CN108281324B - 接触器线圈节能控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接触器线圈节能控制器，包括晶振电路、单片机电源电路、MCU单片机、电源电压采样电路、线圈的续流电路、高速开关电路、快速释放电路、外部被控接触器、电源+，其特征在于：电源+连接单片机电源电路、电源电压采样电路、线圈的续流电路、线圈，单片机电源电路、电源电压采样电路和晶振电路连接MCU单片机；线圈连接线圈的续流电路和快速释放电路，线圈的续流电路和快速释放电路连接二极管D6的正端，D6的负端与电源正连接，MCU单片机和快速释放电路连接高速开关电路，高速开关电路与电源负端连接。本发明能将接触器的电能损耗降到额定电压时的9%‑12%,大大降低了接触器线圈的能耗,同时为接触器减轻重量、提高寿命等电气性能奠定了基础。

Description

接触器线圈节能控制器

技术领域

本发明涉及控制器技术领域，特别是一种接触器线圈节能控制器。

背景技术

接触器线圈节能控制器是一种接触器中电磁铁线圈电压/电流的控制部件，当电磁铁线圈得电,并通过安匝(IW)产生电磁吸力使铁心运动从而带动与铁心相连的活动部件运动,到电磁铁的铁心吸到低时，此时只需要很小的安匝(IW)维持即可。可通过减小电磁铁上线圈的维持安匝(IW)来实现电磁铁线圈的节能。现有接触器的电磁铁通常是采用双线圈，其一为起动线圈产生的启动安匝(IW)qd，其二为保持线圈产生的保持安匝(IW)bc，在铁心处于打开位置时通过与铁心联动的推杆将辅助触点打开，使启动安匝(IW)qd和保持安匝(IW)bc实现串联。由于保持线圈的电阻较大，线圈电流就大大减小，这样就大大降低了线圈磁势IW，电磁铁线圈长时工作所消耗的功率就大大降低了。

双线圈电磁铁机构有很突出的缺点，其一是：由于引入了辅助触点，辅助触点的引入增加了电磁结构的复杂性，往往因机械开关故障而大大增加接触器的失效几率；其二是，主触点在关断和接通负载的过程中将产生电弧，使辅助触点可靠性更差；其三是，双线圈结构很复杂、体积大、重量重等等。随着新的电气控制体系的出现，对接触器的要求越来越高，双线圈电磁铁系统这种节能方式的许多缺陷已凸显出来。为了克服上述缺点，借助微电子技术，设计一种接触器线圈节能控制器。

发明内容

本发明的目的就是提供一种接触器线圈节能控制器,确保在大功率接触器启动时提供瞬时的大的启动安匝,当接触器吸合后能提供较低的保持安匝,即只需30%-35%的额定电压来维持,电能损耗降到额定电压时的9%-12%,大大降低了接触器线圈的能耗,同时为接触器减轻重量、提高寿命等电气性能奠定了基础。

为了实现上述目的，本发明主要采用以下技术方案实现：

一种接触器线圈节能控制器，包括晶振电路、单片机电源电路、MCU单片机、电源电压采样电路、线圈的续流电路、高速开关电路、快速释放电路、外部被控接触器、电源+，其特征在于：电源+连接单片机电源电路、电源电压采样电路、线圈的续流电路、线圈，单片机电源电路、电源电压采样电路和晶振电路连接MCU单片机；线圈连接线圈的续流电路和快速释放电路，线圈的续流电路和快速释放电路连接二极管D6的正端，D6的负端与电源正连接，MCU单片机和快速释放电路连接高速开关电路，高速开关电路与电源负端连接。

其中；所述的晶振电路由C01、C02、XTAL构成，晶振电路給MCU单片机U2提供振荡配置，即MCU单片机U2的外部时钟输入电路。

其中；所述的单片机电源电路由R1、D4、7805、C1、C2构成，单片机电源电路给单片机提供5V DC工作电源；在电源电压高于30V后，稳压二极管D4将电压钳位在7805允许的最高输入电位；C1、C2使7805的输出电压更稳定。

其中；所述的MCU单片机PIC12F675是microchip公司生产的一款8脚单片机，内置一个10bitA/D转换器、T0、T1两个定时器。运用A/D转换对电源电压进行采样，利用T0、T1两个定时器产生16KHz、占空比可调的振荡频率来控制高速开关Q2。

其中；所述的电源电压采样电路由R4、R5、C3、D5构成，R4、R5将电源电压变换到PIC12F675允许输入的电压范围内，输入MCU的模拟输入端口AN1进行A/D转换，计算出电源电压值；C3、D5抑制瞬时干扰电压，保护MCU。

其中；所述的线圈的续流电路由D2、D3、C5、R2、R3、Q1、D6构成，当T0时刻Q2导通后，电源通过D1→R1→D2对C5快速充电至电源电压，由R1、R2分压后加在Q1的G、S极，确保Q1导通，Q2截止期间，由于C5放电回路时间常数远大于Toff的时间，依然保持电源电压，使Q1保持导通，Q2截止期间线圈产生的感应电压即反电势由OUT-→Q1→D6→OUT+给线圈续流，使电磁体保持吸合状态。

其中；所述的高速开关电路， Q2为N沟道MOSFET场效应管，Q2由PIC12F675的GP0口控制，高速开关线圈，使线圈电压变成方波序列。

其中；所述的快速释放电路由D6、D7构成，当电源断电后，C5通过R2→R3→D6放电，Q1截止，线圈反电势只能从OUT-→D7→D6→OUT+释放，但此时稳压管D7工作在反向击穿状态，等效电阻较大，即放电时间常数τ=L/R很小，线圈存储的能量很快泄放，线圈电流迅速降到零，电磁铁很快释。

其中；所述的电源+端通过二极管D1的正端接入,然后通过二极管D1的负端分别到电阻R1、R4、线圈的一端及二极管D6的负端；电阻R1的另一端分别接稳压块U1的1端(电源输入端)、电容C1的一端、稳压管D4的负端及二极管D2的正端；稳压块U1的3端(输出端)分别接MCU单片机U2的1端(电源端)和电容C2的一端；电容C1的另一端、电容C2的另一端、稳压管D4的正端、MCU单片机U2的8端(Vss端)及稳压块U1的2端(COM端)连接一起接地；二极管D2的负端接电阻R2的一端和电容C5的一端；电阻R2的另一端接电阻R3的一端、稳压管D3的负端及MOSFET管Q1的栅极；MOSFET管Q1的漏极接线圈的另一端和稳压管D7的负端；电容C5的另一端、电阻R3的另一端、稳压管D3的正端、二极管D6的正端及稳压管D7的正端、MOSFET管Q1的源极与MOSFET管Q2的漏极连接在一起；电阻R4的另一端与电容C3的一端、稳压管D5的负端、电阻R5的一端及MCU单片机U2的6端（Gp1端）连接在一起；电容C3的另一端、稳压管D5的正端、电阻R5的另一端连接在一起接地；MCU单片机U2的7端（Gp0端）接电容C4的一端和MOSFET管Q2的栅极；电容C4的另一端和MOSFET管Q1的源极连接在一起接地；MCU单片机U2的2端（Gp5端）与晶振XTAL的一端及电容C01的一端连在一起；MCU单片机U2的3端（Gp4端）与晶振XTAL的另一端及电容C02的一端连在一起；电容C01的另一端电容C02的另一端连在一起接地。

由以上技术方案可知，本技术方案与现有技术方案相比具有明显有益效果，本技术方案通过在接触器线圈利用额定电压瞬时启动后，利用PWM技术将线圈电压降到额定值的30%-35%，使其长期工作时接触器线圈消耗功率为额定值得9%-12%，功耗大幅度降低提高了系统的工作效率。并采用PIC单片机微处理器及电力电子技术，电磁系统采用单线圈结构，用单片机控制串接在线圈电路中的电子开关，利用PWM技术降低线圈上的平均电压，达到减小保持安匝（IW）的目的，即实现电磁电器线圈节能的目的。这样也可同时减小体积、降低重量及简化电磁铁结构并实现智能控制优点。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的电路原理图；

图3为本发明的B、C点之间的电压（控制Q1），A点电压（控制Q2）、线圈电压即方波序列图。

图中标记

1、晶振电路；2、单片机电源电路；3、MCU单片机；4、电源电压采样电路；5、线圈的续流电路；6、高速开关电路；7、快速释放电路；8、外部被控接触器；9、电源+；10、线圈。

具体实施方式

以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的接触器线圈节能控制器具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

参见图1-3所示，一种接触器线圈节能控制器，包括晶振电路1、单片机电源电路2、MCU单片机3、电源电压采样电路4、线圈的续流电路5、高速开关电路6、快速释放电路7、外部被控接触器8、电源+9，其特征在于：电源+9连接单片机电源电路2、电源电压采样电路4、线圈的续流电路5、线圈10，单片机电源电路2、电源电压采样电路4和晶振电路1连接MCU单片机3，线圈10连接续流电路5和快速释放电路7，线圈的续流电路5和快速释放电路7连接二极管D6的正端，D6的负端与电源正连接，MCU单片机3和快速释放电路7连接高速开关电路6，高速开关电路6与电源负端连接。

所述的晶振电路1由C01、C02、XTAL构成，晶振电路1給MCU单片机3提供振荡配置，即MCU单片机3的外部时钟输入电路。

所述的单片机电源电路2由R1、D4、7805、C1、C2构成，单片机电源电路2给单片机提供5V DC工作电源；在电源电压高于30V后，稳压二极管D4将电压钳位在7805允许的最高输入电位；C1、C2使7805的输出电压更稳定。

所述的MCU单片机3PIC12F675是microchip公司生产的一款8脚单片机，内置一个10bitA/D转换器、T0、T1两个定时器。运用A/D转换对电源电压进行采样，利用T0、T1两个定时器产生16KHz、占空比可调的振荡频率来控制高速开关Q2。

所述的电源电压采样电路4由R4、R5、C3、D5构成，R4、R5将电源电压变换到PIC12F675允许输入的电压范围内，输入MCU的模拟输入端口AN1进行A/D转换，计算出电源电压值；C3、D5抑制瞬时干扰电压，保护MCU。

所述的线圈的续流电路5由D2、D3、C5、R2、R3、Q1、D6构成，当T0时刻Q2导通后，电源通过D1→R1→D2对C5快速充电至电源电压，由R1、R2分压后加在Q1的G、S极，确保Q1导通，Q2截止期间，由于C5放电回路时间常数远大于Toff的时间，依然保持电源电压，使Q1保持导通，Q2截止期间线圈10产生的感应电压即反电势由OUT-→Q1→D6→OUT+给线圈10续流，使电磁体保持吸合状态。

所述的高速开关电路6， Q2为N沟道MOSFET场效应管，Q2由PIC12F675的GP0口控制，高速开关线圈10，使线圈10电压变成方波序列。

所述的快速释放电路7由D6、D7构成，当电源断电后，C5通过R2→R3→D6放电，Q1截止，线圈10反电势只能从OUT-→D7→D6→OUT+释放，但此时稳压管D7工作在反向击穿状态，等效电阻较大，即放电时间常数τ=L/R很小，线圈10存储的能量很快泄放，线圈10电流迅速降到零，电磁铁很快释。

参见图2所示，所述的电源+9端通过二极管D1的正端接入,然后通过二极管D1的负端分别到电阻R1、R4、线圈10的一端及二极管D6的负端；电阻R1的另一端分别接稳压块U1的1端(电源输入端)、电容C1的一端、稳压管D4的负端及二极管D2的正端；稳压块U1的3端(输出端)分别接MCU单片机3的1端(电源端)和电容C2的一端；电容C1的另一端、电容C2的另一端、稳压管D4的正端、MCU单片机3 U2的8端(Vss端)及稳压块U1的2端(COM端)连接一起接地；二极管D2的负端接电阻R2的一端和电容C5的一端；电阻R2的另一端接电阻R3的一端、稳压管D3的负端及MOSFET管Q1的栅极；MOSFET管Q1的漏极接线圈的另一端和稳压管D7的负端；电容C5的另一端、电阻R3的另一端、稳压管D3的正端、二极管D6的正端及稳压管D7的正端、MOSFET管Q1的源极与MOSFET管Q2的漏极连接在一起；电阻R4的另一端与电容C3的一端、稳压管D5的负端、电阻R5的一端及MCU单片机3 U2的6端（Gp1端）连接在一起；电容C3的另一端、稳压管D5的正端、电阻R5的另一端连接在一起接地；MCU单片机3 U2的7端（Gp0端）接电容C4的一端和MOSFET管Q2的栅极；电容C4的另一端和MOSFET管Q1的源极连接在一起接地；MCU单片机3 U2的2端（Gp5端）与晶振XTAL的一端及电容C01的一端连在一起；MCU单片机3U2的3端（Gp4端）与晶振XTAL的另一端及电容C02的一端连在一起；电容C01的另一端电容C02的另一端连在一起接地。

工作原理如下：

启动电流工作原理：如图2，设t0时刻开关Q2接通，电源电压加在电磁铁线圈上，由于线圈等效于一个电阻和电感的串联，其电流方程为I=(U/R)(1-e（-t/τ）)，其中U为线圈上的电压、R为线圈电阻、L为线圈电感、τ=L/R。由电流方程可见，线圈电流随时间t按指数规律上升，在保证电磁铁可靠吸合的前提下，程序控制Tstar（见图2）＜τ，即可控制启动时线圈电流的大小，同时保证使其不要达到稳态值U/R。

节能工作原理：见图2，电磁铁闭合后，在t1时刻，MCU以固定振荡周期T启动振荡，则线圈平均电压Up=（Ton/T）U,根据采样到的电源电压U，调整占空时间Ton，将线圈上的平均电压从额定电压降到保持电压以上（保持电压取额定电压的30%-35%），磁势IW随之减少，由于线圈消耗功率与（IW）²成正比，电能损耗降到额定电压时的9%-12%,大大降低了接触器线圈的能耗,故而大大降低了线圈功耗，从而达到了节能的目的。同时为接触器减轻重量、提高寿命等电气性能提奠定了基础。

快速释放原理：在Q2振荡期间，控制电路会保持Q1导通，线圈储存能量会通过开关Q1、二极管D6续流，以维持线圈平均电流不释放值以上。切断电源后，Q1会断开，关断低阻抗续流回路，线圈存储能量通过另一高阻抗回路快速释放，从而较小释放时间。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种接触器线圈节能控制器，包括晶振电路（1）、单片机电源电路（2）、MCU单片机（3）、电源电压采样电路（4）、线圈的续流电路（5）、高速开关电路（6）、快速释放电路（7）、外部被控接触器（8）、电源+（9），其特征在于：电源+（9）连接单片机电源电路（2）、电源电压采样电路（4）、线圈的续流电路（5）、线圈（10），单片机电源电路（2）、电源电压采样电路（4）和晶振电路（1）连接MCU单片机（3），线圈（10）连接续流电路（5）和快速释放电路（7），线圈的续流电路（5）和快速释放电路（7）连接二极管D6的正端，二极管D6的负端与电源正连接，MCU单片机（3）和快速释放电路（7）连接高速开关电路（6），高速开关电路（6）与电源负端连接，晶振电路（1）由电容C01、电容C02、晶振XTAL构成，晶振电路（1）给MCU单片机（3）U2提供振荡配置，即MCU单片机U2（3）的外部时钟输入电路。

2.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于：所述的单片机电源电路（2）由电阻R1、稳压管D4、7805、电容C1、电容C2构成，单片机电源电路（2）给单片机提供5VDC工作电源；在电源电压高于30V后，稳压二极管D4将电压钳位在7805允许的最高输入电位；电容C1、电容C2使7805的输出电压更稳定。

3.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于：所述的MCU单片机（3）PIC12F675是microchip公司生产的一款8脚单片机，内置一个10bitA/D转换器、T0、T1两个定时器，运用A/D转换对电源电压进行采样，利用定时器T0、定时器T1两个定时器产生16KHz、占空比可调的振荡频率来控制高速开关MOSFET管Q2。

4.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于：所述的电源电压采样电路（4）由电阻R4、电阻R5、电容C3、稳压管D5构成，电阻R4、电阻R5将电源电压变换到PIC12F675允许输入的电压范围内，输入MCU单片机（3）的模拟输入端口AN1进行A/D转换，计算出电源电压值；电容C3、稳压管D5抑制瞬时干扰电压，保护MCU单片机（3）。

5.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于：所述的线圈的续流电路（5）由二极管D2、稳压管D3、电容C5、电阻R2、电阻R3、MOSFET管Q1、二极管D6构成，当T0时刻MOSFET管Q2导通后，电源通过二极管D1→电阻R1→二极管D2对电容C5快速充电至电源电压，由电阻R1、电阻R2分压后加在MOSFET管Q1的G、S极，确保MOSFET管Q1导通，MOSFET管Q2截止期间，由于电容C5放电回路时间常数远大于Toff的时间，依然保持电源电压，使MOSFET管Q1保持导通，MOSFET管Q2截止期间线圈（10）产生的感应电压即反电势由OUT-→MOSFET管Q1→二极管D6→OUT+给线圈（10）续流，使电磁体保持吸合状态。

6.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于：所述的高速开关电路（6），MOSFET管Q2为N沟道MOSFET场效应管，MOSFET管Q2由PIC12F675的GP0口控制，高速开关线圈（10），使线圈（10）电压变成方波序列。

7.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于：所述的快速释放电路（7）由二极管D6、稳压管D7构成，当电源断电后，电容C5通过电阻R2→电阻R3→二极管D6放电，MOSFET管Q1截止，线圈（10）反电势只能从OUT-→稳压管D7→二极管D6→OUT+释放，但此时稳压管D7工作在反向击穿状态，等效电阻较大，即放电时间常数τ=L/R很小，线圈存储的能量很快泄放，线圈（10）电流迅速降到零，电磁铁很快释。

8.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于：所述的电源+（9）端通过二极管D1的正端接入,然后通过二极管D1的负端分别到电阻R1、电阻R4、线圈（10）的一端及二极管D6的负端；电阻R1的另一端分别接稳压块U1的1端、电容C1的一端、稳压管D4的负端及二极管D2的正端；稳压块U1的3端分别接MCU单片机（3）U2的1端和电容C2的一端；电容C1的另一端、电容C2的另一端、稳压管D4的正端、MCU单片机（3）U2的8端及稳压块U1的2端连接一起接地；二极管D2的负端接电阻R2的一端和电容C5的一端；电阻R2的另一端接电阻R3的一端、稳压管D3的负端及MOSFET管Q1的栅极；MOSFET管Q1的漏极接线圈的另一端和稳压管D7的负端；电容C5的另一端、电阻R3的另一端、稳压管D3的正端、二极管D6的正端及稳压管D7的正端、MOSFET管Q1的源极与MOSFET管Q2的漏极连接在一起；电阻R4的另一端与电容C3的一端、稳压管D5的负端、电阻R5的一端及MCU单片机U2（3）的6端连接在一起；电容C3的另一端、稳压管D5的正端、电阻R5的另一端连接在一起接地；MCU单片机（3）U2的7端接电容C4的一端和MOSFET管Q2的栅极；电容C4的另一端和MOSFET管Q1的源极连接在一起接地；MCU单片机（3）U2的2端与晶振XTAL的一端及电容C01的一端连在一起；MCU单片机（3）U2的3端与晶振XTAL的另一端及电容C02的一端连在一起；电容C01的另一端电容C02的另一端连在一起接地。

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