CN109616377B - 一种大容量接触器并绕线圈电磁机构控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大容量接触器并绕线圈电磁机构控制系统及其控制方法，包括接触器并绕线圈电磁机构及其配套的控制电路，配套的控制电路包括交直流输入电源、整流滤波电路、电磁机构驱动电路、隔离驱动电路、电流传感器和嵌入式控制系统；交直流输入电源经整流滤波后变为较平稳的直流电压，施加到电磁机构驱动电路，电磁机构驱动电路施加驱动电压到接触器的电磁系统；电流传感器用于检测电磁机构线圈电流；采用嵌入式控制芯片来实现电流闭环控制方案，芯片输出的PWM信号经隔离驱动电路的隔离放大后作用于电磁机构驱动电路，并最终控制施加在电磁机构两端高频方波电压的导通周期数及占空比，实现电流闭环控制。本发明可以灵活设计线圈电阻，节能减材。

Description

一种大容量接触器并绕线圈电磁机构控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电磁结构控制领域，特别是一种大容量接触器并绕线圈电磁机构控制系统及其控制方法。

背景技术

国家推出振兴装备制造业政策以来，我国的矿山、冶金、起重等重型装备行业快速发展，装备制造能力得到大幅提升，而加工设备的大型化对配套电器产品的容量要求也越来越高，接触器作为工业生产中常用的低压控制电器，对其大容量产品的需求更是紧迫。大容量接触器多用在煤炭、矿业、冶金、变频、机车、船舶及新能源发电等重型装备领域中，控制着重要的大容量电路的频繁通断，鉴于这些行业恶劣的工作环境及其对自身设备工作可靠性的高要求，需要配套的大容量接触器具有更高的触头通断性能及工作可靠性。

在大容量接触器的设计中，触头通断容量的增大决定了触头初压力、终压力、开距及超程的增大，进而决定了反力特性的增大，并最终导致配套电磁系统的增大，以便得到足够的电磁吸力。随着接触器容量的增大，运行中的一系列问题愈加凸显，如：笨重的触头系统及电磁系统导致其动作特性的分散性更为明显；起动过程冲击大，触头弹跳严重，影响接触器的电寿命及接通能力的提高；分断过程动铁心反力强烈，对接触器框架存在较大的冲击，影响其机械寿命；线圈保持电流大，功耗严重，导致电磁系统发热较大，易产生匝间短路，影响接触器的可靠保持；电磁系统更为敏感，更易受到电压波动及电压跌落的影响，等等。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种大容量接触器并绕线圈电磁机构控制系统及其控制方法，克服现有技术中大容量接触器电磁机构过于笨重及功耗严重这一缺陷，能够灵活调节激磁电流，同时也可以灵活设计线圈电阻，便于电磁机构的节能、节材优化设计及动态控制。

本发明采用以下方案实现：一种大容量接触器并绕线圈电磁机构控制系统，包括并绕线圈电磁机构及其配套控制电路；所述配套控制电路包括交直流输入电源、整流滤波电路、电磁机构驱动电路、隔离驱动电路、电流传感器和嵌入式控制系统；

所述交直流输入电源与所述整流滤波电路电性相连；所述整流滤波电路的输出端与所述电磁机构驱动电路的输入端电性相连；所述电磁机构驱动电路的输出端分别与所述并绕线圈电磁机构和所述电流传感器电性相连，用以通过所述电流传感器检测电磁机构线圈电流，所述电流传感器的输出端与所述嵌入式控制系统电性相连，用以将所述线圈电流传输到所述嵌入式控制系统；所述嵌入式控制系统还与所述隔离驱动电路电性相连，用以将所述嵌入式控制系统输出的PWM信号进行隔离放大；所述隔离驱动电路还与所述电磁机构驱动电路电性相连，用以将隔离放大后的信号施加于所述电磁机构驱动电路，并控制施加在电磁机构两端高频方波电压的导通周期数及占空比，从而实现电流闭环控制。

进一步地，所述嵌入式控制系统包括ADC通道、数字PID电流闭环控制器和PWM控制器；所述电流传感器与所述ADC通道的输入端电性相连；所述ADC通道的输出端与所述数字PID电流闭环控制器的输入端电性相连；所述数字PID电流闭环控制器的输出端与所述PWM控制器的输入端电性相连；所述PWM控制器的输出端与所述隔离驱动电路电性相连。

进一步地，所述电磁机构驱动电路包括第一电力电子开关S₁、第二快恢复二极管D₂、第三快恢复二极管D₃和第四电力电子开关S₄；所述第一电力电子开关S₁的一端与所述第三快恢复二极管D₃的阴极相连，并作为所述电磁机构驱动电路的OUT+节点；所述第三快恢复二极管D₃的阳极与所述第四电力电子开关S₄的一端相连，并作为所述电磁机构驱动电路的IN-节点；所述第一电力电子开关S₁的另一端与所述第二快恢复二极管D₂的阴极相连，并作为所述电磁机构驱动电路IN+节点；所述第四电力电子开关S₄的另一端与所述第二快恢复二极管D₂的阳极相连，并作为所述电磁机构驱动电路的OUT-节点。

进一步地，所述并绕线圈电磁机构包括n股并绕线圈和静铁心；所述n股并绕线圈是由每股漆包线在静铁心上绕m匝，采用n股并绕的方式形成；所述n股并绕线圈的电流流入端并联在一起，并与所述电磁机构驱动电路的OUT+端相连，所述n股并绕线圈的电流流出端并联在一起，并与所述电磁机构驱动电路的OUT-端相连。

进一步地，本发明还提供一种基于大容量接触器并绕线圈电磁机构控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：所述整流滤波电路将所述交直流输入电源输入的交直流电压转换成直流电压；

步骤S2：所述整流滤波电路将转换后的直流电压施加到所述电磁机构驱动电路IN+节点和IN-节点上，同时所述电磁机构驱动电路从所述OUT+节点及所述OUT-节点输出驱动电压，并施加到所述并绕线圈电磁机构；

步骤S3：通过所述电流传感器检测所述并绕线圈电磁机构流出到所述电磁机构驱动电路的OUT-节点的电流，并将检测的电流i_coil传输到所述ADC通道；

步骤S4：所述ADC通道将接收到的电流i_coil与预设参考电流i_ref比较，并通过所述数字PID电流闭环控制器计算输出误差信号i_error；

步骤S5：所述PWM控制器根据步骤S4计算出的输出误差信号i_error来改写所述嵌入式控制系统的控制芯片中PWM外设的占空比寄存器值，从而调节PWM信号的导通周期数及占空比；

步骤S6：将步骤S5中的PWM信号经所述隔离驱动电路隔离放大后，输出到所述电磁机构驱动电路，并控制施加在所述电磁机构驱动电路两端高频方波电压的导通周期数及占空比，从而实现电流闭环控制。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明克服现有技术中大容量接触器电磁机构过于笨重及功耗严重这一缺陷，能够灵活调节激磁电流，同时也可以灵活设计线圈电阻，使电磁机构更节能、更节材。

附图说明

图1为本发明实施例的接触器并绕线圈电磁机构的设计及控制原理图。

图2为本发明实施例的多股并绕线圈的PCB设计原理图。

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。

如图1所示，本实施例提供了一种大容量接触器并绕线圈电磁机构控制系统，包括并绕线圈电磁机构及其配套控制电路；所述配套控制电路包括交直流输入电源、整流滤波电路、电磁机构驱动电路、隔离驱动电路、电流传感器和嵌入式控制系统；

所述交直流输入电源与所述整流滤波电路电性相连；所述整流滤波电路的输出端与所述电磁机构驱动电路的输入端电性相连；所述电磁机构驱动电路的输出端分别与所述并绕线圈电磁机构和所述电流传感器电性相连，用以通过所述电流传感器检测电磁机构线圈电流，所述电流传感器的输出端与所述嵌入式控制系统电性相连，用以将所述线圈电流传输到所述嵌入式控制系统；所述嵌入式控制系统还与所述隔离驱动电路电性相连，用以将所述嵌入式控制系统输出的PWM信号进行隔离放大；所述隔离驱动电路还与所述电磁机构驱动电路电性相连，用以将隔离放大后的信号施加于所述电磁机构驱动电路，并控制施加在电磁机构两端高频方波电压的导通周期数及占空比，从而实现电流闭环控制。

在本实施例中，所述嵌入式控制系统包括ADC通道、数字PID电流闭环控制器和PWM控制器；所述电流传感器与所述ADC通道的输入端电性相连；所述ADC通道的输出端与所述数字PID电流闭环控制器的输入端电性相连；所述数字PID电流闭环控制器的输出端与所述PWM控制器的输入端电性相连；所述PWM控制器的输出端与所述隔离驱动电路电性相连。

在本实施例中，所述电磁机构驱动电路包括第一电力电子开关S₁、第二快恢复二极管D₂、第三快恢复二极管D₃和第四电力电子开关S₄，共同组成斩波控制电路；所述第一电力电子开关S₁的一端与所述第三快恢复二极管D₃的阴极相连，并作为所述电磁机构驱动电路的OUT+节点；所述第三快恢复二极管D₃的阳极与所述第四电力电子开关S₄的一端相连，并作为所述电磁机构驱动电路的IN-节点；所述第一电力电子开关S₁的另一端与所述第二快恢复二极管D₂的阴极相连，并作为所述电磁机构驱动电路IN+节点；所述第四电力电子开关S₄的另一端与所述第二快恢复二极管D₂的阳极相连，并作为所述电磁机构驱动电路的OUT-节点。

在本实施例中，所述并绕电磁系统包括n股并绕线圈和静铁心；所述n股并绕线圈是由每股漆包线在静铁心上绕m匝，采用n股并绕的方式形成；所述n股并绕线圈的电流流入端并联在一起，并与所述电磁机构驱动电路的OUT+端相连，所述n股并绕线圈的电流流出端并联在一起，并与所述电磁机构驱动电路的OUT-端相连。线圈采用PWM电流闭环激磁，高频方波激磁电压施加在OUT+及OUT-两端，在多股并绕线圈的每股中均流。漆包线电阻值与其长度成正比，与截面积成反比，采用多股并绕后，线圈的等效匝数为m*n，假设每股电阻为Rs，则n股并联后的等效线圈电阻为R_s/n，根据焦耳定律可得线圈等效有功为i_s ²*R_s*n。与并绕线圈嵌套的铁心可以为U型、E型、螺管式等常见的铁心结构，与目前主流的接触器动、静铁心结构兼容。

较佳的，本实施例还提供一种基于大容量接触器并绕线圈电磁机构的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：所述整流滤波电路将所述交直流输入电源输入的交直流电压转换成直流电压；

步骤S2：所述整流滤波电路将转换后的直流电压施加到所述电磁机构驱动电路IN+节点和IN-节点上，同时所述电磁机构驱动电路从所述OUT+节点及所述OUT-节点输出驱动电压，并施加到所述并绕线圈电磁机构；

步骤S3：通过所述电流传感器检测所述并绕线圈电磁机构流出到所述电磁机构驱动电路的OUT-节点的电流，并将检测的电流i_coil传输到所述ADC通道；

步骤S4：所述ADC通道将接收到的电流i_coil与预设参考电流i_ref比较，并通过所述数字PID电流闭环控制器计算输出误差信号i_error；

步骤S5：所述PWM控制器根据步骤S4计算出的输出误差信号i_error来改写所述嵌入式控制系统的控制芯片中PWM外设的占空比寄存器值，从而调节PWM信号的导通周期数及占空比；

步骤S6：将步骤S5中的PWM信号经所述隔离驱动电路隔离放大后，输出到所述电磁机构驱动电路，并控制施加在所述电磁机构驱动电路两端高频方波电压的导通周期数及占空比，从而实现电流闭环控制。

特别的，本实施例根据大容量接触器电磁机构过于笨重及功耗严重这一缺陷，提出了一种电磁机构线圈多股并绕的设计方法，在降低电磁机构线圈电阻的同时，提高励磁安匝；配合PWM电流闭环控制技术，利用低阻抗线圈的强电感作用达到线圈电流变换的作用；本实施例一方面可以灵活调节激磁电流，同时也可以灵活设计线圈电阻，提高接触器电磁机构的吸力控制范围；采用PCB平面线圈技术，简化了多股并绕这一设计方法的工程实现，方便多个并绕线圈的串并联及传感器的集成，进一步提高激磁系统的设计灵活性及线圈的工作可靠性。

本实施例接触器并绕线圈电磁机构的设计原理如下：

大容量接触器通常具有较大的弹簧反力系统，需要配套的电磁系统能够产生足够大的电磁吸力，电磁吸力的公式如下：

式中：F为电磁吸力；i_coil为线圈电流；N为线圈匝数；Λ_δ为气隙磁导；δ为气隙长度。

由式(1)可知：接触器的电磁吸力与励磁安匝的平方成正比。

因此大容量电磁机构在设计过程中，往往需要加大激磁电流，同时增加线圈匝数，以提高总体的励磁安匝，较大的线圈激磁电流需要载流能力较强的粗线径漆包线，相较于细线径漆包线，采用多匝粗线径漆包线的绕制一方面导致线圈体积的增大，另一方面导致线圈电阻的减小；传统的交流或直流接触器电磁系统无电流控制模块，其线圈限流往往依靠自身阻抗的作用，绕制方式多采用单匝串绕，以便提高线圈电阻，进行限流，因此在大容量接触器的线圈绕制过程中，需要在漆包线线径及匝数之间进行权衡，在获得足够激磁安匝的同时，其线圈自身也要具有足够的限流阻抗，增加了电磁系统的设计难度。

接触器电磁系统电压平衡方程满足式(2)：

式中：u_coil为线圈电压；i_coil为线圈电流；R_coil为线圈电阻；L_coil为线圈电感。

在接触器的动态工作过程中，R_coil的减小有利用降低式(2)中的电阻压降，线圈端电压可以更多的作用于i_coil的动态变化，即

进而提高电磁吸力的动态调节能力。

接触器在恒定电流激磁下静态保持时，其电流变化率

为0；同时动静铁心间气隙及激磁电流恒定，导致磁路电感恒定，

也为0。式(2)可简化为：

u_coil＝i_coilR_coil (3)

由式(3)可以看出：恒流保持下，接触器线圈电阻引起的焦耳损耗是主要的有功损耗，如能将这部分损耗通过线圈的优化设计降低最低的水平则可以大幅降低接触器的保持功耗。

本实施例采用PWM电流闭环控制技术来直接限制并调节线圈电流，从而将线圈的电流限制与线圈的电阻参数相互解耦，依靠电力电子控制技术使接触器实现恒流保持，因此线圈可以采用更为灵活的多股并绕的方式来设计，在并绕过程中可增加并联股数来保证足够的线圈激磁安匝及载流能力，同时又可以通过多股线圈的并联来有效降低线圈电阻，从而优化有功损耗。

较佳的，在本实施例中，多股并绕线圈的PCB设计方法如下：

传统的电磁系统线圈采用漆包线绕制，匝间绝缘仅依靠绝缘漆，一旦线圈过热，破坏绝缘漆，容易造成匝间短路，影响电磁系统正常工作。上述的多股并绕线圈可以采用印刷电路板(PCB)的形式来实现。如图2所示：可在单块PCB电路板的正面布置m匝PCB线圈，反面同样对称布置m匝PCB线圈，多块PCB电路板的串并联，即可灵活构成PCB并绕线圈，用于代替传统的漆包线线圈。接触器电磁机构的PCB线圈具有以下优点：匝间存在气隙绝缘，可以避免匝间短路；线圈固定在PCB电路板上，可以进行更规整的精密绕制，线圈分布参数统一、可控，便于高频激磁控制；线圈可以与控制电路融合在一起，一些传感器件可以分散的布置在线圈中，构造具有动铁心位移、线圈温度等物理量感知能力的集成线圈。

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 (4)

1.一种大容量接触器并绕线圈电磁机构控制系统，其特征在于：包括并绕线圈电磁机构及其配套控制电路；所述配套控制电路包括交直流输入电源、整流滤波电路、电磁机构驱动电路、隔离驱动电路、电流传感器和嵌入式控制系统；

所述交直流输入电源与所述整流滤波电路电性相连；所述整流滤波电路的输出端与所述电磁机构驱动电路的输入端电性相连；所述电磁机构驱动电路的输出端分别与所述并绕线圈电磁机构和所述电流传感器电性相连，用以通过所述电流传感器检测电磁机构线圈电流，所述电流传感器的输出端与所述嵌入式控制系统电性相连，用以将所述线圈电流传输到所述嵌入式控制系统；所述嵌入式控制系统还与所述隔离驱动电路电性相连，用以将所述嵌入式控制系统输出的PWM信号进行隔离放大；所述隔离驱动电路还与所述电磁机构驱动电路电性相连，用以将隔离放大后的信号施加于所述电磁机构驱动电路，并控制施加在电磁机构两端高频方波电压的导通周期数及占空比，从而实现电流闭环控制；

其中，所述并绕线圈电磁机构包括n股并绕线圈和静铁心；所述n股并绕线圈是由每股漆包线在静铁心上绕m匝，采用n股并绕的方式形成；所述n股并绕线圈的电流流入端并联在一起，并与所述电磁机构驱动电路的OUT+端相连，所述n股并绕线圈的电流流出端并联在一起，并与所述电磁机构驱动电路的OUT-端相连。

2.根据权利要求1所述的一种大容量接触器并绕线圈电磁机构控制系统，其特征在于：所述嵌入式控制系统包括ADC通道、数字PID电流闭环控制器和PWM控制器；所述电流传感器与所述ADC通道的输入端电性相连；所述ADC通道的输出端与所述数字PID电流闭环控制器的输入端电性相连；所述数字PID电流闭环控制器的输出端与所述PWM控制器的输入端电性相连；所述PWM控制器的输出端与所述隔离驱动电路电性相连。

3.根据权利要求2所述的一种大容量接触器并绕线圈电磁机构控制系统，其特征在于：所述电磁机构驱动电路包括第一电力电子开关S₁、第二快恢复二极管D₂、第三快恢复二极管D₃和第四电力电子开关S₄；所述第一电力电子开关S₁的一端与所述第三快恢复二极管D₃的阴极相连，并作为所述电磁机构驱动电路的OUT+节点；所述第三快恢复二极管D₃的阳极与所述第四电力电子开关S₄的一端相连，并作为所述电磁机构驱动电路的IN-节点；所述第一电力电子开关S₁的另一端与所述第二快恢复二极管D₂的阴极相连，并作为所述电磁机构驱动电路IN+节点；所述第四电力电子开关S₄的另一端与所述第二快恢复二极管D₂的阳极相连，并作为所述电磁机构驱动电路的OUT-节点。

4.一种基于权利要求3所述的一种大容量接触器并绕线圈电磁机构控制系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1：所述整流滤波电路将所述交直流输入电源输入的交直流电压转换成直流电压；

步骤S2：所述整流滤波电路将转换后的直流电压施加到所述电磁机构驱动电路IN+节点和IN-节点上，同时所述电磁机构驱动电路从所述OUT+节点及所述OUT-节点输出驱动电压，并施加到所述并绕线圈电磁机构；

步骤S3：通过所述电流传感器检测所述并绕线圈电磁机构流出到所述电磁机构驱动电路的OUT-节点的电流，并将检测的电流i _coil传输到所述ADC通道；

步骤S4：所述ADC通道将接收到的电流i_coil与预设参考电流i_ref比较，并通过所述数字PID电流闭环控制器计算输出误差信号i_error；

步骤S5：所述PWM控制器根据步骤S4计算出的输出误差信号i_error来调节PWM信号的导通周期数及占空比；

步骤S6：将步骤S5中的PWM信号经所述隔离驱动电路隔离放大后，输出到所述电磁机构驱动电路，并控制施加在所述电磁机构驱动电路两端高频方波电压的导通周期数及占空比，从而实现电流闭环控制。

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