基于PWM斬波交流接觸器閉環(huán)控制器的研究

鄭雪欽， 高鏘源， 徐玉珍

(1. 廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院， 福建 廈門 361024;2. 廈門理工學(xué)院福建省高電壓技術(shù)重點實驗室, 福建 廈門 361024;3. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院， 福建 福州 350116)

基于PWM斬波交流接觸器閉環(huán)控制器的研究

鄭雪欽1, 2， 高鏘源1， 徐玉珍3

(1. 廈門理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院， 福建 廈門 361024;2. 廈門理工學(xué)院福建省高電壓技術(shù)重點實驗室, 福建 廈門 361024;3. 福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院， 福建 福州 350116)

為提高接觸器可靠性和使用壽命， 系統(tǒng)通過在接觸器上安裝動鐵心位移傳感器， 實現(xiàn)接觸器在閉合過程中實時跟蹤動鐵心運行信息的閉環(huán)控制. 在動靜觸頭開距內(nèi)， 接觸器線圈電流采用電流滯環(huán)斬波PWM控制技術(shù)， 配合位移傳感器跟蹤動鐵心的運行信息， 通過實時改變接觸器的線圈電流來控制接觸器動觸頭的閉合速度， 實現(xiàn)接觸器閉合軟著陸， 減少動靜觸頭的閉合彈跳.

PWM斬波； 交流接觸器; 閉環(huán)控制器； 軟著陸

0 引言

交流接觸器是一種應(yīng)用廣泛的低壓控制電器[1]， 傳統(tǒng)的接觸器控制器由于可靠性不高， 無法滿足工業(yè)自動化的要求， 研制一種適用現(xiàn)代工業(yè)要求的接觸器控制器是適應(yīng)時代的要求. 隨著電子技術(shù)、 電力電子技術(shù)、 微機控制器等發(fā)展， 接觸器控制器迅速發(fā)展， 出現(xiàn)了各種新型的控制方法. 如通過復(fù)雜的仿真得到一條使吸反力合理配合的啟動電流曲線， 實現(xiàn)動靜鐵心軟著陸； 使用分?jǐn)嗉羁刂平佑|器； 零電流分?jǐn)嗟? 這些控制方法均為開環(huán)控制， 一旦接觸器外圍因素， 如接觸器線圈控制電壓的波動， 接觸器本身機械特性的改變等原因， 造成接觸器可靠性下降， 降低接觸器的電壽命. 采用傳統(tǒng)控制方法， 會造成動觸頭閉合速度過大而引起的接觸器觸頭彈跳， 產(chǎn)生電弧， 造成危害[2-9].

本文提出一種新型控制方案， 通過在接觸器的附件安裝處， 安裝動鐵心運行位移傳感器， 實現(xiàn)動鐵心運動過程的運行位置閉環(huán)控制； 通過斬波技術(shù)， 實現(xiàn)對接觸器線圈電流變化的控制； 在接觸器動靜觸頭開距內(nèi)， 通過微機軟件算法和位移傳感器的配合， 實現(xiàn)接觸器動觸頭閉合的軟著陸. 本控制方法是建立在實時監(jiān)測接觸器動鐵心的運行位置信息上， 對于接觸器的機械特性和線圈電壓精度的依賴性不高， 可以解決由于接觸器頻繁運行而使得接觸器機械特性的改變， 保證動靜觸頭軟著陸和保證可靠吸合的控制難題[10]. 利用位移傳感器和AD采樣， 將動鐵心運行的實時位置信息數(shù)字化， 跟蹤動鐵心的運行情況， 在接觸器動靜觸頭閉合和分閘時， 實時觀察接觸器的閉合和分閘情況， 保證接觸器在實際運行時可靠動作. 由于接觸器采用位移傳感器為滑動變阻器等組成， 整個控制器設(shè)計生產(chǎn)成本低， 具有經(jīng)濟實用的特點.

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計總框圖如圖1所示， 微機控制器采用C8051f020單片機； 電流采樣和調(diào)理電路對線圈電流進行檢測和濾波處理； 動鐵心位移傳感器實時檢測接觸器動鐵心運行位置信息； AD(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)采樣動鐵心運行位置信息， 實現(xiàn)微機實時跟蹤接觸器動鐵心運行位置信息； DA(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)通過微機控制， 產(chǎn)生接觸器電流基準(zhǔn)信息； 恒流斬波比較器通過對基準(zhǔn)值和反饋信號進行比較， 產(chǎn)生PWM信號， 通過光耦驅(qū)動電力電子開關(guān)實現(xiàn)恒流斬波, 實現(xiàn)微機對接觸器線圈電流進行實時控制； 接觸器的線圈供電采用直流電源或交流電源經(jīng)過整流而形成的直流電源.

系統(tǒng)通過位移傳感器與AD配合， 實現(xiàn)微機對動鐵心的位置信息實時跟蹤采樣. 利用微機的軟件算法， 對位置信息進行分析計算動鐵心相應(yīng)的運行信息， 包括實時運行速度和位置信息等. 微機通過計算分析的結(jié)果， 通過DA模塊， 實時改變線圈電流的基準(zhǔn)值， 利用改變線圈電流來改變接觸器動觸頭運行速度. 同時通過位置信息的分析， 實施不同的控制方法， 達到動靜觸頭可靠吸合， 減少彈跳.

1.1 接觸器觸頭運行控制

系統(tǒng)設(shè)計的接觸器控制器是基于直流電源的PWM斬波控制， 接觸器電磁機構(gòu)的動態(tài)方程如下式[11]：

(1)

式中：L為磁路電感；v為動鐵心速度； dx為動鐵心位移微分量；Fx為電磁吸力；Ff為反力；m為運動部分質(zhì)量；a為動鐵心加速度；RiL為接觸器線圈電阻；iiL為接觸器線圈電流；uiL為線圈電壓.

系統(tǒng)在動靜觸頭開距內(nèi)， 通過改變接觸器動鐵心運行速度， 實現(xiàn)動靜觸頭軟著陸. 而實時改變接觸器動鐵心運行速度是通過實時改變加速度來實現(xiàn)， 如下式：

(2)

由式(1)可知， 通過改變線圈供電電壓改變線圈電流， 由于電感電流不能突變， 系統(tǒng)采用電流滯環(huán)斬波PWM驅(qū)動方式來改變電流大小. 電流滯環(huán)斬波PWM是通過實際反饋電信號與系統(tǒng)產(chǎn)生的基準(zhǔn)值相比較來產(chǎn)生. 由于感性負(fù)載電流變化滯后于電壓變化， 若采用線圈電壓瞬時值反饋， 會造成系統(tǒng)動態(tài)性能差. 所以系統(tǒng)采用線圈電流瞬時反饋控制， 提高線圈電流控制的有效性， 達到實時控制接觸器動鐵心運行速度的目的， 如圖2所示.

1.2 接觸器動靜觸頭軟著陸實現(xiàn)

采用傳統(tǒng)的接觸器控制器對接觸器進行合閘時， 一般采用對接觸器線圈保持通電的方式， 使得線圈產(chǎn)生足夠的吸力， 實現(xiàn)合閘控制. 采用這種合閘控制時， 由于動觸頭一直處于加速度狀態(tài)， 導(dǎo)致觸頭在閉合瞬間的合閘速度很大， 造成很高的沖擊能量， 容易造成彈跳和接觸器電壽命減少.

由于接觸器的動觸頭與動鐵心機械連接， 在接觸器動靜觸頭開距內(nèi)， 可認(rèn)為接觸器動觸頭速度與動鐵心速度一致， 所以系統(tǒng)通過在接觸器動靜觸頭開距內(nèi)， 控制動鐵心運行速度， 實現(xiàn)接觸器動靜觸頭軟著陸. 系統(tǒng)實現(xiàn)接觸器動觸頭軟著陸如圖3所示， 在CJX2-910動鐵心附近安裝位移傳感器， 將動鐵心運行位置信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號， 通過AD采樣， 實時跟蹤動鐵心的運行情況. 在接觸器動靜觸頭開距內(nèi)， 根據(jù)實際動鐵心運行狀況， 實時改變接觸線圈的電流基準(zhǔn)值， 達到調(diào)節(jié)動觸頭運行速度， 實現(xiàn)接觸器動觸頭軟著陸的控制.

對動鐵心的運行狀況進行簡化建模， 如下式：

(3)

式中：Sn為接觸器動鐵心實時位置信息；Snn為在時間t內(nèi)動鐵心運行位移.

當(dāng)Snn≤0 時， 說明接觸器的吸合力小于等于反作用力. 接觸器線圈電流不能突變， 吸合力不能立即增加， 導(dǎo)致動鐵心后退或者停滯， 造成接觸器出現(xiàn)震蕩， 影響接觸器運行的可靠性. 系統(tǒng)應(yīng)通過控制， 動鐵心位移留有一定裕量. 設(shè)裕量為K， 接觸器在閉合過程中為防止動鐵心后退或者停滯應(yīng)滿足下式:

(4)

式中：N取值1, 2, 3, …；SQ為接觸器動鐵心起始位置；SC為靜觸頭位置；S為接觸器動靜觸頭開距長度.

系統(tǒng)軟著陸控制方法如下式：

(5)

式中：SQ-SC為動靜觸頭觸頭開距；SG為動鐵心終點位置；SC-SG為動鐵心相對動觸頭的超程；Ia為當(dāng)前線圈電流值；I為改進后的線圈電流值；IM為接觸器啟動電流值；C,T為常數(shù).

2 位移傳感器設(shè)計

系統(tǒng)實現(xiàn)動觸頭軟著陸控制是基于在動靜觸頭開距內(nèi)， 利用位移傳感器跟蹤動鐵心位置對應(yīng)的電信息來實現(xiàn)， 為了降低設(shè)計成本， 提出一種新型接觸器動鐵心位移傳感器的實現(xiàn)方法， 加載直流電源線性直滑式滑動變阻器， 通過機械固定方式將其平行固定在接觸器的側(cè)面. 通過接觸器附件安裝處， 將滑動變阻器的滑動觸頭與接觸器的動鐵心固定連接. 利用接觸器動鐵心位移變化， 引起滑動變阻器阻值變化而導(dǎo)致輸出電信號改變， 即利用位置信息與變阻器輸出電壓的線性關(guān)系， 實時跟蹤接觸器動鐵心的位置信息， 傳感器設(shè)計安裝圖如圖4所示.

系統(tǒng)使用位移傳感器的等效工作原理如圖5所示， 采用電阻范圍為0～10kΩ、 可滑動范圍為0～3cm的線性直滑式滑動變阻器， 加載直流電源電壓為3.3V. 通過計算可得本系統(tǒng)的位移傳感器工作范圍0～3cm， 對應(yīng)的電壓信號范圍約為0～2.25V.

3 濾波器的設(shè)計

系統(tǒng)采用控制接觸器線圈電流的方式來實現(xiàn)接觸器動觸頭軟著陸. 接觸器的線圈電流采用恒流斬波控制， 電力電子開關(guān)器件處于高頻開關(guān)狀態(tài)， 造成很大的噪聲干擾， 影響到比較器的可靠運行， 接觸器的線圈電流與系統(tǒng)產(chǎn)生基準(zhǔn)值形成誤差， 影響控制線圈電流的精度， 實際采樣電壓如下式：

(6)

式中：ys為采樣量；yj為實際線圈電流輸出量；yn為系統(tǒng)噪聲干擾總量.

二階有源低通濾波器具有良好的濾波性能、 十分平坦通帶和陡峭的過渡帶、 歸一化的幅頻響應(yīng)如下式：

(7)

系統(tǒng)采用二階有源低通濾波器濾除系統(tǒng)噪聲干擾總量yn， 提高電流的采樣精度. 濾波器如圖6所示. 由于采用低通濾波器會產(chǎn)生滯后， 系統(tǒng)通過增加濾波器的帶寬來降低滯后. 低通濾波器的截至頻率10 kHz， 通過Multisim軟件仿真， 如圖7所示， 測得低通濾波器的滯后時間約為27 μs.

系統(tǒng)通過實驗測得濾波前后線圈電流比較圖， 如圖8所示. 在未采用濾波時， 線圈電流含有噪聲干擾. 在采用二階有源低通濾波器后， 可以有效濾除干擾， 達到了系統(tǒng)設(shè)計的要求.

4 系統(tǒng)運行實驗測試

以CJX2910接觸器為例， 通過接觸器閉合測試， 測得接觸器動鐵心在初始位置時， 位移傳感器的輸出電壓為0.6 V； 在動靜觸頭接觸時， 位移傳感器的輸出電壓為2.07 V； 接觸器正常閉合時的最小恒定電流(IM接觸器啟動電流值)為2.2 A， 將以上信息輸入控制系統(tǒng)后開始測試.

采用普通閉合控制時， 通過示波器采集位移傳感器的輸出， 得到接觸器動鐵心閉合的運行位移圖， 如圖9所示. 由于位移傳感器能夠真實地反應(yīng)實際鐵心運行狀態(tài)， 并且能夠有相應(yīng)的電信號反應(yīng)， 說明傳感器設(shè)計有效.

在相同條件測試情況下， 通過采用系統(tǒng)設(shè)計的軟著陸控制， 示波器采集位移傳感器的輸出， 得到接觸器觸頭閉合運行位移圖， 如圖10所示.

接觸器觸頭閉合時速度v如下:

(8)

通過圖9測得的數(shù)據(jù)代入式(8), 可得：

(9)

式中：p為實際動鐵心運行路程與電壓的線性折算系數(shù)； 碰撞瞬間的能量如下式：

(10)

通過圖10測得的數(shù)據(jù)代入式(8)， 可得：

(11)

碰撞瞬間的能量如下式：

(12)

通過比較式(9)和(11)可以得出， 采用軟著陸控制后， 動觸頭的速度約減少了60%. 通過比較式(10)和(12)可以得出碰撞瞬間的能量約減少了84%， 證明系統(tǒng)實際運行的有效性.

系統(tǒng)通過多次控制前后的實驗對比， 觀察傳感器測得的動鐵心運行曲線來判斷控制前后發(fā)生彈跳的風(fēng)險對比. 在使用普通控制時， 動鐵心的典型運行曲線如圖11所示. 由于動靜觸頭閉合瞬間的碰撞能量較大， 導(dǎo)致動鐵心出現(xiàn)回彈， 增加動靜觸頭閉合彈跳的風(fēng)險. 而采用軟著陸和分時控制后， 動鐵心運行曲線如圖12所示， 動鐵心平穩(wěn)的進入超程， 沒有在動靜觸頭接觸處出現(xiàn)動鐵心回彈， 動靜觸頭在閉合時不會出現(xiàn)彈跳， 減少因產(chǎn)生電弧而發(fā)生熔焊風(fēng)險等.

系統(tǒng)控制器在上述相同的測試條件下(IM接觸器啟動電流值為2.2 A)， 進行普通控制和軟著陸控制試驗對比， 三次試驗對比測試采集數(shù)據(jù)如圖13所示(示波器采集條件： 讀數(shù)顯示通道的垂直刻度系數(shù)為1 V， 讀數(shù)顯示主時基設(shè)置為10 ms). 圖中A、B、C為普通控制時動鐵心位移圖；D、E、F為采用軟著陸控制時動鐵心位移圖. 采用上述測試方法測得數(shù)據(jù)， 由式(8)和式(10)得到閉合速度， 如表1所示. 表中所示結(jié)果與上述計算分析結(jié)果相符， 試驗過程中接觸器完全實現(xiàn)軟著陸和無彈跳吸合控制， 證明系統(tǒng)設(shè)計的正確性.

表1 對比試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.1 The data statistics of experimental comparing

注： 表中p為實際動鐵心運行路程與電壓的線性折算系數(shù).

5 結(jié)語

1) 提出通過在交流接觸器上安裝新型實用位移傳感器， 將接觸器動鐵心的運動位置信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號.

2) 提出在接觸器動靜觸頭開距內(nèi)， 采用微機軟件算法配合位移傳感器等硬件， 解決由于接觸器頻繁運動而使得接觸器軟著陸復(fù)雜困難的問題. 有效減少了動觸頭閉合速度和碰撞能量， 實現(xiàn)動觸頭軟著陸控制.

3) 通過采用軟著陸和分時控制， 減少動靜觸頭在閉合過程中因彈跳而造成的觸頭材料碰撞損失和電弧產(chǎn)生. 提高接觸器運行的可靠性和接觸器使用的電壽命.

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(責(zé)任編輯： 蔣培玉)

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

鄭雪欽(1975-), 副教授， 博士， 主要從事電機控制及電力電子技術(shù)應(yīng)用、 新能源控制技術(shù)方面的研究。zhengxueqin@xmut.edu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項目(51407151)； 福建省自然科學(xué)基金資助項目(2015J01650)； 廈門理工學(xué)院國家基金預(yù)研資助項目(XYK201403)。

TM572

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