CN112631362A - 用于功率电路的机电接触器的控制系统和控制方法 - Google Patents

用于功率电路的机电接触器的控制系统和控制方法 Download PDF

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Abstract

用于功率电路的机电接触器的控制系统和控制方法。该机电接触器包括：接触件(1)，其可在开位置和闭位置这两个位置之间移动，线圈(2)，其与接触件(1)机械连接并且被构造成在开位置和闭位置之间驱动接触件(1)。控制系统包括：调节电源(3)，其可连接到线圈(2)；和控制器(4)，其用于将输出电压VOUT与反馈电压VFBK之间的关系k从至少第一关系k1改变为第二关系k2，k2＞k1，使得调节电源(3)将所提供的输出电压VOUT从第一输出电压VOUT1改变为较低的第二输出电压VOUT2，以降低线圈(2)的功耗。

Description

用于功率电路的机电接触器的控制系统和控制方法
技术领域
本发明涉及用于功率电路的机电接触器的控制系统和控制方法，其能够降低机电接触器的线圈中的功耗。机电接触器用于许多应用中，例如，在电动载具中。
背景技术
对于功率电路的连接和断开，通常使用机电接触器。这种机电接触器包括两部分：接触件和线圈。
接触件可以沿一个方向移动以造成功率电路的连接(接通)，也可以沿相反方向移动以造成功率电路的断开(关断)。
线圈是一种电磁体，其产生机械力来移动接触件。线圈和接触件之间的机械耦合是由内部轴和弹簧提供的。
在断开(关断)状态下，线圈不被加电，并且轴由于弹簧力而被移动或被保持在断开位置。在连接(接通)状态下，线圈被加电，并且所施加的力克服了弹簧力以将接触件移动至连接位置。
因此，当接触器处于接通状态时，即，连接到功率电路时，线圈需要通电。
当接触器必须长时间保持接通状态时，例如在电动载具应用中，节能尤为重要。
在关断状态下，磁路为开。当要闭合接触器时，必须施加称为“拾取”力的大的力来启动轴运动。移位后，磁路保持闭，不再需要施加如此大的力来将接触件保持在闭位置，称为“保持”力。
因此，在“拾取”阶段期间，必须向电磁线圈施加相对强的电功率，但是随后，在“保持”阶段期间，不必保持向线圈施加的如此高的功率。
在通常应用中，使用电源来向接触器线圈提供能量。在许多应用中使用低压(即12V DC)电源。
低压电源通常由提供固定的、稳定的恒定电压的DC功率转换器(即降压、升压、SEPIC或其他拓扑)实现，以驱动接触器线圈，来防止可能的电压波动在不应该的时候闭合接触器。
为了降低在“保持”状态期间线圈中的电能消耗，已经使用了一些技术。
已知使用双线圈接触器。在这种情况下，接触器用两个内部线圈来构建，一个内部线圈针对“拾取”状况进行了优化，而另一内部线圈针对“保持”状况进行了优化。需要时，电子电路切换线圈以节省能源。由于双线圈和开关电路，该解决方案昂贵。
还已知如图1所示使用电阻分压器。在“保持”阶段，为了减小通过线圈(2)的电流，一些电阻(10)与线圈(2)串联电连接。在“拾取”状态期间，电阻器(10)被开关电路(11)旁路。由于使用与线圈(2)串联连接的电阻器(10)和所需的开关电路(11)，所以该解决方案昂贵。电阻器(10)是功率电阻器以承受与线圈(2)串联并抵抗通过其流通的强度。另外，一部分功率耗散被转移到电阻器(10)，从而导致节能效率降低。此外，这种类型的电阻器(10)将热量散发到周围的电子设备中，这是不方便的，并且它们还需要空间来设置。
最后，还已知使用如图2所示的脉冲宽度调制(PWM)技术。在“拾取”阶段，线圈(2)被以100％的电压驱动，从而施加高功率。在“保持”阶段，将线圈(2)驱动到减小的占空比(即50％)，以减小施加到线圈(2)的平均能量。这由高速驱动接通和关断的PWM实现。
由于施加在接触器上的频率高，并且开关接通和关断的周期数量很多，因此该解决方案会对周围的电路产生电磁干扰(EMC)，因此不建议在安全的环境中使用。
发明内容
本发明提供一种用于功率电路的机电接触器的控制系统和控制方法，其降低了功耗，从而节省了能量。本发明基于电压调节电源。
如前所述，功率电路的已知机电接触器包括：
接触件，所述接触件可在以下两个位置之间移动：
-开位置，在所述开位置，所述接触件造成所述功率电路的断开，和
-闭位置，在所述闭位置，所述接触件造成所述功率电路的连接，
线圈，所述线圈与所述接触件机械连接并且被构造成在所述开位置和所述闭位置之间驱动所述接触件。
控制系统还包括调节电源。该调节电源可连接到线圈，并构造成向线圈提供恒定的、经调节的输出电压VOUT。调节电源还被构造成接收与输出电压VOUT具有关系k的反馈电压VFBK，VFBK＝VOUT*k。调节电源被构造成当由电源接收的反馈电压VFBK不同于基准电压VREF时，修改所提供的输出电压VOUT。
所述控制系统还包括适于连接到所述调节电源的控制器。控制器被构造成将输出电压VOUT与反馈电压VFBK之间的关系k从至少第一关系k1改变为第二关系k2，k2>k1。因此，调节电源在至少第一输出电压VOUT1和较低的第二输出电压VOUT2之间改变所提供的输出电压VOUT，以降低线圈的功耗。
因此，随着关系k从k1变化到k2，由调节电源接收的反馈电压VFBK也从第一反馈电压VFBK1变化到第二反馈电压VFBK2。所述变化发生在输出电压VOUT保持不变时，因为其不被改变，其为针对两个反馈电压的第一初始输出电压VOUT1。第二反馈电压VFBK2大于VFBK1。所述第二反馈电压VFBK2与基准电压VREF不同，并且存在误差。
因此，调节电源针对第一初始输出电压VOUT1接收与基准电压VREF不同的第二反馈电压VFBK2。因此，经调节的电源启动调节迭代处理，以修改输出电压VOUT，直到所接收到的反馈电压VFBK等于基准电压VREF并且因此误差为零。当再次达到稳定位置时，即VREF＝VFBK，则根据关系k1/k2已经将VOUT修改为第二输出电压VOUT2。
由于第二输出电压VOUT2低于第一输出电压VOUT1，通过控制所提供的输出电压实现了线圈的功耗的降低。
因此，本发明的控制系统利用现有的电源，特别是适于提供恒定输出电压VOUT的调节电源。因此，控制系统通过使电源在输出电压VOUT和反馈电压VFBK之间具有不同的关系k，而能够使电源在例如两个不同的电压设定第一与第二输出电压VOUT之间切换。
根据调节电源的常规操作，其将所接收到的第二反馈电压VFBK2与固定的基准电压VREF比较，并使用任何差值来按照减小电压误差并接收稳定的反馈电压VFBK的方式修改电源的输出电压VOUT。
因此，控制器通过操纵输出电压VOUT与反馈电压VFBK之间的关系k“欺骗”调节电源，即VFBK＝VOUT*k，使得调节电源接收经修改的反馈信号，从而调节器“认为”调节电源超出其工作点，并作出反应以寻找另一输出电压值。
因而，调节周期由调节电源本身执行，并且因此具有可以将本发明应用于现有的调节电源的优点。
更具体地说，由于接触件的闭位置包括两个阶段，即第一拾取阶段和第二保持阶段，因此控制器构造成：
-在接触件的拾取阶段中提供第一关系k1，使得调节电源被构造成提供第一输出电压VOUT1，以及
-在接触件的所述保持阶段中提供第二关系k2，使得调节电源被构造成提供较低的第二输出电压VOUT2。可以在保持阶段的开始或从该开始起的一段时间后提供所述第二关系k2。
在实施方式中，电源包括电压调节器，该电压调节器被构造成使调节电源向线圈提供恒定的输出电压VOUT。电压调节器包括：
用于接收反馈电压VFBK的装置，
用于将所接收的反馈电压VFBK与基准电压VREF进行比较的装置，
用于如果所接收的反馈电压VFBK不同于基准电压VREF则使调节电源改变所提供的输出电压VOUT从而向线圈提供恒定的输出电压VOUT的装置。
本发明的另一个目的是一种用于功率电路的机电接触器的控制方法，该机电接触器包括：
接触件，所述接触件可在以下两个位置之间移动：
-开位置，在所述开位置，所述接触件造成所述功率电路的断开，和
-闭位置，在所述闭位置，所述接触件造成所述功率电路的连接，
线圈，所述线圈与所述接触件机械连接并且被构造成在所述开位置和所述闭位置之间驱动所述接触件。
所述控制方法包括以下步骤：提供可连接到所述线圈的调节电源，所述调节电源被构造成向所述线圈提供恒定的、经调节的输出电压VOUT并且接收与所述输出电压VOUT具有关系k的反馈电压VFBK，VFBK＝VOUT*k。根据电源的调节特性，当电源接收的反馈电压VFBK与基准电压VREF不同并且因此存在误差时，其将修改所提供的输出电压VOUT。
因此，随着关系k从k1变化到k2，由调节电源接收的反馈电压VFBK也从第一反馈电压VFBK1变化到第二反馈电压VFBK2。如前所述，所述变化发生在输出电压VOUT保持不变，因为其不被改变，其为针对两个反馈电压的第一初始输出电压VOUT1。。第二反馈电压VFBK2将大于VFBK1。所述第二反馈电压VFBK2不同于基准电压VREF并且存在误差，因此，调节电源启动迭代处理以提供恒定的输出电压VOUT。
附图说明
为了完成描述并且为了提供对本发明的更好的理解，提供了附图。所述附图构成说明书的组成部分，并且示出了本发明的优选实施方式。附图包括以下附图。
图1示出了机电接触器的已知电路，该机电接触器包括被构造成根据现有技术降低功耗的系统。
图2示出了机电接触器的已知电路，该机电接触器包括被构造成根据现有技术降低功耗的系统。
图3示出了根据本发明实施方式的调节系统的框图。
图4示出了本发明的机电接触器的电路的实施方式。
图5示出了针对图4的实施方式的电压-时间图、功率-时间图以及开关时间和系数或因数-时间图。
具体实施方式
图3示出了根据本发明实施方式的机电接触器的控制系统的框图。控制系统包括：
接触件(1)，其可在开位置和闭位置之间移动，
线圈(2)，其与接触件(1)机械连接，并且被构造成在开位置和闭位置之间驱动接触件(1)，
调节电源(3)，其可连接到线圈(2)，该调节电源(3)被构造成向线圈(2)提供输出电压VOUT。
如前所述，调节电源(3)被构造成向线圈(2)提供恒定的、经调节的输出电压VOUT，并接收与输出电压具有关系k的反馈电压VFBK，VFBK＝VOUT*k。根据电源(3)的调节特性，其被构造成当电源(3)接收的反馈电压VFBK与基准电压VREF不同时修改所提供的输出电压VOUT。
在图3所示的实施方式中，电源(3)所接收的反馈电压VFBK是VFBK＝VOUT*k，k是由控制器(4)控制的关系k的值。因此，控制器(4)被构造成作用于关系k，继而，这修改了反馈电压VFBK值。
在实施方式中，控制器(4)被构造成在固定时间段之后在第一关系k1与第二关系k2之间切换。
考虑其中调节电源以VOUT与VFBK之间的关系k等于1来稳定的实施方式。控制器(4)将在拾取阶段提供第一关系k1，在保持阶段提供第二关系k2。
据此，在所述实施方式中并且利用以下默认条件：
VREF＝12V DC
在稳定条件下VERR＝0
VREF＝VFBK，如在机电接触器的稳定运行中所预期的那样，其中误差电压VERR＝0。
VFBK＝VOUT*k是电压调节器(6)接收到的反馈电压，
VOUT＝VFBK/k是将由调节电源提供的输出电压，但由于在稳定运行中VREF＝VFBK，因此
VOUT＝VREF/k。
因此，利用稳定的电压基准VREF，通过对关系k应用不同的值可以修改输出电压VOUT。
在稳定条件下，需要考虑到误差电压VERR必须等于0。根据以上所述，如果接收到的反馈电压VFBK与基准电压VREF不同，则调节电源(3)将提供不同的电压。
拾取状态：
系统在以下条件下稳定：
VREF＝12V DC
VOUT＝12V DC
k1＝1
VFBK＝12V DC
VERR＝0
在“拾取”条件下，控制器(4)可以以施加到接触器-线圈(1、2)的最大电压/能量来驱动开关(5)。此外，应用关系k1＝1，输出电压VOUT将与VREF相同，在此示例中为12V DC。
保持状态：
在实施方式中，机电接触器具有致动时间来闭合接触件(1)，例如50ms，控制器(4)等待较长的时间，例如300ms，以提供不同的关系k。
因此，在短时间之后，控制器(4)提供关系k2>k1。
在下面的实施方式中，提供了为k1的两倍的关系k2，使得在稳定条件下输出电压VOUT降低到一半。
VREF＝12V DC
VOUT2＝6V DC(达到稳定条件时)
k2＝2
VFBK＝12V DC(当再次达到稳定条件时)
VERR＝0
在“保持”状态下，控制器(4)驱动开关(5)，但将减少施加到接触器-线圈(1、2)的能量。在该实施方式中，应用关系为2的k2，输出电压VOUT将是VREF电压的一半，即6V DC。
根据具有不同“保持”要求的不同接触器的具体“保持”条件，可以实现关系k的其他值来调整输出电压VOUT。例如，在通常情况下，对于电源的输出电压VOUT，反馈电压VFBK被认为在0V至1V之间。
在图4中，示出了本发明的机电接触器的电路的实现的实施方式，其中描绘了如何实现关系k。
具体地，控制系统包括分压器，该分压器连接到调节电源(3)的输出，该分压器包括串联设置的一组电阻器(R3、R4、R5)。该组电阻器(R3、R4、R5)与线圈(2)并联设置。控制器(4)被构造成接通和断开电阻器中的至少一个电阻器(R3)，从而可以由控制器(4)改变反馈电压VFBK与输出电压VOUT之间的关系，即k。
在该实施方式中，(R4+R3)/(R5+R4+R3)×VOUT的电压是向调节电源(3)提供的反馈电压VFBK，其中R3可以是0或R3。
如前所述，图4公开了所要求保护的系统的实现方式。通过用作分压器的电阻器R3、R4、R5的组合来测量输出电压VOUT，并将测量结果通过反馈连接发送到电源(3)的电压调节器(6)。
当NOT_ECONOMIZE(非节能)输出被启用时，晶体管Q2超驰电阻器R3，并且反馈信号也相应变化。
当电源(3)在VFBK中注意到不同于实际VREF的值时，其尝试通过其内部调节来补偿电压，修改输出电压VOUT，直到VFBK信号等于VREF，达到对于保持阶段所期望的VOUT。
在该实施方式中，依赖于电阻器R3、R4、R5的值，可以提供两个稳定输出电压，一个输出电压依赖于R4/(R4+R5)，另一个输出电压依赖于(R3+R4)/(R3+R4+R5)。
所述电阻器因此在线圈(2)启用的主电路之外，并且是小的极化电阻器，成本可忽略不计，并且它们不产生附加热量并且几乎不需要空间。

Claims (14)

1.一种用于功率电路的机电接触器的控制系统，所述机电接触器包括：
接触件(1)，所述接触件(1)能够在以下两个位置之间移动：
-开位置，在所述开位置，所述接触件(1)造成所述功率电路的断开，和
-闭位置，在所述闭位置，所述接触件(1)造成所述功率电路的连接，
线圈(2)，所述线圈(2)与所述接触件(1)机械连接并且被构造成在所述开位置和所述闭位置之间驱动所述接触件(1)，
所述控制系统包括调节电源(3)，所述调节电源(3)能够连接到所述线圈(2)所述调节电源(3)被构造成向所述线圈(2)提供恒定的、经调节的输出电压VOUT并且接收与所述输出电压VOUT具有关系k的反馈电压VFBK，VFBK＝VOUT*k，
所述控制系统的特征在于，所述控制系统还包括控制器(4)，所述控制器(4)被构造成将所述输出电压VOUT与所述反馈电压VFBK之间的所述关系k从至少第一关系k1改变为第二关系k2，k2＞k1，使得所述调节电源(3)将所提供的输出电压VOUT从至少第一输出电压VOUT1改变为较低的第二输出电压VOUT2，以降低所述线圈(2)的功耗。
2.根据权利要求1所述的用于功率电路的机电接触器的控制系统，其中，所述接触件(1)的所述闭位置包括两个阶段：第一拾取阶段，在所述第一拾取阶段中所述接触件(1)开始移动以闭合所述功率电路；和第二保持阶段，在所述第二保持阶段中，闭合所述接触件(1)使得所述功率电路连接，所述控制器(4)被构造成：
-在所述接触件(1)的所述拾取阶段中提供所述第一关系k1，使得所述调节电源(3)被构造成提供所述第一输出电压VOUT1，以及
-在所述接触件(1)的所述保持阶段中提供所述第二关系k2，使得所述调节电源(3)被构造成提供所述较低的第二输出电压VOUT2。
3.根据前述权利要求中任一项所述的用于功率电路的机电接触器的控制系统，其中，所述调节电源(3)包括电压调节器(6)，所述电压调节器(6)被构造成使所述调节电源(3)向所述线圈(2)提供恒定的输出电压VOUT。
4.根据权利要求3所述的用于功率电路的机电接触器的控制系统，其中，所述电压调节器(6)包括：
用于接收反馈电压VFBK的装置，
用于将所接收的反馈电压VFBK与基准电压VREF进行比较的装置，
用于如果所接收的反馈电压VFBK不同于所述基准电压VREF则使所述调节电源(3)改变所提供的输出电压VOUT从而向所述线圈(2)提供恒定的输出电压VOUT的装置。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于功率电路的机电接触器的控制系统，其中，所述控制系统包括分压器，所述分压器连接到所述调节电源(3)的输出，从而向所述调节电源(3)提供反馈。
6.根据权利要求5所述的用于功率电路的机电接触器的控制系统，其中，所述分压器包括串联设置的一组电阻器(R3、R4、R5)，所述一组电阻器(R3、R4、R5)与所述线圈(2)并联设置，所述控制器(4)被构造成接通和断开所述电阻器中的至少一个电阻器(R3)，以改变所述输出电压VOUT与所述反馈电压VFBK之间的所述关系k。
7.根据权利要求6所述的用于功率电路的机电接触器的控制系统，其中，所述控制系统还包括被构造成与所述电阻器中的一个电阻器(R3)以及所述控制器(4)连接的晶体管(Q2)，所述控制器(4)被构造成通过晶体管(Q2)超驰该电阻器(R3)。
8.根据权利要求6或7所述的用于功率电路的机电接触器的控制系统，其中，所述电阻器(R3)和(R4)的电压是向所述调节电源(3)提供的所述反馈电压VFBK。
9.根据前述权利要求中任一项所述的用于功率电路的机电接触器的控制系统，其中，所述控制器(4)被构造成在从所述功率电路的连接起的固定时间段之后在所述第一关系k1与所述第二关系k2之间切换。
10.根据前述权利要求中任一项所述的用于功率电路的机电接触器的控制系统，其中，所述电压调节器是DC功率转换器。
11.一种用于功率电路的机电接触器的控制方法，所述机电接触器包括：
接触件(1)，所述接触件(1)能够在以下两个位置之间移动：
-开位置，在所述开位置，所述接触件(1)造成所述功率电路的断开，和
-闭位置，在所述闭位置，所述接触件(1)造成所述功率电路的连接，
线圈(2)，所述线圈(2)与所述接触件(1)机械连接并且被构造成在所述开位置和所述闭位置之间驱动所述接触件(1)，
所述控制方法包括以下步骤：提供能够连接到所述线圈(2)的调节电源(3)，所述调节电源(3)被构造成向所述线圈(2)提供恒定的、经调节的输出电压VOUT并且接收与所述输出电压VOUT具有关系k的反馈电压VFBK，VFBK＝VOUT*k，
所述控制方法的特征在于，所述控制方法包括以下步骤：提供控制器(4)，所述控制器(4)将所述输出电压VOUT与所述反馈电压VFBK之间的所述关系k从至少第一关系k1改变为第二关系k2，k2>k1，使得所述调节电源(3)将所提供的输出电压VOUT从至少第一输出电压VOUT1改变为较低的第二输出电压VOUT2，以降低所述线圈(2)的功耗。
12.根据权利要求11所述的用于功率电路的机电接触器的控制方法，其中，所述方法包括以下步骤：添加分压器，所述分压器连接到所述调节电源(3)的输出并且向所述调节电源(3)提供反馈。
13.根据权利要求12所述的用于功率电路的机电接触器的控制方法，其中，所述分压器包括串联设置的一组电阻器(R3、R4、R5)，所述一组电阻器(R3、R4、R5)与所述线圈(2)并联设置，所述控制器(4)接通和断开所述电阻器中的至少一个电阻器(R3)，以改变所述输出电压VOUT与所述反馈电压VFBK之间的所述关系k。
14.根据权利要求13所述的用于功率电路的机电接触器的控制方法，其中，所述控制方法还包括添加与所述电阻器中的一个电阻器(R3)以及所述控制器(4)连接的晶体管(Q2)的步骤，所述控制方法包括所述控制器(4)通过所述晶体管(Q2)超驰该电阻器(R3)的步骤。
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