一种电磁接触器的集成化智能闭环控制方法技术

本发明专利技术提出一种电磁接触器的集成化智能闭环控制方法，包括集成式驱动电路和嵌入式控制系统，以含集成电源芯片的集成式驱动电路对电磁接触器进行驱动控制；集成电源芯片以可精确实时提供下管源漏极电流信息的SenseFET传感来替代外部电流检测电路；嵌入式控制系统包括系统MCU，通过ADC模块采集线圈电压u

【技术实现步骤摘要】
一种电磁接触器的集成化智能闭环控制方法


[0001]本专利技术涉及开关电器智能控制
，尤其是一种电磁接触器的集成化智能闭环控制方法。

技术介绍

[0002]接触器是一种适用于远距离频繁接通和分断交直流主电路及大容量控制电路的控制电器。传统电磁接触器在低压电气系统中被广泛应用，制造技术和应用市场非常成熟。但在其运行过程中通常会产生较大的噪声，且线圈需长时间通电来保持吸持状态，会导致线圈温度升高，且长时间工作时能耗较高。
[0003]目前电磁接触器智能控制方案大多采用分立元件实现，驱动电路硬件拓扑结构多以MOS管组成的非对称半桥电路为主，且开关管需要多路辅助电源进行驱动。线圈激磁的控制方式大多以PWM电流闭环为主，对线圈电流进行直接闭环控制虽具有自然限流、安全可靠等优点。但电流闭环控制下的电磁机构属于恒磁势系统，无法根据磁路电感(动静铁心间气隙)的变化来自动调节起动电流，完成优化控制；难以实现起动能量的最小化，并进行起动到保持的自然过渡；保持过程由于高频励磁方波占空比的闭环调节，会产生刺耳的音频噪声；另外，线圈电压、电流需要配备传感器进行信号检测，用作反馈信号送入嵌入式芯片，方能完成闭环控制，整个方案的电路结构复杂，元器件众多，硬件成本高，可靠性低，制约着电磁接触器的智能化发展。
[0004]本专利技术提出了一种电磁接触器的集成化控制电路方案，解决了传统电路分立元件数量众多的缺陷，提高智能接触器的运行可靠性。在此基础上，采用磁链闭环对接触器的起动过程进行优化控制，抑制合闸弹跳，并进行起动到保持过程的自然过渡。保持过程采用噪声自适应抑制策略，使保持噪声的频谱分布相对稳定，便于对人耳可听噪声进行抑制。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种电磁接触器的集成化智能闭环控制方法，针对电磁接触器智能控制模块运行可靠性差以及成本高等缺陷，提出了一种集成化智能控制方案。将集成电源芯片运用到电磁接触器的驱动控制中，提高控制电路的集成度，从而使智能接触器的整体可靠性得到提高，硬件成本得以降低。集成芯片内部FREDFET开关管采用动态自供电方式驱动，克服传统驱动方案需要辅助电源的缺陷；同时芯片集成SenseFET传感，可提供精确实时的下管源漏极电流信息，无需构建外部电流检测电路，进一步简化了硬件电路。在此基础上设计磁链闭环控制策略，在接触器起动过程中采用恒磁链闭环控制，实现起动操作功最小化及弹跳抑制；在保持过程中采用噪声自适应抑制策略，使保持噪声频谱有效移出人耳可听范围；分闸过程采用负压快速退磁，以提高分闸速度，进而优化电磁接触器的性能。
[0006]本专利技术采用以下技术方案。
[0007]一种电磁接触器的集成化智能闭环控制方法，所述方法包括集成式驱动电路和嵌入式控制系统，以含集成电源芯片的集成式驱动电路对电磁接触器进行驱动控制；所述集
成电源芯片内部FREDFET开关管采用动态自供电方式驱动，集成电源芯片以可精确实时提供下管源漏极电流信息的SenseFET传感来替代外部电流检测电路；
[0008]嵌入式控制系统包括系统MCU，通过ADC模块采集线圈电压u
coil
、电流i
coil
，并通过积分运算转换为磁路磁链，用于起动阶段恒磁链闭环控制；并通过定时器模块进行电磁接触器的过程控制以用于接触器定时分断，还通过PWM输出模块控制集成电源芯片的集成半桥芯片U1、U2内部开关管，进而控制接触器线圈两端的激磁电压状态。
[0009]所述集成式驱动电路中，用于将交流输入电压整流为直流的电路包括整流桥B1、滤波电容C1，HV+、HV
‑
分别为整流滤波后的直流输入电压正极性端和负极性端，分别接到集成半桥芯片U1、U2的HD和LS引脚，用于驱动集成式驱动电路；
[0010]集成式驱动电路通过降压模块将HV+和HV
‑
两端电压转换为3.3V，用于嵌入式控制系统供电；
[0011]U1、U2两片芯片内部的四个FREDFET开关管S1、S2、S3、S4组成全桥驱动电路，驱动电磁接触器线圈；C2、C4和C3、C5分别为U1和U2内部集成开关管的自偏置电容，通过BPH、BPL引脚为内部上、下管提供动态自供电电压；R2、R3分别为U1和U2集成芯片的下管限流电阻，通过XL引脚为U1、U2芯片提供可硬件调节的自锁限流阈值；R1、R4为电流检测电阻，通过IPH引脚分别检测输出流经U1、U2下管源漏极通道的电流；R5、R6组成电阻分压电路，通过电压计算模块将电容C1两端电压转换为接触器线圈Coil1两端的电压；INH、INL分别为集成半桥芯片U1、U2的栅极逻辑控制输入引脚，分别连接嵌入式控制系统的PWM1～PWM4，用于控制内部集成开关管状态，其中INH低电平有效，INL高电平有效；
[0012]PWM1～PWM4与集成半桥芯片内部开关管的具体连接方式如下：PWM1、PWM2分别连接U1内部开关管S1、S2，PWM3、PWM4分别连接U2内部开关管S3、S4。其中上管S1、S3为PWM信号低电平导通、高电平关断；下管S2、S4为PWM信号高电平导通、低电平关断。
[0013]所述控制方法中，根据加在电磁接触器线圈两端的电压极性定义以下三种电路状态；
[0014]当S1、S4同时导通，S2、S3互补关断时，正向电压施加在线圈两端，使线圈电流快速上升，定义此电路状态为+1态；
[0015]当仅有S4导通且正向线圈电流通过D2及S4续流时，线圈端电压接近0V，使线圈电流缓慢下降，定义此时电路状态为0态；
[0016]当S1、S2、S3、S4同时关断且线圈电流经二极管D2、D3续流时，负向线圈电压施加在线圈两端，使线圈电流快速下降，定义此电路状态为
‑
1态；
[0017]电路状态对应线圈电流及磁链的变化关系如下述表1的电路状态选择表所示，
[0018]表1电路状态选择表
[0019]电路状态A开关管状态(S1～S4)磁链及电流变化+1态+1(1，0，0，1)
↑↑
0态0(0，0，0，1)
↓‑
1态
‑
1(0，0，0，0)
↓↓
。
[0020]集成半桥芯片U1、U2为BRD1267C集成半桥芯片或其他BridgeSwitch系列芯片。
[0021]当集成半桥芯片U1、U2使用BRD1267C集成半桥芯片时，其各引脚功能如下：
[0022]HD引脚：与芯片内部集成的上管FREDFET漏极进行电气连接，同时也是内部上下管FREDFET自供电电路的输入端，与整流滤波后的直流输入电压HV+端相连；
[0023]BPH引脚：此引脚连接U1、U2的上管FREDFET栅极驱动器的旁路电容C2、C4，为上管工作提供自供电电压；
[0024]BPL引脚：此引脚连接U1、U2的下管FREDFET栅极驱动器的旁路电容C3、C5，为下管工作提供自供电电压；
[0025]INH引脚：此本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电磁接触器的集成化智能闭环控制方法，其特征在于：所述方法包括集成式驱动电路和嵌入式控制系统，以含集成电源芯片的集成式驱动电路对电磁接触器进行驱动控制；所述集成电源芯片内部FREDFET开关管采用动态自供电方式驱动，集成电源芯片以可精确实时提供下管源漏极电流信息的SenseFET传感来替代外部电流检测电路；嵌入式控制系统包括系统MCU，通过ADC模块采集线圈电压u
coil
、电流i
coil
，并通过积分运算转换为磁路磁链，用于起动阶段恒磁链闭环控制；并通过定时器模块进行电磁接触器的过程控制以用于接触器定时分断，还通过PWM输出模块控制集成电源芯片的集成半桥芯片U1、U2内部开关管，进而控制接触器线圈两端的激磁电压状态。2.根据权利要求1所述的一种电磁接触器的集成化智能闭环控制方法，其特征在于：所述集成式驱动电路中，用于将交流输入电压整流为直流的电路包括整流桥B1、滤波电容C1，HV+、HV
‑
分别为整流滤波后的直流输入电压正极性端和负极性端，分别接到集成半桥芯片U1、U2的HD和LS引脚，用于驱动集成式驱动电路；集成式驱动电路通过降压模块将HV+和HV
‑
两端电压转换为3.3V，用于嵌入式控制系统供电；U1、U2两片芯片内部的四个FREDFET开关管S1、S2、S3、S4组成全桥驱动电路，驱动电磁接触器线圈；C2、C4和C3、C5分别为U1和U2内部集成开关管的自偏置电容，通过BPH、BPL引脚为内部上、下管提供动态自供电电压；R2、R3分别为U1和U2集成芯片的下管限流电阻，通过XL引脚为U1、U2芯片提供可硬件调节的自锁限流阈值；R1、R4为电流检测电阻，通过IPH引脚分别检测输出流经U1、U2下管源漏极通道的电流；R5、R6组成电阻分压电路，通过电压计算模块将电容C1两端电压转换为接触器线圈Coil1两端的电压；INH、INL分别为集成半桥芯片U1、U2的栅极逻辑控制输入引脚，分别连接嵌入式控制系统的PWM1～PWM4，用于控制内部集成开关管状态，其中INH低电平有效，INL高电平有效；PWM1～PWM4与集成半桥芯片内部开关管的具体连接方式如下：PWM1、PWM2分别连接U1内部开关管S1、S2，PWM3、PWM4分别连接U2内部开关管S3、S4。其中上管S1、S3为PWM信号低电平导通、高电平关断；下管S2、S4为PWM信号高电平导通、低电平关断。3.根据权利要求2所述的一种电磁接触器的集成化智能闭环控制方法，其特征在于：所述控制方法中，根据加在电磁接触器线圈两端的电压极性定义以下三种电路状态；当S1、S4同时导通，S2、S3互补关断时，正向电压施加在线圈两端，使线圈电流快速上升，定义此电路状态为+1态；当仅有S4导通且正向线圈电流通过D2及S4续流时，线圈端电压接近0V，使线圈电流缓慢下降，定义此时电路状态为0态；当S1、S2、S3、S4同时关断且线圈电流经二极管D2、D3续流时，负向线圈电压施加在线圈两端，使线圈电流快速下降，定义此电路状态为
‑
1态；电路状态对应线圈电流及磁链的变化关系如下述表1的电路状态选择表所示，表1电路状态选择表
电路状态A开关管状态(S1～S4)磁链及电流变化+1态+1(1，0，0，1)
↑↑
0态0(0，0，0，1)
↓‑
1态
‑
1(0，0，0，0)
↓↓
。
4.根据权利要求3所述的一种电磁接触器的集成化智能闭环控制方法，其特征在于：集成半桥芯片U1、U2为BRD1267C集成半桥芯片或其他BridgeSwitch系列芯片。5.根据权利要求3所述的一种电磁接触器的集成化智能闭环控制方法，其特征在于：当集成半桥芯片U1、U2使用BRD1267C集成半桥芯片时，其各引脚功能如下：HD引脚：与芯片内部集成的上管FREDFET漏极进行电气连接，同时也是内部上下管FREDFET自供电电路的输入端，与整流滤波后的直流输入电压HV+端相连；BPH引脚：此引脚连接U1、U2的上管FREDFET栅极驱动器的旁路电容C2、C4，为上管工作提供自供电电压；BPL引脚：此引脚连接U1、U2的下管FREDFET栅极驱动器的旁路电容C3、C5，为下管工作提供自供电电压；INH引脚：此引脚为上管FREDFET栅极驱动控制输入端，连接到系统MCU PWM1(U1)、PWM3(U2)输出引脚；INL引脚：此引脚为下管FREDFET栅极驱动控制输入端，连接到系统MCU PWM2(U1)、PWM4(U2)输出引脚；IPH引脚：此引脚通过小信号电阻R1、R4接地，分别提供U1、U2下管FREDFET源漏极通道电流信息；XL引脚：此引脚通过电阻R2、R3接地，用于设置U1、U2下管FREDFET的硬件自锁限流阈值；LS引脚：此引脚与芯片内部集成的下管FREDFET源极进行电气连接；HB引脚：此引脚连接上管FREDFET的源极和下管FREDFET的漏极，连接接触器线圈两端。6.根据权利要求5所述的一种电磁接触器的集成化智能闭环控制方法，其特征在于：所述电磁接触器起动阶段中，采用恒磁链方式，根据下述公式一构建线圈电压计算模块，将滤波电容C1两端电压u
C1
转换为接触器线圈端电压u
coil
：式中：u
coil
为线圈端电压，A表示线圈端电压极性，R5、R6为分压电阻阻值，ΔT为PWM周期，T
on
为开关导通时间；根据下述公式二构建电流计算模块，将U2的IPH引脚输出电流i
sense
转换为接触器线圈电流i
coil
：i
coil
＝i
sense
*g
ꢀꢀ
公式二；式中：i
coil
为线圈电流值,i
sense
为U2的IPH引脚输出电流。g为增益系数，与R4的阻值相关；之后按照下述公式三构建磁链积分计算模块，将线圈电压、电流结合电阻转换...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤龙飞，郑兴新，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：