基于STM32控制的智能交流接觸器設計

孟 宇（中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州，221116）

設計與研發

基于STM32控制的智能交流接觸器設計

孟 宇
（中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州，221116）

在分析了交流接觸器工作特點的基礎上，設計了一套智能交流接觸器軟硬件實現方案。通過ATT7022E電量芯片采集處理交流信號，采用STM32微處理器做為控制器，控制雙向可控硅模塊和電源模塊動作實現消除電弧、節能運行目的。同時利用LabVIEW編寫上位機軟件，實現了智能交流接觸器的遠程監控。

STM微處理器；智能交流接觸器；遠程監控

0 引言

交流接觸器是一種適用于遠距離頻繁地接通和斷開交流電路的自動控制設備，廣泛應用于各種電網配電系統、自動控制系統，其工作性能的好壞直接影響工農業生產效率和安全。

交流接觸器在AC-4使用類別下，主觸頭在吸合過程中要承受幾倍于主回路額定電流的電流沖擊，由此帶來強烈的電弧侵蝕，閉合過程機械觸頭的回跳是造成觸頭侵蝕、觸頭熔融的主要因素，因此，若在接觸器運行過程中實現優化控制，減少觸頭碰撞，同時實現無弧分合閘，則能減少電弧對觸頭造成侵蝕，提高交流接觸器的使用壽命。

圖1 系統的硬件框圖

1 智能交流接觸器的總體設計方案

本文設計的智能交流接觸器以STM32F103C8T6處理器為核心組成電參數監測及接觸器分合閘控制系統，主要包括電源模塊、ATT7022E交流電量采集處理模塊、雙向晶閘管驅動模塊以及RS485通信接口模塊。

該控制系統能實現大功率交流接觸器的無弧吸合與分斷，同時能檢測接觸器工作回路中的電量、電能質量和功率消耗等參數，并將這些電量參數通過RS485接口上傳到LabVIEW上位機實現遠程監控。系統的硬件框圖1所示。

2 智能交流接觸器的工作原理及硬件電路

在使用交流接觸器控制電氣設備的通斷時，觸點間存在著很強的飛弧。采用晶閘管元件作為無觸點電子開關能解決飛弧的問題，但是晶閘管元件在導通時有約 1.2V 的電壓降，熱損耗現象嚴重，若長時間工作需要解決散熱問題。本設計將三個雙向晶閘管并聯在交流接觸器的三個主觸頭上，形成混合式接觸器。控制器通過檢測電壓過零點控制其開通和關斷，實現在觸頭分合瞬間分流以消除接觸器電弧。

當接觸器接到合閘信號時，首先雙向晶閘管在電壓過零點瞬間得到觸發信號導通，接著交流接觸器線圈得電，在接觸器主觸點可靠閉合后，晶閘管被短路而關斷，此時主回路電流全部流經接觸器主觸點，提高了該混合式接觸器的負載能力。當接觸器接到分閘信號時，其線圈斷電，主觸頭分開，觸頭兩端的電壓降迅速增大，當電壓降達到 6V左右時，由于觸發信號一直存在，晶閘管滿足導通條件而導通，主回路電流流過晶閘管，抑制了飛弧，觸發電路經過適當的延時，即主觸頭分開一定距離時，停止給出觸發信號，晶閘管在電流過零時自行關斷，從而完成無弧分閘。

2.1 核心處理器模塊

核心處理器為STM32系列ARM嵌入式系統，STM32F103C8T6采用高性能的Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置了高速存儲器（高達128K字節的閃存與20K字節的SRAM），12位ADC，8路定時器，SWD調試口等，具有較高的性價比。微處理器最小系統包括微處理器、復位電路、晶振電路、程序下載端口電路。

2.2 ATT7022交流采集模塊

交流信號采集部分主要功能包括三相電壓、三相電流采集、系統電壓采集和三相電壓過零點獲取。本文選用ATT7022E電量芯片，其內部帶有7路16位高精度ADC，輸入電壓有效值線性誤差為 0.1%。同時，ATT7022E內部對采集的電量參數進行計算，可以得到電網中的電壓和電流的基波或全波有效值、有功功率、功率因數等。配置使能中斷后，在檢測到電壓過零點后其IRQ引腳拉低，觸發控制器外部中斷，STM32通過SPI接口與ATT7022讀取相關計量參數，讀取中斷狀態寄存器后，IRQ引腳置高。交流信號采集硬件接線示意圖如圖2所示，其中UA、UB、UC分別為主電路三相電壓，IA、IB、IC分別為主電路三相電流。

圖2 ATT7022E硬件接線示意圖

圖3 雙向晶閘管驅動電路

圖4 直流激磁電源選通電路圖

圖6 上位機與STM32通訊示意圖

2.3 雙向可控硅驅動模塊硬件設計

通過對柵極施加信號可以驅使雙向晶閘管導通，觸發信號不區分正負，對柵極的觸發有不同的模式，本文采用光電耦合器控制方式。雙向可控硅驅動模塊包括光耦隔離部分和雙向晶閘管部分，A，B，C為STM32的輸出端口，當控制器將端口電平拉低時使隔離光耦TLP521導通，進而使觸發信號驅動雙向可控硅OPTO導通，給雙向晶閘管提供觸發信號（AP-AN），圖中只給出了A相觸發電路，B、C相電路結構與A相相同，此處不再給出。

2.4 直流電源模塊

相對于交流激磁，直流穩壓激磁不需要分磁環，同時能消除電網的波動對接觸器閉合操作的影響。電源模塊包括24V直流電源和240V直流電源以及電源選通電路部分，如圖4所示。接觸器吸合過程中，STM32首先將P1口拉低，控制激磁電源選通電路使240V直流電壓通過接觸器線圈，待接觸器吸合完成后，將P1置高，將P2拉低，線圈電壓切換到保持電壓即24V直流電源，以維持合閘狀態，該方式可以降低接觸器功耗。

3 軟件設計

3.1 STM32總體程序設計

鑒于所設計的智能交流接觸器控制系統模塊多、信息量大的特點，軟件設計時采用模塊化程序設計的方法，其軟件流程圖如圖5所示。

其中合閘操作為：檢測A相電壓過零點→投A相晶閘管→檢測B相電壓過零點→投B相晶閘管→檢測C相電壓過零點→投C相晶閘管→吸合接觸器→切換保持電壓→切除晶閘管。分閘操作為：切除接觸器→檢測A相電流過零點→切除A相晶閘管→檢測B相電流過零點→切除B相晶閘管→檢測C相電流過零點→切除C相晶閘管。

3.2 上位機LabVIEW監控界面開發

LabVIEW是一個面向最終用戶的工具，它提供了實現虛擬儀器編程和數據采集處理的便捷途徑，具有功能齊全的軟件開發環境，可以替代常規的BASIC或C語言而進行軟件設計。

本設計的LabVIEW上位機和STM32通過RS485總線進行數據交互。PC主機安裝NI串口驅動后通過調用VISA函數完成串口信息的發送和讀取包括VISA配置、VISA讀取，VISA寫入，VISA關閉。由于PC機只有RS232借口，通過485/232轉換模塊實現電平轉換，如圖6所示。

圖5 系統軟件流程圖

圖7 智能交流接觸器上位機監控界面

利用LabVIEW所編寫的上位機界面如圖7所示。上位機可顯示接觸器的當前狀態以及所采集的電網電量信息，并且能夠遠程控制接觸器的分合。

4 實驗結果分析

為了驗證本文設計的智能接觸器的控制準確性，運行系統后，通過示波器觀察單相電壓波形和觸發信號波形的同步情況，如圖8所示。

圖8 過零點捕捉實驗

圖9 合閘控制實驗

如圖9所示，A、B、C、D、E分別對應：合閘信號給出時刻、A相晶閘管導通時刻、B相晶閘管導通時刻、C相晶閘管導通（240V電源接入）時刻、24V電源接入時刻。=5ms，=6.67ms，=6.67ms，=20ms。A時刻給出合閘信號，5ms后A相晶閘管導通，延時6.67ms后B相晶閘管導通，再延時6.67ms后C相晶閘管導通，與此同時240V激磁直流穩壓電源接入電路，經20ms延時后保證觸點可靠閉合，再將接入24V保持穩壓直流電源接入電路，電路實現節能運行。

在主觸頭兩端并聯雙向晶閘管后，由于晶閘管器件自身的特點，主回路在分斷時的電壓電流特性將發生變化，可以有效地抑制電弧的產生。樣機在阻性負載和感性負載下進行了實驗，接觸器分合閘時均無電弧產生。

4.1 節能性分析

交流接觸器樣機可靠閉合后，接觸器觸點由低直流24V電源保持。線圈的功率小于 0.650VA。控制系統總功率約為 2VA。而CJ20-25 型接觸器的交流保持功率約為14VA。接觸器樣機節能80%以上。

5 結語

隨著計算機和監測技術的快速發展，信息化、網絡化和智能化的開關電器也不斷出現，本設計將嵌入式微處理器和電量芯片應用于傳統的交流接觸器通、斷控制，可以實現交流接觸器的無弧分合操作，通過上位機可以實現目標交流接觸器工況的遠程監控，實現了交流接觸器使用、管理的智能化。

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［6］王峰，程航，徐獻清.交流接觸器節能運行功能的分析.低壓電器.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，碩士在讀， 主要研究方向為：計算機控制。