專利名稱：雙閉環(huán)反饋控制模塊的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及器械智能控制領域，特別是一種交流接觸器雙閉環(huán)反饋控制模塊。
背景技術：
低壓電器的智能化控制與設計技術，近年來在國內(nèi)外都得到長足的發(fā)展，新設計思路不斷涌現(xiàn)。以系統(tǒng)中大量采用的電磁式交直流接觸器為例，近年來新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。隨著智能電網(wǎng)的建設，一次回路、二次回路、檢測監(jiān)測回路中電器產(chǎn)品的智能化、可通信等各項性能指標得到廣泛的重視。智能交流接觸器目前主要的控制思路和控制方法如下 (1)高電壓直流起動、低電壓直流保持的控制方案
對于傳統(tǒng)的交流勵磁電磁式交流接觸器來說，由于交流電磁機構(gòu)具有鐵磁材料損耗大、分磁環(huán)易斷裂、運行中交流噪聲大、起動過程受吸合相角影響等缺點，所以目前常常采用直流勵磁的工作模式。這樣，可以去掉分磁環(huán)、不受合閘相角的影響、實現(xiàn)節(jié)能無聲運行。 因此，早期的智能交流接觸器控制方案均采用直流高電壓起動、直流低電壓保持的控制原理。起動過程中，通過控制模塊的整流、濾波以后將一個直流高電壓施加在交流接觸器的勵磁線圈上，滿足接觸器對起動磁勢的要求。當起動過程結(jié)束，通過微處理器控制芯片，切斷起動回路，起動低電壓直流保持回路，實現(xiàn)節(jié)能無聲運行。在起動過程中，還可以將起動過程分段控制，實現(xiàn)“軟起動”控制方案，大大減少鐵心的閉合過程碰撞、降低觸頭彈跳，提高交流接觸器的整體性能指標。但是，其存在如下缺點
首先，其采用調(diào)節(jié)電壓的控制原理。在電磁機構(gòu)中，直接影響機構(gòu)工作的是磁路中的磁勢，由于將交流電磁機構(gòu)通入了直流激磁電源，其磁路中的磁抗(磁滯、渦流損耗引起)、電路中的電抗就不存在了，那么，線圈中的電流將大幅度增加。在控制過程中，起動回路的開關管將承受極大的電流沖擊，尤其對大容量的接觸器(如630A以上的交流接觸器)，控制非常困難。其次，需要實時監(jiān)控接觸器線圈中的電流變化規(guī)律，才可以實現(xiàn)整體過程的優(yōu)化控制，采用電壓控制方案實現(xiàn)較困難。第三，高壓起動低壓保持方案中，需要兩個電力電子開關進行高低電平的轉(zhuǎn)換，而高壓起動電力電子開關隨著接觸器容量的增加，電壓電流應力迅速增加，成本也迅速增加； 在低壓保持時，需要輔助電源提供線圈保持電壓，輔助電源的容量也隨著接觸器的容量的增加而增加，對開關管的保護和控制回路成本也增加。因此，整體成本增加。(2)帶電壓反饋的接觸器控制方案
將交流工頻電壓經(jīng)過濾波和整流后，變成直流脈動電壓，該電壓通過PWM調(diào)制器加于接觸器控制線圈上。通過電壓檢測模塊，將電壓反饋信號送入單片機系統(tǒng)，以此反饋電壓信號為依據(jù)來確定輸出控制脈沖的占空比，電壓和控制脈沖占空比的對應關系由仿真或?qū)嶒灚@得，控制脈沖通過PWM調(diào)制器中電力電子開關驅(qū)動電路，來控制線圈供電回路中電力電子開關器件的通斷，從而可以實時調(diào)節(jié)線圈兩端的直流電壓。在吸合過程完成后，改變控制脈沖的占空比以調(diào)節(jié)線圈兩端的電壓，使得線圈在一個很小的直流電壓下保持接觸器閉合，起動過程中的優(yōu)化通過合理設置起動過程中PWM占空比來實現(xiàn)。此方案為單閉環(huán)控制方案，存在一個電壓反饋環(huán)，屬于電壓型PWM控制方案。其缺點是在控制過程，電路中的電流沒有參入控制，由于線圈電感的作用，電流滯后于電壓的變化，因而系統(tǒng)響應速度慢，穩(wěn)定性受到影響。從控制理論的角度講，電壓控制單閉環(huán)系統(tǒng)是一個無條件的二階穩(wěn)定系統(tǒng)。而電流控制雙閉環(huán)系統(tǒng)是一個無條件的一階穩(wěn)定系統(tǒng)，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。再者，電壓反饋控制方案，在起動過程中，需要高占空比，電壓檢測模塊無法在起動的短時間內(nèi)，快速撲捉到電壓瞬時值，起動過程優(yōu)化控制效果將會受到影響。同樣，大容量時控制開關器件有一定難度。(3)帶電流反饋的單閉環(huán)控制方案
交流電經(jīng)整流后，通過電力電子開關調(diào)制給接觸器線圈供電，由中央控制模塊接收線圈電流的反饋信號，來實現(xiàn)對開關管的控制，不同的線圈電流對應不同的調(diào)制占空比，從而保持線圈中通過的電流不變。智能控制的實現(xiàn)主要靠中央控制模塊中的脈沖控制芯片來控制。電流采用動態(tài)控制，當電流很小時，采用固定大占空比使電流快速上升，當電流增加到接近期望的數(shù)值時，占空比變小并根據(jù)電流值的大小進行變化，通過這種方式，電流可穩(wěn)定在期望值左右。采用不同的指令電流與放大器的比例系數(shù)可以得到不同的控制電流。但是，帶電流反饋的單閉環(huán)控制方案仍然屬于電壓型PWM控制方案，通過調(diào)節(jié)PWM 占空比的方法，改變線圈有效電壓，整體響應速度還是比較慢，控制效果有待提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙閉環(huán)反饋控制模塊，實現(xiàn)交流接觸器起動、吸持、分斷全過程的智能優(yōu)化控制。本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn)一種雙閉環(huán)反饋控制模塊，包括兩端并接有續(xù)流電路的交流接觸器線圈，一交流電壓經(jīng)整流濾波電路為該交流接觸器的線圈供電；其特征在于， 還包括一微控制器；一交流電壓采樣電路，采樣所述交流電壓值送給所述微控制器進行處理；一電流傳感器，采集所述線圈的電流值轉(zhuǎn)化為電壓信號經(jīng)第二有源濾波回路濾波后送入第二程控運放電路，該第二程控運放控制電路根據(jù)所述微控制器發(fā)出的增益控制指令對輸入的信號進行放大處理；一采樣電路，檢測所述線圈的回路的峰值電流并轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)第一有源濾波電路濾波處理后送入第一程控運放控制電路，該第一程控運放控制電路根據(jù)微控制器發(fā)送的增益控制指令，對輸入信號進行處理；一 PWM控制單元，與所述的微控制器連接，其驅(qū)動一電力電子開關對所述線圈的回路進行斬波控制，所述的第一程控器和第二程控器將處理的信號輸入該PWM控制單元，為PWM輸出提供判斷依據(jù)；一模式設定單元，與所述的微控制器連接；以及一參數(shù)設置及顯示電路。本發(fā)明具有如下優(yōu)點
(1)雙閉環(huán)反饋控制。在接觸器的起動過程、吸持階段中，形成兩個閉環(huán)控制回路，直接對接觸器線圈電流進行精確控制，進而可以對接觸器的整體動作特性進行優(yōu)化控制，全面提高接觸器的性能指標。
(2)控制范圍寬、可靠性高。雙閉環(huán)反饋控制方案中，在接觸的起動過程中，起動環(huán)會對線圈電流進行逐周控制，達到設定值后即保持動態(tài)恒流，避免了過大的起動電流對接觸器線圈造成過激，并可以根據(jù)不同時刻接觸器的運行狀態(tài)，快速調(diào)節(jié)線圈電流值，實現(xiàn)優(yōu)化控制，避免電流突變和過電壓的產(chǎn)生，對控制電路干擾較小，尤其在大容量接觸器的控制中，可靠性得到明顯提高。(3)硬件成本明顯降低。在電壓型的控制模式中，直接采用電力電子器件對接觸器線圈電壓進行控制，隨著接觸器容量的增加，開關管容量增加，相應的控制電路和保護電路成本迅速增加，硬件成本明顯增加；雙閉環(huán)反饋控制方案中，激磁電路的起動電流和保持電流均是通過控制電路的控制從電網(wǎng)斬波獲得，控制電路在每個開關周期內(nèi)檢測斬波的電力電子開關電流值，超過設定值即進行限制使之恒流，因此，開關器件和輔助電源的容量不會隨接觸器容量的變化有明顯的增加，可以按照接觸器正常的起動激磁磁勢來選擇電力電子開關的容量，硬件成本低。(4)控制過程運行速度快。首次將電流型PWM模塊引入智能交流接觸器的控制系統(tǒng)中。電壓型PWM反饋控制方案，在控制過程中激磁電路中的電流沒有參入反饋控制， 由于線圈電感的作用，電流滯后于電壓而變化，因而系統(tǒng)響應速度慢，穩(wěn)定性差。再者，電壓反饋控制方案，在起動過程中，需要高占空比，電壓檢測模塊無法在起動的短時間內(nèi)，快速撲捉到電壓瞬時值，起動過程優(yōu)化控制效果將會受到影響。電流型PWM是針對電壓PWM型的缺點發(fā)展起來的，它在原有的電壓環(huán)上增加了電流反饋環(huán)節(jié)，構(gòu)成電壓電流雙閉環(huán)控制。內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，外環(huán)為電壓控制環(huán)。無論電流的變化，還是電壓的變化，都會使PWM輸出脈沖占空比發(fā)生變化。這種控制方式可改善系統(tǒng)的電壓調(diào)整率，提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應速度，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明的硬件連接原理框圖。
具體實施例方式本發(fā)明將開關電源中采用的電流型PWM控制系統(tǒng)應用到交流接觸器的智能控制中。系統(tǒng)上電時，由微控制器檢測模式設置電路的電平狀態(tài)，根據(jù)不同的電平狀態(tài)，進入?yún)?shù)設置程序或加載上次設置參數(shù)直接運行。若位于參數(shù)設置狀態(tài)，通過參數(shù)設置及顯示電路，可以設置交流接觸器的起動電流時域曲線，保持電流值，并存儲和顯示設置參數(shù)。若位于運行狀態(tài)，系統(tǒng)交流電壓采樣子電路循環(huán)采樣交流電壓，如果電壓值在所設置的吸合閾值之內(nèi)，微控制器起動PWM控制系統(tǒng)，驅(qū)動電力電子開關對交流接觸器線圈的回路進行斬波控制，接觸器進入起動階段，采樣電路檢測線圈回路的峰值電流并轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)濾波處理后送入程控運放控制電路，程控運放控制電路根據(jù)微控制器系統(tǒng)發(fā)送的增益控制指令，對輸入信號進行處理，處理之后的信號送入PWM控制單元，將增益后的電壓信號接入到PWM控制系統(tǒng)內(nèi)的電流檢測比較器進行對比，為PWM輸出提供判據(jù)，通過調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比和導通周期數(shù)，將電流迅速調(diào)節(jié)至微控制器系統(tǒng)設定值(該設定值可由仿真或?qū)嶒灚@得)后，以一定的時鐘頻率對電流進行動態(tài)補償，使線圈電流保持動態(tài)恒定；交流接觸器的起動過程可以分為多個時間段，在不同的時間段內(nèi)微控制器系統(tǒng)可以寫入不同的電流值增益指令，將起動過程中不同的電流值連起來，成為起動電流的時域曲線， 根據(jù)不同的交流接觸器，設置不同的起動電流曲線，使交流接觸器的運動速度、電磁吸力、 磁鏈、位移、撞擊能量等變化規(guī)律達到最佳狀況，實現(xiàn)交流接觸器起動過程的最優(yōu)控制。采樣電路、有源濾波電路、程控運放控制電路、PWM控制單元構(gòu)成系統(tǒng)起動閉環(huán)控制回路，對交流接觸器起動電流進行精確的閉環(huán)控制，微控制器則通過該控制程控運放電路來控制環(huán)路增 ο交流接觸器起動過程結(jié)束后，轉(zhuǎn)入吸持運行過程，通過電流傳感器測量交流接觸器線圈電流值，并轉(zhuǎn)化成電壓信號，經(jīng)濾波后送入另一程控運放控制電路，根據(jù)微控制器發(fā)送的增益控制指令，對輸入信號進行放大處理，然后將信號送入PWM控制單元，將增益后的電壓信號接入到PWM控制單元內(nèi)的誤差放大器進行對比，為PWM輸出提供判斷依據(jù)，通過調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比和導通周期數(shù)，將電流迅速調(diào)節(jié)至微控制器系統(tǒng)設定值后，以一定的時鐘頻率對電流進行快速動態(tài)補償，使線圈電流保持動態(tài)恒定；根據(jù)不同容量的接觸器，單片機可以向控制吸持階段的程控運放控制電路寫入不同的電流值增益指令，從而控制吸持電流的值，使該交流接觸器控制模塊具有廣泛適用性。電流傳感器、吸持控制電路的有源濾波電路、吸持控制電路的程控運放控制電路與PWM控制系統(tǒng)構(gòu)成控制模塊的保持閉環(huán)回路，對交流接觸器保持電流進行精確的閉環(huán)控制，微控制器通過控制程控運放控制電路來控制環(huán)路增益。系統(tǒng)運行過程中，當交流電壓采樣子電路檢測到電源電壓位于設置的分斷閾值時，微控制器控制PWM控制單元，快速關閉 PWM輸出，使接觸器迅速分斷。如果需要控制分斷過程的分斷時刻，也可以通過吸持階段的閉環(huán)進行不同情況的分斷控制。為了讓一般技術人員更好的理解本發(fā)明的工作原理，我們結(jié)合圖1對工作原理進行簡單說明。工作原理如下如圖1所示，當系統(tǒng)上電時，由微控制器M檢測模式設置子電路N 的電平狀態(tài)，根據(jù)不同的電平狀態(tài)，確定系統(tǒng)是進入?yún)?shù)設置程序，還是加載上次設置參數(shù)直接運行。若位于參數(shù)設置狀態(tài)，通過參數(shù)設置及顯示電路S，可以設置交流接觸器的起動電流時域曲線、保持電流值，并存儲和顯示設置參數(shù)。若位于直接運行狀態(tài)，系統(tǒng)交流電壓采樣子電路Vl循環(huán)采樣交流電壓V，如果電壓值在所設置的吸合閾值之內(nèi)，微控制器M起動PWM控制單元P，驅(qū)動電力電子開關B對交流接觸器線圈C回路進行斬波控制，交流接觸器線圈C與續(xù)流電路E相并連接，接觸器進入起動階段，采樣電路D檢測線圈回路的峰值電流并轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)有源濾波電路Ll濾波處理后送入程控運放控制電路Al，程控運放控制電路Al根據(jù)微控制器M發(fā)送的增益控制指令，對輸入信號進行處理，處理之后的信號送入PWM控制單元P中，將增益后的電壓信號接入到PWM控制單元P內(nèi)的電流檢測比較器進行對比，為PWM輸出提供判據(jù)，通過調(diào)節(jié)輸出 PWM的占空比和導通周期數(shù)，將線圈電流迅速調(diào)節(jié)至微控制器M的設定值后，以一定的時鐘頻率對線圈電流進行動態(tài)補償，使線圈電流保持動態(tài)恒定；交流接觸器的起動過程可以分為多個時間段，在不同的時間段內(nèi)微控制器M可以寫入不同的電流值增益指令，將起動過程中不同的電流值連起來，成為起動電流的時域曲線，根據(jù)不同交流接觸器的特性，設置不同的起動電流曲線，使交流接觸器的運動速度、電磁吸力、磁鏈、位移、撞擊能量等變化過程達到最佳狀況，實現(xiàn)交流接觸器起動過程的最優(yōu)控制。采樣電路D、有源濾波電路Li、程控運放控制電路Al、PWM控制單元P構(gòu)成系統(tǒng)起動閉環(huán)控制回路，對交流接觸器起動電流進行精確的閉環(huán)控制，微控制器M通過控制程控運放控制電路Al來控制環(huán)路增益。交流接觸器起動過程結(jié)束后，轉(zhuǎn)入吸持運行過程，通過電流傳感器I測量交流接觸器線圈C電流值，并轉(zhuǎn)化成電壓信號，經(jīng)有源濾波回路L2濾波后送入程控運放控制電路 A2，根據(jù)微控制器系統(tǒng)M發(fā)送的增益控制指令，對輸入信號進行放大處理，然后將信號送入 PWM控制系統(tǒng)P，將增益后的電壓信號接入到PWM控制系統(tǒng)P內(nèi)的誤差放大器進行對比，為 PWM輸出提供判據(jù)，通過調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比和導通周期數(shù)，將電流迅速調(diào)節(jié)至微控制器系統(tǒng)M設定值后，以一定的時鐘頻率對電流進行快速動態(tài)補償使電流保持動態(tài)恒定；根據(jù)不同容量的接觸器，微控制器系統(tǒng)M可以向控制吸持階段的程控運放控制電路A2寫入不同的電流值增益指令，從而控制吸持電流的值，使該交流接觸器控制模塊具有廣泛適用性。電流傳感器I、吸持控制電路的有源濾波回路L2、吸持控制電路的程控運放控制電路A2與PWM控制單元P構(gòu)成控制模塊的保持閉環(huán)回路，對交流接觸器保持電流進行精確的閉環(huán)控制，微控制器M通過程控運放控制電路A2來控制環(huán)路增益。系統(tǒng)運行過程中，當交流電壓采樣子電路檢測到電源電壓位于設置的分斷閾值時，微控制器M控制PWM控制單元P，快速關閉PWM輸出，使接觸器迅速分斷。如果需要控制分斷過程的分斷時刻，也可以通過吸持階段的閉環(huán)進行不同情況的分斷控制。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種雙閉環(huán)反饋控制模塊，包括兩端并接有續(xù)流電路的交流接觸器線圈，一交流電壓經(jīng)整流濾波電路為該交流接觸器的線圈供電；其特征在于，還包括一微控制器；一交流電壓采樣電路，采樣所述交流電壓值送給所述微控制器進行處理； 一電流傳感器，采集所述線圈的電流值轉(zhuǎn)化為電壓信號經(jīng)第二有源濾波回路濾波后送入第二一程控運放電路，該第二程控運放控制電路根據(jù)所述微控制器發(fā)出的增益控制指令對輸入的信號進行放大處理；一采樣電路，檢測所述線圈回路的峰值電流并轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)第一有源濾波電路濾波處理后送入第一程控運放控制電路，該第一程控運放控制電路根據(jù)微控制器發(fā)送的增益控制指令，對輸入信號進行處理；一 PWM控制單元，與所述的微控制器連接，其驅(qū)動一電力電子開關對所述線圈的回路進行斬波控制，所述的第一程控器和第二程控器將處理的信號輸入該PWM控制單元，為PWM 輸出提供判斷依據(jù)；一模式設定單元，與所述的微控制器連接；以及一參數(shù)設置及顯示電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙閉環(huán)反饋控制模塊，其特征在于所述的放大處理后的信號是接入所述PWM控制單元的誤差放大器進行比對，微控制器通過調(diào)節(jié)輸出PWM的占空比和導通周期數(shù)，將線圈電流迅速調(diào)節(jié)至所述微控制器的設定值后，以一定的時鐘頻率對線圈電流進行動態(tài)補償，使線圈電流保持動態(tài)恒定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙閉環(huán)反饋控制模塊，其在接觸器的起動過程、吸持階段中，形成兩個閉環(huán)控制回路，直接對接觸器線圈電流進行精確控制，進而可以對接觸器的整體動作特性進行優(yōu)化控制，全面提高接觸器的整體性能指標。本發(fā)明硬件成本低，可改善系統(tǒng)的電壓調(diào)整率，提高系統(tǒng)的瞬態(tài)響應速度，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
文檔編號H01H47/00GK102315043SQ20111026666
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月9日
發(fā)明者湯龍飛, 許志紅 申請人:福州大學