CN109920698B - 一种电磁机构电压自适应控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁机构电压自适应控制系统。该系统根据内部功能划分为3个独立工作的子模块，除电源模块均可集成于电磁机构内部，由外置电源模块决定系统工作条件，使系统集成化；辅助电源采用数字化的控制方案，控制器从输出测取电，根据输入电压自动调整电路拓扑结构，并建立输出负载反馈，提高电源工作效率。模块在电流闭环控制理念的基础上嵌入无模型自适应控制策略，构建迭代优化外环，将输入电压对机构动作时间的影响视为扰动，实时评估机构的动作效果，并在下一次动作时调整电流闭环控制模型，保证电磁机构在24‑500V超宽电压范围内具备稳定的动作特性，同时建立优化模型与输入电压之间的映射关系作为参考，并实时更新，使模块具备自学习能力。

Description

一种电磁机构电压自适应控制系统

技术领域

本发明旨在不改变电磁机构本体的情况下，设计一种前置的电磁机构电压自适应控制系统，有效的拓宽电磁机构工作电压范围，具体为一种电磁机构电压自适应控制系统。

背景技术

传统电磁机构是电磁式低压电器的感测元件，主要工作原理是通过电磁感应现象将电能转换为机械能，带动触头系统动作，实现电路的接通或者分断。是电磁开关的重要组成部分。

电磁接触器作为电磁开关的一个重要分支，广泛的应用于配电网和自动控制等领域。触头容量从9-2650A不等，接触器的结构也不尽相同，导致接触器的种类繁多，为接触器的设计和加工带来很大的挑战。

随着新能源的快速发展，接触器因其较高的电寿命，越发受到风电，光伏发电，电动汽车等领域的青睐。同时，这些领域也给接触器提出了更高的性能要求。在风电领域，风机变频器要求接触器的控制电压达到250-500V电压等级，同时提出了低电压穿越、高电压穿越等功能。在光伏发电领域，要求接触器可以在控制电压只有24-70V时能够正常工作，而且在温升方面的标准极为严苛。新能源领域，包括电动汽车领域电压波动范围较大，电压等级跨度大，工作环境恶劣，要求电磁开关具有超宽的运行电压范围，稳定的运行状态。然而，传统的电磁开关的工作电压范围很窄，为额定工作电压的85％-110％，远远达不到新能源领域的要求。同时，由于交流接触器受合闸相角的影响，触头系统的动作特性存在很大的不稳定性，极大的影响了开关的电寿命。传统电磁开关在保持状态下存在噪声、温升等问题，在新能源领域恶劣的工作环境下也可能成为隐患。

近年来，电磁开关智能控制技术迅猛发展，采用了闭环控制技术，弥补了传统开关的一部分缺点，使得电磁开关可以实现宽电压运行，电磁机构交直流通用，在此基础上还实现了不加分磁环结构的本体设计，吸持噪声抑制。但是，即便是带有控制电路的电磁开关，工作电压得到一定程度上的拓宽，也难以满足新能源领域的需求，大部分都集中在100-250V的额定工作电压范围，即能够在85-275V之间正常工作。而在85V以下的电压环境下，由于工作电压低，电压成倍数变化，电源稳定性下降，于是对器件的工作特性要求更加严格。而在250V以上，耐压则是必须解决的问题。电磁开关需要适应24-500V之间的多个电压等级以及不同的电源类型，若只是优化开关本体，难以实现用同一规格电磁机构与其匹配。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电磁机构电压自适应控制系统，该系统对电磁机构的励磁进行闭环控制，能够在不改变电磁机构本体的情况下，有效的拓宽电磁机构的工作电压范围并对控制模型进行迭代优化，减小全电压等级下的动作分散性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种电磁机构电压自适应控制系统，包括电源模块、驱动模块和主控模块；

所述电源模块对外部电源输入进行EMI滤波，并通过电源模块的辅助电源模块产生稳定的低压直流电源供给控制芯片；

所述驱动模块通过开关管控制线圈电流，使电磁机构工作在不同的状态；

所述主控模块嵌入无模型自适应控制策略，并采集电源模块和驱动模块的状态参量，构成闭环控制，输出PWM波控制驱动模块，从而对驱动模块进行数字化控制。

在本发明一实施例中，所述驱动模块采用BUCK电路拓扑结构，包括整流滤波电路、第一开关管、线圈、第二开关管、续流回路、去磁电路、电流采样电路，整流滤波电路经第一开关管与线圈、续流回路连接，同时还与主控模块连接，线圈分别经去磁电路、第二开关管与电流采样电路连接，电流采样电路还与续流回路连接，并将采样信号传输给所述主控模块；整流滤波电路对电源模块输入电源进行整流滤波后，主控模块控制第一开关管的通断对线圈电压进行斩波，以稳定线圈电流，主控模块通过第二开关管控制去磁电路的通断，以加快分断速度，从而使得驱动模块通过第一开关管、第二开关管的配合使线圈工作在激磁、续流和去磁三种模态。

在本发明一实施例中，所述主控模块包括数字运算电路及与该数字运算电路连接的第一采样模块、第二采样模块、第一高端驱动电路、第一隔离驱动电路，所述数字运算电路还与所述电流采样电路，所述数字运算电路、第一采样模块还分别与所述电源模块连接，所述第二采样模块还与所述整流滤波电路连接，所述第一高端驱动电路还与所述第一开关管连接，所述第一隔离驱动电路还与所述第二开关管连接。

在本发明一实施例中，所述电源模块采用线性电源和开关电源结合的拓扑结构，包括辅助电源模块、EMI滤波电路、外部电源、Buck-Boost稳压电路，所述辅助电源模块包括前级线性降压电路、后级线性降压电路，开关电源电路、数字控制器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、电压采样电路、第二高端驱动电路、第二隔离驱动电路、二级降压电路，所述开关电源电路与第二MOS管串接，所述前级线性降压电路并接于第一MOS管上，所述后级线性降压电路并接于第二MOS管与开关电源电路的串接电路上；辅助电源模块接通后，第一MOS管、第二MOS管均为关断状态，外部电源经前级线性降压电路、后级线性降压电路、二级降压电路为数字控制器供电，而后，数字控制器通过电压采样电路采样外部电源输入电压，根据外部电源输入电压通过第二高端驱动电路控制第一MOS管、第二MOS管，调整电路拓扑结构，通过第二隔离驱动控制第三MOS管，使辅助电源工作在空载或带载模式，具体的：当外部电源输入电压大于250V时，第一MOS管关断，前级线性降压将开关电源的输入电压限制在正常工作范围内，第二MOS管导通，开关电源电路接入电路，取代后级线性降压电路以提高效率，后级线性降压电路作为备用电源空载运行；当输入电压小于250V，大于80V时，第一MOS管和第二MOS管均导通，前级线性降压电路被切除，同时开关电源电路接入电路，减小电路损耗；当输入电压小于80V时，第一MOS管导通，前级线性降压电路被切除，第二MOS管关断，用后级线性降压电路供电，提高低电压状态下辅助电源供电的稳定性；当输出电压稳定后，第三MOS管导通，辅助电源开始通过Buck-Boost稳压电路为所述数字运算电路供电。

在本发明一实施例中，所述第一高端驱动电路、第二高端驱动电路均采用MOS驱动芯片IR2213。

在本发明一实施例中，所述第一隔离驱动电路、第二隔离驱动电路均采用光电耦合器。

在本发明一实施例中，所述无模型自适应控制算法，通过评估电磁机构以往动作的合理性并考虑当前外部电源输入电压，将外部电源输入电压对动作时间的影响视为扰动，在下一次动作时调整电流闭环控制模型，优化机构动作过程，同时建立优化模型与外部电源输入电压的关系矩阵并实时更新，使电磁机构具备学习和自适应能力。

在本发明一实施例中，所述电磁机构为接触器，吸合阶段线圈电流参考模型为分段函数：

式中A为吸持电流幅值矫正参数，B为激磁时间矫正参数，k为吸合电流矫正参数，三者决定迭代算法的初始条件，模型的控制变量为τ，优化对象为电磁机构的动作时间T，在此基础上建立数据模型：

ΔT(k+1)＝Φ_c(k)Δτ(k)

Φ_c为模型的伪偏导数，其估计算法为：

式中，μ为权重因子，η为步长因子；以上述公式为基础，首先建立初始控制模型，利用电磁机构动作重复性，迭代优化模型，同时采集本次动作的外部电源输入电压，建立优化后模型与外部电源输入电压的映射关系，随着电磁机构的反复动作，逐渐完善映射关系供后续参考。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明系统根据功能划分为3个独立工作的子模块，驱动模块和主控模块可以集成于电磁机构内部，由外接电源模块决定其工作电压范围。该设计思路为控制模块的集成化奠定了基础；

2、外置电源模块采用独特的数字化控制方案，内置控制器能够识别输入电压，自动调整电路拓扑结构以适应不同的电压等级，在24-500V超宽电压范围内为控制器提供稳定的直流电源供给，同时，根据模块的负载优化电路工作模式，使得模块能够保持较高的工作效率；

3、主控模块兼具模拟信号采样、数字运算和MOS管驱动功能，在电流闭环控制的基础上嵌入无模型自适应控制策略对电磁机构的动作时间进行优化，将输入电压变化对动作时间的影响视为扰动，建立迭代外环优化电流闭环控制模型，减小24-500V之间不同电压等级吸合分断时间的分散性，同时建立优化模型与输入电压的映射关系并实时更新，使得模块具备一定的自学习和自我优化能力，能够自动适应不同的控制对象，不同的工作环境。

附图说明

图1为本发明电磁机构电压自适应控制系统工作原理图。

图2为本发明辅助电源模块工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种电磁机构电压自适应控制系统，包括电源模块、驱动模块和主控模块；

所述电源模块对外部电源输入进行EMI滤波，并通过电源模块的辅助电源模块产生稳定的低压直流电源供给控制芯片；

所述驱动模块通过开关管控制线圈电流，使电磁机构工作在不同的状态；

所述主控模块嵌入无模型自适应控制策略，并采集电源模块和驱动模块的状态参量，构成闭环控制，输出PWM波控制驱动模块，从而对驱动模块进行数字化控制。

以下为本发明的具体实现过程。

图1为电磁机构电压自适应控制系统的工作原理图和内部模块划分。模块分为电源模块、驱动模块和主控模块。电源模块对外部电源输入进行EMI滤波，并通过辅助电源模块产生稳定的低压直流电源供给控制芯片；驱动模块通过开关管控制线圈电流，使电磁机构工作在不同的状态；主控模块(单片机)嵌入无模型自适应控制策略，对驱动模块进行数字化控制。

驱动模块采用BUCK电路拓扑结构，通过对开关管1进行通断控制对线圈电压进行斩波，达到稳定线圈电流的目的，去磁部分用于加快分断速度，通过开关管2控制其通断。开关管1和开关管2配合能够使驱动模块工作在激磁，续流和去磁三种模态。

电源模块采用线性电源和开关电源结合的拓扑结构，如图2所示。电源接通后，开关管均为关断状态，电源经前级和后级线性降压电路为数字控制器供电，控制器采样输入电源电压，根据输入电压通过高端驱动电路1控制开关管，调整电路拓扑结构，通过隔离驱动电路2控制第三MOS管，使辅助电源工作在空载或带载模式。当输入电压大于250V时，第一MOS管关断，前级线性降压将开关电源的输入电压限制在正常工作范围内，第二MOS管导通，开关电源电路接入电路，取代后级线性降压电路以提高效率，后级线性降压电路作为备用电源空载运行，二者之间通过二极管切换；当输入电压小于250V，大于80V时，第一MOS管和第二MOS管均导通，前级线性降压电路被切除，同时开关电源电路接入电路，减小电路损耗；当输入电压小于80V时，第一MOS管导通，前级线性降压电路被切除，第二MOS管关断，用后级线性降压电路供电，提高低电压状态下辅助电源供电的稳定性。当输出电压稳定后，第三MOS管导通，辅助电源开始为Buck-Boost稳压电路供电。

主控模块以单片机为主体，配以模拟信号采样电路和开关管驱动电路。采样电路采集电磁线圈，电源模块和驱动模块的状态参量，构成闭环控制，输出PWM波控制驱动模块。单片机内嵌入无模型自适应控制算法，算法评估机构以往动作的合理性并考虑当前输入电压，将输入电压对动作时间的影响视为扰动，在下一次动作时调整电流闭环控制模型，优化机构动作过程，同时建立优化模型与输入电压的关系矩阵并实时更新，使电磁机构具备一定的学习和自适应能力。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种电磁机构电压自适应控制系统，其特征在于，包括电源模块、驱动模块和主控模块；

所述电源模块对外部电源输入进行EMI滤波，并通过电源模块的辅助电源模块产生稳定的低压直流电源供给控制芯片；

所述驱动模块通过开关管控制线圈电流，使电磁机构工作在不同的状态；

所述主控模块嵌入无模型自适应控制算法，并采集电源模块和驱动模块的状态参量，构成闭环控制，输出PWM波控制驱动模块，从而对驱动模块进行数字化控制；

所述电源模块采用线性电源和开关电源结合的拓扑结构，包括辅助电源模块、EMI滤波电路、外部电源、Buck-Boost稳压电路，所述辅助电源模块包括前级线性降压电路、后级线性降压电路，开关电源电路、数字控制器、第一MOS管、第二MOS管、第三MOS管、电压采样电路、第二高端驱动电路、第二隔离驱动电路、二级降压电路，所述开关电源电路与第二MOS管串接，所述前级线性降压电路并接于第一MOS管上，所述后级线性降压电路并接于第二MOS管与开关电源电路的串接电路上；辅助电源模块接通后，第一MOS管、第二MOS管均为关断状态，外部电源经前级线性降压电路、后级线性降压电路、二级降压电路为数字控制器供电，而后，数字控制器通过电压采样电路采样外部电源输入电压，根据外部电源输入电压通过第二高端驱动电路控制第一MOS管、第二MOS管，调整电路拓扑结构，通过第二隔离驱动电路控制第三MOS管，使辅助电源工作在空载或带载模式，具体的：当外部电源输入电压大于250V时，第一MOS管关断，前级线性降压将开关电源的输入电压限制在正常工作范围内，第二MOS管导通，开关电源电路接入电路，取代后级线性降压电路以提高效率，后级线性降压电路作为备用电源空载运行；当输入电压小于250V，大于80V时，第一MOS管和第二MOS管均导通，前级线性降压电路被切除，同时开关电源电路接入电路，减小电路损耗；当输入电压小于80V时，第一MOS管导通，前级线性降压电路被切除，第二MOS管关断，用后级线性降压电路供电，提高低电压状态下辅助电源供电的稳定性；当输出电压稳定后，第三MOS管导通，辅助电源开始通过Buck-Boost稳压电路为数字运算电路供电；

所述无模型自适应控制算法，通过评估电磁机构以往动作的合理性并考虑当前外部电源输入电压，将外部电源输入电压对动作时间的影响视为扰动，在下一次动作时调整电流闭环控制模型，优化机构动作过程，同时建立优化模型与外部电源输入电压的关系矩阵并实时更新，使电磁机构具备学习和自适应能力。

2.根据权利要求1所述的一种电磁机构电压自适应控制系统，其特征在于，所述驱动模块采用BUCK电路拓扑结构，包括整流滤波电路、第一开关管、线圈、第二开关管、续流回路、去磁电路、电流采样电路，整流滤波电路经第一开关管与线圈、续流回路连接，同时还与主控模块连接，线圈分别经去磁电路、第二开关管与电流采样电路连接，电流采样电路还与续流回路连接，并将采样信号传输给所述主控模块；整流滤波电路对电源模块输入电源进行整流滤波后，主控模块控制第一开关管的通断对线圈电压进行斩波，以稳定线圈电流，主控模块通过第二开关管控制去磁电路的通断，以加快分断速度，从而使得驱动模块通过第一开关管、第二开关管的配合使线圈工作在激磁、续流和去磁三种模态。

3.根据权利要求2所述的一种电磁机构电压自适应控制系统，其特征在于，所述主控模块包括数字运算电路及与该数字运算电路连接的第一采样模块、第二采样模块、第一高端驱动电路、第一隔离驱动电路，所述数字运算电路还与所述电流采样电路，所述数字运算电路、第一采样模块还分别与所述电源模块连接，所述第二采样模块还与所述整流滤波电路连接，所述第一高端驱动电路还与所述第一开关管连接，所述第一隔离驱动电路还与所述第二开关管连接。

4.根据权利要求3所述的一种电磁机构电压自适应控制系统，其特征在于，所述第一高端驱动电路、第二高端驱动电路均采用MOS驱动芯片IR2213。

5.根据权利要求3所述的一种电磁机构电压自适应控制系统，其特征在于，所述第一隔离驱动电路、第二隔离驱动电路均采用光电耦合器。

6.根据权利要求1所述的一种电磁机构电压自适应控制系统，其特征在于，所述电磁机构为接触器，吸合阶段线圈电流参考模型为分段函数：

式中，A为吸持电流幅值矫正参数，B为激磁时间矫正参数，k为吸合电流矫正参数，三者决定迭代算法的初始条件，模型的控制变量为τ，优化对象为电磁机构的动作时间T，在此基础上建立数据模型：

ΔT(k+1)＝Φ_c(k)Δτ(k)

Φ_c为模型的伪偏导数，其估计算法为：

式中，μ为权重因子，η为步长因子；以上述公式为基础，首先建立初始控制模型，利用电磁机构动作重复性，迭代优化模型，同时采集本次动作的外部电源输入电压，建立优化后模型与外部电源输入电压的映射关系，随着电磁机构的反复动作，逐渐完善映射关系供后续参考。

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