基于sc12c5410ad单片机的永磁连接器智能控制单元设计

基于sc12c5410ad单片机的永磁连接器智能控制单元设计

0永磁控制器的智能控制单元现有的大多数电子控制电路采用电子网格电路进行对触发和触发的控制，并提出的各种电子控制电路具有一定的实用性。然而,随着低压配电系统自动化的快速发展,低压电器将逐步向系统化、智能化方向发展。采用单片机、ARM和DSP等微处理器进行检测、调节、控制、通信一体化设计,可使永磁接触器具有高度智能化功能,实现运动过程的动态调节,以及低合闸弹跳、微弧分断的智能控制。传统电磁式接触器相关智能控制单元、控制理论和动态特性的研究已取得了一定的成果,为永磁接触器的智能控制单元和控制理论研究奠定了良好的基础。但由于它们在原理和结构上的明显差异,决定了两者的智能控制技术也有所不同。永磁接触器是一种新型的开关电器,国内外有关其智能控制单元设计及其控制理论的研究文献还未多见,深入开展智能控制单元的设计研究,有利于提高永磁接触器的智能控制水平,提高综合动态性能和机械、电气寿命。本文采用模块化的设计思路,设计了一种永磁接触器的智能控制单元。详细介绍了智能控制单元中各模块的设计方法与工作原理,并完成了各模块软件系统的程序设计。最后,针对配置智能控制单元的140A永磁接触器进行了试验测试和分析。1智能控制单元智能控制单元设计方案的优劣,将直接影响到智能永磁接触器的性能、可靠性、成本及其整体技术、经济指标。以STC12C5410AD单片机为核心的智能控制单元主要包括开关电源模块、备用电源模块、失压检测模块、开关控制模块、控制电压检测模块、线圈电压/电流检测模块、储能电容电压检测模块、显示操作模块、保护/通信模块等模块化设计,实现了集控制、检测、设置、保护和通信于一体的智能化功能。智能控制单元原理框图如图1所示。合闸时,控制电压检测模块检测外部交流电压,若在70%～115%额定电压范围内,微处理器驱动功率开关VT1、VT2导通,接触器实现合闸。储能电容电压检测模块精确控制储能电容上的充电电压,缩短充电时间,从而提高了接触器的开关频率。分闸时,当失压检测模块检测到外部交流电源断电,备用电源模块投入工作,为微处理器和开关控制模块提供可靠的工作电源;微处理器驱动功率开关VT3导通,接触器实现分闸。1.1utcy274电路设计开关电源为智能控制单元中的微处理器、光耦、电能采集芯片和运放等提供可靠的工作电源,为分/合闸主控开关元件提供门极驱动电压,为备用电源模块充电。同时,考虑到智能控制单元的小型化、低功耗、数模信号隔离、高性能以及工作可靠性等要求,设计了两路5V输出的AC/DC开关电源。开关电源模块原理如图2所示。开关电源模块以集成芯片UTNY274为核心,内部集成一个功率开关MOSFET、振荡器、高压开关电流源、限流电路和过热关断电路;脚S、D分别为芯片内部功率开关MOSFET的源极和漏极引出端;脚EN/UV为使能控制和输入欠压采样端,正常情况下,通过该端控制功率开关MOSFET的通断;在该端与直流输入电压之间连接外部电阻进行实时检测,实现欠电压保护,脚BP/M为旁路/多功能端,该端与S脚间接入0.1μF的旁路电容,即可设定漏极限流值;其次,在反馈电压的输出端与BP/M端间接一只稳压管,即可实现输出过电压保护。图2中,R1、C3和VD2组成RCD钳位电路,将芯片UTNY274内部功率开关MOSFET截止时D端所产生的电感电压限制在安全范围之内。输入DC高压经高频变压器变压后产生两路输出,一路经电容C5、C6滤波并经过稳压管78L05后输出稳定的+5V/0.1A的电源;另一路输出经电容C7、L2和C8滤波后输出+5V/0.6A的电源,其中电阻R2、R3、稳压管VD5与光耦U用来检测二极管VD4输出电压值,实时反馈给芯片UT-NY274,以调节二极管VD4的输出电压。1.2关控制模块设计永磁接触器处于合闸状态时,当外部交流电源掉电,内部开关电源模块停止工作,微处理器、开关控制模块无工作电源,接触器无法实现分闸。基于此,本文设计了备用电源模块,如图3所示。当接触器正常工作时,开关电源对电池充电;当失压检测模块检测到外部控制电源断电时,备用电源模块投入工作,为微处理器、开关控制模块3提供可靠的工作电源,以保证其可靠分断。1.3微控制器输出控制单元线圈驱动回路如图4所示,主控元件VT1、VT2、VT3选用功率开关MOSFET。其中,VT3为瞬时合闸导通开关,VD10为防止反向击穿二极管,VD11为续流二极管,为线圈合闸电流提供续流通道。合闸时,当VT1、VT3导通,VT2关断时,永磁接触器线圈通过正向的电流实现合闸,合闸结束后关断VT3,向储能电容C充电,以备分闸之需;分闸时,当VT1关断、VT2导通时,C放电,接触器线圈通过反向的电流实现分闸。由于微控制器的输出控制单元需与线圈驱动执行单元进行隔离,采用光耦元件并合理配置电阻的阻值,实现MOSFET的驱动与隔离。功率开关MOSFET的门极驱动模块如图5所示。1.4cc失压检测模块的确定失压检测模块原理图如图6所示。CPU＿UCC由备用电源模块提供,当外部输入电源正常时,UCC>CPU＿UCC,即U6的反相输入端电压高于正向输入端电压,失压检测模块输出为低电平。当外部输入电源掉电,开关电源模块停止工作,此时,U6的反相输入端电压低于正向输入端电压,检测模块输出为高电平。失压检测模块的输出端DropTest接微处理器的I/O口,实时检测电平情况,可在工作电源失压时瞬间产生中断,供微处理器发送分闸指令。1.5电流检测电路本设计采用霍尔电压/电流传感器采集线圈电压和电流,电路原理如图7和图8所示。检测电压时,在传感器二次回路串联电阻RI后与接触器线圈相并联。为使传感器达到最佳精度,二次侧输入电流的额定值控制在10mA左右。电阻RM1将输出电流信号转换为电压信号,经稳压管VD14过压保护和RC滤波后送入微处理器的A/D转换接口。线圈实际电压Cntrl＿Uol与采样电压Ucntrl有如下关系:Cntrl＿Uol=0.4(RI/RM1)·Ucntrl。检测电流时,由于所选霍尔电流传感器CSM002A的次侧额定输入电流为2A,二次电流测量范围为0～±4A。因此,可以将传感器二次侧直接串接到线圈驱动回路中。电阻RM2的作用为将传感器二次侧输出电流信号转换为电压信号,故线圈实际电流I与采样电压Icoil的关系为:I=(80/RM2)·Icoil。1.6led控制器设计储能电容电压检测模块如图9所示。采用线性光耦器件HCNR200对储能电容电压信号进行采样与隔离。它由一只高性能发光二极管LED和光电二极管VD1和VD2构成。LED与VD1组成隔离转换电路的输入部分并形成负反馈,VD2则作为隔离转换电路的输出部分,VD1将产生的电流反馈到LED上,以对输入信号进行反馈控制。令输入电流增益K1=IVD1/ILED,输出电流增益K2=IVD2/ILED,则传输增益K3=IVD2/IVD1=K2/K1。图9中,运放U7和电阻R30用于调节偏置电流ILED大小。随着电容电压信号CAP＿Vol的增加,U7的反向输入端电压升高,同时U7的输出端电压降低将趋于0V,电流ILED增加,VD1受到LED的照射而使电流IPD1增加,从而把U7的反向输入端电压重新拉回0V;此时,ILED不再增加,电路形成稳定的负反馈。C10起反馈作用,同时滤除电路中的毛刺信号,避免HCNR200的LED受到意外冲击。运放U8的输出端电压经保护用5V稳压管VD13后由RC电路滤除高频电压信号,最后送入微处理器的A/D转换接口。2智能设备的软件设计2.1永磁控制器设计主程序流程如图10所示。微处理器上电后,首先对各种输入/输出口、函数变量、功能寄存器和外设存储芯片进行初始化设置;然后,程序对永磁接触器各功能模块进行实时监测与处理。当接触器出现异常情况时,保护模块立即投入工作。2.2a/d转换电路数据采集与处理模块主要完成储能电容电压、线圈电压和电流等信号的A/D转换。微处理器提供了八路电压输入型A/D转换器作为储能电容电压、线圈电压和电流等信号的A/D转换通道。A/D转换流程如图11所示。通道转换子程序流程如图12所示。2.3tm脉冲输出模式微处理器系统中单片机芯片内部包含四路可编程计数器阵列PCA,而PCA含有一个特殊的16bit定时器,该定时器连接有4个16bit的捕获/比较模块,软件设置可以使PCA工作于PWM脉冲输出模式,是4个PCA模块的公共时间基准。当PCA工作在PWM模式下时,其定时器被拆分为两个独立的8bit定时器,特殊功能寄存器CH和CL分别用来存放PCA定时器的高8位和低8位,而PWM的输出频率取决于PCA定时器的时钟源。在监控程序中,通过设置使PCA输出PWM0和PWM1两路控制脉冲信号,实现对功率开关门极的触发,从而实现对永磁接触器的分/合闸控制。合闸过程中,PWM信号输出设计流程如图13所示。3电容电压检测模块应用设计的永磁接触器智能控制单元,对基于一台配圆柱形单稳态永磁操动机构的140A永磁接触器样机进行试验研究。试验测量储能电容上的充电电压值;试验开始时,先通过显示操作模块设置储能电容预充电的电压值。通过储能电容电压检测模块,实时检测电容电压的反馈值,调整PWM控制脉冲占空比,精确控制电容上的充电电压,有效提高永磁接触器的充电效率和分/合闸频率。试验还测量了永磁接触器智能控制单元中无PWM控制条件下采用恒定PWM占空比控制条件和变PWM占空比控制条件下的动态特性波形,如图14所示。由图14可见,无PWM控制方案下合闸时间最短,触头弹跳比较激烈;恒定PWM占空比的控制方案下合闸时间较长,触头一、二次弹跳得到改善;变PWM占空比的控制方案下合闸时间最长,但由于PWM占空比变化幅度较大,从而使触头一、二次弹跳大幅度减少,该控制方案明显优于前两种方案。因此,采用PWM控制的永磁接触器智能控制单元,可有效提高在AC3类别下的工作寿命。4系统主程序设计本文基于STC12C5410AD单片机,采用模块化的方法设计了一种永磁接触器