基于PWM斩波交流接触器闭环控制器的研究

郑雪钦， 高锵源， 徐玉珍

(1. 厦门理工学院电气工程与自动化学院， 福建 厦门 361024;2. 厦门理工学院福建省高电压技术重点实验室, 福建 厦门 361024;3. 福州大学电气工程与自动化学院， 福建 福州 350116)

基于PWM斩波交流接触器闭环控制器的研究

郑雪钦1, 2， 高锵源1， 徐玉珍3

(1. 厦门理工学院电气工程与自动化学院， 福建 厦门 361024;2. 厦门理工学院福建省高电压技术重点实验室, 福建 厦门 361024;3. 福州大学电气工程与自动化学院， 福建 福州 350116)

为提高接触器可靠性和使用寿命， 系统通过在接触器上安装动铁心位移传感器， 实现接触器在闭合过程中实时跟踪动铁心运行信息的闭环控制. 在动静触头开距内， 接触器线圈电流采用电流滞环斩波PWM控制技术， 配合位移传感器跟踪动铁心的运行信息， 通过实时改变接触器的线圈电流来控制接触器动触头的闭合速度， 实现接触器闭合软着陆， 减少动静触头的闭合弹跳.

PWM斩波； 交流接触器; 闭环控制器； 软着陆

0 引言

交流接触器是一种应用广泛的低压控制电器[1]， 传统的接触器控制器由于可靠性不高， 无法满足工业自动化的要求， 研制一种适用现代工业要求的接触器控制器是适应时代的要求. 随着电子技术、 电力电子技术、 微机控制器等发展， 接触器控制器迅速发展， 出现了各种新型的控制方法. 如通过复杂的仿真得到一条使吸反力合理配合的启动电流曲线， 实现动静铁心软着陆； 使用分断激励控制接触器； 零电流分断等. 这些控制方法均为开环控制， 一旦接触器外围因素， 如接触器线圈控制电压的波动， 接触器本身机械特性的改变等原因， 造成接触器可靠性下降， 降低接触器的电寿命. 采用传统控制方法， 会造成动触头闭合速度过大而引起的接触器触头弹跳， 产生电弧， 造成危害[2-9].

本文提出一种新型控制方案， 通过在接触器的附件安装处， 安装动铁心运行位移传感器， 实现动铁心运动过程的运行位置闭环控制； 通过斩波技术， 实现对接触器线圈电流变化的控制； 在接触器动静触头开距内， 通过微机软件算法和位移传感器的配合， 实现接触器动触头闭合的软着陆. 本控制方法是建立在实时监测接触器动铁心的运行位置信息上， 对于接触器的机械特性和线圈电压精度的依赖性不高， 可以解决由于接触器频繁运行而使得接触器机械特性的改变， 保证动静触头软着陆和保证可靠吸合的控制难题[10]. 利用位移传感器和AD采样， 将动铁心运行的实时位置信息数字化， 跟踪动铁心的运行情况， 在接触器动静触头闭合和分闸时， 实时观察接触器的闭合和分闸情况， 保证接触器在实际运行时可靠动作. 由于接触器采用位移传感器为滑动变阻器等组成， 整个控制器设计生产成本低， 具有经济实用的特点.

1 系统设计

系统设计总框图如图1所示， 微机控制器采用C8051f020单片机； 电流采样和调理电路对线圈电流进行检测和滤波处理； 动铁心位移传感器实时检测接触器动铁心运行位置信息； AD(模数转换器)采样动铁心运行位置信息， 实现微机实时跟踪接触器动铁心运行位置信息； DA(数模转换器)通过微机控制， 产生接触器电流基准信息； 恒流斩波比较器通过对基准值和反馈信号进行比较， 产生PWM信号， 通过光耦驱动电力电子开关实现恒流斩波, 实现微机对接触器线圈电流进行实时控制； 接触器的线圈供电采用直流电源或交流电源经过整流而形成的直流电源.

系统通过位移传感器与AD配合， 实现微机对动铁心的位置信息实时跟踪采样. 利用微机的软件算法， 对位置信息进行分析计算动铁心相应的运行信息， 包括实时运行速度和位置信息等. 微机通过计算分析的结果， 通过DA模块， 实时改变线圈电流的基准值， 利用改变线圈电流来改变接触器动触头运行速度. 同时通过位置信息的分析， 实施不同的控制方法， 达到动静触头可靠吸合， 减少弹跳.

1.1 接触器触头运行控制

系统设计的接触器控制器是基于直流电源的PWM斩波控制， 接触器电磁机构的动态方程如下式[11]：

(1)

式中：L为磁路电感；v为动铁心速度； dx为动铁心位移微分量；Fx为电磁吸力；Ff为反力；m为运动部分质量；a为动铁心加速度；RiL为接触器线圈电阻；iiL为接触器线圈电流；uiL为线圈电压.

系统在动静触头开距内， 通过改变接触器动铁心运行速度， 实现动静触头软着陆. 而实时改变接触器动铁心运行速度是通过实时改变加速度来实现， 如下式：

(2)

由式(1)可知， 通过改变线圈供电电压改变线圈电流， 由于电感电流不能突变， 系统采用电流滞环斩波PWM驱动方式来改变电流大小. 电流滞环斩波PWM是通过实际反馈电信号与系统产生的基准值相比较来产生. 由于感性负载电流变化滞后于电压变化， 若采用线圈电压瞬时值反馈， 会造成系统动态性能差. 所以系统采用线圈电流瞬时反馈控制， 提高线圈电流控制的有效性， 达到实时控制接触器动铁心运行速度的目的， 如图2所示.

1.2 接触器动静触头软着陆实现

采用传统的接触器控制器对接触器进行合闸时， 一般采用对接触器线圈保持通电的方式， 使得线圈产生足够的吸力， 实现合闸控制. 采用这种合闸控制时， 由于动触头一直处于加速度状态， 导致触头在闭合瞬间的合闸速度很大， 造成很高的冲击能量， 容易造成弹跳和接触器电寿命减少.

由于接触器的动触头与动铁心机械连接， 在接触器动静触头开距内， 可认为接触器动触头速度与动铁心速度一致， 所以系统通过在接触器动静触头开距内， 控制动铁心运行速度， 实现接触器动静触头软着陆. 系统实现接触器动触头软着陆如图3所示， 在CJX2-910动铁心附近安装位移传感器， 将动铁心运行位置信息转换为相应的电信号， 通过AD采样， 实时跟踪动铁心的运行情况. 在接触器动静触头开距内， 根据实际动铁心运行状况， 实时改变接触线圈的电流基准值， 达到调节动触头运行速度， 实现接触器动触头软着陆的控制.

对动铁心的运行状况进行简化建模， 如下式：

(3)

式中：Sn为接触器动铁心实时位置信息；Snn为在时间t内动铁心运行位移.

当Snn≤0 时， 说明接触器的吸合力小于等于反作用力. 接触器线圈电流不能突变， 吸合力不能立即增加， 导致动铁心后退或者停滞， 造成接触器出现震荡， 影响接触器运行的可靠性. 系统应通过控制， 动铁心位移留有一定裕量. 设裕量为K， 接触器在闭合过程中为防止动铁心后退或者停滞应满足下式:

(4)

式中：N取值1, 2, 3, …；SQ为接触器动铁心起始位置；SC为静触头位置；S为接触器动静触头开距长度.

系统软着陆控制方法如下式：

(5)

式中：SQ-SC为动静触头触头开距；SG为动铁心终点位置；SC-SG为动铁心相对动触头的超程；Ia为当前线圈电流值；I为改进后的线圈电流值；IM为接触器启动电流值；C,T为常数.

2 位移传感器设计

系统实现动触头软着陆控制是基于在动静触头开距内， 利用位移传感器跟踪动铁心位置对应的电信息来实现， 为了降低设计成本， 提出一种新型接触器动铁心位移传感器的实现方法， 加载直流电源线性直滑式滑动变阻器， 通过机械固定方式将其平行固定在接触器的侧面. 通过接触器附件安装处， 将滑动变阻器的滑动触头与接触器的动铁心固定连接. 利用接触器动铁心位移变化， 引起滑动变阻器阻值变化而导致输出电信号改变， 即利用位置信息与变阻器输出电压的线性关系， 实时跟踪接触器动铁心的位置信息， 传感器设计安装图如图4所示.

系统使用位移传感器的等效工作原理如图5所示， 采用电阻范围为0～10kΩ、 可滑动范围为0～3cm的线性直滑式滑动变阻器， 加载直流电源电压为3.3V. 通过计算可得本系统的位移传感器工作范围0～3cm， 对应的电压信号范围约为0～2.25V.

3 滤波器的设计

系统采用控制接触器线圈电流的方式来实现接触器动触头软着陆. 接触器的线圈电流采用恒流斩波控制， 电力电子开关器件处于高频开关状态， 造成很大的噪声干扰， 影响到比较器的可靠运行， 接触器的线圈电流与系统产生基准值形成误差， 影响控制线圈电流的精度， 实际采样电压如下式：

(6)

式中：ys为采样量；yj为实际线圈电流输出量；yn为系统噪声干扰总量.

二阶有源低通滤波器具有良好的滤波性能、 十分平坦通带和陡峭的过渡带、 归一化的幅频响应如下式：

(7)

系统采用二阶有源低通滤波器滤除系统噪声干扰总量yn， 提高电流的采样精度. 滤波器如图6所示. 由于采用低通滤波器会产生滞后， 系统通过增加滤波器的带宽来降低滞后. 低通滤波器的截至频率10 kHz， 通过Multisim软件仿真， 如图7所示， 测得低通滤波器的滞后时间约为27 μs.

系统通过实验测得滤波前后线圈电流比较图， 如图8所示. 在未采用滤波时， 线圈电流含有噪声干扰. 在采用二阶有源低通滤波器后， 可以有效滤除干扰， 达到了系统设计的要求.

4 系统运行实验测试

以CJX2910接触器为例， 通过接触器闭合测试， 测得接触器动铁心在初始位置时， 位移传感器的输出电压为0.6 V； 在动静触头接触时， 位移传感器的输出电压为2.07 V； 接触器正常闭合时的最小恒定电流(IM接触器启动电流值)为2.2 A， 将以上信息输入控制系统后开始测试.

采用普通闭合控制时， 通过示波器采集位移传感器的输出， 得到接触器动铁心闭合的运行位移图， 如图9所示. 由于位移传感器能够真实地反应实际铁心运行状态， 并且能够有相应的电信号反应， 说明传感器设计有效.

在相同条件测试情况下， 通过采用系统设计的软着陆控制， 示波器采集位移传感器的输出， 得到接触器触头闭合运行位移图， 如图10所示.

接触器触头闭合时速度v如下:

(8)

通过图9测得的数据代入式(8), 可得：

(9)

式中：p为实际动铁心运行路程与电压的线性折算系数； 碰撞瞬间的能量如下式：

(10)

通过图10测得的数据代入式(8)， 可得：

(11)

碰撞瞬间的能量如下式：

(12)

通过比较式(9)和(11)可以得出， 采用软着陆控制后， 动触头的速度约减少了60%. 通过比较式(10)和(12)可以得出碰撞瞬间的能量约减少了84%， 证明系统实际运行的有效性.

系统通过多次控制前后的实验对比， 观察传感器测得的动铁心运行曲线来判断控制前后发生弹跳的风险对比. 在使用普通控制时， 动铁心的典型运行曲线如图11所示. 由于动静触头闭合瞬间的碰撞能量较大， 导致动铁心出现回弹， 增加动静触头闭合弹跳的风险. 而采用软着陆和分时控制后， 动铁心运行曲线如图12所示， 动铁心平稳的进入超程， 没有在动静触头接触处出现动铁心回弹， 动静触头在闭合时不会出现弹跳， 减少因产生电弧而发生熔焊风险等.

系统控制器在上述相同的测试条件下(IM接触器启动电流值为2.2 A)， 进行普通控制和软着陆控制试验对比， 三次试验对比测试采集数据如图13所示(示波器采集条件： 读数显示通道的垂直刻度系数为1 V， 读数显示主时基设置为10 ms). 图中A、B、C为普通控制时动铁心位移图；D、E、F为采用软着陆控制时动铁心位移图. 采用上述测试方法测得数据， 由式(8)和式(10)得到闭合速度， 如表1所示. 表中所示结果与上述计算分析结果相符， 试验过程中接触器完全实现软着陆和无弹跳吸合控制， 证明系统设计的正确性.

表1 对比试验数据统计Tab.1 The data statistics of experimental comparing

注： 表中p为实际动铁心运行路程与电压的线性折算系数.

5 结语

1) 提出通过在交流接触器上安装新型实用位移传感器， 将接触器动铁心的运动位置信息转换为相应的电信号.

2) 提出在接触器动静触头开距内， 采用微机软件算法配合位移传感器等硬件， 解决由于接触器频繁运动而使得接触器软着陆复杂困难的问题. 有效减少了动触头闭合速度和碰撞能量， 实现动触头软着陆控制.

3) 通过采用软着陆和分时控制， 减少动静触头在闭合过程中因弹跳而造成的触头材料碰撞损失和电弧产生. 提高接触器运行的可靠性和接触器使用的电寿命.

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(责任编辑： 蒋培玉)

Study on closed-loop controller of AC contactor based on PWM chopper

ZHENG Xueqin1, 2， GAO Qiangyuan1， XU Yuzhen3

(1. School of Electrical Engineering and Automation, Xiamen University of Technology， Xiamen， Fujian 361024, China;2. High-voltage Key Laboratory of Fujian Province, Xiamen University of Technology, Xiamen， Fujian 361024, China;3. College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University， Fuzhou， Fujian 350116, China)

In order to improve the reliability and used life of the contactor, the sensor of displacement is installed in the contactor. The operating information can be real-time tracked and close-looped controlled during the closed process of the contactor. The coil current of contractor is controlled by PWM chop with the running information, which can change the closing speed by modulating the coil current.

PWM chop; AC contactor; closed-loop controller; soft landing

10.7631/issn.1000-2243.2016.05.0673

1000-2243(2016)05-0673-07

2015-11-16

郑雪钦(1975-), 副教授， 博士， 主要从事电机控制及电力电子技术应用、 新能源控制技术方面的研究。zhengxueqin@xmut.edu.cn

国家自然科学基金资助项目(51407151)； 福建省自然科学基金资助项目(2015J01650)； 厦门理工学院国家基金预研资助项目(XYK201403)。

TM572

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