CN112017911A - 一种磁保持继电器智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁保持继电器智能控制系统，包括STC单片机、供电电源模块、电压检测模块、位移信号调理电路、欠压/失压检测电路、继电器驱动电路、传感器模块、PC机和交流电压，所述的STC单片机连接供电电源模块、电压检测模块、位移信号调理电路、欠压/失压检测电路、继电器驱动电路，并与PC机通过串口通信连接，所述的传感器模块与位移信号调理电路连接，所述的交流电压分别与供电电源模块、电压检测模块连接，所述的供电电源模块连接传感器模块、继电器驱动电路，所述的继电器驱动电路连接磁保持继电器的线圈。与现有技术相比，本发明具有减少动静触头的弹跳时间和次数，实现磁保持继电器的智能控制和保护功能等优点。

Description

一种磁保持继电器智能控制系统

技术领域

本发明涉及磁保持继电器动态特性优化技术领域，尤其是涉及一种磁保持继电器智能控制系统。

背景技术

目前，现有的磁保持继电器动态特性优化方法主要内容为：首先以动态特性快速算法为基础，改变磁保持继电器产品尺寸和材料，对动态特性进行优化。其次建立磁保持继电器的等效磁路模型，对关键参数进行优化，从而提高其动态特性。通过借助有限元仿真软件、动力学仿真软件建立模型仿真分析，优化继电器结构，从而使得动态特性更加优化。

现有优化技术虽然可以一定程度上优化磁保持继电器动态特性，但都基于改变继电器本身尺寸参数、材料和结构，优化成本大、时间长、效果不显著。磁保持继电器现有的控制电路虽然多样化，有很多保护功能，但几乎没有改善磁保持继电器合闸特性方面的控制电路的研究。合闸过程中，长期的触头弹跳过程产生的短电弧使得接触部位产生高温就会产生熔焊，多次弹跳产生的短电弧使得接触部位产生高温，由于熔池内外存在很大的温度梯度，熔池内金属快速凝固结晶，使得接触部位形成熔焊点，造成触头的损坏。因此，如何通过控制系统更好地优化磁保持继电器合闸特性，减少触头弹跳的次数，提高磁保持继电器可靠性、使用寿命，还有待更好的方法提出。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种磁保持继电器智能控制系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

磁保持继电器的电磁机构包括衔铁组件(含永久磁铁和上、下磁极片)、铁芯、轭铁和线圈。轭铁与上、下磁极片之间的工作气隙和衔铁组件可将电磁能转换为机械能，从而带动整个接触机构工作。推动杆是磁保持继电器的一个零部件，衔铁组件旋转带动推动杆水平移动，线圈与铁芯间的电磁系统产生的电磁能转换为机械能，通过推动杆带动整个接触机构工作。

本发明提供一种磁保持继电器智能控制系统，包括STC单片机、供电电源模块、电压检测模块、位移信号调理电路、欠压/失压检测电路、继电器驱动电路、传感器模块、PC机和交流电压，所述的STC单片机连接供电电源模块、电压检测模块、位移信号调理电路、欠压/失压检测电路、继电器驱动电路，并与PC机通过串口通信连接，所述的传感器模块与位移信号调理电路连接，所述的交流电压分别与供电电源模块、电压检测模块连接，所述的供电电源模块连接传感器模块、继电器驱动电路，所述的继电器驱动电路连接磁保持继电器的线圈。

当PC机向STC单片机发送合闸命令时，电压检测模块优先工作，检测输入的电网电压，若电压处于失压/欠压范围内，则继电器驱动电路无法驱动继电器闭合，若输入电网电压为正常值，STC单片机向继电器驱动电路发出合闸命令，传感器模块开始工作，实时采集磁保持继电器合闸过程中推动杆的位移距离，通过位移信号调理电路将电压信号送至STC单片机的A/D接口进行数据处理，实时查询采用遗传算法模糊控制优化后的最优占空比，使继电器驱动电路获取最优占空比的PWM信号，进而动态调节继电器线圈的两端电压，合闸过程中，当动触头与静触头即将碰撞时，最优占空比的PWM信号使动触头的闭合速度减小，实现合闸过程的优化。

采用遗传算法模糊控制优化后的最优占空比的具体内容为：

采用遗传算法模糊控制规则中的输入量为衔铁组件旋转角度和旋转角速度，输出量为PWM占空比，闭合初始阶段将其占空比设置为最大，在末尾阶段将占空比设为最小，获取模糊控制规则。优选地，采用十进制编码方式，使用1～5依次代表XS、S、M、L、XL 5个语言值作为模糊控制规则，使之形成遗传算法的个体，控制目标为在旋转速度小于模糊控制下的旋转速度时，使闭合时间最短。

优选地，失压/欠压范围为额定电压的70％-35％为欠压状态，额定电压的35％-10％为失压状态。

所述的传感器模块包括用以实时测量推动杆的位移等效成衔铁组件的旋转角度的红外线位移传感器，所述的红外线位移传感器将测量的旋转角度输送到STC单片机的A/D转换接口中。所述的推动杆与衔铁组件间的等效公式为：

V＝K₂ω，K₂＝0.875

式中，X、V分别为推动杆的位移及位移速度，ω、α为衔铁组件的旋转角度和角速度，K₁、K₂为常系数。

所述的供电电源模块包括作为控制中心的可调开关型降压稳压器LM2576HV-ADJ、纹波滤除电路以及共模电感，纹波滤除电路、共模电感连接可调开关型降压稳压器LM2576HV-ADJ，所述的交流电压经整流滤波后，依次通过纹波滤除电路、共模电感抑制、可调开关型降压稳压器LM2576HV-ADJ输出直流电压，对磁保持继电器的线圈提供稳定电压。

所述的失压/欠压检测电路包括降压单元、整流单元、滤波单元、用以分压采样的电阻及用以显示电压状态的LED指示灯。

所述的继电器驱动电路设有用以实现电气隔离的光耦隔离器TLP521以及用以实现对磁保持继电器线圈的正反通电的L298N驱动芯片。

所述的位移信号调理电路设有用以将红外线位移传感器输出的电压放大的LF157N放大器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明系统无需改变磁保持继电器产品本身的尺寸参数、材料、结构，通过外加遗传算法优化模糊控制的方法动态地改变线圈两端电压的占空比，减小动触头与静触头碰撞前的速度，优化动态合闸特性，从而减少动静触头的弹跳时间和次数；

(2)本发明系统通过供电电源模块的设计、继电器驱动电路设计、失压/欠压检测电路的设计以及基于STC单片机的程序设计，当失压/欠压检测电路检测到输入电压恢复到正常范围内，延迟20s后电压依然为正常值，STC单片机则发出PWM信号控制合闸，使得磁保持继电器吸合，此时指示灯为绿色，若检测到电压仍在失压/欠压范围内，则一直保持在分闸状态，实现了失压/欠压自恢复功能，进而实现了磁保持继电器的智能控制和保护功能。

附图说明

图1为磁保持继电器电磁机构结构示意图；

图2为本发明磁保持继电器智能控制系统的结构框图；

图3为本发明磁保持继电器智能控制系统中供电电源模块电路图；

图4为本发明磁保持继电器智能控制系统中继电器驱动电路原理图；

图5为本发明磁保持继电器智能控制系统中失压/欠压检测电路原理图；

图6为本发明磁保持继电器智能控制系统中位移信号调理电路原理图；

图7为本发明实施例中仿真得出的不同磁动势和旋转角度的合力矩及变化趋势曲线图；

图8为本发明磁保持继电器智能控制系统的主程序图；

图9为本发明磁保持继电器智能控制系统的中断程序流程图；

图10中为本发明实施例中采用不同系统优化后的触头弹跳波形图，其中，图10(a)为采用原始系统优化后的触头弹跳波形，图10(b)为采用模糊控制系统优化后的触头弹跳波形，图10(c)为采用本发明系统中遗传算法优化模糊控制优化后的触头弹跳波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

如图1所示，磁保持继电器的电磁机构包括衔铁组件(含永久磁铁和上、下磁极片)、铁芯、轭铁和线圈。轭铁与上、下磁极片之间的工作气隙和衔铁组件可将电磁能转换为机械能，从而带动整个接触机构工作。推动杆是磁保持继电器的一个零部件，衔铁组件旋转带动推动杆水平移动，线圈与铁芯间的电磁系统产生的电磁能转换为机械能，通过推动杆带动整个接触机构工作。

如图2所示，本发明涉及一种磁保持继电器智能控制系统，包括STC单片机、供电电源模块、电压检测模块、位移信号调理电路、欠压/失压检测电路、继电器驱动电路、传感器模块、PC机和交流电压。传感器模块与位移信号调理电路连接。STC单片机连接供电电源模块、电压检测模块、位移信号调理电路、欠压/失压检测电路、继电器驱动电路，并与PC机通过串口通信连接。交流电压分别与供电电源模块、电压检测模块连接。供电电源模块连接传感器模块、继电器驱动电路，继电器驱动电路连接磁保持继电器的线圈，供电电源模块为磁保持继电器的线圈和传感器模块提供电源。STC单片机优先选用STC12C5A60S2单片机。

传感器模块采用红外线位移传感器实时测量推动杆的位移等效成衔铁组件的旋转角度，并将其输送到STC单片机的A/D转换接口中。推动杆与衔铁组件间的等效公式为：

V＝K₂ω，K₂＝0.875

式中，X、V分别为推动杆的位移及位移速度，ω、α为衔铁组件的旋转角度和角速度。

供电电源模块的电路图如图3所示，供电电源模块采用可调开关型降压稳压器LM2576HV-ADJ作为控制中心，220V交流电源经整流滤波后，经过电容C4、电感L1和电容C5构成的CLC纹波滤除电路滤除纹波和共模电感L2抑制干扰后，连接可调开关型降压稳压器LM2576HV-ADJ，输出稳定的12V直流电压，对磁保持继电器的线圈提供稳定电压。

继电器驱动电路如图4所示，该电路利用光耦隔离器TLP521实现电气隔离，利用L298N驱动芯片实现对磁保持继电器线圈的正反通电。

失压/欠压检测电路如图5所示，包括降压单元、整流单元、滤波单元和用于分压采样的电阻R5、R6，输入电压经过降压、整流及滤波及电容C3，电容C4滤除波纹后，由电阻R5、R6分压采样，输出电压信号送至STC单片机的A/D采样接口处理。失压/欠压检测电路中设有用以显示电压状态的LED指示灯。

位移信号调理电路如图6所示，该电路采用LF157N放大器，将传感器输出的电压由0～2.5V扩大一倍，成为0～5V，提高精度。

失压/欠压检测电路实时检测电网电压，若电压处于失压/欠压范围内，设置定时器延迟46ms后(抗晃电)，若电压未恢复正常，则执行中断处理，驱动磁保持继电器分闸，LED指示灯为红色。这样就实现了对电网过电压及欠电压的保护及抗晃电功能。当检测到输入电压恢复到正常范围内，延迟20s后电压依然为正常值，单片机则发出PWM信号控制合闸，使得磁保持继电器吸合，此时LED指示灯为绿色，若检测到电压仍在失压/欠压范围内，则一直保持在分闸状态，实现了失压/欠压自恢复功能。

本发明系统的主程序流程图如图8所示，中断程序流程如图9所示。主程序用来控制磁保持继电器合闸和分闸过程，中断程序用来实现失压/欠压保护、抗晃电及自恢复功能。本发明系统的具体工作原理为：

当PC机向STC单片机发送合闸命令时，电压检测模块优先工作，检测输入的电网电压，若电压处于失压/欠压范围内(额定电压的70％-35％为欠压，35％-10％为失压)，则继电器驱动电路无法驱动继电器闭合，与此同时欠压/失压检测电路的指示灯为红色发出警报。若输入电网电压为正常值，单片机向继电器驱动电路发出合闸命令，红外线位移传感器开始工作，实时采集磁保持继电器合闸过程中推动杆的位移距离，通过位移信号调理电路将电压信号送至STC单片机的A/D接口，进行数据处理，实时查询采用遗传算法优化模糊控制优化后的最优占空比，使得继电器驱动电路得到最优占空比的PWM信号，从而动态地调节继电器线圈的两端电压。合闸过程中，当动触头与静触头即将碰撞时，最优占空比的PWM信号可以使得动触头的闭合速度减小，从而减小动静触头闭合时的碰撞力，减少动静触点间的弹跳时间和次数，且使得合闸时间控制在规定的20ms内，实现合闸过程的优化。

当磁保持继电器合闸过程完成后，电压检测模块依然实时检测输入电网电压，一旦电压在失压/欠压范围内时，经46ms的延迟后，若电压依然在失压/欠压范围内，则STC单片机发出分闸命令；若电压在延迟的时间内恢复到正常范围，磁保持继电器保持在合闸状态，抵抗电压短暂的波动，实现抗“晃电”功能。分闸过程较为简单，由PC机向STC单片机发送分闸命令，分闸过程动、静触头不碰撞，无明显弹跳现象，无需用PWM信号动态调节线圈电压。

其中，本发明利用STC单片机，采用遗传算法优化模糊控制的方式对磁保持继电器的线圈的两端电压进行优化，设计模糊控制规则中的输入量为衔铁组件旋转角度和旋转角速度，输出量为PWM占空比，闭合初始阶段将其占空比设置为最大，在末尾阶段将占空比设为最小，得到模糊控制规则。

优化前的模糊规则表如表1所示。其中，输入量为衔铁组件旋转角度α和旋转角速度ω，输出量为脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)占空比D，XS、S、M、L、XL分别表示很小、小、中、大、很大。当α和ω很小时，输出的PWM占空比很大，使通入线圈的脉冲电流很大，增大了衔铁组件的合力矩及旋转速度，从而达到快速闭合的目的，可提高磁保持继电器的可靠性。反之，当PWM占空比很小时，减小衔铁组件在动、静触头碰撞前的角速度，以减少触头间的弹跳。为了进一步改缩短闭合时间，减少动静触点间的弹跳，提高闭合可靠性，采用遗传算法优化模糊控制规则的方式进行优化。采用十进制编码的方式，优化目标为：在旋转速度小于模糊控制时的速度下，使得闭合时间最短，优化后得出新的模糊规则控制表。遗传策略设置为随机均匀分布选择法、算数交叉法及自适应变异法。设置遗传算法种群规模为20，交配概率为0.8，变异概率为0.2，进化代数达到100代时算法停止。对于模糊控制规则，本发明采用十进制编码方式，使用1～5依次代表XS、S、M、L、XL 5个语言值，即数字化模糊控制规则，形成遗传算法的个体。控制目标为在旋转速度小于模糊控制下的旋转速度时，使得闭合时间最短。适应度函数为min(c1·t+c2·ω)，{t，ω|θ＝-7°}，其中c1、c2为常系数。优化后的模糊规则表如表2所示。

表1优化前的模糊规则表

表2优化后的模糊规则表

本验证本发明的有效性和优势，本实施例采用遗传利用有限元分析软件ANSYSMaxwell进行3D模型建立及电磁场仿真，磁铁材料为Y30BH，铁芯和轭铁材料为电工纯铁(DT4E)。网格划分时，衔铁组件附近的网格精度更高，其余部件自由化分，对衔铁组件进行参数化分析，其中磁动势范围为[0，390]At，旋转角度范围为[-7°，7°]，仿真得出合闸过程中不同旋转角度、不同大小电流下衔铁组件所受合力矩曲线，为算法优化提供数据基础。仿真得出的不同磁动势和旋转角度的合力矩及变化趋势曲线如图7所示。随着旋转角度从7°到-7°，合力矩逐渐增大，且在相同角度下，磁动势越大，合力矩越大。

根据相关软硬件设计制作出磁保持继电器样机，测试结果如图10所示。从图10中可以看出原始系统中衔铁组件运动速度最快，其触头弹跳现象最严重，弹跳时间最长约6ms，完全闭合时间约12ms；线圈电流采用模糊控制优化后，触头弹跳明显减小，弹跳时间约3ms，但衔铁组件旋转时间过长，触头完全闭合时间约19ms，模糊控制系统虽然触头弹跳减少，但闭合时间过大，闭合可靠性大幅降低；采用遗传算法优化模糊控制后，衔铁组件旋转时间降低为16ms，且触头弹跳时间进一步缩小至1ms左右。采用遗传算法优化模糊控制的方式，可以使得磁保持继电器动态合闸特性和触头弹跳现象得到有效改善，对磁保持继电器的使用寿命及闭合可靠性的提高具有重要作用。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种磁保持继电器智能控制系统，其特征在于，包括STC单片机、供电电源模块、电压检测模块、位移信号调理电路、欠压/失压检测电路、继电器驱动电路、传感器模块、PC机和交流电压，所述的STC单片机连接供电电源模块、电压检测模块、位移信号调理电路、欠压/失压检测电路、继电器驱动电路，并与PC机通过串口通信连接，所述的传感器模块与位移信号调理电路连接，所述的交流电压分别与供电电源模块、电压检测模块连接，所述的供电电源模块连接传感器模块、继电器驱动电路，所述的继电器驱动电路连接磁保持继电器的线圈；

当PC机向STC单片机发送合闸命令时，电压检测模块优先工作，检测输入的电网电压，若电压处于失压/欠压范围内，则继电器驱动电路无法驱动继电器闭合，若输入电网电压为正常值，STC单片机向继电器驱动电路发出合闸命令，传感器模块开始工作，实时采集磁保持继电器合闸过程中推动杆的位移距离，通过位移信号调理电路将电压信号送至STC单片机的A/D接口进行数据处理，实时查询采用遗传算法模糊控制优化后的最优占空比，使继电器驱动电路获取最优占空比的PWM信号，进而动态调节继电器线圈的两端电压，合闸过程中，当动触头与静触头即将碰撞时，最优占空比的PWM信号使动触头的闭合速度减小，实现合闸过程的优化。

2.根据权利要求1所述的一种磁保持继电器智能控制系统，其特征在于，所述的传感器模块包括用以实时测量推动杆的位移等效成衔铁组件的旋转角度的红外线位移传感器，所述的红外线位移传感器将测量的旋转角度输送到STC单片机的A/D转换接口中。

3.根据权利要求2所述的一种磁保持继电器智能控制系统，其特征在于，所述的推动杆与衔铁组件间的等效公式为：

V＝K₂ω，K₂＝0.875

式中，X、V分别为推动杆的位移及位移速度，ω、α为衔铁组件的旋转角度和角速度，K₁、K₂为常系数。

4.根据权利要求1所述的一种磁保持继电器智能控制系统，其特征在于，所述的供电电源模块包括作为控制中心的可调开关型降压稳压器LM2576HV-ADJ、纹波滤除电路以及共模电感，纹波滤除电路、共模电感连接可调开关型降压稳压器LM2576HV-ADJ，所述的交流电压经整流滤波后，依次通过纹波滤除电路、共模电感抑制、可调开关型降压稳压器LM2576HV-ADJ输出直流电压，对磁保持继电器的线圈提供稳定电压。

5.根据权利要求1所述的一种磁保持继电器智能控制系统，其特征在于，所述的失压/欠压检测电路包括降压单元、整流单元、滤波单元、用以分压采样的电阻及用以显示电压状态的LED指示灯。

6.根据权利要求1所述的一种磁保持继电器智能控制系统，其特征在于，所述的继电器驱动电路设有用以实现电气隔离的光耦隔离器TLP521以及用以实现对磁保持继电器线圈的正反通电的L298N驱动芯片。

7.根据权利要求1所述的一种磁保持继电器智能控制系统，其特征在于，所述的位移信号调理电路设有用以将红外线位移传感器输出的电压放大的LF157N放大器。

8.根据权利要求2所述的一种磁保持继电器智能控制系统，其特征在于，采用遗传算法模糊控制优化后的最优占空比的具体内容为：

采用遗传算法模糊控制规则中的输入量为衔铁组件旋转角度和旋转角速度，输出量为PWM占空比，闭合初始阶段将其占空比设置为最大，在末尾阶段将占空比设为最小，获取模糊控制规则。

9.根据权利要求8所述的一种磁保持继电器智能控制系统，其特征在于，采用十进制编码方式，使用1～5依次代表XS、S、M、L、XL5个语言值作为模糊控制规则，使之形成遗传算法的个体，控制目标为在旋转速度小于模糊控制下的旋转速度时，使闭合时间最短。

10.根据权利要求1所述的一种磁保持继电器智能控制系统，其特征在于，所述的失压/欠压范围为额定电压的70％-35％为欠压状态，额定电压的35％-10％为失压状态。

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