能抗电压跌落控制模块，在故障发生时模块及时改变运行方式，保证触头可靠闭合维持系统供电。虚拟仿真技术同样作为一种研究手段大量应用在接触器优化方面，可以通过ANSYS仿真软件建立主回路和线圈同时通电情况下的交流接触器温度场模型，分析温度分布，为优化设计提供理论基础。通过运用虚拟仿真软件构建传统交流接触器吸合、吸持、分断工作过程的动态模型，分析电场、磁场、力场、温度场等的变化，与电力电子技术和控制技术结合，优化控制传统交流接触器的工作过程，以提高性能的方式已得到广泛应用。虽已取得成效，但仍存在吸合分断时间过长、控制拓扑和方案复杂、控制模块体积大、应对故障情况能力有限等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种采用双反馈系数控制策略的智能接触器控制模块，通过对交流接触器吸合过程、吸持过程、分断过程的整体优化控制，实现在宽工作电压范围下快速吸合分断、抑制触头弹跳、可靠吸持、具备抵抗短时电源波动和交直流电源通用的能力。

本发明采用以下方案实现：一种采用双反馈系数控制策略的智能接触器控制模块，包括一交直流工作电源P1，所述交直流工作电源P1经由一滤波电感L、一安规电容C1构成的EMI滤波器接入三个相对独立的第一整流桥D1、第二整流桥D2、第三整流桥D3；其中，三个整流桥的负端相连；第一整流桥D1的正端连接至一非隔离式开关电源P2，所述非隔离式开关电源P2用以给一数字信号处理器M、一驱动模块Q以及一第一信号放大模块K1与一第二信号放大模块K2供电；所述第二整流桥D2的正端与一滤波电容C2相连构成整流滤波电路得到较为平整的直流电，经一开关管S2调制后施加在一续流二极管S1和由一交流接触器线圈C3、一去磁电路T、一电流采样模块I构成串联支路的两端；所述第三整流桥D3的正端连接至由一第一分压电阻R1与一第二分压电阻R2构成的电压采样电路，用以实时采集工作电源的电压信号并发送至所述数字信号处理器M中；所述电流采样模块I采集接触器线圈电流信号，通过所述第一信号放大模块K1、第二信号放大模块K2放大并发送至所述数字信号处理器M中；所述数字控制模块M通过分析工作电源的电压信号和接触器线圈电流信号，实时监控工作电源的状态并调控吸合操作过程与分断操作过程。

进一步地，所述吸合操作过程具体为：在吸合操作过程中，所述数字信号处理器M实时采集电流采样模块I经信号第一信号放大模块K1与第二信号放大模块K2放大的信号，经所述数字信号处理器M内部的数字比例积分算法得到开关管S2的控制量，再利用所述驱动模块Q控制所述开关管S2的导通关断，构成反馈系统，调节施加在交流接触器线圈两端的平均电压，动态调节线圈电流，控制电磁吸力，保证接触器在不同工作电压下有稳定的激磁能量。

进一步地，所述吸合操作过程采用双反馈系数，在吸合运动阶段，调节施加在交流接触器线圈两端的电压使线圈电流维持在较大值，即吸合电流，较大的吸合电流配用较低的反馈系数；吸合运动阶段结束即进入吸持阶段，调节电压使线圈电流降低至较小值，即吸持电流，较小的吸持电流配用较大的反馈系数。

进一步地，所述吸合操作过程中，数字信号处理器M通过方程式反演电磁系统总磁链，实时计算磁链变化率，通过变化率辨别动静铁芯是否即将闭合，在即将闭合时，迅速降低交流接触器线圈电流，减小电磁吸力，减小动静铁芯碰撞能量从而抑制由铁芯碰撞引起的触头弹跳。

进一步地，所述分断操作过程具体为：所述数字信号处理器M通过由所述第一分压电阻R1与所述第二分压电阻R2构成的电压采样电路识别工作电源的状态判断是否发生分断操作过程；为缩短判断时间，所述数字信号处理器M根据以下两个判据判断是否发生分断操作过程：一是在半个工作电源的变化周期内电源电压小于分断电压阈值，另一则是判断电源电压波形是否在一个变化周期内持续下降，满足两者其一则进入分断操作过程；所在分断操作过程中，通过去磁电路T在交流接触器线圈两端施加负压使电流迅速降低至零，电磁吸力快速下降，在反力弹簧的带动下接触器完成分断操作。

进一步地，所述智能接触器控制模块在工作过程中，当工作电源发生故障，出现短时的波动或停止供电的状况，所述滤波电容C2中储存的能量继续维持线圈电流稳定一段时间，保证接触器可靠吸合，若这段时间后电源仍然故障则进入分断操作过程，若恢复正常则进入吸持阶段。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：1、本发明采用了抑制吸合过程触头弹跳的控制策略。控制模块通过线圈电流和线圈电压信号反演磁链，实时计算变化率，预判动静铁芯闭合时刻，调节接触器线圈电流，减小动静铁芯碰撞能量从而抑制由铁芯碰撞引起的触头弹跳，抑制吸合电弧，有利于提高交流接触器的电寿命。2、本发明采用双反馈系数策略。双反馈系数策略兼顾吸合运动阶段和吸持阶段的电流控制精度，使线圈电流在每次吸合操作下都能复现同样的变化过程，保证交流接触器工作状态的稳定性，提高交流接触器的可靠性。同时具有响应速度快的特点，遇到工作电源电压、频率突变或波动严重的情况能够快速调整线圈电流，维持电磁吸力稳定，保持接触器可靠吸合。3、本发明采用独立整流桥结构，建立波形识别判据。独立整流桥的结构削弱了模块中各电路之间的耦合关系，使电压采样电路能够及时的准确反映工作电源的变化，为双反馈系数策略下交流接触器对电源变化的快速反应机制提供了保障。在此基础上建立了波形识别判据，削弱EMI滤波器对分断操作的辨别时间的影响，缩短了智能接触器分断动作时间。4、本发明拓宽交流接触器的工作电压范围，并具有短时抗电压跌落保护功能，适用多种交流接触器的线圈规格。通过开关管调制施加在交流接触器线圈两端的电压，实现在不同工作电压下有稳定的激磁能量，避免因电压过低造成的无法吸合和电压过高引起的触头弹跳严重、线圈发热严重等状况，在拓宽接触器工作电压范围的同时提高电寿命。当工作电源发生短时故障，消耗控制模块的储能维持线圈电流，保证可靠吸合，提高了接触器的可靠性。控制模块也适用多种线圈规格，简化了企业的线圈设计过程，降低了生产成本，提高企业市场竞争力。

附图说明

图1是本发明的智能接触器控制模块的电路原理示意图。

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。

本实施例提供一种采用双反馈系数控制策略的智能接触器控制模块，如图1所示，包括一交直流工作电源P1，所述交直流工作电源P1经由一滤波电感L、一安规电容C1构成的EMI滤波器接入三个相对独立的第一整流桥D1、第二整流桥D2、第三整流桥D3；其中，三个整流桥的负端相连；第一整流桥D1的正端连接至一非隔离式开关电源P2，所述非隔离式开关电源P2用以给一数字信号处理器M、一驱动模块Q以及一第一信号放大模块K1与一第二信号放大模块K2供电；所述第二整流桥D2的正端与一滤波电容C2相连构成整流滤波电路得到较为平整的直流电，经一开关管S2调制后施加在一续流二极管S1和由一交流接触器线圈C3、一去磁电路T、一电流采样模块I构成串联支路的两端；所述第三整流桥D3的正端连接至由一第一分压电阻R1与一第二分压电阻R2构成的电压采样电路，用以实时采集工作电源的电压信号并发送至所述数字信号处理器M中；所述电流采样模块I采集接触器线圈电流信号，通过所述第一信号放大模块K1、第二信号放大模块K2放大并发送至所述数字信号处理器M中；所述数字控制模块M通过分析工作电源的电压信号和接触器线圈电流信号，实时监控工作电源的状态并调控吸合操作过程与分断操作过程；其中，独立整流桥的结构削弱了模块中各电路之间的耦合关系，使电压采样电路能够及时反映工作电源P1的电压变化，并且保正了非隔离式开关电源P2在宽工作电压范围下供电的稳定性，使控制模块能够可靠工作。

在本实施例中，所述吸合操作过程具体为：在吸合操作过程中，所述数字信号处理器M实时采集电流采样模块I经信号第一信号放大模块K1与第二信号放大模块K2放大的信号，经所述数字信号处理器M内部的数字比例积分算法得到开关管S2的控制量，再利用所述驱动模块Q控制所述开关管S2的导通关断，构成反馈系统，调节施加在交流接触器线圈两端的平均电压，动态调节线圈电流，控制电磁吸力，保证接触器在不同工作电压下有稳定的激磁能量。则该过程中，在工作电压较低时有足够的激磁能量，工作电压较高时通过减小线圈两端电压稳定激磁能量，从而稳定线圈电流和电磁吸力，避免因电压过低造成的无法吸合和电压过高引起的触头弹跳严重等状况。

在本实施例中，所述吸合操作过程采用双反馈系数，在吸合运动阶段，调节施加在交流接触器线圈两端的电压使线圈电流维持在较大值，即吸合电流，较大的吸合电流配用较低的反馈系数；吸合运动阶段结束即进入吸持阶段，调节电压使线圈电流降低至较小值，即吸持电流，较小的吸持电流配用较大的反馈系数。吸合过程中为保证接触器在吸合运动阶段可靠动作、吸持阶段功耗低，吸合电流值比吸持电流值大几倍到十几倍，若采用单反馈系数，则会因电流控制精度不足导致各次吸合操作下的吸持电流差异大，严重时将出现吸合不可靠的情况。故采用双反馈系数方案，即较大的吸合电流配用较低的反馈系数，较小的吸持电流配用较大的反馈系数，提高吸合过程各阶段的电流控制精度，使线圈电流在每次吸合操作下都复现同样的变化过程，保证工作状态的稳定性，提高交流接触器的可靠性。

在本实施例中，所述吸合操作过程中，数字信号处理器M通过方程式反演电磁系统总磁链，实时计算磁链变化率，通过变化率辨别动静铁芯是否即将闭合，在即将闭合时，迅速降低交流接触器线圈电流，减小电磁吸力，减小动静铁芯碰撞能量从而抑制由铁芯碰撞引起的触头弹跳。

在本实施例中，所述分断操作过程具体为：所述数字信号处理器M通过由所述第一分压电阻R1与所述第二分压电阻R2构成的电压采样电路识别工作电源的状态判断是否发生分断操作过程；受EMI滤波器的影响，在控制电源撤离模块后安规电容C1上的残余电压会使判断时间增加，导致智能接触器分断动作时间过长，则为缩短判断时间，所述数字信号处理器M根据以下两个判据判断是否发生分断操作过程：一是在半个工作电源的变化周期内电源电压小于分断电压阈值，另一则是判断电源电压波形是否在一个变化周期内持续下降，满足两者其一则进入分断操作过程；所在分断操作过程中，通过去磁电路T在交流接触器线圈两端施加负压使电流迅速降低至零，电磁吸力快速下降，在反力弹簧的带动下接触器完成分断操作。

在本实施例中，所述智能接触器控制模块在工作过程中，能够实现抗电源电压波动的功能：当工作电源发生故障，出现短时的波动或停止供电的状况，所述滤波电容C2中储存的能量继续维持线圈电流稳定一段时间，保证接触器可靠吸合，若这段时间后电源仍然故障则进入分断操作过程，若恢复正常则进入吸持阶段。

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 (6)

1.一种采用双反馈系数控制策略的智能接触器控制模块，其特征在于：包括一交直流工作电源P1，所述交直流工作电源P1经由一滤波电感L、一安规电容C1构成的EMI滤波器接入三个相对独立的第一整流桥D1、第二整流桥D2、第三整流桥D3；其中，三个整流桥的负端相连；第一整流桥D1的正端连接至一非隔离式开关电源P2，所述非隔离式开关电源P2用以给一数字信号处理器M、一驱动模块Q以及一第一信号放大模块K1与一第二信号放大模块K2供电；所述第二整流桥D2的正端与一滤波电容C2相连构成整流滤波电路得到较为平整的直流电，经一开关管S2调制后施加在一续流二极管S1和由一交流接触器线圈C3、一去磁电路T、一电流采样模块I构成串联支路的两端；所述第三整流桥D3的正端连接至由一第一分压电阻R1与一第二分压电阻R2构成的电压采样电路，用以实时采集工作电源的电压信号并发送至所述数字信号处理器M中；所述电流采样模块I采集接触器线圈电流信号，通过所述第一信号放大模块K1、第二信号放大模块K2放大并发送至所述数字信号处理器M中；所述数字控制模块M通过分析工作电源的电压信号和接触器线圈电流信号，实时监控工作电源的状态并调控吸合操作过程与分断操作过程。

2.根据权利要求1所述的一种采用双反馈系数控制策略的智能接触器控制模块，其特征在于：所述吸合操作过程具体为：在吸合操作过程中，所述数字信号处理器M实时采集电流采样模块I经信号第一信号放大模块K1与第二信号放大模块K2放大的信号，经所述数字信号处理器M内部的数字比例积分算法得到开关管S2的控制量，再利用所述驱动模块Q控制所述开关管S2的导通关断，构成反馈系统，调节施加在交流接触器线圈两端的平均电压，动态调节线圈电流，控制电磁吸力，保证接触器在不同工作电压下有稳定的激磁能量。

3.根据权利要求2所述的一种采用双反馈系数控制策略的智能接触器控制模块，其特征在于：所述吸合操作过程采用双反馈系数，在吸合运动阶段，调节施加在交流接触器线圈两端的电压使线圈电流维持在较大值，即吸合电流，较大的吸合电流配用较低的反馈系数；吸合运动阶段结束即进入吸持阶段，调节电压使线圈电流降低至较小值，即吸持电流，较小的吸持电流配用较大的反馈系数。

4.根据权利要求2所述的一种采用双反馈系数控制策略的智能接触器控制模块，其特征在于：所述吸合操作过程中，数字信号处理器M通过方程式反演电磁系统总磁链，实时计算磁链变化率，通过变化率辨别动静铁芯是否即将闭合，在即将闭合时，迅速降低交流接触器线圈电流，减小电磁吸力，减小动静铁芯碰撞能量从而抑制由铁芯碰撞引起的触头弹跳。

5.根据权利要求1所述的一种采用双反馈系数控制策略的智能接触器控制模块，其特征在于：所述分断操作过程具体为：所述数字信号处理器M通过由所述第一分压电阻R1与所述第二分压电阻R2构成的电压采样电路识别工作电源的状态判断是否发生分断操作过程；为缩短判断时间，所述数字信号处理器M根据以下两个判据判断是否发生分断操作过程：一是在半个工作电源的变化周期内电源电压小于分断电压阈值，另一则是判断电源电压波形是否在一个变化周期内持续下降，满足两者其一则进入分断操作过程；所在分断操作过程中，通过去磁电路T在交流接触器线圈两端施加负压使电流迅速降低至零，电磁吸力快速下降，在反力弹簧的带动下接触器完成分断操作。

6.根据权利要求1所述的一种采用双反馈系数控制策略的智能接触器控制模块，其特征在于：所述智能接触器控制模块在工作过程中，当工作电源发生故障，出现短时的波动或停止供电的状况，所述滤波电容C2中储存的能量继续维持线圈电流稳定一段时间，保证接触器可靠吸合，若这段时间后电源仍然故障则进入分断操作过程，若恢复正常则进入吸持阶段。