CN109712846A - 一种电磁机构磁链闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁机构磁链闭环控制方法,包括根据母线电压、线圈电流和占空比的线圈电阻计算部分以及结合线圈电阻反演电磁机构的磁链计算部分，通过磁链变化量进行电磁机构状态监测的部分，用于控制电磁机构磁链的磁链控制器和用于控制线圈电流的电流控制器。由电阻计算部分获得线圈电阻，由磁链计算和状态监测部分进行电磁机构工作过程的磁链观测和状态监测，将磁链计算结果输入至磁链控制器调整线圈电流参考值，电流控制器使线圈电流跟踪参考值，建立电磁机构的磁链闭环控制。本发明在电磁机构动静铁心闭合过程中实现线圈电流的自调节，降低电磁操动机构频繁操作时线圈的平均功率，降低并实时监测线圈温度。

Description

一种电磁机构磁链闭环控制方法

技术领域

本发明涉及低压电器技术领域，特别是一种电磁机构磁链闭环控制方法。

背景技术

电磁机构作为通过电磁感应原理将电能转换成机械能的元件广泛应用于接触器、断路器、电磁阀等低压电器中。传统交流电磁机构中交变的励磁电流产生交变的磁场，电磁力呈现脉动状态，为保证动静铁心可靠闭合，需增加短路环，并且交变的磁场在短路环和铁心中产生涡流、磁滞损耗，电磁机构的功耗中，铁耗占65％-75％，短路环损耗占25％-30％，铜耗仅占3％-5％。为实现良好的节能效果，普遍采用电磁机构直流化控制。电磁机构的直流化控制方案主要分为双线圈控制和单线圈控制。双线圈控制中，电磁机构的线圈由吸合线圈和保持线圈组成，吸合线圈匝数少、内阻小，保持线圈匝数多、内阻大，在电磁机构操作过程需通过辅助触点或电子开关进行切换；单线圈控制方案中，可通过电阻限流、利用稳压电源和辅助开关切换线圈电压、脉宽调制等方式进行控制。单线圈的脉宽调制方案因控制灵活、功能拓展性高等优势得到广泛关注，已成为电磁机构的主要控制方案之一，可通过全控型半导体器件控制电磁机构的励磁能量，采用开环或闭环的控制技术、结合磁路和电路方程建立动铁心位置的数学模型等方式，优化电磁机构的动态过程。

随着电气行业的发展，对低压电器的要求逐渐提高，电磁机构的控制技术不断拓展，例如电磁机构的宽电压工作、节能无声运行、抗电压波动或跌落、PLC信号控制等。采用电流闭环控制方案的电磁机构以线圈电流为反馈变量构建闭环控制，在动静铁心闭合过程中线圈电流维持在较大值以产生足够的电磁吸力克服反力；当动静铁心稳定闭合后线圈电流将切换至较小值以降低功耗，防止线圈因电流过大、发热严重而烧毁。采用线圈电流闭环控制方案的电磁机构可根据控制电源电压的变化自行调整励磁能量，维持线圈电流恒定，维持电磁吸力稳定，具有鲁棒性强、受电压变化影响小等特点，具备宽电压工作、抗电压波动或跌落能力，但在电流闭环控制方案中，难以仅通过线圈电流判别电磁机构动静铁心是否可靠闭合，因此通常使线圈电流在动静铁心闭合后仍维持在吸合电流一段时间后再切换为保持电流，由于吸合电流持续时间较长，在电磁机构频繁操作下线圈的平均功率较大，需具备足够的散热条件以保证线圈温升处于较低水平，难以进一步缩小电磁机构体积。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种电磁机构磁链闭环控制方法，可实现电磁机构线圈电流的自调节，降低电磁操动机构频繁操作时线圈的平均功率，降低线圈温升。

本发明采用以下方案实现：一种电磁机构磁链闭环控制方法，包括电磁机构、电流控制器、以及磁链控制器，其中所述电磁机构包括动铁心、静铁心以及线圈；所述电磁机构采用脉宽调制控制方式的线圈驱动电路控制；

其中，线圈驱动电路的工作状态包括：励磁状态、续流状态和负压状态；交流或直流控制电源输入线圈驱动电路，经整流滤波后得到母线电压(较为平整的直流电)；当线圈驱动电路工作在励磁状态时，母线电压经开关管施加在线圈两端；当线圈驱动电路工作在续流状态时，线圈两端电压接近零；当线圈驱动电路工作在负压状态时，在线圈两端施加反向电压，迅速降低线圈电流，减小磁能；

其中，电磁机构的工作过程包括：动静铁心闭合过程和动静铁心分断过程，其中动静铁心闭合过程包括检测阶段、触动阶段、吸合运动阶段和保持阶段；在电磁机构的动静铁心闭合过程中依次经历检测阶段、触动阶段、吸合运动阶段和保持阶段。

在检测阶段中，线圈驱动电路首先在励磁状态和续流状态间切换工作，使线圈电流快速上升并维持在较低值(不超过1A)，并计算线圈电阻；待线圈电阻计算完成后，线圈驱动电路进入负压状态使线圈电流迅速降低为零，此后将进入触动阶段；

在触动阶段中，线圈驱动电路回复至励磁状态使线圈电流快速上升至触动电流值并持续计算磁链，当线圈电流达到触动值时，将此时的磁链值作为参考值输入至磁链控制器中，此后电磁机构将进入吸合运动阶段；

在吸合运动阶段中，线圈驱动电路在励磁状态和续流状态间切换工作，并根据母线电压、电流控制器输出的占空比、线圈电流和线圈电阻计算磁链并判断电磁机构状态；当电磁机构处于稳态时由电流控制器维持线圈电流保持稳定，当电磁机构处于暂态时，通过磁链控制器调节线圈电流参考值并由电流控制器使线圈电流快速跟踪参考值；

在保持阶段中，电磁机构动静铁心稳定闭合，电磁机构始终处于稳态，线圈电流通过电流控制器保持稳定；

在电磁机构的动静铁心分断过程，线圈驱动电路持续工作在负压状态，使线圈电流在动静铁心分离前下降至零，分断过程不受电磁力的影响，使动铁心在分断过程得到充分的加速。

进一步地，在电磁机构的动静铁心闭合过程的检测阶段，线圈驱动电路首先在励磁和续流状态之间切换工作使得线圈电流维持在较低值。此时线圈电流小，产生的电磁吸力较小，无法驱动动铁心运动，当线圈电流保持平稳时电磁机构处于稳态，此时根据电磁机构的线圈的伏秒平衡条件，可由下式求得线圈电阻：

式中，R_coil为线圈电阻，U_ave为一个开关周期施加在线圈两端的平均电压，i_coil为线圈电流。

当线圈电阻计算完成后，线圈驱动电路进入负压状态使线圈电流迅速降低为零，随后依次进入触动阶段、吸合运动阶段和保持阶段。在触动阶段、吸合运动阶段和保持阶段，电磁机构均满足电压平衡方程式：

式中，u_coil为线圈两端电压，Ψ为磁链。一个开关周期内的磁链变化量可由下式计算：ΔΨ＝(U_ave-i_coilR_coil)T_S；累加得到磁链：Ψ＝∑ΔΨ。

进一步地，磁链Ψ的计算采用下式：

Ψ＝∑ΔΨ；

式中，ΔΨ为一个开关周期的磁链变化量，U_ave为一个开关周期施加在线圈两端的平均电压，i_coil为线圈电流，R_coil为线圈电阻，T_S为开关周期，S为电磁机构状态标识，S＝1表示电磁机构处于暂态，S＝0表示电磁机构处于稳态。

进一步地，由于磁链累加计算方式对误差无抑制作用，因此受开关管压降、二极管压降、采样误差、计算误差等影响，计算过程中存在的微小偏差将导致控制失效。故引入磁链变化量的高频分量(ΔΨ)_HPF来判别电磁机构状态，以抑制磁链计算偏差的影响，判别式为：

即，当|(ΔΨ)_HPF|≤ε时，电磁机构处于稳态，状态标识S置0；当|(ΔΨ)_HPF|＞ε时，电磁机构处于暂态，状态标识S置1。当动静铁心稳定闭合或动铁心运动速度较小时，运动反电势小，电磁机构的线圈可等效为电阻和电感串联，线圈电流在电流控制器作用下维持恒定，开关周期内磁链变化量的高频分量几乎为零，电磁机构处于稳态；当动铁心运动速度较大时，运动反电势较大，电流控制器为维持线圈电流稳定将迅速增大占空比，开关周期内磁链变化量快速增加，高频分量增大，电磁机构处于暂态。

进一步地，触动阶段，线圈驱动电路持续工作在励磁状态并持续计算磁链，当线圈电流上升至触动电流值时，将此时的磁链值作为参考值Ψ_ref，用于电磁机构吸合运动阶段和保持阶段的磁链控制。在吸合运动阶段和保持阶段中，根据母线电压、占空比、线圈电流和线圈电阻计算磁链并判断电磁机构状态，当电磁机构处于稳态时由电流控制器维持线圈电流保持稳定，当电磁机构处于暂态时，通过磁链控制器调节线圈电流参考值，由电流控制器使线圈电流跟踪参考值，实现线圈电流的自调节。在吸合运动阶段，动静铁心之间的气隙不断减小，线圈电感不断增大，电磁机构磁链增大，为使电磁机构磁链保持稳定，线圈电流将在磁链控制器和电流控制器的作用下逐渐降低，直到动静铁心稳定闭合。在动静铁心稳定闭合后，电磁机构进入保持阶段，线圈电流在电流控制器的作用下维持在较小值，降低了电磁机构保持功耗，同时实时计算线圈电阻，监测线圈温度，当电磁机构线圈的温度即将超过限制值时发出预警。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

1、本发明在电磁机构工作过程中，根据母线电压、线圈电流、占空比和线圈电阻反演电磁机构的磁链，输入磁链控制器中控制线圈电流参考值，由电流控制器使线圈电流快速跟踪参考值变化，形成磁链闭环控制，实现电磁机构动静铁心闭合过程中的线圈电流自调节。

2、本发明能够降低电磁机构频繁工作时线圈的平均功率以降低线圈温升。在电磁机构动静铁心闭合过程中，线圈电感随着气隙的减小而增大，当动静铁心稳定闭合后，线圈电感达到最大值并保持稳定。本发明通过磁链闭环控制，稳定电磁系统磁链，使得在动静铁心闭合过程中线圈电流逐渐减小，缩短线圈电流处于较大值的时间，降低电磁机构频繁操作下线圈的平均功率，降低线圈温升。

3、本发明通过平均励磁电压和线圈电流实时计算线圈电阻。在电磁机构进入触动阶段前计算线圈电阻，根据线圈电阻调整磁链闭环控制参数，保证良好的控制效果；在电磁机构保持阶段，根据当前线圈的电阻值与线圈冷态时阻值的偏差得到线圈温升，实时监测温度变化，当电磁机构线圈的温度即将超过限制时发出预警，防止线圈过热烧毁。

附图说明

图1为本发明实施例的电磁机构磁链闭环控制框图；

图2为本发明实施例的线圈驱动电路图。

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。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种电磁机构磁链闭环控制方法，包括电磁机构、电流控制器、以及磁链控制器，其中所述电磁机构包括动铁心、静铁心以及线圈；所述电磁机构采用脉宽调制控制方式的线圈驱动电路控制，如图2所示；

其中，线圈驱动电路的工作状态包括：励磁状态、续流状态和负压状态；交流或直流控制电源输入线圈驱动电路，经整流滤波后得到母线电压(较为平整的直流电)；当线圈驱动电路工作在励磁状态时，母线电压经开关管施加在线圈两端；当线圈驱动电路工作在续流状态时，线圈两端电压接近零；当线圈驱动电路工作在负压状态时，在线圈两端施加反向电压，迅速降低线圈电流，减小磁能；

其中，电磁机构的工作过程包括：动静铁心闭合过程和动静铁心分断过程，其中动静铁心闭合过程包括检测阶段、触动阶段、吸合运动阶段和保持阶段；在电磁机构的动静铁心闭合过程中依次经历检测阶段、触动阶段、吸合运动阶段和保持阶段。

在检测阶段中，线圈驱动电路首先在励磁状态和续流状态间切换工作，使线圈电流快速上升并维持在较低值(不超过1A)，并计算线圈电阻；待线圈电阻计算完成后，线圈驱动电路进入负压状态使线圈电流迅速降低为零，此后将进入触动阶段；

在触动阶段中，线圈驱动电路回复至励磁状态使线圈电流快速上升至触动电流值并持续计算磁链，当线圈电流达到触动值时，将此时的磁链值作为参考值输入至磁链控制器中，此后电磁机构将进入吸合运动阶段；

在吸合运动阶段中，线圈驱动电路在励磁状态和续流状态间切换工作，并根据母线电压、电流控制器输出的占空比、线圈电流和线圈电阻计算磁链并判断电磁机构状态；当电磁机构处于稳态时由电流控制器维持线圈电流保持稳定，当电磁机构处于暂态时，通过磁链控制器调节线圈电流参考值并由电流控制器使线圈电流快速跟踪参考值；

在保持阶段中，电磁机构动静铁心稳定闭合，电磁机构始终处于稳态，线圈电流通过电流控制器保持稳定；

在电磁机构的动静铁心分断过程，线圈驱动电路持续工作在负压状态，使线圈电流在动静铁心分离前下降至零，分断过程不受电磁力的影响，使动铁心在分断过程得到充分的加速。

本实施例包括根据母线电压、线圈电流和占空比的线圈电阻计算部分以及结合线圈电阻反演电磁机构的磁链计算部分，通过磁链变化量进行电磁机构状态监测的部分，用于控制电磁机构磁链的磁链控制器和用于控制线圈电流的电流控制器。由电阻计算部分获得线圈电阻，由磁链计算和状态监测部分进行电磁机构工作过程的磁链观测和状态监测，将磁链计算结果输入至磁链控制器调整线圈电流参考值，电流控制器使线圈电流跟踪参考值，建立电磁机构的磁链闭环控制。在电磁机构动静铁心闭合过程中实现线圈电流的自调节，降低电磁操动机构频繁操作时线圈的平均功率，降低并实时监测线圈温度。

在本实施例中，在电磁机构的动静铁心闭合过程的检测阶段，线圈驱动电路首先在励磁和续流状态之间切换工作使得线圈电流维持在较低值。此时线圈电流小，产生的电磁吸力较小，无法驱动动铁心运动，当线圈电流保持平稳时电磁机构处于稳态，此时根据电磁机构的线圈的伏秒平衡条件，可由下式求得线圈电阻：

式中，R_coil为线圈电阻，U_ave为一个开关周期施加在线圈两端的平均电压，i_coil为线圈电流。

当线圈电阻计算完成后，线圈驱动电路进入负压状态使线圈电流迅速降低为零，随后依次进入触动阶段、吸合运动阶段和保持阶段。在触动阶段、吸合运动阶段和保持阶段，电磁机构

均满足电压平衡方程式：

式中，u_coil为线圈两端电压，Ψ为磁链。一个开关周期内的磁链变化量可由下式计算：ΔΨ＝(U_ave-i_coilR_coil)T_S；累加得到磁链：Ψ＝∑ΔΨ。

在本实施例中，磁链Ψ的计算采用下式：

Ψ＝∑ΔΨ；

式中，ΔΨ为一个开关周期的磁链变化量，U_ave为一个开关周期施加在线圈两端的平均电压，i_coil为线圈电流，R_coil为线圈电阻，T_S为开关周期，S为电磁机构状态标识，S＝1表示电磁机构处于暂态，S＝0表示电磁机构处于稳态。

在本实施例中，由于磁链累加计算方式对误差无抑制作用，因此受开关管压降、二极管压降、采样误差、计算误差等影响，计算过程中存在的微小偏差将导致控制失效。故引入磁链变化量的高频分量(ΔΨ)_HPF来判别电磁机构状态，以抑制磁链计算偏差的影响，判别式为：

即，当|(ΔΨ)_HPF|≤ε时，电磁机构处于稳态，状态标识S置0；当|(ΔΨ)_HPF|＞ε时，电磁机构处于暂态，状态标识S置1。当动静铁心稳定闭合或动铁心运动速度较小时，运动反电势小，电磁机构的线圈可等效为电阻和电感串联，线圈电流在电流控制器作用下维持恒定，开关周期内磁链变化量的高频分量几乎为零，电磁机构处于稳态；当动铁心运动速度较大时，运动反电势较大，电流控制器为维持线圈电流稳定将迅速增大占空比，开关周期内磁链变化量快速增加，高频分量增大，电磁机构处于暂态。

在本实施例中，在触动阶段中，线圈驱动电路持续工作在励磁状态并持续计算磁链，当线圈电流上升至触动电流值时，将此时的磁链值作为参考值Ψ_ref，用于电磁机构吸合运动阶段和保持阶段的磁链控制。在吸合运动阶段和保持阶段中，根据母线电压、占空比、线圈电流和线圈电阻计算磁链并判断电磁机构状态，当电磁机构处于稳态时由电流控制器维持线圈电流保持稳定，当电磁机构处于暂态时，通过磁链控制器调节线圈电流参考值，由电流控制器使线圈电流跟踪参考值，实现线圈电流的自调节。在吸合运动阶段，动静铁心之间的气隙不断减小，线圈电感不断增大，电磁机构磁链增大，为使电磁机构磁链保持稳定，线圈电流将在磁链控制器和电流控制器的作用下逐渐降低，直到动静铁心稳定闭合。在动静铁心稳定闭合后，电磁机构进入保持阶段，线圈电流在电流控制器的作用下维持在较小值，降低了电磁机构保持功耗，同时实时计算线圈电阻，监测线圈温度，当电磁机构线圈的温度即将超过限制值时发出预警。

本实施例在电磁机构动静铁心闭合过程中实现线圈电流的自调节，降低电磁操动机构频繁操作时线圈的平均功率，降低并实时监测线圈温度。

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 (5)

1.一种电磁机构磁链闭环控制方法，其特征在于：包括电磁机构、电流控制器、以及磁链控制器，其中所述电磁机构包括动铁心、静铁心以及线圈；所述电磁机构采用脉宽调制控制方式的线圈驱动电路控制；

其中，线圈驱动电路的工作状态包括：励磁状态、续流状态和负压状态；交流或直流控制电源输入线圈驱动电路，经整流滤波后得到母线电压；当线圈驱动电路工作在励磁状态时，母线电压经开关管施加在线圈两端；当线圈驱动电路工作在续流状态时，线圈两端电压接近零；当线圈驱动电路工作在负压状态时，在线圈两端施加反向电压，迅速降低线圈电流，减小磁能；

其中，电磁机构的工作过程包括：动静铁心闭合过程和动静铁心分断过程，其中动静铁心闭合过程包括检测阶段、触动阶段、吸合运动阶段和保持阶段；在电磁机构的动静铁心闭合过程中依次经历检测阶段、触动阶段、吸合运动阶段和保持阶段；

在检测阶段中，线圈驱动电路首先在励磁状态和续流状态间切换工作，使线圈电流快速上升并维持在较低值，并计算线圈电阻，待线圈电阻计算完成后，线圈驱动电路进入负压状态使线圈电流迅速降低为零，此后将进入触动阶段；

在触动阶段中，线圈驱动电路回复至励磁状态使线圈电流快速上升至触动电流值并持续计算磁链，当线圈电流达到触动值时，将此时的磁链值作为参考值输入至磁链控制器中，此后电磁机构将进入吸合运动阶段；

在吸合运动阶段中，线圈驱动电路在励磁状态和续流状态间切换工作，并根据母线电压、电流控制器输出的占空比、线圈电流和线圈电阻计算磁链并判断电磁机构状态；当电磁机构处于稳态时由电流控制器维持线圈电流保持稳定，当电磁机构处于暂态时，通过磁链控制器调节线圈电流参考值并由电流控制器使线圈电流快速跟踪参考值；

在保持阶段中，电磁机构动静铁心稳定闭合，电磁机构始终处于稳态，线圈电流通过电流控制器保持稳定；

在电磁机构的动静铁心分断过程，线圈驱动电路持续工作在负压状态，使线圈电流在动静铁心分离前下降至零，分断过程不受电磁力的影响，使动铁心在分断过程得到充分的加速。

2.根据权利要求1所述的一种电磁机构磁链闭环控制方法，其特征在于：在电磁机构的动静铁心闭合过程的检测阶段，线圈电阻的计算采用下式：

式中，R_coil为线圈电阻，U_ave为一个开关周期施加在线圈两端的平均电压，i_coil为线圈电流。

3.根据权利要求1所述的一种电磁机构磁链闭环控制方法，其特征在于：磁链Ψ的计算采用下式：

Ψ＝∑ΔΨ；

式中，ΔΨ为一个开关周期的磁链变化量，U_ave为一个开关周期施加在线圈两端的平均电压，i_coil为线圈电流，R_coil为线圈电阻，T_S为开关周期，S为电磁机构状态标识，S＝1表示电磁机构处于暂态，S＝0表示电磁机构处于稳态。

4.根据权利要求3所述的一种电磁机构磁链闭环控制方法，其特征在于：电磁机构的状态采用磁链变化量的高频分量(ΔΨ)_HPF来判别，判别式为：

即，当|(ΔΨ)_HPF|≤ε时，电磁机构处于稳态，状态标识S置0；当|(ΔΨ)_HPF|＞ε时，电磁机构处于暂态，状态标识S置1。

5.根据权利要求1所述的一种电磁机构磁链闭环控制方法，其特征在于：当电磁机构动静铁心稳定闭合后同时实时计算线圈电阻，监测线圈温度，当电磁机构线圈的温度超过限制值时发出警报。