CN112345926B - 一种电子执行器复位检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子执行器复位检测方法，其结构包括执行器线圈、控制单元、激励单元以及反馈信号检测单元。由于执行器在复位与非复位状态下，其衔铁会有闭合与打开两种情况，导致其线圈表现出不同的电感值，控制单元控制激励单元给执行器线圈一个激励信号，然后线圈会反馈给检测单元一个模拟电流信号，检测单元以10MSPS的采样率采集反馈模拟信号，并与预存的执行器复位状态下的反馈模拟信号进行相关性计算，并将计算的相关系数传递给控制单元，控制单元据此进行判断执行器是否复位。

Description

一种电子执行器复位检测方法
技术领域
本发明属于电子电路领域，是利用执行器线圈的电感值，来检测执行器是否复位的一种方法。
背景技术
断路器的断开动作需要执行器提供动能，当断路器断开后，需执行器马上复位，为下一次断路器的断开动作做好准备，一些传统的断路器并没有检测执行器是否复位，这样会降低断路器的可靠性，另一些情况是基于机械式微动开关实现执行器复位检测，该类方法不但增加了产品结构设计难度和成本，而且其机械触点易磨损、烧损，易因液体和粉尘污染而失效，存在很大的可靠性和检测精度问题。针对以上问题，本发明提出了一种电子式执行器复位检测方法，同时集成电路技术的发展使得高集成度、高运算速度、低功耗的低压电器领域专用芯片设计与实现成为可能，使得本发明提出的方法能够轻松实现。
发明内容
该方法利用执行器在不同的状态下，其线圈具有不同电感值的特点，通过简单的激励单元和检测单元，把线圈电感值的差异转换为数字信号差异，成功的解决了执行器复位检测的问题。
本发明通过以下技术方案得以实现。
本发明提出的一种电子执行器复位检测方法，包括执行器线圈、控制单元、激励单元以及检测单元。执行器在复位与非复位状态下，其线圈会表现出不同的电感值，激励单元产生的激励信号会使其产生不同的模拟电流信号，检测单元以10MSPS的采样率采集反馈模拟信号，并与已存储的执行器复位状态下的反馈模拟信号进行相关性计算，并将计算的相关系数传递给控制单元，控制单元据此进行判断执行器是否复位。此方法的控制逻辑简单高效，具有更强的抗干扰能力以及更高的准确率。
所述方法充分利用了执行器固有的线圈进行检测，并没有增加额外的检测线圈。
所述方法利用了执行器在复位与非复位状态下其线圈电感值不同的特点。当执行器处于复位状态时，其衔铁会闭合，其线圈产生的磁力线回路如图2中a图所示，图中的永磁材料会使构成磁回路的铁芯达到磁饱和，导致铁芯的磁导率接近于非磁性材料(如空气)的磁导率，例如图3低碳钢1008在达到磁饱和时，其磁导率u约等于1.157u0，所以线圈的等效电感La大小为：
Figure BDA0002158065140000021
当执行器处于非复位状态时，其衔铁会打开，其线圈产生的磁力线回路如图2中b图所示，由于气隙的存在，降低了铁芯中的磁场强度，使得铁芯处于非磁饱和状态，导致铁芯的磁导率远大于非磁性材料(如空气)的磁导率，例如图3低碳钢1008在非磁饱和时，其磁导率u约等于170.7u0，所以磁路中起主导作用的是气隙的磁路，则线圈的等效电感Lb大小为：
Figure BDA0002158065140000022
在实际情况下，Ac≈Ag，lc＞g，再由公式(1)和(2)可知La＜Lb。
通过电感测量仪直接测量不同状态下的执行器线圈电感值，结果如表1所示，其中频率是电感测量仪的设定值，通过表1的数据可知，实际测量情况与分析情况一致。
表1
频率 非复位状态L<sub>b</sub>(mH) 复位状态L<sub>a</sub>(mH)
90kHz 4.523 3.925
95kHz 4.461 3.895
100kHz 4.402 3.852
105kHz 4.346 3.887
110kHz 4.327 3.848
所述方法设计的激励单元会把线圈电感值转换为模拟反馈信号。
所述方法中的执行器线圈、激励单元以及控制单元构成的等效电路如图4所示。控制单元控制激励单元的开断，假设激励单元打开的那一时刻电感L中的电流为0，则电路的响应为零状态响应，电感L流过的电流i(t)大小为：
Figure BDA0002158065140000023
其中τ为时间常数，其大小为：
Figure BDA0002158065140000024
在对电感L充电的过程中，激励单元的等效电阻是变化的，当i(t)<Ith时，激励单元的等效电阻较小，则电路的时间常数τ就较大，同时也能够把L的差异尽可能放大。当i(t)＝Ith时激励单元的等效电阻变大，则电路的时间常数τ非常小，会迅速的把电感L的电流充满，使输出电压Uout快速稳定于U，且最终的电流值接近于Ith，降低了整个电路的功耗。
所述方法采用二极管对线圈中的电流进行快速放电，防止线圈中的剩余电流对输出模拟电压产生影响。假设激励单元开启的那一时刻电感L中的电流为I0，则电感L流过的电流i(t)大小为：
Figure BDA0002158065140000031
相对于零状态响应，I0越大，电感充电时间就会越短，会使电感输出不同的模拟电压信号。
所述方法中的检测单元以10MSPS的采样率采集反馈模拟信号，能够精确的捕捉反馈信号的微小差距。
所述方法中的检测单元把反馈模拟信号Uout转换成数字信号，其实现具体步骤如下：
步骤一：当控制单元使能激励单元输出激励脉冲后，立即开启ADC，开始采集反馈模拟信号。
步骤二：采集完15us的数据后，停止ADC。
步骤三：用采集的反馈模拟信号与预存的反馈信号进行皮尔逊相关系数计算，其大小为：
Figure BDA0002158065140000032
最后检测单元把相关系数传送给控制单元，控制单元据此进行判断执行器是否复位。
附图说明
图1是本发明的原理框图
图2是执行器在复位与非复位状态下的磁力线的回路示意图
图3是低碳钢1008的B-H曲线和磁导率变化曲线
图4是执行器线圈、控制单元和激励单元构成的等效电路图
图5是执行器在复位与非复位状态下的响应信号图
图6是执行器在复位与非复位状态下的相关系数值
具体实施方式
如图1所示的一种电子执行器复位检测方法，包括执行器线圈、控制单元、激励单元以及反馈信号检测单元。
所述方法利用的执行器线圈是执行器本身固有的线圈，不需要增加额外的检测线圈，如图2所示，执行器在不同的状态下，其线圈产生的磁力线具有不同的磁回路以及磁回路的铁芯材料的磁化状态不同，导致线圈具有不同的电感值。
在执行器复位状态下，其衔铁闭合，气隙长度g为0，当执行器处在非复位状态下，其衔铁打开，气隙长度g为非0。执行器在复位状态下其线圈电感的大小为：
Figure BDA0002158065140000041
执行器在非复位状态下其线圈电感的大小为：
Figure BDA0002158065140000042
在实际情况下，Ac≈Ag，lc＞g，再由公式(1)和(2)可知La＜Lb。
如图4所示，执行器线圈、控制单元和激励单元构成的等效电路图，当控制单元启动激励单元后，电源开始对线圈进行充电，不同的电感值对应不同的充电速度，导致输出的模拟电流信号不同，其结果如图5所示，执行器在非复位状态下的线圈的电感值比在复位状态下大，所以在非复位状态下，对线圈充电的速度慢，其输出的模拟信号波形如图5中的实线所示。
检测单元会把反馈模拟信号Uout转换成数字信号，其实现具体步骤如下：
步骤一：当控制单元使能激励单元输出激励脉冲后，立即开启ADC，开始采集反馈模拟信号。
步骤二：采集完15us的数据后，停止ADC。
步骤三：用采集的反馈模拟信号与预存的反馈信号进行皮尔逊相关系数计算，其大小为：
Figure BDA0002158065140000051
执行器在不同的状态下，其相关系数值存在较大差异，预存执行器在复位状态下的反馈信号为标准信号，具体如图6所示。当气隙长度g为零时(即执行器处于复位状态)，相关性最强，，当气隙长度g非零时(即执行器处于非复位状态)，相关性较弱，因为执行器处于非复位状态下，其线圈电感变大，反馈模拟信号的低电平长度变大。
最后检测单元把相关系数传送给控制单元，控制单元据此进行判断执行器是否复位。

Claims (7)

1.一种电子执行器复位检测方法，主要包括执行器线圈、控制单元、激励单元以及检测单元，其特征在于：执行器在复位与非复位状态下，其线圈会表现出不同的电感值；激励单元产生的激励信号会使其产生不同的模拟电流信号；检测单元以10MSPS的采样率采集反馈模拟信号，并与已存储的执行器复位状态下的反馈模拟信号进行相关性计算，并将计算的相关系数传递给控制单元，控制单元据此进行判断执行器是否复位；
所述电子执行器复位检测方法采用二极管对线圈中的电流进行快速放电，防止线圈中的剩余电流对输出模拟信号产生影响；假设激励单元开启的那一时刻电感L中的电流为I0，则电感L流过的电流i(t)大小为：
Figure FDA0003959266910000011
相对于零状态响应，I0越大，电感充电时间就会越短，会使电感输出不同的模拟信号。
2.根据权利要求1所述的电子执行器复位检测方法，其特征在于：
所述方法利用了执行器固有的线圈进行检测。
3.根据权利要求1所述的电子执行器复位检测方法，其特征在于：
所述方法利用了执行器在复位状态与非复位状态下其线圈电感值不同的特点，当执行器处在不同的状态下，由于其线圈产生的磁力线回路不同，磁回路的铁芯材料的磁化状态不同，导致两种状态下线圈的电感值不同。
4.根据权利要求1所述的电子执行器复位检测方法，其特征在于：
所述方法设计的激励单元会把线圈电感值差异转换为模拟电流信号上的差异。
5.根据权利要求1所述的电子执行器复位检测方法，其特征在于：
所述方法中执行器线圈、激励单元以及控制单元构成的等效电路，控制单元控制激励单元的开断，假设激励单元打开的那一时刻电感L中的电流为0，则电路的响应为零状态响应，电感L流过的电流i(t)大小为：
Figure FDA0003959266910000012
其中τ为时间常数，其大小为：
Figure FDA0003959266910000021
当电感L不同时，时间常数就会不同，导致输出模拟电压信号Uout不同，同时利用激励单元在不同的工作状态下，其等效电阻不同的特点，会把电感L的差异尽可能放大并降低整个电路的功耗。
6.根据权利要求1所述的电子执行器复位检测方法，其特征在于：
所述方法中的检测单元以10MSPS的采样率采集反馈模拟信号，能够精确的捕捉反馈信号的微小差异。
7.根据权利要求1所述的电子执行器复位检测方法，其特征在于：
所述方法中的检测单元利用皮尔逊相关系数来反映采集的反馈模拟信号与预存反馈信号的相关性，其预存反馈信号为执行器复位状态下的反馈模拟信号，皮尔逊相关系数计算方法为：
Figure FDA0003959266910000022
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