陳晶旗 儲(chǔ)鵬飛 周海霞 張?chǎng)斡? 王天成 郭雨陽(yáng)

摘 要：針對(duì)接觸器的工作噪音過(guò)大，能耗過(guò)高，使用觸頭磨損問(wèn)題，提出了一種新型智能化的接觸器控制器模塊設(shè)計(jì)。主要STM32核心控制器模塊、有交流電壓實(shí)時(shí)檢測(cè)模塊、交流電壓變壓整流、buck降壓電路模塊。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，利用此控制器模塊可以有效減少接觸器的能耗，降低接觸器吸合時(shí)的噪音，延長(zhǎng)接觸器的使用年限。

關(guān)鍵詞：交流電壓實(shí)時(shí)檢測(cè);變壓整流;PWM波調(diào)壓;buck電路

中圖分類(lèi)號(hào)：TM562.;TP368.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12296/j.2096-3475.2021.05.337

引言：交流接觸器作為低電壓電子控制最根本的控制器件之一，被廣泛的使用在各行各業(yè)的各種裝備設(shè)施中。作為一種遠(yuǎn)程控制閉合與斷開(kāi)開(kāi)關(guān)器件。隨著中國(guó)提出節(jié)能減排的號(hào)召，各個(gè)行業(yè)對(duì)高品質(zhì)的開(kāi)關(guān)需求急切。但以往的接觸器由于耗能，噪聲大，使用壽命短、保有量大等各種問(wèn)題，難以滿(mǎn)足當(dāng)前的發(fā)展需求，且難以通過(guò)更換新式接觸器來(lái)解決該問(wèn)題。因此開(kāi)發(fā)一種智能接觸器控制器模塊十分急迫。在滿(mǎn)足接觸器所有功能的現(xiàn)狀下，有如下的工作流程設(shè)計(jì)，來(lái)使得接觸器更加的智能節(jié)能。

本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了一種交流接觸器的控制單元，詳細(xì)分析了模塊中各個(gè)組件的工作原理，最后將模塊裝配到一臺(tái)220V交流接觸器上進(jìn)行試驗(yàn)分析，結(jié)果表明可有效實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

一、智能控制單元的硬件設(shè)計(jì)

以STM32F103ZET6單片機(jī)為控制核心，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路。其中主要的模塊為電壓檢測(cè)模塊、繼電器驅(qū)動(dòng)模塊、接觸器接通模塊、顯示模塊、降壓整流模塊、PWM波調(diào)壓電路.圖1所示的為整個(gè)只能控制模塊的原理框圖。為整個(gè)智能模塊通上電后，實(shí)時(shí)檢測(cè)交流電壓并顯示，當(dāng)線圈電壓在額定工作電壓的70%～115%之間時(shí)為接觸器線圈通電;使線圈產(chǎn)生磁力，然后線圈與觸頭吸合;在接觸器吸合穩(wěn)定后，將接入接觸器線圈中的交流電斷開(kāi)，延時(shí)一段時(shí)間待線圈中電壓穩(wěn)定后，為其接入低壓直流電，待接觸器線圈中的電壓穩(wěn)定后再接入經(jīng)buck電路輸出的直流電;待接觸器線圈中的電壓變得穩(wěn)定后，將低壓直流電撤去，使線圈中只接入使用PWM波調(diào)壓的buck電路，且使接觸器觸頭剛好處于吸合的狀態(tài)。從而實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)接觸器觸頭使用壽命，以及節(jié)能的目的。

1.核心控制模塊

使用STM32F103ZET6單片機(jī)作為控制核心。該單片機(jī)即成了ADC轉(zhuǎn)換電路，這樣在檢測(cè)電路時(shí)就不需要再另外設(shè)計(jì)ADC轉(zhuǎn)換電路，從而實(shí)現(xiàn)電路的簡(jiǎn)化，同時(shí)使整個(gè)模塊的可靠性更高。此外由于此款單片機(jī)具有較多的引腳，可直接在外部接上4.3寸的lcd彩屏，以此來(lái)顯示更多的接觸器工作時(shí)的信息;若在考慮整個(gè)模塊的制作成本的基礎(chǔ)時(shí)，可將單片機(jī)換為引腳更少的單片機(jī)，顯示屏換為定制的黑白lcd顯示屏。

2.繼電器驅(qū)動(dòng)模塊

繼電器驅(qū)動(dòng)模塊如圖2所示。其中U1為光耦，將其作為一個(gè)開(kāi)關(guān)使用，同時(shí)也將外部的5V電壓與單片機(jī)隔離出來(lái)，阻止了可能潛在的干擾;D1為整流二極管，此處應(yīng)用了其單向?qū)щ娦?T1為一個(gè)小功率的NPN型三極管，此處應(yīng)用了其開(kāi)關(guān)特性，當(dāng)光耦的輸入端給出一個(gè)閉合信號(hào)時(shí)，在三極管的基極接收到通過(guò)光耦輸出端的+5V電壓，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈內(nèi)通入電壓，繼電器吸合。此外在單片機(jī)的引腳輸出模式有三種復(fù)用輸出、推挽輸出、開(kāi)漏輸出。其中以推挽輸出的驅(qū)動(dòng)能力最強(qiáng)，可輸出3.V電壓，但電流最大只有20mA，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電路中用于控制線路通斷的繼電器，所以需要為繼電器設(shè)計(jì)一個(gè)這樣的驅(qū)動(dòng)電路。

3.整流降壓模塊

圖3所示的為整流降壓模塊。為接觸器的吸合以及PWM波調(diào)壓電路提供直流電壓;T3為針式變壓器，將220V直流電調(diào)節(jié)為24V交流電;F5為保險(xiǎn)絲，以起到防止過(guò)載的效果;R5為壓敏電阻，可以防止進(jìn)入整流橋的電壓過(guò)大;D3為整流橋，將24V直流電轉(zhuǎn)換為了交流電;后邊的C4.D4.C5為電容、二極管、電容，其作用是將脈動(dòng)的直流電變得平滑穩(wěn)定。220V交流電經(jīng)過(guò)此電路后，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)32.5V的直流電。

4.PWM波調(diào)壓電路

PWM波調(diào)壓電路如下圖4所示，用單片機(jī)發(fā)出的不同占空比的PWM波來(lái)驅(qū)動(dòng)光耦的通斷，伴隨著光耦的通斷會(huì)在IGBT1的基極產(chǎn)生兩個(gè)不同的電壓，來(lái)控制IGBT1的通斷，即可在IGBT的集電極和發(fā)射極產(chǎn)生脈動(dòng)的直流電。然后將產(chǎn)生的脈動(dòng)直流電輸入到圖5的buck電路中，將脈動(dòng)的直流電轉(zhuǎn)換為平滑的直流電，最終實(shí)現(xiàn)使用PWM波來(lái)調(diào)整直流電的電壓。

二、智能控制單元軟件設(shè)計(jì)

1.主程序設(shè)計(jì)

智能繼電器模塊的軟件設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，包括ADC轉(zhuǎn)換模塊、PWM波調(diào)壓模塊、LCD顯示模塊等三個(gè)主要的程序模塊。程序的運(yùn)行流程如左方的圖6所示。當(dāng)整個(gè)模塊上電后，即開(kāi)始檢測(cè)交流電的實(shí)時(shí)電壓變化，當(dāng)電壓變化到合適的范圍內(nèi)時(shí)即為接觸器的線圈接入交流電，使其吸合，經(jīng)過(guò)延時(shí)后將交流電撤去，為其接入低壓直流電，最后接入經(jīng)過(guò)PWM波調(diào)壓的低壓直流電。從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

2.PWM波調(diào)壓設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)內(nèi)部的脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓的調(diào)節(jié)，其中PWM波的輸出是使用單片機(jī)內(nèi)部的TIM3時(shí)鐘，同時(shí)配置PB5腳為復(fù)用輸出，最后通過(guò)設(shè)置寄存器TIM3_CCR2的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM波占空比的改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電壓的調(diào)節(jié)。

3.ADC轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

利用單片機(jī)內(nèi)部的ADC，其中STM32中的ADC是一個(gè)12位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，具有18個(gè)通道，可采集16個(gè)外部與2個(gè)內(nèi)部信號(hào)源。這里我們通過(guò)使用程序來(lái)開(kāi)啟ADC的時(shí)鐘，設(shè)置輸入腳為模擬輸入。將ADC復(fù)位，之后初始化ADC，使能并校準(zhǔn)ADC。最終實(shí)現(xiàn)ADC檢測(cè)電壓。

三、結(jié)語(yǔ)

文中以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了對(duì)交流電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、繼電器驅(qū)動(dòng)、buck降壓電路的模塊。大大降低了接觸器工作時(shí)觸頭的磨損以及工作時(shí)的能耗，最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)智能模塊的節(jié)能減排目的。

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基金項(xiàng)目：基于51單片機(jī)的永磁真空斷路器的控制器設(shè)計(jì)? 2020CXXL0162020年、滁州學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目+基于51單片機(jī)的永磁真空斷路器的控制器設(shè)計(jì)+2020CXXL016

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