專利名稱：用于電磁控制的電氣開關(guān)的電子控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電磁控制的開關(guān)，如繼電器和接觸器，并具體涉及用于電磁控制的電氣開關(guān)的電子控制器。
背景技術(shù)：
真空接觸器是用于中斷高功率電路的電控制的開關(guān)。在一個真空接觸器中，一對 觸點(diǎn)被封閉在一個真空密封的瓶內(nèi)。其中一個觸點(diǎn)被固定到該瓶的一端而另一個觸點(diǎn)可以 在一個電螺線管的影響下通過一個波紋管朝向或離開該固定觸點(diǎn)而移動。包圍這些觸點(diǎn)的 真空有助于抑制一個電路被斷開時形成的電弧?！半姎獗３帧钡恼婵战佑|器，顧名思義，通過連續(xù)地施加一個施加到該電氣螺線管 上的保持電流將這些觸點(diǎn)保持在一個關(guān)閉位置。典型地，這個保持電流遠(yuǎn)小于在致動該開 關(guān)時用于關(guān)閉或拉入這些觸點(diǎn)的電流?！皺C(jī)械鎖閉”的真空接觸器通過一種機(jī)械鎖閂將這些 觸點(diǎn)保持在該關(guān)閉位置，消除了對于一個保持電流的需求。當(dāng)希望打開這些觸點(diǎn)時，一個第 二螺線管將該機(jī)械鎖閂釋放。允許其中一個觸點(diǎn)運(yùn)動的波紋管在該觸點(diǎn)上施加一個偏置力，該偏置力是伸縮該 波紋管和抵抗這些觸點(diǎn)的關(guān)閉所需的彈簧力和穿過該波紋管試圖把這些觸點(diǎn)移到一起的 大氣壓力的組合。可以使用一個外部彈簧來平衡這些力而是這些觸點(diǎn)打開。如果該真空接觸器被移動到具有不同大氣壓力的一個不同的海拔高度，那么這種 力的平衡會被打破。為此原因，已知要提供可根據(jù)這個海拔高度進(jìn)行替換或調(diào)節(jié)的一個外 部彈簧?？商娲兀阎{(diào)節(jié)該電螺線管的拉入和/或保持電流以補(bǔ)償任何力的不平衡。 這種調(diào)節(jié)是通過一個表和可由用戶設(shè)置的一組開關(guān)來進(jìn)行。較大的真空瓶和觸點(diǎn)組可用于較大功率的操作。這些較大的真空瓶需要更大的致 動力，這些致動力通常由較大的螺線管線圈來提供。這些較大的螺線管需要不同的致動電 流和保持電流。—個真空接觸器的運(yùn)行通常是由一個接觸器控制器來調(diào)控，該接觸器控制器對于 施加到這些真空接觸器螺線管上的功率提供經(jīng)調(diào)整的控制，該功率由用戶針對螺線管線圈 規(guī)格和/或海拔高度來調(diào)節(jié)。針對不同的真空接觸器以及不同的海拔高度，該接觸器控制 器的配置是復(fù)雜并且費(fèi)時的。發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種接觸器控制器，它可以針對多種真空接觸器類型和運(yùn)行海拔高 度而自動地進(jìn)行自身配置。在初始化時，該接觸器控制器利用一個短脈沖來詢問該真空接 觸器的附裝線圈的電氣特性。該脈沖的功率被選取為足以在不觸發(fā)該線圈的情況下辨別出 該線圈的阻抗。這些測量的結(jié)果被用來確定該線圈的合適的運(yùn)行條件，特別是必要的線圈 致動功率。還可以使用一個大氣壓力傳感器來進(jìn)一步針對海拔高度而自動調(diào)節(jié)運(yùn)行條件。 這種線圈測量還可用于正在進(jìn)行中的故障檢測。本發(fā)明的基礎(chǔ)是本發(fā)明人的以下認(rèn)識對于一個真空接觸器來說，即使是接觸器控制器的配置中的較小的錯誤也能夠通過該真空瓶過大的應(yīng)力而造成該真空接觸器的過早的失效。確切地說，本發(fā)明提供了用于電磁控制的電氣開關(guān)的一種電子控制器。該控制器 包括一個線圈電源，該線圈電源提供了到該開關(guān)的至少一個線圈的連接點(diǎn)，以及一個測試 線路，該測試線路提供了到該線圈的一個電脈沖并監(jiān)視流到該線圈的電流以便在至少兩種 線圈規(guī)格之間進(jìn)行區(qū)分。一個線圈電源控制器接收一個致動信號以便通過該線圈電壓為線 圈提供功率，其中輸?shù)皆摼€圈的功率是根據(jù)由該測試線路確定的線圈規(guī)格而自動地進(jìn)行選 擇。因此，本發(fā)明的一個實施例的一個特征是提供了一個控制器，它針對多種不同的 電磁致動的開關(guān)而自動地進(jìn)行自身配置。本發(fā)明的一個實施例的另一個特征是提供了一個 控制器，它更好地調(diào)配到真空接觸器線圈的致動電流以減少此類控制器的真空瓶的過早失 效，這種過早失效可能是由這些真空瓶在過大的致動力下過度屈伸而造成。該測試電路可以通過在施加一個具有已知電壓的脈沖到該線圈的條件下在一段 預(yù)定時間之后監(jiān)視電流的流動來區(qū)分線圈的規(guī)格。因此，本發(fā)明的一個實施例的一個特征是提供了利用線圈的一個內(nèi)在品質(zhì)來區(qū)分 線圈類型的一種簡單的方法，并且因此該方法不需要這些線圈的一種機(jī)器可讀的標(biāo)識。具有已知電壓和預(yù)定時間的脈沖可以進(jìn)行選擇以防止用于這些線圈規(guī)格的電磁 控制電氣開關(guān)的觸發(fā)。因此，本發(fā)明的一個實施例的一個特征是它提供了一種測試機(jī)制，該測試機(jī)制在 不無意觸發(fā)連接到該真空接觸器的設(shè)備或裝置的情況下提供了對多種線圈類型的辨別。該電子控制器可進(jìn)一步包括一個大氣壓力傳感器，并且該線圈電源控制器可以接 收來自該大氣壓力傳感器的一個壓力信號，以便基于該大氣壓力向該線圈供電。因此，本發(fā)明的一個實施例的一個特征是根據(jù)該真空接觸器的海拔高度而使用于 每種不同線圈類型的控制電流的調(diào)節(jié)自動化，由此允許更精確的校正。輸往該線圈的功率可以根據(jù)對所推斷出的線圈類型而言的一個獨(dú)特的函數(shù)隨大 氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，本發(fā)明的一個實施例的一個特征是允許復(fù)雜的、根據(jù)經(jīng)驗得出的、對于一個 特定的線圈而言獨(dú)特的功率調(diào)節(jié)，提供了優(yōu)異的線圈致動。該線圈電源控制器可以進(jìn)一步基于到該線圈的電流而檢測一種故障情況并產(chǎn)生
一個故障信號。因此，本發(fā)明的一個實施例的另一個特征是使用了用于設(shè)置線圈功率的.相同的 機(jī)制來提供一種附加的故障檢測功能。一個故障信號可以基于到該線圈的電流低于一個預(yù)定值而表示一個缺失的線圈， 或者到該線圈的電流超過一個預(yù)設(shè)量而表示一個短路線圈，或者到該線圈的電流超過與已 知線圈的期望電流的一個預(yù)設(shè)的差值而表示一個未知線圈?？梢詾橛脩舯鎰e出這些情況中 的每一種。因此，本發(fā)明的一個實施例的一個特征是提供用于多種類型的故障檢測。該電子控制器可以采用該可控電源來向線圈傳送電脈沖。因此，本發(fā)明的一個實施例的另一個特征是為了表征該線圈配置的目的而使用現(xiàn)有的硬件。通過控制用來向這些致動螺線管提供功率的同一個電源，消除了對于分離的測試電路和隔離的要求。這些具體的特征和優(yōu)點(diǎn)可能僅適用于落在這些權(quán)利要求中的某些實施例，并且因 此并不限定本發(fā)明的范圍。附圖簡要說明

圖1是一個線圖，顯示了與一個真空接觸器相連的本發(fā)明的控制器，該真空接觸 器處在打開狀態(tài)；圖2是圖1的一個局部視圖，顯示了該真空接觸器處于關(guān)閉狀態(tài)并被機(jī)械鎖閉；圖3是圖1的控制器的各個部件的框圖，包括獨(dú)立地控制輸?shù)秸婵战佑|器的線圈 的電功率的一個微處理器；圖4在一個在測試模式過程中施加到該真空接觸器的線圈上的電功率的坐標(biāo)圖， 顯示了在一個測試脈沖的過程中電壓和可能的電流的波形，以及圖5是由圖3的微處理器執(zhí)行的實現(xiàn)本發(fā)明的一個程序的流程圖。發(fā)明詳細(xì)說明現(xiàn)在參見圖1，一個真空接觸器系統(tǒng)10包括一個真空接觸器12和一個真空接觸器 控制器14，它提供了適合用于本發(fā)明的一個機(jī)電開關(guān)系統(tǒng)的實例。如在本領(lǐng)域中普遍理解的那樣，真空接觸器12可以包括一個或多個真空瓶15，它 們提供一個密封的排空室16。在室16內(nèi)是兩個觸點(diǎn)一個靜止觸點(diǎn)18相對于真空瓶15固 定，而一個可移動觸點(diǎn)20通過一個波紋管22連接到真空瓶上。在通過一個偏置彈簧(未示出)連接到可移動觸點(diǎn)20的一個樞轉(zhuǎn)銜鐵24的影響 下波紋管22允許可移動觸點(diǎn)20朝向和離開靜止觸點(diǎn)18的軸向運(yùn)動。銜鐵24通過一個銜鐵片26與一個第一電磁鐵28的一極之間的吸引而被升高或 降低。在運(yùn)行中，銜鐵24在一個偏置彈簧29的推動下被移動到一個降低的位置，把觸點(diǎn)18 和20分開，并且在該電磁鐵被通電時通過片26到電磁鐵28的吸引而被移動到一個升高的 位置。銜鐵24的升高還打開了真空瓶15外的一個常閉的輔助觸點(diǎn)30。對于多相電路，真空接觸器12的這些組件中的每一個均可以復(fù)制。對于多相電 路，這幾個真空瓶可以被一個共用銜鐵24致動。在一個機(jī)械鎖閉的真空接觸器12中，可以增加一個任選的銜鐵鎖門組件32。該銜 鐵鎖門組件32包括一個樞轉(zhuǎn)的銜鐵鎖門34，該銜鐵鎖門在一個降低的狀態(tài)(如圖1所示) 中允許銜鐵片26朝向電磁鐵28的自由運(yùn)動，以關(guān)閉觸點(diǎn)18和20?，F(xiàn)在參見圖2，當(dāng)銜鐵 片26鄰近電磁鐵28的磁極件時，銜鐵鎖門34被彈簧36拉伸時升高，允許一個滾子38捕 獲銜鐵片26而頂在電磁鐵28的磁極上。由彈簧36支持的滾子38保持銜鐵24向上，使觸 點(diǎn)18和20以及輔助觸點(diǎn)30打開。在圖2的這個鎖閉位置，在電磁鐵28中不需要任何功 率來保持觸點(diǎn)18和20以及輔助觸點(diǎn)30打開。銜鐵24從該機(jī)械鎖閉的釋放、以及觸點(diǎn)18和20的打開和輔助觸點(diǎn)30的關(guān)閉是 通過一個釋放電磁鐵40來進(jìn)行，在啟動該電磁鐵時把銜鐵鎖門34向下拉，把滾子38拉離 銜鐵片26，并允許銜鐵片26從電磁鐵28上移開，仍如圖1所示。仍然參見圖1，一個真空接觸器12通常被連接到一個真空接觸器控制器14，該控 制器被連接為用于接收來自輔助觸點(diǎn)30的一個開關(guān)信號，并且它提供連到電磁鐵28和40 (用于一個機(jī)械鎖閉的真空接觸器12)和僅到電磁鐵28(對于一個電保持的真空接觸器12)的供電。真空接觸器控制器14還可以連接到一個或多個串行通信信道42上并連接到 一個或多個模擬或數(shù)字輸入輸出(I/O)線44。真空接觸器控制器14還可以連接到一個大 氣壓力傳感器46上?，F(xiàn)在參見圖3，真空接觸器控制器14可以包括本領(lǐng)域中熟知類型的一個微處理器 48，該微處理器與一個非易失性存儲器50 (例如一個EPR0M)通信，該非易失性存儲器可以 存有一個存儲的程序來執(zhí)行以下說明的控制該真空接觸器的步驟。微處理器48的接口引線可以連接到網(wǎng)絡(luò)接口電路52上，該網(wǎng)絡(luò)接口電路規(guī)定了 這些串行通信信道42的通信協(xié)議，例如DeviceNet、CAN、RS-232或RS-485協(xié)議。微處理器 48的其他接口引線可以連接到I/O電路54，該I/O電路提供了一個到I/O線44的接口。微處理器48的一個數(shù)字輸入引線可以通過接口電路56接收來自輔助觸點(diǎn)30的 開關(guān)信號。來自大氣壓力傳感器46的電信號可以由微處理器48內(nèi)的一個內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器 接收。微處理器48還提供了輸出信號來控制線圈電源60和62，后者接收被調(diào)整的功率 并且(例如)通過使用本領(lǐng)域中熟知類型的一個絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)電路向電磁 鐵28的線圈(并且任選向釋放電磁鐵40的線圈)提供脈沖帶寬調(diào)制(PWM)的直流電流。 額外的線圈電源60和62可在控制器中用于控制具有額外的真空瓶15的真空接觸器。在 電源62和60的輸出上的電流傳感器64允許由微處理器48通過一個內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器對流 到電磁鐵28的線圈上的電流進(jìn)行測量。真空接觸器控制器14可以接收電功率，例如110-240VAC或110-250VDC，這些電功 率可以根據(jù)本領(lǐng)域熟知的方法調(diào)節(jié)成合適的功率用于這些組件的運(yùn)行。為清楚起見，該功 率電路未示出。此外，微處理器48還可以連接到具有LED或類似元件的面板顯示器上用于 表示真空接觸器系統(tǒng)10的狀態(tài)情況，例如一種故障情況或者有或沒有供電。這些面板顯示 器未示出，但屬于本領(lǐng)域熟知的一種類型?，F(xiàn)在參見圖5，當(dāng)真空接觸器控制器14被首先接電或者在真空接觸器控制器14已 經(jīng)重置之后，該控制器開始執(zhí)行保持在內(nèi)存50中的一個存儲的程序84，從進(jìn)程塊66開始。在微處理器48執(zhí)行了標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部診斷后，微處理器48從大氣壓力傳感器46讀取 和存儲大氣壓力，如進(jìn)程塊68所表示。如上所述，這個大氣壓力將影響關(guān)閉觸點(diǎn)18和20 所需的力。下一步，在進(jìn)程塊70中，微處理器48檢查連接到它的終端上的任何線圈(可能包 括電磁鐵28和40的線圈)的響應(yīng)。還參見圖4，線圈響應(yīng)的檢查可以利用電源60和62通 過在每個可能連接到線圈的終端組上施加一個測試電壓脈沖72來完成。電壓脈沖72將有 一個預(yù)設(shè)電壓Vtl和時間周期74，該時間周期被選為包含的能量不足以啟動電磁鐵28或40 的任何已知線圈。盡管如此，測試電壓脈沖72的電壓Vtl將在連接到微處理器48的特定終端的電磁 鐵28或40的任一線圈中引發(fā)一個電流78，并且這個電流78將根據(jù)電磁鐵28或40的連接 的線圈的阻抗而隨時間上升。在時段74結(jié)束時，通過電流傳感器64對峰值電流78采樣， 并且由判斷塊76對照存儲在內(nèi)存50中的閾值Itl-I3進(jìn)行評估。Itl是最低的閾值，并且一個等于或低于Itl的采樣電流表示沒有線圈連接到該特定終端上，或另外該線圈開路。檢查在內(nèi)存50中的一個內(nèi)部配置文件(由用戶設(shè)置)，以查看真空接觸器12是電氣保持還是機(jī)械鎖閉。如果真空接觸器12是電氣保持的并且對于釋 放電磁鐵40的一個線圈指定了展示一個開放電路的終端，在判斷塊76中不表示任何故障， 而該程序進(jìn)入進(jìn)程塊82。否則，如果真空接觸器12是機(jī)械鎖閉的并且對于釋放電磁鐵40 的一個線圈指定了顯示一個開路的終端，或者如果真空接觸器12是電氣保持并且對于致 動電磁鐵28的一個線圈指定了顯示一個開路的終端，則表示一個故障并為用戶產(chǎn)生了一 個如圖5中判斷塊76所表示的故障情況。在一個替代實施方案中，未使用任何內(nèi)部配置文 件，并且如果在為釋放電磁鐵40的線圈指定的所有的終端上有一個高阻抗，那么該控制器 假定真空接觸器12是電氣保持的。例如，如果該采樣電流是在、和I1之間，可以推斷出在具有一個第一阻抗的終端 上有一個線圈，該第一阻抗(例如)表示用于高電流真空接觸器的一個800安培線圈?？?替代地，這個第二范圍可以是以電流I1為中心的一個窗口，容許該窗口之外的電流的可能 性，并且其他的窗口產(chǎn)生一個未知線圈類型的故障。例如，如果該采樣電流是在I1和I2之間，可以推斷出在具有一個第二阻抗的終端 上有一個線圈，例如，表示用于低電流真空接觸器的一個400安培線圈。可替代地，這個第 二范圍可以是以電流I2為中心的一個窗口，如果該電流不在任何其他窗口內(nèi)，則產(chǎn)生一個故障。最后，建立了一個高閾值I3，例如用于表示跨過這些終端的一個短路(并此一個短 路線圈)，如果該電流超過這個量的話。在這種情況下也產(chǎn)生一個故障。I4代表當(dāng)以足夠的持續(xù)時間施加時致動該線圈所必需的一個電流水平，并且對于 電磁鐵28或40的正常線圈來說不會被超過。在判斷塊76中，也可以對大氣壓力傳感器46的輸出進(jìn)行估算來查看它是否在一 個期望的取值范圍之外，這將表示大氣壓力傳感器46中一個故障或一個無效的海拔高度 (為該系統(tǒng)的修正和/或運(yùn)行范圍之外的一個海拔高度)。在這樣的情況下，產(chǎn)生一個表示 大氣壓力傳感器46失效的故障信號。如判斷塊76所表示，這些故障情況中的任何一個可能造成一個輸出信號，該輸出 信號可以用于通知用戶該故障和故障類型，如進(jìn)程塊80所表示。這個故障信號可以是真空 接觸器控制器14的前面板上的一個或多個指示燈的形式，或者是通過串行通信信道42之 一傳送到一個中央控制器或類似器件的一個信號。如果在判斷塊76中沒有故障情況，那么在進(jìn)程塊82中可以確定當(dāng)電磁鐵28 (和 40)的線圈要被致動時要提供給這些線圈的一個穩(wěn)態(tài)電流。參見圖3和圖6，這個為電磁鐵 28的線圈確定運(yùn)行電流的進(jìn)程可以使用一個查找表85，該表保存在內(nèi)存50中并存儲一組 由經(jīng)驗得出的電流值86，這些電流值對于在不同大氣壓力下用電磁鐵28的線圈來“拉入” 和“保持”銜鐵24是必須的。典型地，例如，拉入電流將實質(zhì)性地高于保持電流。基于上述先前存儲的大氣壓力和從測試脈沖72中推斷出的線圈類型，電流值86 被識別出并進(jìn)行存儲，以便用于電磁鐵28的線圈的操作。當(dāng)真空接觸器控制器14通過(例 如)I/O線44或串行通信信道42接收到一個致動信號時，微理器48將控制適當(dāng)線圈的電 源60或62以將一個平均PWM電壓輸出到適當(dāng)?shù)木€圈上，從而產(chǎn)生來自于這個表85的電流 值。如果該真空接觸器是機(jī)械鎖閉的，僅需要用于電磁鐵28的線圈的拉入電流，并且保持電流可以是要用于釋放電磁鐵40的線圈的拉入電流?？偟膩碚f，釋放電磁鐵40的線圈所需的電流不隨大氣壓力的改變而變化。再次參見圖5，在接觸器系統(tǒng)10運(yùn)行期間周期性地可以由進(jìn)程塊70來檢查該線圈 響應(yīng)，以便在不動作的期間內(nèi)主要確定這些線圈是否有故障或短路。以這種方法，在需要電 路中斷時，可以更好地保證真空接觸器12相對于時間的電氣完整性。未能進(jìn)行這種周期性 檢查造成產(chǎn)生一種故障情況。本發(fā)明已經(jīng)以優(yōu)選實施例的方式進(jìn)行了描述，并且應(yīng)認(rèn)識到除了那些明確說明的 內(nèi)容，多種等效物、替代方案以及修改都是可能的，并且是在所附的權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求一種用于電磁控制的電氣開關(guān)的電子控制器，其特征在于，包括一個線圈電源，該線圈電源提供了連到該電磁控制的電氣開關(guān)的至少一個線圈的多個連接點(diǎn)；一個測試電路，該測試電路提供到該線圈的一個電脈沖并且監(jiān)視到達(dá)該線圈的電流以便在至少兩種線圈規(guī)格之間進(jìn)行區(qū)分；一個線圈電源控制器，該線圈電源控制器與該線圈電源以及該測試電路進(jìn)行通信，以便接收一個致動信號并基于該致動信號通過控制該線圈電源而向該線圈供電，根據(jù)由該測試電路確定的線圈規(guī)格自動選擇輸往該線圈的功率。
2.如權(quán)利要求1所述的電子控制器，進(jìn)一步包括一個大氣壓力傳感器，并且其中該線 圈電源控制器接收來自該大氣壓力傳感器的一個壓力信號以便還基于該大氣壓力向該線 圈供電。
3.如權(quán)利要求1所述的電子控制器，其中，該測試電路以及該線圈電源控制器至少部 分地是由一個共用微處理器來實現(xiàn)。
4.如權(quán)利要求1所述的電子控制器，其中，該測試電路采用了一個可控電源來向該線 圈傳送該電脈沖。
5.如權(quán)利要求1所述的電子控制器，其中，電磁控制的電氣開關(guān)是一個真空接觸器和 致動線圈。
專利摘要一種用于電磁控制的電氣開關(guān)的電子控制器，包括線圈電源，該線圈電源提供了連到該電磁控制的電氣開關(guān)的至少一個線圈的多個連接點(diǎn)；測試電路，該測試電路提供到該線圈的電脈沖并且監(jiān)視到達(dá)該線圈的電流以便在至少兩種線圈規(guī)格之間進(jìn)行區(qū)分；線圈電源控制器，該線圈電源控制器與該線圈電源以及該測試電路進(jìn)行通信，以便接收致動信號并基于該致動信號通過控制該線圈電源而向該線圈供電，根據(jù)由該測試電路確定的線圈規(guī)格自動選擇輸往該線圈的功率。由此，實現(xiàn)了對包括電子控制器的真空接觸器的改進(jìn)。
文檔編號H01H47/00GK201562629SQ200820131988
公開日2010年8月25日 申請日期2008年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月24日
發(fā)明者D·S·麥克倫南, R·A·德雷克 申請人:洛克威爾自動控制技術(shù)股份有限公司