一种多绕组电磁机构接触器的软起动控制方法论文和设计-汤龙飞

全文摘要

本发明涉及一种多绕组电磁机构接触器的软起动控制方法。针对大容量接触器的多绕组电磁系统，配合PWM技术对每个绕组的电流进行闭环斩波控制；在起动过程中为避免涌流采用软起动控制方法，实现多绕组电磁机构的分时交错激磁，使每个时刻仅有一个绕组接入电源端，多个绕组依次轮流接入。本发明方法既可以获得较大的起动激磁安匝，同时也降低了接触器的起动涌流，提高了工作可靠性。

主设计要求

1.一种多绕组电磁机构接触器的软起动控制方法，其特征在于，提供一多绕组电磁系统，包括静铁心、N个绕制在所述静铁心上的绕组，每个绕组m匝，每个绕组的激励输入端口分别连接对应的电磁机构驱动电路，每一电磁机构驱动电路分别经相应的隔离驱动电路与一嵌入式控制系统连接，每个绕组还分别经相应的电流传感器与嵌入式控制系统连接，嵌入式控制系统通过电磁机构驱动电路的PWM控制来调节每个绕组的电流，进而控制等效总激磁安匝；所述电磁机构驱动电路包括第一电力电子开关、第二电力电子开关、第一二极管、第二二极管，第一电力电子开关一端与电源正极、第二二极管阴极连接，第一电力电子开关另一端与绕组的激励输入端口正极、第一二极管的阴极连接，第二电力电子开关的一端与第二二极管的阳极、绕组的激励输入端口负极连接，第二电力电子开关的另一端与第一二极管的阳极、电源负极连接，第一电力电子开关的控制端、第二电力电子开关的控制端分别与隔离驱动电路的第一输出端、第二输出端连接；该方法具体实现如下：多绕组电流闭环控制过程：交\/直流输入电源经整流滤波后变为平稳的直流电压，分别施加到N个电磁机构驱动电路上，而后N个电磁机构驱动电路输出的驱动电压分别通过N个绕组的激励输入端口施加到N个绕组上；嵌入式控制系统经由N个电流传感器分别检测到N个绕组的绕组电流，而后分别与参考电流进行比较计算得到误差信号，而后根据误差信号来调节输出至隔离驱动电路的PWM信号，PWM信号经隔离驱动电路隔离放大后，输出开关驱动信号至各电磁机构驱动电路，并最终控制施加在各绕组两端高频方波电压的导通周期数及占空比，从而实现多绕组的电流闭环控制；软起动控制过程：以多绕组电流闭环控制为基础，在起动过程中将参考电流设为起动电流值，在嵌入式控制系统中将起动电流值N等分后分别与N个绕组的绕组电流比较，计算得到误差信号，嵌入式控制系统一方面根据误差信号产生占空比及导通周期数可调的PWM信号，另一方面接受更高优先级的软起动控制逻辑程序的控制：软起动控制逻辑强行修改PWM信号，首先将经隔离驱动电路第二输出端输出的PWM信号设置为高电平，经隔离放大后输出以使得第二电力电子开关为常开状态；而后，将经隔离驱动电路第一输出端输出的PWM信号根据误差信号自动调节PWM的导通周期数及占空比，经隔离放大后输出以驱动第一电力电子开关。

设计方案

1.一种多绕组电磁机构接触器的软起动控制方法，其特征在于，提供一多绕组电磁系统，包括静铁心、N个绕制在所述静铁心上的绕组，每个绕组m<\/i>匝，每个绕组的激励输入端口分别连接对应的电磁机构驱动电路，每一电磁机构驱动电路分别经相应的隔离驱动电路与一嵌入式控制系统连接，每个绕组还分别经相应的电流传感器与嵌入式控制系统连接，嵌入式控制系统通过电磁机构驱动电路的PWM控制来调节每个绕组的电流，进而控制等效总激磁安匝；所述电磁机构驱动电路包括第一电力电子开关、第二电力电子开关、第一二极管、第二二极管，第一电力电子开关一端与电源正极、第二二极管阴极连接，第一电力电子开关另一端与绕组的激励输入端口正极、第一二极管的阴极连接，第二电力电子开关的一端与第二二极管的阳极、绕组的激励输入端口负极连接，第二电力电子开关的另一端与第一二极管的阳极、电源负极连接，第一电力电子开关的控制端、第二电力电子开关的控制端分别与隔离驱动电路的第一输出端、第二输出端连接；该方法具体实现如下：

多绕组电流闭环控制过程：交\/直流输入电源经整流滤波后变为平稳的直流电压，分别施加到N个电磁机构驱动电路上，而后N个电磁机构驱动电路输出的驱动电压分别通过N个绕组的激励输入端口施加到N个绕组上；嵌入式控制系统经由N个电流传感器分别检测到N个绕组的绕组电流，而后分别与参考电流进行比较计算得到误差信号，而后根据误差信号来调节输出至隔离驱动电路的PWM信号，PWM信号经隔离驱动电路隔离放大后，输出开关驱动信号至各电磁机构驱动电路，并最终控制施加在各绕组两端高频方波电压的导通周期数及占空比，从而实现多绕组的电流闭环控制；

软起动控制过程：以多绕组电流闭环控制为基础，在起动过程中将参考电流设为起动电流值，在嵌入式控制系统中将起动电流值N等分后分别与N个绕组的绕组电流比较，计算得到误差信号，嵌入式控制系统一方面根据误差信号产生占空比及导通周期数可调的PWM信号，另一方面接受更高优先级的软起动控制逻辑程序的控制：软起动控制逻辑强行修改PWM信号，首先将经隔离驱动电路第二输出端输出的PWM信号设置为高电平，经隔离放大后输出以使得第二电力电子开关为常开状态；而后，将经隔离驱动电路第一输出端输出的PWM信号根据误差信号自动调节PWM的导通周期数及占空比，经隔离放大后输出以驱动第一电力电子开关。

2.根据权利要求1所述的一种多绕组电磁机构接触器的软起动控制方法，其特征在于，所述软起动控制过程，是利用绕组电流上升及衰减的时差来进行N个绕组的分时交错激磁来实现的，具体实现如下：

令N=3，且起动电流值为i<\/i>_{s<\/sub>；嵌入式控制系统检测3个绕组的电流，当检测到任一绕组的电流<i<\/i>s<\/sub>\/3时，嵌入式控制系统根据误差信号，产生PWM驱动，使激磁电压施加到该绕组上，对绕组电流进行闭环控制，直至绕组电流>=i<\/i>s<\/sub>\/3，同时软起动控制逻辑将其他两个绕组的PWM信号强行修改为低电平，绕组电流进入续流衰减状态；之后继续检测3个绕组的电流，进行同样的控制过程，当检测到多个绕组电流同时<i<\/i>s<\/sub>\/3时，软起动控制逻辑按照绕组1>绕组2>绕组3的优先级顺序进行有选择性的激磁控制；在每个时刻仅有一个绕组从整流滤波回路中汲取功率，由于每个绕组的电流上升速度远大于电流下降速度，最终每个绕组都可以快速达到i<\/i>s<\/sub>\/3，之后在电流闭环及软起动控制逻辑作用下维持动态恒定，该方法避免了大容量多绕组电磁机构各绕组同时激磁产生的输入涌流，完成了软起动控制。}

设计说明书

技术领域

本发明涉及一种多绕组电磁机构接触器的软起动控制方法。

背景技术

国家推出振兴装备制造业政策以来，我国的矿山、冶金、起重等重型装备行业快速发展，装备制造能力得到大幅提升，而加工设备的大型化对配套电器产品的容量要求也越来越高，接触器作为工业生产中常用的低压控制电器，对其大容量产品的需求更是紧迫。大容量接触器多用在煤炭、矿业、冶金、变频、机车、船舶及新能源发电等重型装备领域中，控制着重要的大容量电路的频繁通断。在大容量接触器的设计中，触头通断容量的增大决定了触头初压力、终压力、开距及超程的增大，进而决定了反力特性的增大，因此大容量接触器需要配套的电磁机构能够产生足够大的起动安匝，进而产生足够的电磁吸力，以克服弹簧反力，实现接触器的通断操作。

本发明针对大容量接触器高起动安匝问题，提出了一种多绕组的电磁系统，配合PWM电流闭环控制技术，利用多绕组线圈的强电感作用达到线圈电流变换的作用。多绕组电磁系统每个绕组若同时激磁，会快速的建立激磁安匝，迅速产生足够的电磁吸力，但也会产生较大的激磁涌流，影响配电系统的可靠性。针对这一问题，提出了一种软起动控制方法：在大容量接触器的起动过程中，多绕组电磁机构的每个绕组分时交错激磁，即每个时刻仅有一个绕组接入电源端，多个绕组依次轮流接入，这一方法既可以获得较大的起动激磁安匝，同时也降低了接触器的起动涌流，提高了工作可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多绕组电磁机构接触器的软起动控制方法，针对大容量接触器的多绕组电磁系统，配合PWM技术对每个绕组的电流进行闭环斩波控制；在起动过程中为避免涌流采用软起动控制方法，实现多绕组电磁机构的分时交错激磁，使每个时刻仅有一个绕组接入电源端，多个绕组依次轮流接入，本发明方法既可以获得较大的起动激磁安匝，同时也降低了接触器的起动涌流，提高了工作可靠性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种多绕组电磁机构接触器的软起动控制方法，提供一多绕组电磁系统，包括静铁心、N个绕制在所述静铁心上的绕组，每个绕组m<\/i>匝，每个绕组的激励输入端口分别连接对应的电磁机构驱动电路，每一电磁机构驱动电路分别经相应的隔离驱动电路与一嵌入式控制系统连接，每个绕组还分别经相应的电流传感器与嵌入式控制系统连接，嵌入式控制系统通过电磁机构驱动电路的PWM控制来调节每个绕组的电流，进而控制等效总激磁安匝；所述电磁机构驱动电路包括第一电力电子开关、第二电力电子开关、第一二极管、第二二极管，第一电力电子开关一端与电源正极、第二二极管阴极连接，第一电力电子开关另一端与绕组的激励输入端口正极、第一二极管的阴极连接，第二电力电子开关的一端与第二二极管的阳极、绕组的激励输入端口负极，第二电力电子开关的另一端与第一二极管的阳极、电源负极连接，第一电力电子开关的控制端、第二电力电子开关的另一端分别与隔离驱动电路的第一输出端、第二输出端连接；该方法具体实现如下：

多绕组电流闭环控制过程：交\/直流输入电源经整流滤波后变为平稳的直流电压，分别施加到N个电磁机构驱动电路上，而后N个电磁机构驱动电路输出的驱动电压分别通过N个绕组的激励输入端口施加到N个绕组上；嵌入式控制系统经由N个电流传感器分别检测到N个绕组的绕组电流，而后分别与参考电流进行比较计算得到误差信号，而后根据误差信号来调节输出至隔离驱动电路的PWM信号，PWM信号经隔离驱动电路隔离放大后，输出开关驱动信号至各电磁机构驱动电路，并最终控制施加在各绕组两端高频方波电压的导通周期数及占空比，从而实现多绕组的电流闭环控制；

软起动控制过程：以多绕组电流闭环控制为基础，在起动过程中将参考电流设为起动电流值，在嵌入式控制系统中将起动电流值N等分后分别与N个绕组的绕组电流比较，计算得到误差信号，嵌入式控制系统一方面根据误差信号产生占空比及导通周期数可调的PWM信号，另一方面接受更高优先级的软起动控制逻辑程序的控制：软起动控制逻辑强行修改PWM信号，首先将经隔离驱动电路第二输出端输出的PWM信号设置为高电平，经隔离放大后输出以使得第二电力电子开关为常开状态；而后，将经隔离驱动电路第一输出端输出的PWM信号根据误差信号自动调节PWM的导通周期数及占空比，经隔离放大后输出以驱动第一电力电子开关。

以3绕组电磁机构为例，在本发明一实施例中，所述软起动控制过程，是利用绕组电流上升及衰减的时差来进行N个绕组的分时交错激磁来实现的，具体实现如下：

令N=3，且起动电流值为i<\/i>_{s<\/sub>；嵌入式控制系统检测3个绕组的电流，当检测到任一绕组的电流<i<\/i>s<\/sub>\/3时，嵌入式控制系统根据误差信号，产生PWM驱动，使激磁电压施加到该绕组上，对绕组电流进行闭环控制，直至绕组电流>=i<\/i>s<\/sub>\/3，同时软起动控制逻辑将其他两个绕组的PWM信号强行修改为低电平，绕组电流进入续流衰减状态；之后继续检测3个绕组的电流，进行同样的控制过程，当检测到多个绕组电流同时<i<\/i>s<\/sub>\/3时，软起动控制逻辑按照绕组1>绕组2>绕组3的优先级顺序进行有选择性的激磁控制；在每个时刻仅有一个绕组从整流滤波回路中汲取功率，由于每个绕组的电流上升速度远大于电流下降速度，最终每个绕组都可以快速达到i<\/i>s<\/sub>\/3，之后在电流闭环及软起动控制逻辑作用下维持动态恒定，该方法避免了大容量多绕组电磁机构各绕组同时激磁产生的输入涌流，完成了软起动控制。}

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明方法，针对大容量接触器的多绕组电磁系统，配合PWM技术对每个绕组的电流进行闭环斩波控制；在起动过程中为避免涌流采用软起动控制方法，实现多绕组电磁机构的分时交错激磁，使每个时刻仅有一个绕组接入电源端，多个绕组依次轮流接入，本发明方法既可以获得较大的起动激磁安匝，同时也降低了接触器的起动涌流，提高了工作可靠性。

附图说明

图1为本发明多绕组电磁机构接触器的软起动控制原理。

图2为本发明绕组1电流流通路径。

图3为本发明绕组分时交错激磁原理。

图4为本发明保持及分断时的电流流通路径。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种多绕组电磁机构接触器的软起动控制方法，提供一多绕组电磁系统，包括静铁心、N个绕制在所述静铁心上的绕组，每个绕组m<\/i>匝，每个绕组的激励输入端口分别连接对应的电磁机构驱动电路，每一电磁机构驱动电路分别经相应的隔离驱动电路与一嵌入式控制系统连接，每个绕组还分别经相应的电流传感器与嵌入式控制系统连接，嵌入式控制系统通过电磁机构驱动电路的斩波控制来调节每个绕组的电流，进而控制等效总激磁安匝；所述电磁机构驱动电路包括第一电力电子开关、第二电力电子开关、第一二极管、第二二极管，第一电力电子开关一端与电源正极、第二二极管阴极连接，第一电力电子开关另一端与绕组的激励输入端口正极、第一二极管的阴极连接，第二电力电子开关的一端与第二二极管的阳极、绕组的激励输入端口负极，第二电力电子开关的另一端与第一二极管的阳极、电源负极连接，第一电力电子开关的控制端、第二电力电子开关的另一端分别与隔离驱动电路的第一输出端、第二输出端连接；该方法具体实现如下：

多绕组电流闭环控制过程：交\/直流输入电源经整流滤波后变为平稳的直流电压，分别施加到N个电磁机构驱动电路上，而后N个电磁机构驱动电路输出的驱动电压分别通过N个绕组的激励输入端口施加到N个绕组上；嵌入式控制系统经由N个电流传感器分别检测到N个绕组的绕组电流，而后分别与参考电流进行比较计算得到误差信号，而后根据误差信号来调节输出至隔离驱动电路的PWM信号，PWM信号经隔离驱动电路隔离放大后，输出开关驱动信号至各电磁机构驱动电路，并最终控制施加在各绕组两端高频方波电压的导通周期数及占空比，从而实现多绕组的电流闭环控制；

软起动控制过程：以多绕组电流闭环控制为基础，在起动过程中将参考电流设为起动电流值，在嵌入式控制系统中将起动电流值N等分后分别与N个绕组的绕组电流比较，计算得到误差信号，嵌入式控制系统一方面根据误差信号产生占空比及导通周期数可调的PWM信号，另一方面接受更高优先级的软起动控制逻辑程序的控制：软起动控制逻辑强行修改PWM信号，首先将经隔离驱动电路第二输出端输出的PWM信号设置为高电平，经隔离放大后输出以使得第二电力电子开关为常开状态；而后，将经隔离驱动电路第一输出端输出的PWM信号根据误差信号自动调节PWM的导通周期数及占空比，经隔离放大后输出以驱动第一电力电子开关。

以下为本发明的具体实施实例。

本发明多绕组电磁机构接触器的软起动控制原理如下：

以3绕组电磁机构为例，多绕组电磁机构接触器的软起动控制原理如图1所示。

3绕组电磁系统：3个相同的绕组绕制在同一个静铁心上，铁心可以为U型、E型、螺管式等常见结构，与目前主流的接触器动、静铁心兼容。3个绕组共用导磁回路，每个绕组m<\/i>匝，每个绕组的激励输入端口分别连接对应的电磁机构驱动电路，通过驱动电路的斩波控制来灵活调节每个绕组的电流，进而控制等效总激磁安匝。多绕组电磁系统的每个绕组及其配套的电磁机构驱动电路完全一致，方便设计模块化附件，进行绕组个数的扩展。

3绕组电流闭环原理：交\/直流输入电源经整流滤波后变为较平稳的直流电压，经IN+及IN-节点输出，分别施加到电磁机构驱动电路1、2及3上，驱动电路中的S<\/i>_{1<\/sub>、S<\/i>2<\/sub>、S<\/i>3<\/sub>、S<\/i>4<\/sub>、S<\/i>5<\/sub>、S<\/i>6<\/sub>为电力电子开关；D<\/i>1<\/sub>、D<\/i>2<\/sub>、D<\/i>3<\/sub>、D<\/i>4<\/sub>、D<\/i>5<\/sub>、D<\/i>6<\/sub>为快恢复二极管，共同组成3个相同的斩波控制电路，驱动电压分别从OUT1+及OUT1-节点输出，并施加到绕组1，从OUT2+及OUT2-节点输出，并施加到绕组2，从OUT3+及OUT3-节点输出，并施加到绕组3，电流传感器1用于检测绕组1的电流，电流传感器2用于检测绕组2的电流，电流传感器3用于检测绕组3的电流。采用嵌入式控制芯片来实现电流闭环控制方案，多路ADC通道检测到的绕组电流i<\/i>coil1<\/sub>、i<\/i>coil2<\/sub>、i<\/i>coil3<\/sub>与参考电流i<\/i>ref<\/sub>比较，经多路数字PID电流闭环计算后，输出误差信号i<\/i>error1<\/sub>、i<\/i>error2<\/sub>、i<\/i>error3<\/sub>，多路PWM控制器根据i<\/i>error1<\/sub>、i<\/i>error2<\/sub>、i<\/i>error3<\/sub>来调节6路PWM信号的导通周期数及占空比；芯片输出的PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6信号经隔离驱动电路1、2及3的隔离放大后，输出开关驱动信号S<\/i>D1<\/sub>、S<\/i>D2<\/sub>、S<\/i>D3<\/sub>、S<\/i>D4<\/sub>、S<\/i>D5<\/sub>及S<\/i>D6<\/sub>，作用于电磁机构驱动电路1、2、3，并最终控制施加在绕组1、2、3两端高频方波电压的导通周期数及占空比，从而实现3绕组的电流闭环控制。}

软起动控制原理：以3绕组电流闭环控制为基础，在起动过程中将参考电流i<\/i>_{ref<\/sub>设为起动电流值i<\/i>s<\/sub>，在嵌入式控制系统中将i<\/i>s<\/sub>三等分后（即i<\/i>s<\/sub>\/3）分别与i<\/i>coil1<\/sub>、i<\/i>coil2<\/sub>、i<\/i>coil3<\/sub>比较，并经多路数字PID电流闭环控制器产生误差信号i<\/i>error1<\/sub>、i<\/i>error2<\/sub>、i<\/i>error3<\/sub>，误差信号送入多路PWM控制器，PWM控制器一方面根据误差信号产生占空比及导通周期数可调的PWM信号，另一方面接受更高优先级的软起动控制逻辑程序的控制：软起动控制逻辑强行修改PWM信号，首先将PWM2、PWM4、PWM6设置为高电平，经隔离后输出S<\/i>D2<\/sub>、S<\/i>D4<\/sub>、S<\/i>D6<\/sub>，驱动开关S<\/i>2<\/sub>、S<\/i>4<\/sub>、S<\/i>6<\/sub>为常开状态；PWM1、PWM3、PWM5根据各绕组数字电流闭环输出的误差信号自动调节PWM的导通周期数及占空比，经隔离后输出S<\/i>D1<\/sub>、S<\/i>D3<\/sub>、S<\/i>D5<\/sub>，驱动开关S<\/i>1<\/sub>、S<\/i>3<\/sub>、S<\/i>5<\/sub>。}

以绕组1为例，其电流流通路径如图2所示：当S<\/i>_{1<\/sub>打开时整流滤波后的正向电压IN+施加在绕组1两端，可使绕组电流迅速上升，电流沿路径1流动，当S<\/i>1<\/sub>关闭时，绕组电流通过D<\/i>1<\/sub>、S<\/i>2<\/sub>续流衰减，电流沿路径2流动，此时绕组端电压为负的D<\/i>1<\/sub>、S<\/i>2<\/sub>续流管压降，与绕组电流的上升速度相比，电流衰减的速度较慢，通过PWM信号来动态控制绕组电流的上升及下降，从而动态调节绕组1的电流值，绕组2及绕组3的电流控制方法与绕组1相同。}

利用绕组电流上升及衰减的时差来进行3绕组的分时交错激磁：嵌入式芯片检测3个绕组的电流，当检测到任一绕组的电流<i<\/i>_{s<\/sub>\/3时，多路PWM控制器根据误差信号，产生PWM驱动，使激磁电压施加到该绕组上，对绕组电流进行闭环控制，直至绕组电流>=i<\/i>s<\/sub>\/3，同时软起动控制逻辑将其他两个绕组的PWM信号强行修改为低电平，绕组电流进入续流衰减状态；之后继续检测3个绕组的电流，进行同样的控制过程，当检测到多个绕组电流同时<i<\/i>s<\/sub>\/3时，软起动控制逻辑按照绕组1>绕组2>绕组3的优先级顺序进行有选择性的激磁控制；图3为绕组1激磁，绕组2及绕组3强迫续流的分时交错激磁原理图，通过分时交错激磁，在每个时刻仅有一个绕组从整流滤波回路中汲取功率，由于每个绕组的电流上升速度远大于电流下降速度，最终每个绕组都可以快速达到i<\/i>s<\/sub>\/3，之后在电流闭环及软起动控制逻辑作用下维持动态恒定，该方法避免了大容量多绕组电磁机构各绕组同时激磁产生的输入涌流，完成了软起动控制。}

保持及分断过程控制：接触器起动过程结束后转入小电流闭环保持过程，参考电流i<\/i>_{ref<\/sub>设为保持电流值i<\/i>m<\/sub>，在嵌入式控制系统中将i<\/i>m<\/sub>三等分（即i<\/i>m<\/sub>\/3），起动控制逻辑不起作用，PWM控制器配置为冗余输出模式，PWM1、PWM2、PWM3、PWM4、PWM5、PWM6的电平状态同步变化，在此种配置模式下，每个电磁机构驱动电路的两个开关状态完全一致，如图4所示：当两个开关管同时导通时，整流滤波后的正向电压IN+施加在绕组两端，绕组电流沿着路径1流通，可快速上升，当两个开关管同时关闭时，由于绕组感性电流的连续性，电流沿着路径2续流，导致整流滤波后的负向电压-IN+施加在绕组两端，迫使绕组电流快速下降，每个绕组的采样电流与i<\/i>m<\/sub>\/3对比，通过电流闭环控制，使绕组电流动态恒定，接触器稳定保持。当需要分断接触器时，参考电流i<\/i>ref<\/sub>设为0，每个电磁机构驱动电路中的开关全部关闭，绕组电流沿着路径2续流，并在负压的作用下迅速下降到0，完成退磁过程，接触器快速分断。}

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

设计图