基于dsPIC的交流接觸器選相合閘裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓騰飛 楊明發(fā)

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

基于dsPIC的交流接觸器選相合閘裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓騰飛 楊明發(fā)

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

交流接觸器在不同的合閘相角下,動(dòng)態(tài)特性不同，影響吸合過(guò)程中觸頭的彈跳與鐵心撞擊。為控制合閘的相角，本文設(shè)計(jì)基于 dsPIC單片機(jī)控制的具有通信功能的交流接觸器選相合閘控制裝置，包括dsPIC單片機(jī)控制模塊，按鍵模塊，LCD顯示模塊，采樣模塊，執(zhí)行模塊等，具有合閘相角可調(diào)、操作頻率可調(diào)、合閘次數(shù)記錄、相角顯示，與上位機(jī)通信等功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，選相合閘裝置工作可靠，精度在允許的范圍之內(nèi)。

交流接觸器；選相；合閘；dsPIC；通信

交流接觸器是一種能頻繁關(guān)合、承載和開斷正常電流及規(guī)定的過(guò)載電流的電器，具有控制容量大，可遠(yuǎn)距離操作等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制電路。電磁交流接觸器又是應(yīng)用較為廣泛的一種，當(dāng)電磁交流接觸器在不同相角合閘時(shí)，其觸頭的回跳和鐵心的撞擊程度不同，觸頭的二次回跳將產(chǎn)生斷續(xù)電弧造成觸頭侵蝕從而影響電氣壽命[1-2]。福州大學(xué)通過(guò)試驗(yàn)，得出合閘相角不同，鐵心閉合末速度不同，導(dǎo)致觸點(diǎn)振動(dòng)情況不同的結(jié)論[3]。

1 裝置系統(tǒng)簡(jiǎn)介

選相合閘系統(tǒng)主要包括控制模塊和執(zhí)行模塊?？刂颇K一般采用單片機(jī)等微處理器，執(zhí)行模塊包括零點(diǎn)采樣電路，光耦隔離，大功率晶體管等。晶閘管，絕緣柵雙極型晶體管等無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)的應(yīng)用使得電路的控制更加安全可靠。無(wú)觸點(diǎn)開關(guān)，開斷時(shí)不會(huì)有火花，避免因電流過(guò)大出現(xiàn)火花或在高電壓電路中擊穿空氣，造成誤動(dòng)作。本文設(shè)計(jì)裝置應(yīng)用dsPIC單片機(jī)進(jìn)行選相合閘裝置的整體控制，LCD顯示合閘相角，合閘間隔時(shí)間和合閘次數(shù)，IGBT及其驅(qū)動(dòng)保護(hù)模塊等執(zhí)行合閘的的操作，并通過(guò)RS232接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信的功能。

2 裝置軟件設(shè)計(jì)

2.1 Proteus軟件仿真設(shè)計(jì)

Proteus軟件具有其他 EDA工具軟件的仿真功能，同時(shí)能仿真單片機(jī)及外圍器件。從原理圖布圖、代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。

裝置的框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

裝置由單片機(jī)控制模塊，按鍵模塊，LCD顯示模塊，采樣模塊，執(zhí)行模塊等構(gòu)成。

1）單片機(jī)控制模塊。選用dsPIC單片機(jī)，單片機(jī)作為控制中心，承擔(dān)裝置智能控制的任務(wù)。

2）按鍵模塊。通過(guò)按鍵模塊來(lái)進(jìn)行相角的調(diào)節(jié)。

3）LCD顯示模塊。顯示模塊采用 16×2型的LCD可滿足顯示要求。

4）采樣模塊。對(duì)交流電源過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)完成對(duì)電源頻率的測(cè)定。

5）執(zhí)行模塊。由單片機(jī)輸出信號(hào)控制，完成對(duì)交流接觸器選相合閘的控制。

2.2 系統(tǒng)程序

dsPIC單片機(jī)融合了pic單片機(jī)和DSP數(shù)字信號(hào)處理器的優(yōu)點(diǎn)，具有高效控制，高速運(yùn)算等特點(diǎn)。隨著控制技術(shù)日趨復(fù)雜化，越來(lái)越多的工業(yè)系統(tǒng)要使用DSP精確控制實(shí)時(shí)響應(yīng)[7]。

dsPIC程序流程圖如圖2所示。

圖2 dsPIC控制流程圖

dsPIC單片機(jī)通過(guò)采樣模塊判斷電壓過(guò)零點(diǎn)后，延遲一定的時(shí)間（由電壓的周期值 T計(jì)算得周期360°每度對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)，例如電源頻率 50Hz，以0°為時(shí)間起點(diǎn)0ms，則1°對(duì)應(yīng)時(shí)間0.05ms）輸出控制信號(hào)，即可控制接觸器在給定的相角合閘。

在Mplab軟件中，選用Proteus ISIS單片機(jī)仿真。C程序用C30編譯器進(jìn)行編譯。

Mplab C30是一個(gè)遵循ANSI x3.159—1989標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化C編譯器，它包括針對(duì)對(duì)dsPIC DSC嵌入式控制應(yīng)用的語(yǔ)言擴(kuò)展。這個(gè)編譯器是基于Windows?操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序，它為開發(fā)C代碼提供了一個(gè)平臺(tái)。Mplab C30對(duì)C源文件進(jìn)行編譯，生成匯編語(yǔ)言文件。由編譯器生成的文件與其他目標(biāo)文件和庫(kù)文件進(jìn)行匯編和鏈接以產(chǎn)生最終的應(yīng)用程序，應(yīng)用程序格式為 COFF或 ELF文件格式。COFF或ELF文件可以載入Mplab IDE中進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試。

3 裝置硬件設(shè)計(jì)

3.1 基于Altium Designer Summer軟件的PCB板設(shè)計(jì)

Altium Designer是軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。軟件通過(guò)把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號(hào)完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計(jì)者提供全新的設(shè)計(jì)解決方案。

繪制完成的PCB原理圖如圖3所示。

3.2 硬件各模塊簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本裝置選用dsPIC33fj32gp204單片機(jī)。單片機(jī)采用I/PT封裝，44個(gè)引腳（最多35個(gè)可編程數(shù)字I/O引腳），最高40 MIPS的工作速度。復(fù)位口MCLR與地之間不能接電容，否則無(wú)法用Maplb ICD 3燒寫程序。

為避免單片機(jī)對(duì)機(jī)械式彈開按鍵的誤判，消除按鍵抖動(dòng)影響，需采取按鍵防抖措施。按鍵防抖主要有兩種：硬件防抖和軟件防抖。硬件防抖指在按鍵和地之間連接 RC濾波電路消除抖動(dòng)；軟件防抖指在判斷一次按鍵按下后，延遲一段時(shí)間（幾百毫秒）再確認(rèn)按鍵口的電平情況。按鍵上拉電源需在dsPIC單片機(jī)工作電源3.0～3.3V之間，雖然dsPIC單片機(jī)的I/O端口最大可承受5V的電壓，但當(dāng)上拉電源電源達(dá)到 5V時(shí)，單片機(jī)不能正常工作，出現(xiàn)按鍵誤判情況。

LCD顯示模塊顯示合閘相角，合閘間隔時(shí)間，合閘操作次數(shù)等。LCD采用16×2型，即顯示2行，每行可顯示16字符。

圖3 PCB原理圖

控制合閘的相位，必須對(duì)電壓過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行判斷。電源電壓為220V，單片機(jī)最高承受電壓只有5V，采樣電路設(shè)計(jì)采用光耦PC817進(jìn)行電壓隔離。光耦工作原理為：輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LCD），使之發(fā)光，光接收器接收到光以后就會(huì)產(chǎn)生光電流，實(shí)現(xiàn)“電—光—電”的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入，輸出的隔離作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離和電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因此光耦內(nèi)部的電絕緣能力和抗干擾能力很強(qiáng)。光耦具有體積小、壽命長(zhǎng)、無(wú)觸點(diǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、輸入和輸出之間絕緣，單向傳輸信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)上有很大的應(yīng)用[4]。如圖 4所示，當(dāng)輸入正電壓時(shí)，光耦輸出端導(dǎo)通，使RB3為低電平；當(dāng)輸入負(fù)電壓時(shí)，RB3變?yōu)楦唠娖健纹瑱C(jī)通過(guò)對(duì)RB3口高低電平變化的判斷即可得到電壓過(guò)零點(diǎn)。在電源回路中接入整理二極管1N4007（最大可承受反向電壓1000V）使得只有正半波通過(guò)R2電阻，消耗在回路的功率將減少一半。

圖4 采樣回路接線圖

執(zhí)行模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)交流接觸器的合閘控制。當(dāng)接觸器線圈通電后，線圈電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)使靜鐵心產(chǎn)生電磁吸力吸引動(dòng)鐵心，并帶動(dòng)交流接觸器點(diǎn)動(dòng)作，常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，兩者是聯(lián)動(dòng)的。當(dāng)線圈斷電時(shí)，電磁吸力消失，銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放，使觸點(diǎn)復(fù)原，常開觸點(diǎn)斷開，常閉觸點(diǎn)閉合。在合適的電壓相角控制接觸器合閘，實(shí)質(zhì)是控制線圈回路在合適的相角通電，本設(shè)計(jì)采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）控制線圈回路開斷來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。控制 IGBT柵極的電壓信號(hào)需要達(dá)到 15V，因此選用光耦 TLP250驅(qū)動(dòng)IGBT。dsPIC單片機(jī)所有I/O引腳的最大拉/灌電流僅為4 mA，TLP250的輸入導(dǎo)通電流最小為7mA（最大10mA），因此在TLP250輸入端接入一個(gè)9013三極管，如圖5所示，當(dāng)單片機(jī)控制9013導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)光耦LED的電流將達(dá)到10mA，使光耦輸出端導(dǎo)通。

圖5 IGBT驅(qū)動(dòng)線路

IGBT選用IXDN 75N120。IGBT柵極電平懸空時(shí)，若集電極有高電壓接通，因?yàn)?IGBT米勒電容的作用，會(huì)導(dǎo)致IGBT誤導(dǎo)通，甚至燒壞IGBT。在G極和E極之間加入一個(gè)10K的電阻，可以給米勒電容提供釋放通道，不會(huì)引起IGBT誤導(dǎo)通。同時(shí)，考慮到IGBT的G極E極之間耐壓為20V，在G極E極之間并聯(lián)18V雙向穩(wěn)壓管避免GE擊穿。

電力系統(tǒng)的許多設(shè)備都是儲(chǔ)能元件，接觸器開斷過(guò)程中，儲(chǔ)存在電感中的磁能和儲(chǔ)存在電容中的靜電場(chǎng)能量發(fā)生了轉(zhuǎn)換，過(guò)渡的振蕩過(guò)程，由振蕩引起過(guò)電壓。過(guò)電壓嚴(yán)重危害 IGBT的性能，甚至導(dǎo)致其損壞，所以在C極和E極之間加入RC保護(hù)回路和雙向瞬態(tài)抑制二極管TVS（可耐壓880V）降低過(guò)電壓的影響。當(dāng) IGBT突然開斷時(shí)，原來(lái)流過(guò)回路寄生電感的電流通過(guò) RC旁路，從而將寄生電感上的儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移到了電容C上，避免在器件突然關(guān)斷時(shí)，由于電流突變?cè)谄骷啥水a(chǎn)生很高的電壓尖峰，因而大大降低了開關(guān)管截止瞬間在其兩端所產(chǎn)生的過(guò)電壓[18]。RC吸收回路能限制電壓的上升速率，降低開斷損耗。TVS是一種二極管形式的高效能保護(hù)器件。當(dāng)TVS二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能迅速將其兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)線路中元器件免受各種浪涌脈沖的損壞。

圖6 雙向TVS保護(hù)線路

通信模塊實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和上位機(jī)的通信功能。由于一般的臺(tái)式計(jì)算機(jī)有串口，所以在單片機(jī)和計(jì)算機(jī)的通信中，常用異步串行通信。本裝置采用RS232接口（DB-9），RS232是個(gè)人計(jì)算機(jī)上的通信接口之一，由電子工業(yè)協(xié)會(huì)（Electronic Industries Association，EIA）所制定的異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。通常RS-232接口以9個(gè)引腳（DB-9）或是25個(gè)引腳（DB-25）的型態(tài)出現(xiàn)，一般個(gè)人計(jì)算機(jī)上會(huì)有兩組RS-232接口，分別稱為COM1和COM2。在應(yīng)用RS232串口時(shí)配套使用MAX232芯片，MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片。

4 裝置實(shí)驗(yàn)與分析

4.1 合閘實(shí)驗(yàn)

最終設(shè)計(jì)完成的選相合閘裝置如圖7所示

圖7 選相合閘裝置

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試使用的接觸器是施耐德 LC1-D9511交流接觸器。LC1-D9511交流接觸器主要用于交流頻率 50Hz或 60Hz，交流電壓至 660V（690V），在AC-3使用類別下工作電壓為380V時(shí)，額定工作電流至 170A的電路中，供遠(yuǎn)距離接通和分?jǐn)嚯娐分茫⒖膳c相應(yīng)規(guī)格的熱繼電器組合成磁力起動(dòng)器以保護(hù)可能發(fā)生過(guò)負(fù)荷的電路。

整個(gè)合閘控制流程如下：

通過(guò)按鍵設(shè)定合閘相角為30°，單片機(jī)在合閘相角30°（對(duì)應(yīng)延時(shí)時(shí)間1.66ms）輸出高電平信號(hào)控制執(zhí)行模塊操作合閘。

dsPIC單片機(jī)輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管9013放大控制光耦TLP250，TLP250輸出控制IGBT的柵極（G極）從而使IGBT開通。作為線圈回路的開關(guān)，IGBT的開通直接控制線圈回路通電，使接觸器合閘。圖7表示合閘相角為30°時(shí)的線圈電壓波形。

圖8 30°合閘線圈電壓波形

實(shí)驗(yàn)測(cè)試在220V/50Hz電源電壓下不同合閘相角接觸器的合閘情況，表1給出幾個(gè)典型角度的測(cè)試情況。預(yù)設(shè)相角指通過(guò)按鍵設(shè)置并在LCD顯示的相角值。實(shí)際相角指通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試合閘線圈兩端電壓波形的合閘時(shí)刻與電壓過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間間隔，再轉(zhuǎn)換得到的相角度。由表1可知，實(shí)際合閘相角和預(yù)設(shè)合閘相角存在一定的誤差，最大誤差為1.2°，最小誤差為0°，平均誤差0.5°。

表1 220V 50Hz電源電壓合閘相角實(shí)驗(yàn)

附實(shí)驗(yàn)測(cè)試的合閘線圈兩端電壓波形圖。

圖9 30°合閘線圈電壓波形

圖10 60°合閘線圈電壓波形

圖11 90°合閘線圈電壓波形

圖12 120°合閘線圈電壓波形

圖13 150°合閘線圈電壓波形

選相合閘裝置將合閘相角，合閘操作次數(shù)等數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)。在測(cè)試時(shí)，上位機(jī)軟件接收到的數(shù)據(jù)圖14所示。該結(jié)果與仿真一致。

圖14 180°合閘線圈電壓波形

圖15 上位機(jī)接收顯示

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

產(chǎn)生誤差的原因有：

1）采樣線路的采樣精度不高，對(duì)電源電壓過(guò)零點(diǎn)的檢測(cè)不夠精確。

2）對(duì)示波器的讀數(shù)誤差，人眼對(duì)上升沿或下降沿判斷不精確。

3）示波器測(cè)量調(diào)節(jié)的精度有限，無(wú)法精確地測(cè)出相角對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

5 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)交流接觸器的合閘相位控制，本文設(shè)計(jì)了選相合閘裝置。以dsPIC單片機(jī)為中樞，采樣電源電壓頻率和過(guò)零點(diǎn)，按鍵調(diào)節(jié)合閘相角，合閘間隔時(shí)間，IGBT導(dǎo)通控制交流接觸器線圈通電從而完成合閘，通過(guò)通信模塊將合閘相角，合閘次數(shù)傳送給上位機(jī)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，選相合閘裝置能夠完成選相合閘功能，符合預(yù)期的需求。

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Design and Accomplishing of AC Contactor Control Device with Phase-selection Function based on dsPIC

Han Tengfei Yang Mingfa
(Fuzhou University College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou 350116)

The dynamic characteristics are different and affect the contacts bounce and the core shock when AC contactor closing at different phase angles.The AC contactor control device with phase-selection and communication function based on dsPIC microprocessor is designed for phaseselection.The device includes dsPIC MCU control module, the key module, LCD display module, sampling module,execution module,which has the function of phase-selection adjustable, the operating frequency adjustable, operation times recorded, phase angle display, and PC communication.Testing results show the device can realize the function of phase-selection and the accuracy can be accepted.

AC contactor; phase-selection; switch-on; dsPIC; communication

韓騰飛（1990-），男，福州大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)電器及其系統(tǒng)智能化與在線檢測(cè)技術(shù)。