基于dsPIC的交流接觸器選相合閘裝置設計與實現

韓騰飛 楊明發

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116）

基于dsPIC的交流接觸器選相合閘裝置設計與實現

韓騰飛 楊明發

（福州大學電氣工程與自動化學院，福州 350116）

交流接觸器在不同的合閘相角下,動態特性不同，影響吸合過程中觸頭的彈跳與鐵心撞擊。為控制合閘的相角，本文設計基于 dsPIC單片機控制的具有通信功能的交流接觸器選相合閘控制裝置，包括dsPIC單片機控制模塊，按鍵模塊，LCD顯示模塊，采樣模塊，執行模塊等，具有合閘相角可調、操作頻率可調、合閘次數記錄、相角顯示，與上位機通信等功能。經實驗，選相合閘裝置工作可靠，精度在允許的范圍之內。

交流接觸器；選相；合閘；dsPIC；通信

交流接觸器是一種能頻繁關合、承載和開斷正常電流及規定的過載電流的電器，具有控制容量大，可遠距離操作等特點，廣泛應用于自動控制電路。電磁交流接觸器又是應用較為廣泛的一種，當電磁交流接觸器在不同相角合閘時，其觸頭的回跳和鐵心的撞擊程度不同，觸頭的二次回跳將產生斷續電弧造成觸頭侵蝕從而影響電氣壽命[1-2]。福州大學通過試驗，得出合閘相角不同，鐵心閉合末速度不同，導致觸點振動情況不同的結論[3]。

1 裝置系統簡介

選相合閘系統主要包括控制模塊和執行模塊。控制模塊一般采用單片機等微處理器，執行模塊包括零點采樣電路，光耦隔離，大功率晶體管等。晶閘管，絕緣柵雙極型晶體管等無觸點開關的應用使得電路的控制更加安全可靠。無觸點開關，開斷時不會有火花，避免因電流過大出現火花或在高電壓電路中擊穿空氣，造成誤動作。本文設計裝置應用dsPIC單片機進行選相合閘裝置的整體控制，LCD顯示合閘相角，合閘間隔時間和合閘次數，IGBT及其驅動保護模塊等執行合閘的的操作，并通過RS232接口實現與上位機通信的功能。

2 裝置軟件設計

2.1 Proteus軟件仿真設計

Proteus軟件具有其他 EDA工具軟件的仿真功能，同時能仿真單片機及外圍器件。從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，實現從概念到產品的完整設計。

裝置的框架如圖1所示。

圖1 系統框架圖

裝置由單片機控制模塊，按鍵模塊，LCD顯示模塊，采樣模塊，執行模塊等構成。

1）單片機控制模塊。選用dsPIC單片機，單片機作為控制中心，承擔裝置智能控制的任務。

2）按鍵模塊。通過按鍵模塊來進行相角的調節。

3）LCD顯示模塊。顯示模塊采用 16×2型的LCD可滿足顯示要求。

4）采樣模塊。對交流電源過零點進行檢測，同時完成對電源頻率的測定。

5）執行模塊。由單片機輸出信號控制，完成對交流接觸器選相合閘的控制。

2.2 系統程序

dsPIC單片機融合了pic單片機和DSP數字信號處理器的優點，具有高效控制，高速運算等特點。隨著控制技術日趨復雜化，越來越多的工業系統要使用DSP精確控制實時響應[7]。

dsPIC程序流程圖如圖2所示。

圖2 dsPIC控制流程圖

dsPIC單片機通過采樣模塊判斷電壓過零點后，延遲一定的時間（由電壓的周期值 T計算得周期360°每度對應的時間點，例如電源頻率 50Hz，以0°為時間起點0ms，則1°對應時間0.05ms）輸出控制信號，即可控制接觸器在給定的相角合閘。

在Mplab軟件中，選用Proteus ISIS單片機仿真。C程序用C30編譯器進行編譯。

Mplab C30是一個遵循ANSI x3.159—1989標準的優化C編譯器，它包括針對對dsPIC DSC嵌入式控制應用的語言擴展。這個編譯器是基于Windows?操作系統的應用程序，它為開發C代碼提供了一個平臺。Mplab C30對C源文件進行編譯，生成匯編語言文件。由編譯器生成的文件與其他目標文件和庫文件進行匯編和鏈接以產生最終的應用程序，應用程序格式為 COFF或 ELF文件格式。COFF或ELF文件可以載入Mplab IDE中進行測試和調試。

3 裝置硬件設計

3.1 基于Altium Designer Summer軟件的PCB板設計

Altium Designer是軟件開發商Altium公司推出的一體化的電子產品開發系統。軟件通過把原理圖設計、電路仿真、PCB繪制編輯、拓撲邏輯自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術的完美融合，為設計者提供全新的設計解決方案。

繪制完成的PCB原理圖如圖3所示。

3.2 硬件各模塊簡介及設計要點

本裝置選用dsPIC33fj32gp204單片機。單片機采用I/PT封裝，44個引腳（最多35個可編程數字I/O引腳），最高40 MIPS的工作速度。復位口MCLR與地之間不能接電容，否則無法用Maplb ICD 3燒寫程序。

為避免單片機對機械式彈開按鍵的誤判，消除按鍵抖動影響，需采取按鍵防抖措施。按鍵防抖主要有兩種：硬件防抖和軟件防抖。硬件防抖指在按鍵和地之間連接 RC濾波電路消除抖動；軟件防抖指在判斷一次按鍵按下后，延遲一段時間（幾百毫秒）再確認按鍵口的電平情況。按鍵上拉電源需在dsPIC單片機工作電源3.0～3.3V之間，雖然dsPIC單片機的I/O端口最大可承受5V的電壓，但當上拉電源電源達到 5V時，單片機不能正常工作，出現按鍵誤判情況。

LCD顯示模塊顯示合閘相角，合閘間隔時間，合閘操作次數等。LCD采用16×2型，即顯示2行，每行可顯示16字符。

圖3 PCB原理圖

控制合閘的相位，必須對電壓過零點進行判斷。電源電壓為220V，單片機最高承受電壓只有5V，采樣電路設計采用光耦PC817進行電壓隔離。光耦工作原理為：輸入的電信號驅動發光二極管（LCD），使之發光，光接收器接收到光以后就會產生光電流，實現“電—光—電”的轉換，從而起到輸入，輸出的隔離作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離和電信號傳輸具有單向性等特點，因此光耦內部的電絕緣能力和抗干擾能力很強。光耦具有體積小、壽命長、無觸點、抗干擾能力強、輸入和輸出之間絕緣，單向傳輸信號的優點，在單片機上有很大的應用[4]。如圖 4所示，當輸入正電壓時，光耦輸出端導通，使RB3為低電平；當輸入負電壓時，RB3變為高電平。單片機通過對RB3口高低電平變化的判斷即可得到電壓過零點。在電源回路中接入整理二極管1N4007（最大可承受反向電壓1000V）使得只有正半波通過R2電阻，消耗在回路的功率將減少一半。

圖4 采樣回路接線圖

執行模塊實現對交流接觸器的合閘控制。當接觸器線圈通電后，線圈電流會產生磁場，產生的磁場使靜鐵心產生電磁吸力吸引動鐵心，并帶動交流接觸器點動作，常閉觸點斷開，常開觸點閉合，兩者是聯動的。當線圈斷電時，電磁吸力消失，銜鐵在釋放彈簧的作用下釋放，使觸點復原，常開觸點斷開，常閉觸點閉合。在合適的電壓相角控制接觸器合閘，實質是控制線圈回路在合適的相角通電，本設計采用絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）控制線圈回路開斷來實現這個功能。控制 IGBT柵極的電壓信號需要達到 15V，因此選用光耦 TLP250驅動IGBT。dsPIC單片機所有I/O引腳的最大拉/灌電流僅為4 mA，TLP250的輸入導通電流最小為7mA（最大10mA），因此在TLP250輸入端接入一個9013三極管，如圖5所示，當單片機控制9013導通時，流過光耦LED的電流將達到10mA，使光耦輸出端導通。

圖5 IGBT驅動線路

IGBT選用IXDN 75N120。IGBT柵極電平懸空時，若集電極有高電壓接通，因為 IGBT米勒電容的作用，會導致IGBT誤導通，甚至燒壞IGBT。在G極和E極之間加入一個10K的電阻，可以給米勒電容提供釋放通道，不會引起IGBT誤導通。同時，考慮到IGBT的G極E極之間耐壓為20V，在G極E極之間并聯18V雙向穩壓管避免GE擊穿。

電力系統的許多設備都是儲能元件，接觸器開斷過程中，儲存在電感中的磁能和儲存在電容中的靜電場能量發生了轉換，過渡的振蕩過程，由振蕩引起過電壓。過電壓嚴重危害 IGBT的性能，甚至導致其損壞，所以在C極和E極之間加入RC保護回路和雙向瞬態抑制二極管TVS（可耐壓880V）降低過電壓的影響。當 IGBT突然開斷時，原來流過回路寄生電感的電流通過 RC旁路，從而將寄生電感上的儲能轉移到了電容C上，避免在器件突然關斷時，由于電流突變在器件兩端產生很高的電壓尖峰，因而大大降低了開關管截止瞬間在其兩端所產生的過電壓[18]。RC吸收回路能限制電壓的上升速率，降低開斷損耗。TVS是一種二極管形式的高效能保護器件。當TVS二極管的兩極受到反向瞬態高能量沖擊時，它能迅速將其兩極間的高阻抗變為低阻抗，吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護線路中元器件免受各種浪涌脈沖的損壞。

圖6 雙向TVS保護線路

通信模塊實現單片機和上位機的通信功能。由于一般的臺式計算機有串口，所以在單片機和計算機的通信中，常用異步串行通信。本裝置采用RS232接口（DB-9），RS232是個人計算機上的通信接口之一，由電子工業協會（Electronic Industries Association，EIA）所制定的異步傳輸標準接口。通常RS-232接口以9個引腳（DB-9）或是25個引腳（DB-25）的型態出現，一般個人計算機上會有兩組RS-232接口，分別稱為COM1和COM2。在應用RS232串口時配套使用MAX232芯片，MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片。

4 裝置實驗與分析

4.1 合閘實驗

最終設計完成的選相合閘裝置如圖7所示

圖7 選相合閘裝置

本次實驗測試使用的接觸器是施耐德 LC1-D9511交流接觸器。LC1-D9511交流接觸器主要用于交流頻率 50Hz或 60Hz，交流電壓至 660V（690V），在AC-3使用類別下工作電壓為380V時，額定工作電流至 170A的電路中，供遠距離接通和分斷電路之用，并可與相應規格的熱繼電器組合成磁力起動器以保護可能發生過負荷的電路。

整個合閘控制流程如下：

通過按鍵設定合閘相角為30°，單片機在合閘相角30°（對應延時時間1.66ms）輸出高電平信號控制執行模塊操作合閘。

dsPIC單片機輸出的信號經過三極管9013放大控制光耦TLP250，TLP250輸出控制IGBT的柵極（G極）從而使IGBT開通。作為線圈回路的開關，IGBT的開通直接控制線圈回路通電，使接觸器合閘。圖7表示合閘相角為30°時的線圈電壓波形。

圖8 30°合閘線圈電壓波形

實驗測試在220V/50Hz電源電壓下不同合閘相角接觸器的合閘情況，表1給出幾個典型角度的測試情況。預設相角指通過按鍵設置并在LCD顯示的相角值。實際相角指通過實驗測試合閘線圈兩端電壓波形的合閘時刻與電壓過零點的時間間隔，再轉換得到的相角度。由表1可知，實際合閘相角和預設合閘相角存在一定的誤差，最大誤差為1.2°，最小誤差為0°，平均誤差0.5°。

表1 220V 50Hz電源電壓合閘相角實驗

附實驗測試的合閘線圈兩端電壓波形圖。

圖9 30°合閘線圈電壓波形

圖10 60°合閘線圈電壓波形

圖11 90°合閘線圈電壓波形

圖12 120°合閘線圈電壓波形

圖13 150°合閘線圈電壓波形

選相合閘裝置將合閘相角，合閘操作次數等數據傳送給上位機。在測試時，上位機軟件接收到的數據圖14所示。該結果與仿真一致。

圖14 180°合閘線圈電壓波形

圖15 上位機接收顯示

4.2 實驗分析

產生誤差的原因有：

1）采樣線路的采樣精度不高，對電源電壓過零點的檢測不夠精確。

2）對示波器的讀數誤差，人眼對上升沿或下降沿判斷不精確。

3）示波器測量調節的精度有限，無法精確地測出相角對應的時間。

5 結論

為實現交流接觸器的合閘相位控制，本文設計了選相合閘裝置。以dsPIC單片機為中樞，采樣電源電壓頻率和過零點，按鍵調節合閘相角，合閘間隔時間，IGBT導通控制交流接觸器線圈通電從而完成合閘，通過通信模塊將合閘相角，合閘次數傳送給上位機。經實驗表明，選相合閘裝置能夠完成選相合閘功能，符合預期的需求。

[1]郭卉.交流接觸器選相合閘技術的研究[J].電工技術雜志, 2004(10): 33-37.

[2]許志紅, 張培銘.智能交流接觸器動態吸合過程研究[J].中國電機工程學報, 2007, 27(18): 108-113.

[3]許志紅, 張培銘.智能交流接觸器的研究[J].低壓電器, 1998(3): 19-21, 53.

[4]江和.PIC16序列單片機C程序設計與PROTEUS仿真[M].北京: 北京航空航天大學出版社, 2010.

[5]韓光熙.智能型接觸器節能控制模塊 AJ2-I[J].低壓電器, 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

韓騰飛（1990-），男，福州大學在讀碩士研究生，研究方向為電機電器及其系統智能化與在線檢測技術。