基于STM32控制的智能交流接触器设计

孟 宇（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州，221116）

设计与研发

基于STM32控制的智能交流接触器设计

孟 宇
（中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州，221116）

在分析了交流接触器工作特点的基础上，设计了一套智能交流接触器软硬件实现方案。通过ATT7022E电量芯片采集处理交流信号，采用STM32微处理器做为控制器，控制双向可控硅模块和电源模块动作实现消除电弧、节能运行目的。同时利用LabVIEW编写上位机软件，实现了智能交流接触器的远程监控。

STM微处理器；智能交流接触器；远程监控

0 引言

交流接触器是一种适用于远距离频繁地接通和断开交流电路的自动控制设备，广泛应用于各种电网配电系统、自动控制系统，其工作性能的好坏直接影响工农业生产效率和安全。

交流接触器在AC-4使用类别下，主触头在吸合过程中要承受几倍于主回路额定电流的电流冲击，由此带来强烈的电弧侵蚀，闭合过程机械触头的回跳是造成触头侵蚀、触头熔融的主要因素，因此，若在接触器运行过程中实现优化控制，减少触头碰撞，同时实现无弧分合闸，则能减少电弧对触头造成侵蚀，提高交流接触器的使用寿命。

图1 系统的硬件框图

1 智能交流接触器的总体设计方案

本文设计的智能交流接触器以STM32F103C8T6处理器为核心组成电参数监测及接触器分合闸控制系统，主要包括电源模块、ATT7022E交流电量采集处理模块、双向晶闸管驱动模块以及RS485通信接口模块。

该控制系统能实现大功率交流接触器的无弧吸合与分断，同时能检测接触器工作回路中的电量、电能质量和功率消耗等参数，并将这些电量参数通过RS485接口上传到LabVIEW上位机实现远程监控。系统的硬件框图1所示。

2 智能交流接触器的工作原理及硬件电路

在使用交流接触器控制电气设备的通断时，触点间存在着很强的飞弧。采用晶闸管元件作为无触点电子开关能解决飞弧的问题，但是晶闸管元件在导通时有约 1.2V 的电压降，热损耗现象严重，若长时间工作需要解决散热问题。本设计将三个双向晶闸管并联在交流接触器的三个主触头上，形成混合式接触器。控制器通过检测电压过零点控制其开通和关断，实现在触头分合瞬间分流以消除接触器电弧。

当接触器接到合闸信号时，首先双向晶闸管在电压过零点瞬间得到触发信号导通，接着交流接触器线圈得电，在接触器主触点可靠闭合后，晶闸管被短路而关断，此时主回路电流全部流经接触器主触点，提高了该混合式接触器的负载能力。当接触器接到分闸信号时，其线圈断电，主触头分开，触头两端的电压降迅速增大，当电压降达到 6V左右时，由于触发信号一直存在，晶闸管满足导通条件而导通，主回路电流流过晶闸管，抑制了飞弧，触发电路经过适当的延时，即主触头分开一定距离时，停止给出触发信号，晶闸管在电流过零时自行关断，从而完成无弧分闸。

2.1 核心处理器模块

核心处理器为STM32系列ARM嵌入式系统，STM32F103C8T6采用高性能的Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，内置了高速存储器（高达128K字节的闪存与20K字节的SRAM），12位ADC，8路定时器，SWD调试口等，具有较高的性价比。微处理器最小系统包括微处理器、复位电路、晶振电路、程序下载端口电路。

2.2 ATT7022交流采集模块

交流信号采集部分主要功能包括三相电压、三相电流采集、系统电压采集和三相电压过零点获取。本文选用ATT7022E电量芯片，其内部带有7路16位高精度ADC，输入电压有效值线性误差为 0.1%。同时，ATT7022E内部对采集的电量参数进行计算，可以得到电网中的电压和电流的基波或全波有效值、有功功率、功率因数等。配置使能中断后，在检测到电压过零点后其IRQ引脚拉低，触发控制器外部中断，STM32通过SPI接口与ATT7022读取相关计量参数，读取中断状态寄存器后，IRQ引脚置高。交流信号采集硬件接线示意图如图2所示，其中UA、UB、UC分别为主电路三相电压，IA、IB、IC分别为主电路三相电流。

图2 ATT7022E硬件接线示意图

图3 双向晶闸管驱动电路

图4 直流激磁电源选通电路图

图6 上位机与STM32通讯示意图

2.3 双向可控硅驱动模块硬件设计

通过对栅极施加信号可以驱使双向晶闸管导通，触发信号不区分正负，对栅极的触发有不同的模式，本文采用光电耦合器控制方式。双向可控硅驱动模块包括光耦隔离部分和双向晶闸管部分，A，B，C为STM32的输出端口，当控制器将端口电平拉低时使隔离光耦TLP521导通，进而使触发信号驱动双向可控硅OPTO导通，给双向晶闸管提供触发信号（AP-AN），图中只给出了A相触发电路，B、C相电路结构与A相相同，此处不再给出。

2.4 直流电源模块

相对于交流激磁，直流稳压激磁不需要分磁环，同时能消除电网的波动对接触器闭合操作的影响。电源模块包括24V直流电源和240V直流电源以及电源选通电路部分，如图4所示。接触器吸合过程中，STM32首先将P1口拉低，控制激磁电源选通电路使240V直流电压通过接触器线圈，待接触器吸合完成后，将P1置高，将P2拉低，线圈电压切换到保持电压即24V直流电源，以维持合闸状态，该方式可以降低接触器功耗。

3 软件设计

3.1 STM32总体程序设计

鉴于所设计的智能交流接触器控制系统模块多、信息量大的特点，软件设计时采用模块化程序设计的方法，其软件流程图如图5所示。

其中合闸操作为：检测A相电压过零点→投A相晶闸管→检测B相电压过零点→投B相晶闸管→检测C相电压过零点→投C相晶闸管→吸合接触器→切换保持电压→切除晶闸管。分闸操作为：切除接触器→检测A相电流过零点→切除A相晶闸管→检测B相电流过零点→切除B相晶闸管→检测C相电流过零点→切除C相晶闸管。

3.2 上位机LabVIEW监控界面开发

LabVIEW是一个面向最终用户的工具，它提供了实现虚拟仪器编程和数据采集处理的便捷途径，具有功能齐全的软件开发环境，可以替代常规的BASIC或C语言而进行软件设计。

本设计的LabVIEW上位机和STM32通过RS485总线进行数据交互。PC主机安装NI串口驱动后通过调用VISA函数完成串口信息的发送和读取包括VISA配置、VISA读取，VISA写入，VISA关闭。由于PC机只有RS232借口，通过485/232转换模块实现电平转换，如图6所示。

图5 系统软件流程图

图7 智能交流接触器上位机监控界面

利用LabVIEW所编写的上位机界面如图7所示。上位机可显示接触器的当前状态以及所采集的电网电量信息，并且能够远程控制接触器的分合。

4 实验结果分析

为了验证本文设计的智能接触器的控制准确性，运行系统后，通过示波器观察单相电压波形和触发信号波形的同步情况，如图8所示。

图8 过零点捕捉实验

图9 合闸控制实验

如图9所示，A、B、C、D、E分别对应：合闸信号给出时刻、A相晶闸管导通时刻、B相晶闸管导通时刻、C相晶闸管导通（240V电源接入）时刻、24V电源接入时刻。=5ms，=6.67ms，=6.67ms，=20ms。A时刻给出合闸信号，5ms后A相晶闸管导通，延时6.67ms后B相晶闸管导通，再延时6.67ms后C相晶闸管导通，与此同时240V激磁直流稳压电源接入电路，经20ms延时后保证触点可靠闭合，再将接入24V保持稳压直流电源接入电路，电路实现节能运行。

在主触头两端并联双向晶闸管后，由于晶闸管器件自身的特点，主回路在分断时的电压电流特性将发生变化，可以有效地抑制电弧的产生。样机在阻性负载和感性负载下进行了实验，接触器分合闸时均无电弧产生。

4.1 节能性分析

交流接触器样机可靠闭合后，接触器触点由低直流24V电源保持。线圈的功率小于 0.650VA。控制系统总功率约为 2VA。而CJ20-25 型接触器的交流保持功率约为14VA。接触器样机节能80%以上。

5 结语

随着计算机和监测技术的快速发展，信息化、网络化和智能化的开关电器也不断出现，本设计将嵌入式微处理器和电量芯片应用于传统的交流接触器通、断控制，可以实现交流接触器的无弧分合操作，通过上位机可以实现目标交流接触器工况的远程监控，实现了交流接触器使用、管理的智能化。

［1］郑昕，许志红，张培铭，智能混合式无弧交流接触器的研究.低压电器.2005（09）：10-12

［2］郭凤仪，王洋.基于ATMEGAl6的无弧交流接触器智能控制系统设计.电子技术.2013（1）：19-22

［3］许志红，张培铭.智能交流接触器零电流分断控制技术［J］.电工电能新技术，2002，21（4）：54-57.

［4］黄丰磊，卢海锋，朱浩然.基于STM32与Labview的电参数测量系统设计.智能电器.2014（05）：37-39

［5］谢延兴，陈德为，黄远鹏.基于Labview 的CJ20-100交流接触器动态过程分析.电气开关.2012（01）37-39

［6］王峰，程航，徐献清.交流接触器节能运行功能的分析.低压电器.2011（04）

Design for the Control of Intelligent AC Contactor Based on STM32

Meng Yu
（School of Information and Electrical Engineering，University of Mining and Technology of China，Xuzhou，221116，China）

A intelligent AC contactor control system was designed after analyzing the performance characteristics of traditional AC contactor.It collects and processes AC signal with Electricity chip ATT7022E and use microchip STM32 as controller.It was designed to eliminate arc and achieve running economically by controlling the bidirectional thyristor module and power supply module.Meanwhile，a monitoring system was designed with use of LabVIEW.

STM32 microcontroller；intelligent AC contactor；remote monitoring

孟宇（1994-）男，安徽淮北人，硕士在读， 主要研究方向为：计算机控制。