一種線圈類負載電壓暫降保護設備的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種線圈類負載電壓暫降保護設備，該設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、單片機控制電路、驅動放大電路以及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；所述單片機控制電路采樣輸入端與所述單相整流濾波電路相連，輸出端與所述驅動放大電路的輸入端相連；驅動放大電路的輸出端與所述DC/DC變換電路相連。本發明保護設備將所有功能模塊集成在一個電路板上，具有體積小、重量輕、集成化高的優點，本發明的輸出端直接連接在交流接觸器線圈上，安裝方便。
【專利說明】一種線圈類負載電壓暫降保護設備
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種接觸器控制系統，具體涉及一種應用于線圈類負載的接觸器線圈 電壓暫降保護設備。
【背景技術】
[0002] 電磁式交流接觸器是一種應用廣泛的產品，可以用來接通或分斷帶負載的交流主 電路或大容量的控制電路。在廠用交流電網發生電壓暫降時，電磁式接觸器線圈的會出現 欠壓或失壓脫扣動作而引起接觸器主觸點釋放。因此，為了防止接觸器線圈在發生電壓暫 降時造成其主觸點釋放，目前采取的措施有以下幾點：
[0003] 1應用斷電延時繼電器、電機再啟動器；
[0004] 2采用儲能延時元件；
[0005] 3應用延時鎖扣頭裝置；
[0006] 4采用雙電源供電；
[0007] 5采用UPS進行系統保護；
[0008] 但是，將以上設備安裝在接觸器線圈上存在著可靠性低，線路復雜，成本高的缺 點，因此一種可靠性高、線路簡單、成本低的線圈類負載電壓暫降保護設備的開發很有必 要。
【發明內容】
[0009] 發明目的：本發明所要解決的技術問題是提供一種可靠性高、線路簡單、成本低的 線圈類負載電壓暫降保護設備，將該保護設備安裝在接觸器線圈上，安裝方便，集成化高。
[0010] 為解決上述技術問題，本發明所采用的技術手段為：
[0011] -種線圈類負載電壓暫降保護設備，該設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、單片機控制電路、驅動 放大電路以及DC/DC變換電路；其中，所述HMI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，所述單片機控制電路輸出端與所述驅動放大電路 的輸入端相連；所述驅動放大電路的輸出端與所述DC/DC變換電路相連。
[0012] 其中，所述單片機控制電路的單片機型號為STM32F101RBT，單片機控制電路設有 兩個電壓采樣輸入端U1和U2,電壓采樣輸入端U1串聯Rl、R2后接地，電壓采樣輸入端U2 串聯R3、R4后接地，單片機包括ΑΝ0端口和AN1端口，R1和R2之間連接ΑΝ0端口，R3和R4 之間連接AN1端口，單片機還包括PWM信號輸出端口和AN2端口，單片機通過AN2端口與電 阻R5串聯接地，同時單片機通過AN2端口采集M0S管電流，單片機還包括PA7端口，單片機 通過PA7端口接地，單片機還包括端口 1，單片機通過端口 1接3. 3V電壓端，單片機還包括 端口 2和端口 3,單片機的端口 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L和N，EMI濾波后的輸出L1和N1，濾波電 感、電容和電阻，L和N端口通過電容Cl連接，L和N端口通過濾波電感與L1和N1端口連 接，L1和N1端口通過電容C2連接，電容C2與R并聯，L1端口與電容C3串聯接地，N1端口 和C4串聯接地。
[0014] 其中，所述單相整流濾波電路包括LI、Nl、U+、U-端口，L1端連接二極管D1的陽 極，D3的陰極，N1端連接二極管D2的陽極，D4的陰極，U+端連接D1和D2的陰極，U-端連 接D3和D4的陽極，U+、U-端通過電容C5連接。
[0015] 其中，所述驅動放大電路包括PWM信號輸入端和PWM1信號輸出端，三極管Q1和三 極管Q2的基極與PWM輸入端連接，三極管Q1的集電極連接12V電壓端，三極管Q2的發射 極接地，電阻R1兩端分別連接三極管Q1的基極和集電極，三極管Q1的發射極和三極管Q2 的集電極連接并通過電阻R2與PWM1信號輸出端連接，電阻R2的一端分別與三極管Q1的 發射極和三極管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PWM1連接，電阻R3的另一端和穩壓二極管D6的陽極接地，PWM1信號輸出端連接穩壓 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的陽極分別連接N2輸出端 和M0S管的漏極，M0S管的源極連接電阻R s的一端，M0S管的柵極連接PWM1端，電阻Rs的 另一端連接U-端。
[0017] 有益效果：相比于現有技術，本發明保護設備將所有功能模塊集成在一個電路板 上，且各個模塊的電路設計簡單合理，設備外輸入的交流電經EMI濾波電路和單相整流濾 波電路后能得到高壓直流電，驅動放大電路采用合理的電路布局能夠將單片機控制電路的 輸出功率放大到所需值，另外，本發明的保護設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】
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明線圈類負載電壓暫降保護設備的結構示意圖；
[0019] 圖2為單片機控制電路圖；
[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為驅動放大電路圖；
[0023] 圖6為DC/DC變換電路的拓撲結構圖；
[0024] 圖7為電流PI控制算法框圖；
[0025] 圖8為本發明保護設備中單片機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、單片機控制電路；4、驅動放大電 路；5、DC/DC變換電路。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合實施例和附圖對本發明進行進一步的說明。
[0028] 結合圖1?8,本發明的線圈類負載電壓暫降保護設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、單片機控 制電路3、驅動放大電路4以及DC/DC變換電路5 ;其中，EMI濾波電路1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，單片機控制電路3輸出端與驅動放大電路4的輸 入端相連；驅動放大電路4的輸出端與DC/DC變換電路5相連，驅動放大電路4末級輸出端 采用仙童半導體的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端口通過電容C1連接，L和 N端口通過濾波電感與L1和N1端口連接，L1和N1端口通過電容C2連接，電容C2與R并 聯，L1端口與電容C3串聯接地，N1端口和C4串聯接地；
[0030] 單相整流濾波電路包括LI、Nl、U+、U-端口，L1端連接二極管D1的陽極，D3的陰 極，N1端連接二極管D2的陽極，D4的陰極，U+端連接D1和D2的陰極，U-端連接D3和D4 的陽極，U+、U-端通過電容C5連接，通過電容C5實現濾波；
[0031] 單片機控制電路的單片機型號為STM32F101RBT，單片機控制電路設有兩個電壓采 樣輸入端U1和U2,電壓采樣輸入端U1串聯Rl、R2后接地，電壓采樣輸入端U2串聯R3、R4 后接地，單片機包括ΑΝ0端口和AN1端口，R1和R2之間連接ΑΝ0端口，R3和R4之間連接 AN1端口，單片機還包括PWM信號輸出端口和AN2端口，單片機通過AN2端口與電阻R5串聯 接地，同時單片機通過AN2端口采樣M0S管電流，單片機還包括PA7端口，單片機通過PA7 端口接地，單片機還包括端口 1，單片機通過端口 1接3. 3V電壓端，單片機還包括端口 2和 端口 3,單片機的端口 2和端口 3分別與晶振連接；
[0032] 驅動放大電路包括PWM信號輸入端和PWM1信號輸出端，三極管Q1和三極管Q2的 基極與PWM輸入端連接，三極管Q1的集電極連接12V電壓端，三極管Q2的發射極接地，電 阻R1兩端分別連接三極管Q1的基極和集電極，三極管Q1的發射極和三極管Q2的集電極 連接并通過電阻R2與PWM1信號輸出端連接，電阻R2的一端分別與三極管Q1的發射極和 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PWM1 連接，電阻R3的另一端和二極管D6的陽極接地，PWM1信號輸出端連接二極管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的陽極分別連接N2輸出端和M0S管漏極， M0S管的源極連接電阻Rs的一端，M0S管的柵極連接PWM1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1的L和N輸入端口，EMI濾波電路1的LI、N1 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] 單片機控制電路3兩個電壓采樣輸入端U1和U2連接單相整流濾波電路2的電壓 輸出端口，單片機通過ΑΝ0和AN1端口對輸入的電壓進行采樣，單片機程序采用數字PI算 法計算輸出PWM的占空比信號，單片機的PWM信號輸出端與驅動放大電路PWM信號輸入端 連接，驅動放大電路的PWM1信號輸出端與M0S管的柵極連接，M0S管的源極連接電阻R s，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] 單片機控制電路3通過改變驅動放大電路4的M0S管Q的PWM占空比值來調節 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值，使得接觸器 在交流電壓不低于25%的額定電壓時能夠保持吸合。交流電網中的電壓（輸入電壓不低 于25 %時），通過本保護裝置，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。
[0037] 本發明具體實施方法如下：
[0038] 接觸器線圈電流給定值的設定，通過預先確定交流接觸器的型號，確定其交流條 件下的保持功耗值（VA)，依據此數值來計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，然后在單片機控制程序中設定此電流給定值，作為電流PI計 算程序的給定值。
[0039] 系統上電后，交流電經EMI濾波電路1，單相整流電路2濾波后得到高壓直流電，待 單片機穩定后，通過單片機的AD采樣單元來采集單相整流后濾波前的整流電壓（100Hz的 正弦半波），此電壓數值送到過零檢測子程序來計算，單片機找到交流輸入過零點，單片機 給出PWM信號，延時60ms，PWM占空比值設定為100 %，經過驅動放大電路4放大后開通M0S 管，接觸器線圈得到高壓直流電而迅速吸合，60ms延時時間到，進入電流PI計算環節。
[0040] 電流PI計算環節：
[0041] 根據接觸器線圈設定的電流給定值，通過電流數字PI來計算單片機控制器輸出 PWM占空比。當單片機控制器檢測到交流電壓不低于25%的額定電壓時，通過電流數字PI 來計算M0S管的PWM占空比，來保證流過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AD模塊來連續采集k與k-Ι時刻 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e (k)，e (k-Ι)，代入 (1)式來計算電流調節器輸出的變化量再利用（2)式來計算電流控制環節的輸出 值i (k)，其中e (k)，e (k-Ι)分別是k、k-Ι時刻的電流誤差信號值，kp、ki分別表示比例系 數、積分系數，其數值分別為1、2。根據數字PI調節器的控制算法的差分方程，得到，
[0043] 數字 PI 調節器輸出的變化量：Λ i (k) = kp [e (k) -e (k-1) ] +kie (k) (1)，
[0044] 增量式數字PI調節器的輸出為：i(k) = i(k_l) + Ai(k) (2)，
[0045] 電流控制環節的輸出值i (k)，是k時刻AD采樣以及電流數字PI調節器計算后單 片機得到的一個數字量，數值范圍〇?65536,單片機PWM主占空比寄存器是16位的，此數 字量在比較后送到單片機內部的PWM主占空比寄存器，來產生PWM控制信號，進一步來調節 接觸器線圈的電流保持恒定，保證接觸器吸合。
[0046] 在本發明中，通過撥碼開關設定額定輸入電壓時保持電流給定值，單片機時刻檢 測交流輸入電壓和接觸器線圈電流，通過數字PI計算，來調節M0S管的占空比，保持線圈電 流恒定。當交流輸入電壓下降時，線圈保持電流會下降，單片機主動增加電流給定，通過數 字PI計算，來增加 M0S管的占空比，保證線圈保持電流恒定；當交流輸入電壓上升時，線圈 保持電流會增加，單片機主動減小電流給定，通過數字PI計算，來減小M0S管的占空比，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，接觸器主觸點保 持吸合。
[0047] 本發明保護設備不能多個并聯工作，其輸出端只能接在一個交流接觸器線圈上。
【權利要求】
1. 一種線圈類負載電壓暫降保護設備，該設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、單片機控制 電路、驅動放大電路以及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 控制電路采樣輸入端與所述單相整流濾波電路相連，所述單片機控制電路輸出端與所述驅 動放大電路的輸入端相連；所述驅動放大電路的輸出端與所述DC/DC變換電路相連。
2. 根據權利要求1所述的線圈類負載電壓暫降保護設備，其特征在于：所述單片機控 制電路的單片機型號為STM32F101RBT，單片機控制電路設有兩個電壓采樣輸入端U1和U2， 電壓采樣輸入端U1串聯R1、R2后接地，電壓采樣輸入端U2串聯R3、R4后接地，單片機包括 ANO端口和AN1端口，R1和R2之間連接ANO端口，R3和R4之間連接AN1端口，單片機還包 括PWM信號輸出端口和AN2端口，單片機通過AN2端口與電阻R5串聯接地，同時單片機通 過AN2端口采集MOS管電流，單片機還包括PA7端口，單片機通過PA7端口接地，單片機還 包括端口 1，單片機通過端口 1接3. 3V電壓端，單片機還包括端口 2和端口 3,單片機的端 口 2和端口 3分別與晶振連接。
3. 根據權利要求1所述的線圈類負載電壓暫降保護設備，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 L1和N1，以及濾波電感、電容和電阻， L和N端口通過電容C1連接，L和N端口通過濾波電感與L1和N1端口連接，L1和N1端口 通過電容C2連接，電容C2與R并聯，L1端口與電容C3串聯接地，N1端口和C4串聯接地。
4. 根據權利要求1所述的線圈類負載電壓暫降保護設備，其特征在于：所述單相整流 濾波電路包括LI、Nl、U+、U-端口，L1端連接二極管D1的陽極，D3的陰極，N1端連接二極 管D2的陽極，D4的陰極，U+端連接D1和D2的陰極，U-端連接D3和D4的陽極，U+、U-端 通過電容C5連接。
5. 根據權利要求1所述的線圈類負載電壓暫降保護設備，其特征在于：所述驅動放大 電路包括PWM信號輸入端和PWM1信號輸出端，三極管Q1和三極管Q2的基極與PWM輸入端 連接，三極管Q1的集電極連接12V電壓端，三極管Q2的發射極接地，電阻R1兩端分別連接 三極管Q1的基極和集電極，三極管Q1的發射極和三極管Q2的集電極連接并通過電阻R2 與PWM1信號輸出端連接，電阻R2的一端分別與三極管Q1的發射極和三極管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PWM1連接，電阻R3的另 一端和穩壓二極管D6的陽極接地，PWM1信號輸出端連接穩壓二極管D6的陰極。
6. 根據權利要求1所述的線圈類負載電壓暫降保護設備，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的陽極分別連接N2輸出端和MOS管的漏極，MOS管的源極 連接電阻R s的一端，MOS管的柵極連接PWM1端，電阻Rs的另一端連接U-端。
【文檔編號】H02M3/157GK104143915SQ201410350592
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月22日 優先權日:2014年7月22日
【發明者】陳文波 申請人:南京國臣信息自動化技術有限公司