一種線圈類負(fù)載電壓暫降保護(hù)設(shè)備的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種線圈類負(fù)載電壓暫降保護(hù)設(shè)備，該設(shè)備輸入端連接單相交流電源，輸出端與接觸器線圈端子相連，包括EMI濾波電路、單相整流濾波電路、單片機(jī)控制電路、驅(qū)動(dòng)放大電路以及DC/DC變換電路；其中，所述EMI濾波電路的輸出端與所述單相整流濾波電路相連；所述單相整流濾波電路輸出端與所述DC/DC變換電路相連；所述單片機(jī)控制電路采樣輸入端與所述單相整流電路相連，輸出端與所述驅(qū)動(dòng)放大電路的輸入端相連；驅(qū)動(dòng)放大電路的輸出端與所述DC/DC變換電路相連。本實(shí)用新型保護(hù)設(shè)備將所有功能模塊集成在一個(gè)電路板上，具有體積小、重量輕、集成化高的優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)用新型的輸出端直接連接在交流接觸器線圈上，安裝方便。
【專利說(shuō)明】一種線圈類負(fù)載電壓暫降保護(hù)設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種接觸器控制系統(tǒng)，具體涉及一種應(yīng)用于線圈類負(fù)載的接觸器線圈電壓暫降保護(hù)設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]電磁式交流接觸器是一種應(yīng)用廣泛的產(chǎn)品，可以用來(lái)接通或分?jǐn)鄮ж?fù)載的交流主電路或大容量的控制電路。在廠用交流電網(wǎng)發(fā)生電壓暫降時(shí)，電磁式接觸器線圈的會(huì)出現(xiàn)欠壓或失壓脫扣動(dòng)作而引起接觸器主觸點(diǎn)釋放。因此，為了防止接觸器線圈在發(fā)生電壓暫降時(shí)造成其主觸點(diǎn)釋放，目前采取的措施有以下幾點(diǎn):
[0003]I應(yīng)用斷電延時(shí)繼電器、電機(jī)再啟動(dòng)器；
[0004]2采用儲(chǔ)能延時(shí)元件；
[0005]3應(yīng)用延時(shí)鎖扣頭裝置；
[0006]4采用雙電源供電；
[0007]5采用UPS進(jìn)行系統(tǒng)保護(hù)；
[0008]但是，將以上設(shè)備安裝在接觸器線圈上存在著可靠性低，線路復(fù)雜，成本高的缺點(diǎn)，因此一種可靠性高、線路簡(jiǎn)單、成本低的線圈類負(fù)載電壓暫降保護(hù)設(shè)備的開(kāi)發(fā)很有必要。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0009]實(shí)用新型目的:本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種可靠性高、線路簡(jiǎn)單、成本低的線圈類負(fù)載電壓暫降保護(hù)設(shè)備，將該保護(hù)設(shè)備安裝在接觸器線圈上，安裝方便，集成化高。
[0010]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)手段為:
[0011]一種線圈類負(fù)載電壓暫降保護(hù)設(shè)備，該設(shè)備輸入端連接單相交流電源，輸出端與交流接觸器線圈端子相連；包括EMI濾波電路、單相整流濾波電路、單片機(jī)控制電路、驅(qū)動(dòng)放大電路以及DC/DC變換電路；其中，所述EMI濾波電路的輸出端與所述單相整流濾波電路相連；所述單相整流濾波電路輸出端與所述DC/DC變換電路相連；所述單片機(jī)控制電路采樣輸入端與所述單相整流濾波電路相連，所述單片機(jī)控制電路輸出端與所述驅(qū)動(dòng)放大電路的輸入端相連；所述驅(qū)動(dòng)放大電路的輸出端與所述DC/DC變換電路相連。
[0012]其中，所述單片機(jī)控制電路的單片機(jī)型號(hào)為STM32F101RBT，單片機(jī)控制電路設(shè)有兩個(gè)電壓采樣輸入端Ul和U2，電壓采樣輸入端Ul串聯(lián)電阻R1、電阻R2后接地，電壓采樣輸入端U2串聯(lián)電阻R3、電阻R4后接地，單片機(jī)包括ANO端口和ANl端口，電阻Rl和電阻R2之間連接ANO端口，電阻R3和電阻R4之間連接ANl端口，單片機(jī)還包括PWM信號(hào)輸出端口和AN2端口，單片機(jī)通過(guò)AN2端口與電阻R5串聯(lián)接地，同時(shí)單片機(jī)通過(guò)AN2端口采集MOS管電流，單片機(jī)還包括PA7端口，單片機(jī)通過(guò)PA7端口接地，單片機(jī)還包括端口 I，單片機(jī)通過(guò)端口 I接3.3V電壓端，單片機(jī)還包括端口 2和端口 3，單片機(jī)的端口 2和端口 3分別與晶振連接。
[0013]其中，所述EMI濾波電路包括交流輸入端口 L和N，EMI濾波后輸出端口 LI和NI，以及濾波電感、電容和電阻，L和N端口通過(guò)電容Cl連接，L和N端口通過(guò)濾波電感與LI和NI端口連接，LI和NI端口通過(guò)電容C2連接，電容C2與電阻R并聯(lián)，LI端口與電容C3串聯(lián)接地，NI端口和電容C4串聯(lián)接地。
[0014]其中，所述單相整流濾波電路包括L1、N1、U+、U-端口，LI端連接二極管Dl的陽(yáng)極，二極管D3的陰極，NI端連接二極管D2的陽(yáng)極，二極管D4的陰極，U+端連接二極管Dl和二極管D2的陰極，U-端連接二極管D3和二極管D4的陽(yáng)極，U+、U-端通過(guò)電容C5連接。
[0015]其中，所述驅(qū)動(dòng)放大電路包括PWM信號(hào)輸入端和PWMl信號(hào)輸出端，三極管Ql和三極管Q2的基極與PWM輸入端連接，三極管Ql的集電極連接12V電壓端，三極管Q2的發(fā)射極接地，電阻Rl兩端分別連接三極管Ql的基極和集電極，三極管Ql的發(fā)射極和三極管Q2的集電極連接并通過(guò)電阻R2與PWMl信號(hào)輸出端連接，電阻R2的一端分別與三極管Ql的發(fā)射極和三極管Q2的集電極連接，電阻R2的另一端分別與電阻R3的一端、二極管D6的陰極和PWMl連接，電阻R3的另一端和穩(wěn)壓二極管D6的陽(yáng)極接地，PWMl信號(hào)輸出端連接穩(wěn)壓二極管D6的陰極。
[0016]其中，所述DC/DC變換電路包括U+、U-端和L2、N2輸出端，U+、U-端通過(guò)電容C6連接，二極管D5的陰極分別連接U+端和L2輸出端，二極管D5的陽(yáng)極分別連接N2輸出端和MOS管的漏極，MOS管的源極連接電阻RS的一端，MOS管的柵極連接PWMl端，電阻RS的另一端連接U-端。
[0017]有益效果:相比于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型保護(hù)設(shè)備將所有功能模塊集成在一個(gè)電路板上，且各個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理，設(shè)備外輸入的交流電經(jīng)EMI濾波電路和單相整流濾波電路后能得到高壓直流電，驅(qū)動(dòng)放大電路采用合理的電路布局能夠?qū)纹瑱C(jī)控制電路的輸出功率放大到所需值，另外，本實(shí)用新型的保護(hù)設(shè)備輸出端直接連接在交流接觸器線圈上，安裝方便。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型線圈類負(fù)載電壓暫降保護(hù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為單片機(jī)控制電路圖；
[0020]圖3為EMI濾波電路圖；
[0021]圖4為單相整流濾波電路圖；
[0022]圖5為驅(qū)動(dòng)放大電路圖；
[0023]圖6為DC/DC變換電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0024]圖7為電流PI控制算法框圖；
[0025]圖8為本實(shí)用新型保護(hù)設(shè)備中單片機(jī)控制電路的算法流程圖；
[0026]其中，1、EMI濾波電路；2、單相整流濾波電路；3、單片機(jī)控制電路；4、驅(qū)動(dòng)放大電路；5、DC/DC變換電路。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0028]結(jié)合圖1?8，本實(shí)用新型的線圈類負(fù)載電壓暫降保護(hù)設(shè)備輸入端連接單相交流電源，輸出端與交流接觸器線圈端子相連；其包括EMI濾波電路1、單相整流濾波電路2、單片機(jī)控制電路3、驅(qū)動(dòng)放大電路4以及DC/DC變換電路5 ;其中，EMI濾波電路I的輸出端與單相整流濾波電路2相連；單相整流濾波電路2輸出端與DC/DC變換電路5相連；單片機(jī)控制電路3采樣輸入端與單相整流濾波電路2相連，單片機(jī)控制電路3輸出端與驅(qū)動(dòng)放大電路4的輸入端相連；驅(qū)動(dòng)放大電路4的輸出端與DC/DC變換電路5相連，驅(qū)動(dòng)放大電路4末級(jí)輸出端采用仙童半導(dǎo)體的MOS管作為其功率管。
[0029]EMI濾波電路包括L、N、L1、N1端口和濾波電感，L和N端口通過(guò)電容Cl連接，L和N端口通過(guò)濾波電感與LI和NI端口連接，LI和NI端口通過(guò)電容C2連接，電容C2與R并聯(lián)，LI端口與電容C3串聯(lián)接地，NI端口和C4串聯(lián)接地；
[0030]單相整流濾波電路包括L1、N1、U+、U-端口，LI端連接二極管Dl的陽(yáng)極，D3的陰極，NI端連接二極管D2的陽(yáng)極，D4的陰極，U+端連接Dl和D2的陰極，U-端連接D3和D4的陽(yáng)極，U+、U-端通過(guò)電容C5連接，通過(guò)電容C5實(shí)現(xiàn)濾波；
[0031]單片機(jī)控制電路的單片機(jī)型號(hào)為STM32F101RBT，單片機(jī)控制電路設(shè)有兩個(gè)電壓采樣輸入端Ul和U2，電壓采樣輸入端Ul串聯(lián)Rl、R2后接地，電壓采樣輸入端U2串聯(lián)R3、R4后接地，單片機(jī)包括ANO端口和ANl端口，Rl和R2之間連接ANO端口，R3和R4之間連接ANl端口，單片機(jī)還包括PWM信號(hào)輸出端口和AN2端口，單片機(jī)通過(guò)AN2端口與電阻R5串聯(lián)接地，同時(shí)單片機(jī)通過(guò)AN2端口采樣MOS管電流，單片機(jī)還包括PA7端口，單片機(jī)通過(guò)PA7端口接地，單片機(jī)還包括端口 1，單片機(jī)通過(guò)端口 I接3.3V電壓端，單片機(jī)還包括端口 2和端口 3，單片機(jī)的端口 2和端口 3分別與晶振連接；
[0032]驅(qū)動(dòng)放大電路包括PWM信號(hào)輸入端和PWMl信號(hào)輸出端，三極管Ql和三極管Q2的基極與PWM輸入端連接，三極管Ql的集電極連接12V電壓端，三極管Q2的發(fā)射極接地，電阻Rl兩端分別連接三極管Ql的基極和集電極，三極管Ql的發(fā)射極和三極管Q2的集電極連接并通過(guò)電阻R2與PWMl信號(hào)輸出端連接，電阻R2的一端分別與三極管Ql的發(fā)射極和三極管Q2的集電極連接，電阻R2的另一端分別與電阻R3的一端、二極管D6的陰極和PWMl連接，電阻R3的另一端和二極管D6的陽(yáng)極接地，PWMl信號(hào)輸出端連接二極管D6的陰極；
[0033]DC/DC變換電路包括U+、U_端和L2、N2輸出端，U+、U_端通過(guò)電容C6連接，二極管D5的陰極分別連接U+端和L2輸出端，二極管D5的陽(yáng)極分別連接N2輸出端和MOS管漏極，MOS管的源極連接電阻Rs的一端，MOS管的柵極連接PWMl端，電阻Rs的另一端連接U-端；
[0034]單相交流電源連接EMI濾波電路I的L和N輸入端口，EMI濾波電路I的L1、NI輸出端口與單相整流濾波電路2的L1、N1輸入端口連接，單相整流濾波電路2的U+、U-輸出端口與DC/DC變換電路5的U+、U-輸入端口連接；
[0035]單片機(jī)控制電路3兩個(gè)電壓采樣輸入端Ul和U2連接單相整流濾波電路2的電壓輸出端口，單片機(jī)通過(guò)ANO和ANl端口對(duì)輸入的電壓進(jìn)行采樣，單片機(jī)程序采用數(shù)字PI算法計(jì)算輸出PWM的占空比信號(hào)，單片機(jī)的PWM信號(hào)輸出端與驅(qū)動(dòng)放大電路PWM信號(hào)輸入端連接，驅(qū)動(dòng)放大電路的PWMl信號(hào)輸出端與MOS管的柵極連接，MOS管的源極連接電阻Rs，漏極分別連接二極管D5的正極和N2輸出端，接觸器線圈直接連在DC/DC變換電路的L2和N2輸出端上。
[0036]單片機(jī)控制電路3通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)放大電路4的MOS管Q的PWM占空比值來(lái)調(diào)節(jié)DC/DC變換電路5的輸出電流，從而保證接觸器線圈的電流保持在恒定的數(shù)值，使得接觸器在交流電壓不低于25%的額定電壓時(shí)能夠保持吸合。交流電網(wǎng)中的電壓(輸入電壓不低于25%時(shí))，通過(guò)本保護(hù)裝置，可以保證接觸器線圈的電流恒定，從而保證接觸器處于吸合狀態(tài)。
[0037]本實(shí)用新型具體實(shí)施方法如下:
[0038]接觸器線圈電流給定值的設(shè)定,通過(guò)預(yù)先確定交流接觸器的型號(hào),確定其交流條件下的保持功耗值(VA)，依據(jù)此數(shù)值來(lái)計(jì)算接觸器線圈的保持電流，即接觸器線圈電流給定值=保持功耗(VA)/220V，然后在單片機(jī)控制程序中設(shè)定此電流給定值，作為電流PI計(jì)算程序的給定值。
[0039]系統(tǒng)上電后，交流電經(jīng)HMI濾波電路1，單相整流濾波電路2濾波后得到高壓直流電，待單片機(jī)穩(wěn)定后，通過(guò)單片機(jī)的AD采樣單元來(lái)采集單相整流后濾波前的整流電壓(10Hz的正弦半波)，此電壓數(shù)值送到過(guò)零檢測(cè)子程序來(lái)計(jì)算，單片機(jī)找到交流輸入過(guò)零點(diǎn)，單片機(jī)給出PWM信號(hào)，延時(shí)60ms，PWM占空比值設(shè)定為100%，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大電路4放大后開(kāi)通MOS管，接觸器線圈得到高壓直流電而迅速吸合，60ms延時(shí)時(shí)間到，進(jìn)入電流PI計(jì)算環(huán)節(jié)。
[0040]電流PI計(jì)算環(huán)節(jié):
[0041]根據(jù)接觸器線圈設(shè)定的電流給定值，通過(guò)電流數(shù)字PI來(lái)計(jì)算單片機(jī)控制器輸出PWM占空比。當(dāng)單片機(jī)控制器檢測(cè)到交流電壓不低于25%的額定電壓時(shí)，通過(guò)電流數(shù)字PI來(lái)計(jì)算MOS管的PWM占空比，來(lái)保證流過(guò)線圈的電流恒定且足以維持線圈吸合而不釋放。
[0042]電流PI控制算法框圖如圖7所示，利用單片機(jī)AD模塊來(lái)連續(xù)采集k與k_l時(shí)刻接觸器線圈的電流值，然后與電流給定值做差比較得到電流誤差信號(hào)e (k)，e (k-Ι)，代入
(I)式來(lái)計(jì)算電流調(diào)節(jié)器輸出的變化量AUk),再利用(2)式來(lái)計(jì)算電流控制環(huán)節(jié)的輸出值i (k)，其中e(k)，e(k-l)分別是k、k-1時(shí)刻的電流誤差信號(hào)值，kp、ki分別表示比例系數(shù)、積分系數(shù)，其數(shù)值分別為1、2。根據(jù)數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的控制算法的差分方程，得到，
[0043]數(shù)字PI 調(diào)節(jié)器輸出的變化量:Di (k) = kp [e (k) _e (k-1) ] +^e (k) (I)
[0044]增量式數(shù)字PI調(diào)節(jié)器的輸出為:i (k) = i (k-1)+Di (k) (2)
[0045]電流控制環(huán)節(jié)的輸出值i (k)，是k時(shí)刻AD采樣以及電流數(shù)字PI調(diào)節(jié)器計(jì)算后單片機(jī)得到的一個(gè)數(shù)字量，數(shù)值范圍O?65536，單片機(jī)PWM主占空比寄存器是16位的，此數(shù)字量在比較后送到單片機(jī)內(nèi)部的PWM主占空比寄存器，來(lái)產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，進(jìn)一步來(lái)調(diào)節(jié)接觸器線圈的電流保持恒定，保證接觸器吸合。
[0046]在本實(shí)用新型中，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)定額定輸入電壓時(shí)保持電流給定值，單片機(jī)時(shí)刻檢測(cè)交流輸入電壓和接觸器線圈電流，通過(guò)數(shù)字PI計(jì)算，來(lái)調(diào)節(jié)MOS管的占空比，保持線圈電流恒定。當(dāng)交流輸入電壓下降時(shí)，線圈保持電流會(huì)下降，單片機(jī)主動(dòng)增加電流給定，通過(guò)數(shù)字PI計(jì)算，來(lái)增加MOS管的占空比，保證線圈保持電流恒定；當(dāng)交流輸入電壓上升時(shí)，線圈保持電流會(huì)增加，單片機(jī)主動(dòng)減小電流給定，通過(guò)數(shù)字PI計(jì)算，來(lái)減小MOS管的占空t匕，保證線圈保持電流恒定；故交流電壓在額定電壓25%?130%范圍變化時(shí)，接觸器主觸點(diǎn)保持吸合。
[0047]本實(shí)用新型保護(hù)設(shè)備不能多個(gè)并聯(lián)工作，其輸出端只能接在一個(gè)交流接觸器線圈上。
【權(quán)利要求】
1.一種線圈類負(fù)載電壓暫降保護(hù)設(shè)備，該設(shè)備輸入端連接單相交流電源，輸出端與交流接觸器線圈端子相連，其特征在于:包括EMI濾波電路、單相整流濾波電路、單片機(jī)控制電路、驅(qū)動(dòng)放大電路以及DC/DC變換電路；其中，所述EMI濾波電路的輸出端與所述單相整流濾波電路相連；所述單相整流濾波電路輸出端與所述DC/DC變換電路相連；所述單片機(jī)控制電路采樣輸入端與所述單相整流濾波電路相連，所述單片機(jī)控制電路輸出端與所述驅(qū)動(dòng)放大電路的輸入端相連；所述驅(qū)動(dòng)放大電路的輸出端與所述DC/DC變換電路相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線圈類負(fù)載電壓暫降保護(hù)設(shè)備，其特征在于:所述單片機(jī)控制電路的單片機(jī)型號(hào)為STM32F101RBT，單片機(jī)控制電路設(shè)有兩個(gè)電壓采樣輸入端Ul和U2，電壓采樣輸入端Ul串聯(lián)電阻R1、電阻R2后接地，電壓采樣輸入端U2串聯(lián)電阻R3、電阻R4后接地，單片機(jī)包括ANO端口和ANl端口，電阻Rl和電阻R2之間連接ANO端口，電阻R3和電阻R4之間連接ANl端口，單片機(jī)還包括PWM信號(hào)輸出端口和AN2端口，單片機(jī)通過(guò)AN2端口與電阻R5串聯(lián)接地，同時(shí)單片機(jī)通過(guò)AN2端口采集MOS管電流，單片機(jī)還包括PA7端口，單片機(jī)通過(guò)PA7端口接地，單片機(jī)還包括端口 1，單片機(jī)通過(guò)端口 I接3.3V電壓端，單片機(jī)還包括端口 2和端口 3，單片機(jī)的端口 2和端口 3分別與晶振連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線圈類負(fù)載電壓暫降保護(hù)設(shè)備，其特征在于:所述EMI濾波電路包括交流輸入端口 L和N，EMI濾波后輸出端口 LI和NI，以及濾波電感、電容和電阻，L和N端口通過(guò)電容Cl連接，L和N端口通過(guò)濾波電感與LI和NI端口連接，LI和NI端口通過(guò)電容C2連接，電容C2與電阻R并聯(lián)，LI端口與電容C3串聯(lián)接地，NI端口和電容C4串聯(lián)接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線圈類負(fù)載電壓暫降保護(hù)設(shè)備，其特征在于:所述單相整流濾波電路包括L1、N1、U+、U-端口，LI端連接二極管Dl的陽(yáng)極，二極管D3的陰極，NI端連接二極管D2的陽(yáng)極，二極管D4的陰極，U+端連接二極管Dl和二極管D2的陰極，U-端連接二極管D3和二極管D4的陽(yáng)極，U+、U-端通過(guò)電容C5連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線圈類負(fù)載電壓暫降保護(hù)設(shè)備，其特征在于:所述驅(qū)動(dòng)放大電路包括PWM信號(hào)輸入端和PWMl信號(hào)輸出端，三極管Ql和三極管Q2的基極與PWM輸入端連接，三極管Ql的集電極連接12V電壓端，三極管Q2的發(fā)射極接地，電阻Rl兩端分別連接三極管Ql的基極和集電極，三極管Ql的發(fā)射極和三極管Q2的集電極連接并通過(guò)電阻R2與PWMl信號(hào)輸出端連接，電阻R2的一端分別與三極管Ql的發(fā)射極和三極管Q2的集電極連接，電阻R2的另一端分別與電阻R3的一端、二極管D6的陰極和PWMl連接，電阻R3的另一端和穩(wěn)壓二極管D6的陽(yáng)極接地，PWMl信號(hào)輸出端連接穩(wěn)壓二極管D6的陰極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線圈類負(fù)載電壓暫降保護(hù)設(shè)備，其特征在于:所述DC/DC變換電路包括u+、u-端和L2、N2輸出端，u+、u-端通過(guò)電容C6連接，二極管D5的陰極分別連接U+端和L2輸出端，二極管D5的陽(yáng)極分別連接N2輸出端和MOS管的漏極，MOS管的源極連接電阻Rs的一端，MOS管的柵極連接PWMl端，電阻Rs的另一端連接U-端。
【文檔編號(hào)】H02M3/157GK204179946SQ201420407592
【公開(kāi)日】2015年2月25日 申請(qǐng)日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】陳文波 申請(qǐng)人:南京國(guó)臣信息自動(dòng)化技術(shù)有限公司