380V電永磁控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 松，榮 軍，趙海波

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006)

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380V電永磁控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳 松，榮 軍，趙海波

(湖南理工學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006)

設(shè)計(jì)了一個(gè)以STM32F103為控制核心的電永磁控制器，實(shí)現(xiàn)了在交流380V輸入電壓下, 對電永磁本體進(jìn)行充退磁；系統(tǒng)輸入電壓經(jīng)同步變壓器降壓處理后，由過零檢測電路獲取過零信號，然后通過STM32F103輸出脈沖串，經(jīng)脈沖變壓器KCB6743加至可控硅，實(shí)現(xiàn)了半波整流電路精確的功率輸出；靈活簡單的按鍵操作以及完整的顯示功能，很好的實(shí)現(xiàn)了人機(jī)互動(dòng)；通過測試本系統(tǒng)能準(zhǔn)確的對電永磁本體充退磁操作，并且能夠通過按鍵設(shè)置充退磁電流，實(shí)現(xiàn)電永磁的磁力大小調(diào)整；該控制器具有成本低、易操作、通用性強(qiáng)以及高可靠性的特點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于電磁領(lǐng)域。

電永磁控制器；可控硅；過零檢測；充放電

0 引言

電永磁控制器在精密機(jī)床以及電磁鐵等行業(yè)應(yīng)用廣泛[1-2]，因此研究其高精度、操作方便以及節(jié)能的新型電永磁控制器迫在眉睫。目前市面上出售的電永磁控制器的控制性能比較差，能耗高，并且在一些復(fù)雜的工作條件下，不能夠適應(yīng)。因此針對此現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種新型的電永磁控制器，它具有高精度、無溫升、能耗低以及操作方便的優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及硬件電路實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖

電永磁控制器的控制器采用TM32F103設(shè)計(jì)，控制輸出電平可以改可控硅觸發(fā)角的導(dǎo)通，從而可以輸出不同壓值，該電壓值加至線圈負(fù)載上從而使吸盤磁化。根據(jù)不同工作環(huán)境以及不同規(guī)格的本體，充退磁電流可通過按鍵進(jìn)行設(shè)置。該系統(tǒng)具有電流監(jiān)測功能，通過霍爾電流傳感器輸出模擬量，經(jīng)STM32F103自帶A/D轉(zhuǎn)換器處理后，再通過顯示模塊顯示當(dāng)前電流值。此外電永磁控制器還具有遠(yuǎn)程控制功能，而且可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)聯(lián)機(jī)以及多通道拓展，其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 過零檢測電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在波形由正半軸到負(fù)半軸轉(zhuǎn)變時(shí)，對其過零位時(shí)進(jìn)行的檢測稱之為過零檢測，其可作為開關(guān)電路或者頻率檢測部分，而且漏電開關(guān)的漏電檢測是檢測零序電流。過零檢測電路采用的是變壓器隔離的設(shè)計(jì)方案，以DL-PT202D電流型電壓互感器為核心器件，其互感器電路原理圖如圖2所示。電壓從變壓器輸入端輸入，經(jīng)過限流電阻進(jìn)行限流處理后，電流以1:1的方式耦合至次級，再通過互感器的輸出端接運(yùn)放實(shí)現(xiàn)電壓的采集，從而實(shí)現(xiàn)了高壓到低壓的隔離與轉(zhuǎn)換測量。結(jié)合互感器的飽和電壓與負(fù)載能力，工作電流設(shè)定在1 mA～4 mA之間可以更好的保證精度和線性度，這里飽和電壓為1 V，即輸出電壓Uo<1V，R=Uo/I[3-4]。

圖2 互感器電路原理圖

由于主要用于檢測380 V電壓的過零點(diǎn)，因此并不需要實(shí)時(shí)電壓值的大小，因此本文采用線路簡單，不需要外接電源，低成本的電阻采樣法設(shè)計(jì)，如圖3所示。該電路將互感器DL-PT202D采樣的信號經(jīng)過LM239整形后輸出給控制電路，因只考慮過零點(diǎn)上升沿，電路采用單電源供電，1%精度電阻分壓提供LM239偏置參考電壓。過零檢測整體電路簡單易實(shí)現(xiàn)，能夠滿足系統(tǒng)各項(xiàng)功能指標(biāo)的要求。

圖3 過零檢測電路原理圖

1.3 充退磁功率模塊電路設(shè)計(jì)

沖退磁功率模塊電路相對于本控制器有著至關(guān)重要的作用，它提供勵(lì)磁電流與退磁電流，其設(shè)計(jì)的好壞直接將直接影響電永磁控制器能否正常的工作。本模塊主要由整流電路、過零檢測與可控硅驅(qū)動(dòng)電路組成，該電路通過主控識(shí)別過零點(diǎn)以及外界觸發(fā)指令，進(jìn)而發(fā)送觸發(fā)脈沖經(jīng)MOSFET、KCB6743控制可控硅導(dǎo)通，最后通過電流檢測器件HBC-LTS-3.3檢測輸出電流反饋給主控AD。該設(shè)計(jì)具有反饋控制理念，很好的實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的各項(xiàng)功能要求，功率電路的整體電路設(shè)計(jì)框圖如圖4所示[5-6]。

圖4 充退磁功率電路設(shè)計(jì)框圖

1.4 RC阻容吸收電路設(shè)計(jì)

電阻R和電容C通過串聯(lián)組成阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)在可控硅兩端。電容C作用主要是利用其兩端電壓不能突變的特性從而降低電壓上升率，電阻R則是防止感性負(fù)載條件下振蕩產(chǎn)生高壓損壞可控硅，同時(shí)可以避免電容器放電產(chǎn)生大電流損壞可控硅。

電容容抗的選擇：

(1)

If=0.367Id

(2)

假若采用500 A的晶閘管(可控硅)進(jìn)行整流，根據(jù)式(1)可以得出電容：

C=(2.5～5)×10-8×500=1.25～2.5mF

(3)

電阻阻值的選擇：

(4)

由式(4)計(jì)算可知選擇10歐，其中u表示三相電壓的有效值。

(5)

(6)

在實(shí)際計(jì)算應(yīng)用中，時(shí)間常數(shù)去在1～10 ms之間，根據(jù)負(fù)載功率的不同對時(shí)間常數(shù)的選取稍有不同，通常大功率選取10 ms，小功率取2 ms。對于電阻R的選取可根據(jù)以下提示進(jìn)行選取：小功率可選金屬膜、RX21線繞以及水泥電阻，其中RX21線繞和水泥電阻也可用于大功率場合。電容器C一般情況采用CBB電容較多。

1.5 可控硅觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

永電磁控制器觸發(fā)電路如圖5所示，采用導(dǎo)通電阻較小的N溝道MOS管作為開關(guān)管，減小了導(dǎo)通損耗，與晶體管相比MOS管屬于電壓控制元件，只需較小的電流便可使其導(dǎo)通，工作狀態(tài)下MOS管的能承受較大的源極電流，且具有反向保護(hù)二極管，保證了電路的性能，提高了電路的穩(wěn)定性和可靠性。防飽和二極管以及續(xù)流二極管均采用快恢復(fù)FR107，與普通二極管相比具有更快的恢復(fù)速度以及更優(yōu)的性能[7]。

圖5 可控硅觸發(fā)電路

1.6 電流檢測電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)本著強(qiáng)弱電嚴(yán)格隔離的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，霍爾元件屬于有源器件，為方便隔離和電源的處理，該項(xiàng)目使用的是厚施產(chǎn)品霍爾電流傳感器HBC-LTS-3.3。HBC-LTS-3.3是一款電源電壓3.3 V便可正常工作的電流傳感器，其供電電壓與主控芯片取自同一電源芯片，方便了電路的隔離處理提高了電路的抗干擾能力。由電流傳感器輸出的電壓信號經(jīng)過低通濾波器平滑處理，輸入主控芯片AD，保障系統(tǒng)電路穩(wěn)定工作。整體電路如圖6所示[8]。

圖6 電流傳感器電路圖

2 系統(tǒng)控制算法軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要完成以下任務(wù)：1)通過檢測過零點(diǎn)和觸發(fā)指令，輸出脈沖串驅(qū)動(dòng)可控硅導(dǎo)通；2)通過檢測硬件電路輸出量判斷工作狀態(tài)是否正常；3)根據(jù)各觸發(fā)指令主控做出的響應(yīng)控制顯示模塊做出指示。本系統(tǒng)軟件采用的是模塊化的程序編寫思想，其軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖7所示[9-10]。

圖7 主程序流程圖

2.2 消息發(fā)送程序設(shè)計(jì)

關(guān)于該控制器的程序設(shè)計(jì)中按指令的獲取與識(shí)別是整個(gè)軟件的設(shè)計(jì)的基石，對控制的任何操作都是基于按鍵指令，消息發(fā)送也主要是針對按鍵指令獲取和識(shí)別進(jìn)行講述。按鍵主要用于充磁、退磁以及強(qiáng)充三功能指令觸發(fā)，按鍵指令以開關(guān)量的形式輸出經(jīng)光耦隔離輸入至主控STM32F103普通I/O口，通過判別傳輸量電平的高低識(shí)別指令為何種指令，指令判別成功后主控對指令做出響應(yīng)執(zhí)行。該模塊主要流程圖如圖8所示。由消息發(fā)送模塊獲取的指令任務(wù)后進(jìn)行消息的處理，其獲取的消息主要由可控硅導(dǎo)通控制信號、充退磁指令以及顯示組成。

圖8 消息發(fā)送流程圖

2.3 充退磁指令執(zhí)行程序設(shè)計(jì)

本部分程序設(shè)計(jì)主要闡述對電磁鐵本體充退磁操作，當(dāng)收到充退磁指令消息后，檢測過零點(diǎn)舍棄一個(gè)正負(fù)半波，輸出可控硅導(dǎo)通脈沖串，其要求在上節(jié)已詳細(xì)說明?？煽毓鑼?dǎo)通提供勵(lì)磁電流，通過霍爾電流傳感器輸出模擬量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器接口輸入主控芯片處理后，對電路工作狀態(tài)做出判斷，若符合設(shè)置要求，否則發(fā)出報(bào)警信號軟件進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。程序框圖如圖9所示。

圖9 充退磁指令執(zhí)行流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

380V電永磁控制器設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)：電源輸入電壓為AC380 V； 勵(lì)磁電流≤50 A(80 A)；通道切換間隔時(shí)間≤0.30秒；充退磁時(shí)間為0.1～20 s；380 V半波電永磁控制器功能要求：

充退磁操作；充退磁電流可調(diào)；控制器工作狀態(tài)下控制數(shù)碼管顯示充磁檔位1～8檔，不同的檔位對應(yīng)不同的吸力輸出；磁飽和與溫度檢測功能。

本體充退磁強(qiáng)度數(shù)據(jù)測試:

控制器具有檔位可設(shè)定實(shí)現(xiàn)對不同本體的充退磁操作，檔位設(shè)定采用可控硅導(dǎo)通角度分檔輸出不同大小直流電壓，通過歐姆定律以及霍爾電流傳感器獲取電流大小進(jìn)行驗(yàn)證。測試環(huán)境為：380 V輸入、本體內(nèi)阻0.8 Ω、單通道、一次性充退磁。其數(shù)據(jù)如表1所示。從表1中的數(shù)據(jù)可知，該控制器實(shí)現(xiàn)了1～8檔位可調(diào)，即充磁電流可控。

表1 充退磁強(qiáng)度數(shù)據(jù)

多通道功能主要實(shí)現(xiàn)對多個(gè)本體充退磁，該通道測試指標(biāo)主要是檢測每通道充退磁電流是否和預(yù)設(shè)值在誤差范圍內(nèi)，能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。多通道功能測試環(huán)境：380 V輸入、本體內(nèi)阻0.8 Ω、8通道、充退磁電流60 A。其數(shù)據(jù)如表2所示，從表2可知該控制器成功實(shí)現(xiàn)了8通道的擴(kuò)展功能。

表2 多通道測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)380 V半波電永磁控制器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和綜合調(diào)試。從對系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)測試可知，電永磁控制器接入380 V電壓，半波整流電路工作正常，充退磁指令成功響應(yīng)，電磁鐵本體充退磁成功，完全滿足設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了現(xiàn)代的電路構(gòu)成系統(tǒng)的主要部分，減少硬件電路，設(shè)計(jì)一個(gè)低成本、低功耗、通用性強(qiáng)、小體積、易安裝以及操作間單的電永磁半波控制器，本設(shè)計(jì)在工業(yè)上十分具有應(yīng)用價(jià)值。

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[10] Data Sheet of TM1640[EB/OL].http://www.titanmec.com/index.php.

Design and Implementation of 380V Electric Permanent Magnetic Controller

Chen Song, Rong Jun, Zhao Haibo

(Department of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

The electric permanent magnet controller is designed based on STM32F103 as the core of control, and achieves the control of the process of magnetizing and demagnetizing under AC 380V input voltage. After the step-down treatment of synchronous transformer and the attainment of zero-crossing signal by zero-crossing detection circuit, the system outputs pulse train through the STM32F103 and adds to the SCR with pulse transformer KCB6743. In this way, the half-wave rectifier circuit power output is accurately implemented. With flexible and simple keystroke and the full display function, man-machine interaction is well realized. Through testing, it is found that the system can accurately achieve the process of magnetizing and demagnetizing on electric permanent magnet body and the adjustment of the magnetic force can also be achieved through the button Settings of filling demagnetization current. The features of low cost, easy operation, wide versatility and high reliability of the controller make it widely be used in electromagnetic field.

electric permanent magnetic controller; SCR; zero crossing detection; charge and discharge

2015-08-27；

2015-10-26。

本科專業(yè)綜合改革國家級試點(diǎn)專業(yè) (教高司函[2013]56號);國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(教高函[2013]10號)。

陳 松(1973-)，男，湖南平江人，碩士，講師，主要從事學(xué)生課外科技活動(dòng)和組織工作方向的研究。

1671-4598(2016)03-0051-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.015

TM46

A