基于dsPIC的交流接触器选相合闸装置设计与实现

韩腾飞 杨明发

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116）

基于dsPIC的交流接触器选相合闸装置设计与实现

韩腾飞 杨明发

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116）

交流接触器在不同的合闸相角下,动态特性不同，影响吸合过程中触头的弹跳与铁心撞击。为控制合闸的相角，本文设计基于 dsPIC单片机控制的具有通信功能的交流接触器选相合闸控制装置，包括dsPIC单片机控制模块，按键模块，LCD显示模块，采样模块，执行模块等，具有合闸相角可调、操作频率可调、合闸次数记录、相角显示，与上位机通信等功能。经实验，选相合闸装置工作可靠，精度在允许的范围之内。

交流接触器；选相；合闸；dsPIC；通信

交流接触器是一种能频繁关合、承载和开断正常电流及规定的过载电流的电器，具有控制容量大，可远距离操作等特点，广泛应用于自动控制电路。电磁交流接触器又是应用较为广泛的一种，当电磁交流接触器在不同相角合闸时，其触头的回跳和铁心的撞击程度不同，触头的二次回跳将产生断续电弧造成触头侵蚀从而影响电气寿命[1-2]。福州大学通过试验，得出合闸相角不同，铁心闭合末速度不同，导致触点振动情况不同的结论[3]。

1 装置系统简介

选相合闸系统主要包括控制模块和执行模块。控制模块一般采用单片机等微处理器，执行模块包括零点采样电路，光耦隔离，大功率晶体管等。晶闸管，绝缘栅双极型晶体管等无触点开关的应用使得电路的控制更加安全可靠。无触点开关，开断时不会有火花，避免因电流过大出现火花或在高电压电路中击穿空气，造成误动作。本文设计装置应用dsPIC单片机进行选相合闸装置的整体控制，LCD显示合闸相角，合闸间隔时间和合闸次数，IGBT及其驱动保护模块等执行合闸的的操作，并通过RS232接口实现与上位机通信的功能。

2 装置软件设计

2.1 Proteus软件仿真设计

Proteus软件具有其他 EDA工具软件的仿真功能，同时能仿真单片机及外围器件。从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，实现从概念到产品的完整设计。

装置的框架如图1所示。

图1 系统框架图

装置由单片机控制模块，按键模块，LCD显示模块，采样模块，执行模块等构成。

1）单片机控制模块。选用dsPIC单片机，单片机作为控制中心，承担装置智能控制的任务。

2）按键模块。通过按键模块来进行相角的调节。

3）LCD显示模块。显示模块采用 16×2型的LCD可满足显示要求。

4）采样模块。对交流电源过零点进行检测，同时完成对电源频率的测定。

5）执行模块。由单片机输出信号控制，完成对交流接触器选相合闸的控制。

2.2 系统程序

dsPIC单片机融合了pic单片机和DSP数字信号处理器的优点，具有高效控制，高速运算等特点。随着控制技术日趋复杂化，越来越多的工业系统要使用DSP精确控制实时响应[7]。

dsPIC程序流程图如图2所示。

图2 dsPIC控制流程图

dsPIC单片机通过采样模块判断电压过零点后，延迟一定的时间（由电压的周期值 T计算得周期360°每度对应的时间点，例如电源频率 50Hz，以0°为时间起点0ms，则1°对应时间0.05ms）输出控制信号，即可控制接触器在给定的相角合闸。

在Mplab软件中，选用Proteus ISIS单片机仿真。C程序用C30编译器进行编译。

Mplab C30是一个遵循ANSI x3.159—1989标准的优化C编译器，它包括针对对dsPIC DSC嵌入式控制应用的语言扩展。这个编译器是基于Windows®操作系统的应用程序，它为开发C代码提供了一个平台。Mplab C30对C源文件进行编译，生成汇编语言文件。由编译器生成的文件与其他目标文件和库文件进行汇编和链接以产生最终的应用程序，应用程序格式为 COFF或 ELF文件格式。COFF或ELF文件可以载入Mplab IDE中进行测试和调试。

3 装置硬件设计

3.1 基于Altium Designer Summer软件的PCB板设计

Altium Designer是软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统。软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供全新的设计解决方案。

绘制完成的PCB原理图如图3所示。

3.2 硬件各模块简介及设计要点

本装置选用dsPIC33fj32gp204单片机。单片机采用I/PT封装，44个引脚（最多35个可编程数字I/O引脚），最高40 MIPS的工作速度。复位口MCLR与地之间不能接电容，否则无法用Maplb ICD 3烧写程序。

为避免单片机对机械式弹开按键的误判，消除按键抖动影响，需采取按键防抖措施。按键防抖主要有两种：硬件防抖和软件防抖。硬件防抖指在按键和地之间连接 RC滤波电路消除抖动；软件防抖指在判断一次按键按下后，延迟一段时间（几百毫秒）再确认按键口的电平情况。按键上拉电源需在dsPIC单片机工作电源3.0～3.3V之间，虽然dsPIC单片机的I/O端口最大可承受5V的电压，但当上拉电源电源达到 5V时，单片机不能正常工作，出现按键误判情况。

LCD显示模块显示合闸相角，合闸间隔时间，合闸操作次数等。LCD采用16×2型，即显示2行，每行可显示16字符。

图3 PCB原理图

控制合闸的相位，必须对电压过零点进行判断。电源电压为220V，单片机最高承受电压只有5V，采样电路设计采用光耦PC817进行电压隔离。光耦工作原理为：输入的电信号驱动发光二极管（LCD），使之发光，光接收器接收到光以后就会产生光电流，实现“电—光—电”的转换，从而起到输入，输出的隔离作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离和电信号传输具有单向性等特点，因此光耦内部的电绝缘能力和抗干扰能力很强。光耦具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强、输入和输出之间绝缘，单向传输信号的优点，在单片机上有很大的应用[4]。如图 4所示，当输入正电压时，光耦输出端导通，使RB3为低电平；当输入负电压时，RB3变为高电平。单片机通过对RB3口高低电平变化的判断即可得到电压过零点。在电源回路中接入整理二极管1N4007（最大可承受反向电压1000V）使得只有正半波通过R2电阻，消耗在回路的功率将减少一半。

图4 采样回路接线图

执行模块实现对交流接触器的合闸控制。当接触器线圈通电后，线圈电流会产生磁场，产生的磁场使静铁心产生电磁吸力吸引动铁心，并带动交流接触器点动作，常闭触点断开，常开触点闭合，两者是联动的。当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在释放弹簧的作用下释放，使触点复原，常开触点断开，常闭触点闭合。在合适的电压相角控制接触器合闸，实质是控制线圈回路在合适的相角通电，本设计采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）控制线圈回路开断来实现这个功能。控制 IGBT栅极的电压信号需要达到 15V，因此选用光耦 TLP250驱动IGBT。dsPIC单片机所有I/O引脚的最大拉/灌电流仅为4 mA，TLP250的输入导通电流最小为7mA（最大10mA），因此在TLP250输入端接入一个9013三极管，如图5所示，当单片机控制9013导通时，流过光耦LED的电流将达到10mA，使光耦输出端导通。

图5 IGBT驱动线路

IGBT选用IXDN 75N120。IGBT栅极电平悬空时，若集电极有高电压接通，因为 IGBT米勒电容的作用，会导致IGBT误导通，甚至烧坏IGBT。在G极和E极之间加入一个10K的电阻，可以给米勒电容提供释放通道，不会引起IGBT误导通。同时，考虑到IGBT的G极E极之间耐压为20V，在G极E极之间并联18V双向稳压管避免GE击穿。

电力系统的许多设备都是储能元件，接触器开断过程中，储存在电感中的磁能和储存在电容中的静电场能量发生了转换，过渡的振荡过程，由振荡引起过电压。过电压严重危害 IGBT的性能，甚至导致其损坏，所以在C极和E极之间加入RC保护回路和双向瞬态抑制二极管TVS（可耐压880V）降低过电压的影响。当 IGBT突然开断时，原来流过回路寄生电感的电流通过 RC旁路，从而将寄生电感上的储能转移到了电容C上，避免在器件突然关断时，由于电流突变在器件两端产生很高的电压尖峰，因而大大降低了开关管截止瞬间在其两端所产生的过电压[18]。RC吸收回路能限制电压的上升速率，降低开断损耗。TVS是一种二极管形式的高效能保护器件。当TVS二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它能迅速将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护线路中元器件免受各种浪涌脉冲的损坏。

图6 双向TVS保护线路

通信模块实现单片机和上位机的通信功能。由于一般的台式计算机有串口，所以在单片机和计算机的通信中，常用异步串行通信。本装置采用RS232接口（DB-9），RS232是个人计算机上的通信接口之一，由电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）所制定的异步传输标准接口。通常RS-232接口以9个引脚（DB-9）或是25个引脚（DB-25）的型态出现，一般个人计算机上会有两组RS-232接口，分别称为COM1和COM2。在应用RS232串口时配套使用MAX232芯片，MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片。

4 装置实验与分析

4.1 合闸实验

最终设计完成的选相合闸装置如图7所示

图7 选相合闸装置

本次实验测试使用的接触器是施耐德 LC1-D9511交流接触器。LC1-D9511交流接触器主要用于交流频率 50Hz或 60Hz，交流电压至 660V（690V），在AC-3使用类别下工作电压为380V时，额定工作电流至 170A的电路中，供远距离接通和分断电路之用，并可与相应规格的热继电器组合成磁力起动器以保护可能发生过负荷的电路。

整个合闸控制流程如下：

通过按键设定合闸相角为30°，单片机在合闸相角30°（对应延时时间1.66ms）输出高电平信号控制执行模块操作合闸。

dsPIC单片机输出的信号经过三极管9013放大控制光耦TLP250，TLP250输出控制IGBT的栅极（G极）从而使IGBT开通。作为线圈回路的开关，IGBT的开通直接控制线圈回路通电，使接触器合闸。图7表示合闸相角为30°时的线圈电压波形。

图8 30°合闸线圈电压波形

实验测试在220V/50Hz电源电压下不同合闸相角接触器的合闸情况，表1给出几个典型角度的测试情况。预设相角指通过按键设置并在LCD显示的相角值。实际相角指通过实验测试合闸线圈两端电压波形的合闸时刻与电压过零点的时间间隔，再转换得到的相角度。由表1可知，实际合闸相角和预设合闸相角存在一定的误差，最大误差为1.2°，最小误差为0°，平均误差0.5°。

表1 220V 50Hz电源电压合闸相角实验

附实验测试的合闸线圈两端电压波形图。

图9 30°合闸线圈电压波形

图10 60°合闸线圈电压波形

图11 90°合闸线圈电压波形

图12 120°合闸线圈电压波形

图13 150°合闸线圈电压波形

选相合闸装置将合闸相角，合闸操作次数等数据传送给上位机。在测试时，上位机软件接收到的数据图14所示。该结果与仿真一致。

图14 180°合闸线圈电压波形

图15 上位机接收显示

4.2 实验分析

产生误差的原因有：

1）采样线路的采样精度不高，对电源电压过零点的检测不够精确。

2）对示波器的读数误差，人眼对上升沿或下降沿判断不精确。

3）示波器测量调节的精度有限，无法精确地测出相角对应的时间。

5 结论

为实现交流接触器的合闸相位控制，本文设计了选相合闸装置。以dsPIC单片机为中枢，采样电源电压频率和过零点，按键调节合闸相角，合闸间隔时间，IGBT导通控制交流接触器线圈通电从而完成合闸，通过通信模块将合闸相角，合闸次数传送给上位机。经实验表明，选相合闸装置能够完成选相合闸功能，符合预期的需求。

[1]郭卉.交流接触器选相合闸技术的研究[J].电工技术杂志, 2004(10): 33-37.

[2]许志红, 张培铭.智能交流接触器动态吸合过程研究[J].中国电机工程学报, 2007, 27(18): 108-113.

[3]许志红, 张培铭.智能交流接触器的研究[J].低压电器, 1998(3): 19-21, 53.

[4]江和.PIC16序列单片机C程序设计与PROTEUS仿真[M].北京: 北京航空航天大学出版社, 2010.

[5]韩光熙.智能型接触器节能控制模块 AJ2-I[J].低压电器, 2000(3): 24-25, 39.

Design and Accomplishing of AC Contactor Control Device with Phase-selection Function based on dsPIC

Han Tengfei Yang Mingfa
(Fuzhou University College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou 350116)

The dynamic characteristics are different and affect the contacts bounce and the core shock when AC contactor closing at different phase angles.The AC contactor control device with phase-selection and communication function based on dsPIC microprocessor is designed for phaseselection.The device includes dsPIC MCU control module, the key module, LCD display module, sampling module,execution module,which has the function of phase-selection adjustable, the operating frequency adjustable, operation times recorded, phase angle display, and PC communication.Testing results show the device can realize the function of phase-selection and the accuracy can be accepted.

AC contactor; phase-selection; switch-on; dsPIC; communication

韩腾飞（1990-），男，福州大学在读硕士研究生，研究方向为电机电器及其系统智能化与在线检测技术。