申请/专利权人：贵州工程应用技术学院

申请日：2018-03-23

公开（公告）日：2023-05-26

公开（公告）号：CN108281324B

主分类号：H01H47/04

分类号：H01H47/04

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.05.26#授权;2018.08.07#实质审查的生效;2018.07.13#公开

摘要：本发明公开了一种接触器线圈节能控制器，包括晶振电路、单片机电源电路、MCU单片机、电源电压采样电路、线圈的续流电路、高速开关电路、快速释放电路、外部被控接触器、电源+，其特征在于：电源+连接单片机电源电路、电源电压采样电路、线圈的续流电路、线圈，单片机电源电路、电源电压采样电路和晶振电路连接MCU单片机；线圈连接线圈的续流电路和快速释放电路，线圈的续流电路和快速释放电路连接二极管D6的正端，D6的负端与电源正连接，MCU单片机和快速释放电路连接高速开关电路，高速开关电路与电源负端连接。本发明能将接触器的电能损耗降到额定电压时的9%‑12%,大大降低了接触器线圈的能耗,同时为接触器减轻重量、提高寿命等电气性能奠定了基础。

主权项：1.一种接触器线圈节能控制器，包括晶振电路（1）、单片机电源电路（2）、MCU单片机（3）、电源电压采样电路（4）、线圈的续流电路（5）、高速开关电路（6）、快速释放电路（7）、外部被控接触器（8）、电源+（9），其特征在于：电源+（9）连接单片机电源电路（2）、电源电压采样电路（4）、线圈的续流电路（5）、线圈（10），单片机电源电路（2）、电源电压采样电路（4）和晶振电路（1）连接MCU单片机（3），线圈（10）连接续流电路（5）和快速释放电路（7），线圈的续流电路（5）和快速释放电路（7）连接二极管D6的正端，二极管D6的负端与电源正连接，MCU单片机（3）和快速释放电路（7）连接高速开关电路（6），高速开关电路（6）与电源负端连接，晶振电路（1）由电容C01、电容C02、晶振XTAL构成，晶振电路（1）给MCU单片机（3）U2提供振荡配置，即MCU单片机U2（3）的外部时钟输入电路。

全文数据：接触器线圈节能控制器技术领域[0001]本发明涉及控制器技术领域，特别是一种接触器线圈节能控制器。背景技术[0002]接触器线圈节能控制器是一种接触器中电磁铁线圈电压电流的控制部件，当电磁铁线圈得电，并通过安匝（IW产生电磁吸力使铁心运动从而带动与铁心相连的活动部件运动，到电磁铁的铁心吸到低时，此时只需要很小的安匝（iw维持即可。可通过减小电磁铁上线圈的维持安匝（iw来实现电磁铁线圈的节能。现有接触器的电磁铁通常是采用双线圈，其一为起动线圈产生的启动安匝IWqd，其二为保持线圈产生的保持安匝（IWbc，在铁心处于打开位置时通过与铁心联动的推杆将辅助触点打开，使启动安匝（IWqd和保持安匝IWbe实现串联。由于保持线圈的电阻较大，线圈电流就大大减小，这样就大大降低了线圈磁势IW，电磁铁线圈长时工作所消耗的功率就大大降低了。[0003]双线圈电磁铁机构有很突出的缺点，其一是：由于引入了辅助触点，辅助触点的引入增加了电磁结构的复杂性，往往因机械开关故障而大大增加接触器的失效几率;其二是，主触点在关断和接通负载的过程中将产生电弧，使辅助触点可靠性更差;其三是，双线圈结构很复杂、体积大、重量重等等。随着新的电气控制体系的出现，对接触器的要求越来越高，双线圈电磁铁系统这种节能方式的许多缺陷已凸显出来。为了克服上述缺点，借助微电子技术，设计一种接触器线圈节能控制器。发明内容[0004]本发明的目的就是提供一种接触器线圈节能控制器，确保在大功率接触器启动时提供瞬时的大的启动安匝，当接触器吸合后能提供较低的保持安匝，即只需30%-35%的额定电压来维持，电能损耗降到额定电压时的9%-12%，大大降低了接触器线圈的能耗，同时为接触器减轻重量、提高寿命等电气性能奠定了基础。[0005]为了实现上述目的，本发明主要采用以下技术方案实现：一种接触器线圈节能控制器，包括晶振电路、单片机电源电路、MCU单片机、电源电压采样电路、线圈的续流电路、高速开关电路、快速释放电路、外部被控接触器、电源+，其特征在于：电源+连接单片机电源电路、电源电压采样电路、线圈的续流电路、线圈，单片机电源电路、电源电压采样电路和晶振电路连接MCU单片机;线圈连接线圈的续流电路和快速释放电路，线圈的续流电路和快速释放电路连接二极管D6的正端，D6的负端与电源正连接，M⑶单片机和快速释放电路连接高速开关电路，高速开关电路与电源负端连接。[0006]其中；所述的晶振电路由C01、C02、XTAL构成，晶振电路給MCU单片机U2提供振荡配置，S卩MCU单片机U2的外部时钟输入电路。[0007]其中；所述的单片机电源电路由1?1、04、7805、：1、02构成，单片机电源电路给单片机提供5VDC工作电源；在电源电压高于30V后，稳压二极管D4将电压钳位在7805允许的最高输入电位;C1、C2使78〇5的输出电压更稳定。[0008]其中；所述的M⑶单片机PIC12F675是microchip公司生产的一款8脚单片机，内置一个10bitAD转换器、T0、T1两个定时器。运用AD转换对电源电压进行采样，利用T0、T1两个定时器产生16KHz、占空比可调的振荡频率来控制高速开关Q2。[0009]其中；所述的电源电压采样电路由[?4、1?5、03、05构成，1?4、1?5将电源电压变换到PIC12F675允许输入的电压范围内，输入MCU的模拟输入端口AN1进行AD转换，计算出电源电压值;C3、D5抑制瞬时干扰电压，保护MCU。[0010]其中；所述的线圈的续流电路由〇2、03、05、1?2、1?3、〇1、06构成，当1'0时刻〇2导通后，电源通过Dl—R1—D2对C5快速充电至电源电压，由R1、R2分压后加在Q1的G、S极，确保Q1导通，Q2截止期间，由于C5放电回路时间常数远大于Toff的时间，依然保持电源电压，使Q1保持导通，Q2截止期间线圈产生的感应电压即反电势由OUT-—q14D64〇ut+给线圈续流，使电磁体保持吸合状态。[0011]其中；所述的高速开关电路，Q2为N沟道M0SFET场效应管，Q2由PIC12F675的GP0口控制，高速开关线圈，使线圈电压变成方波序列。[0012]其中；所述的快速释放电路由D6、D7构成，当电源断电后，C5通过R2—R3—D6放电，Q1截止，线圈反电势只能从OUT-—D7—D6—0UT+释放，但此时稳压管D7工作在反向击穿状态，等效电阻较大，即放电时间常数t=LR很小，线圈存储的能量很快泄放，线圈电流迅速降到零，电磁铁很快释。[0013]其中；所述的电源+端通过二极管D1的正端接入，然后通过二极管D1的负端分别到电阻R1、R4、线圈的一端及二极管D6的负端;电阻R1的另一端分别接稳压块U1的1端（电源输入端）、电容C1的一端、稳压管D4的负端及二极管D2的正端;稳压块U1的3端输出端分别接MCU单片机U2的1端电源端和电容C2的一端;电容C1的另一端、电容C2的另一端、稳压管D4的正端、MCU单片机1]2的8端Vss端及稳压块U1的2端COM端连接一起接地;二极管D2的负端接电阻R2的一端和电容C5的一端；电阻R2的另一端接电阻R3的一端、稳压管D3的负端及M0SFET管Q1的栅极;M0SFET管Q1的漏极接线圈的另一端和稳压管D7的负端；电容C5的另一端、电阻R3的另一端、稳压管D3的正端、二极管D6的正端及稳压管D7的正端、M0SFET管Q1的源极与M0SFET管Q2的漏极连接在一起;电阻R4的另一端与电容C3的一端、稳压管D5的负端、电阻R5的一端及M⑶单片机U2的6端Gpl端连接在一起；电容C3的另一端、稳压管D5的正端、电阻R5的另一端连接在一起接地;MCU单片机1]2的7端6?0端接电容C4的一端和M0SFET管Q2的栅极；电容C4的另一端和M0SFET管Q1的源极连接在一起接地;M⑶单片机U2的2端Gp5端与晶振XTAL的一端及电容C01的一端连在一起;MCU单片机U2的3端Gp4端）与晶振XTAL的另一端及电容C02的一端连在一起；电容C01的另一端电容C02的另一端连在一起接地。[0014]由以上技术方案可知，本技术方案与现有技术方案相比具有明显有益效果，本技术方案通过在接触器线圈利用额定电压瞬时启动后，利用PWM技术将线圈电压降到额定值的30%-35%，使其长期工作时接触器线圈消耗功率为额定值得9%-12%，功耗大幅度降低提高了系统的工作效率。并采用PIC单片机微处理器及电力电子技术，电磁系统采用单线圈结构，用单片机控制串接在线圈电路中的电子开关，利用HVM技术降低线圈上的平均电压，达到减小保持安匝（IW的目的，即实现电磁电器线圈节能的目的。这样也可同时减小体积、降低重量及简化电磁铁结构并实现智能控制优点。附图说明[0015]图1为本发明的原理框图；图2为本发明的电路原理图；图3为本发明的B、C点之间的电压控制Ql，A点电压控制Q2、线圈电压即方波序列图。[0016]图中标记1二晶振电路;2、单片机电源电路;3、MCU单片机;4、电源电压采样电路;5、线圈的续流电路;6、高速开关电路;7、快速释放电路;8、外部被控接触器;9、电源+;1〇、线圈。具体实施方式[0017]以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的接触器线圈节能控制器具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。[0018]参见图1-3所示，一种接触器线圈节能控制器，包括晶振电路1、单片机电源电路2、MCU单片机3、电源电压采样电路4、线圈的续流电路5、高速开关电路6、快速释放电路7、外部被控接触器8、电源+9,其特征在于：电源+9连接单片机电源电路2、电源电压采样电路4、线圈的续流电路5、线圈10,单片机电源电路2、电源电压采样电路4和晶振电路丨连接!^^]单片机3，线圈10连接续流电路5和快速释放电路7，线圈的续流电路5和快速释放电路7连接二极管D6的正端，D6的负端与电源正连接，MCU单片机3和快速释放电路7连接高速开关电路6,高速开关电路6与电源负端连接。[0019]所述的晶振电路1由C01、C02、XTAL构成，晶振电路1給MCU单片机3提供振荡配置，即MCU单片机3的外部时钟输入电路。[0020]所述的单片机电源电路2由1?1、04、78〇5、：1、02构成，单片机电源电路2给单片机提供5VDC工作电源;在电源电压高于30V后，稳压二极管D4将电压钳位在7805允许的最高输入电位;C1、C2使7805的输出电压更稳定。[0021]所述的MCU单片机3PIC12F675是microchip公司生产的一款8脚单片机，内置一个10bitAD转换器、T0、T1两个定时器。运用AD转换对电源电压进行采样，利用T0、T1两个定时器产生16KHz、占空比可调的振荡频率来控制高速开关Q2。[0022]所述的电源电压采样电路4由1?4、1?5、03、05构成，1?4、1?5将电源电压变换到PIC12F675允许输入的电压范围内，输入MCU的模拟输入端口AN1进行AD转换，计算出电源电压值;C3、D5抑制瞬时干扰电压，保护MCU。[0023]所述的线圈的续流电路5由02』3、05、1?2、1?3、〇1、06构成，当1'0时刻〇2导通后，电源通过D1—R1—D2对C5快速充电至电源电压，由R1、R2分压后加在Q1的G、S极，确保Q1导通，Q2截止期间，由于C5放电回路时间常数远大于Toff的时间，依然保持电源电压，使Q1保持导通，Q2截止期间线圈10产生的感应电压即反电势由0UT-4Q1—D6—0UT+给线圈10续流，使电磁体保持吸合状态。[0024]所述的高速开关电路6，Q2为N沟道M0SFET场效应管，Q2由PIC12F675的GP0口控制，高速开关线圈10,使线圈10电压变成方波序列。[0025]所述的快速释放电路7由D6、D7构成，当电源断电后，C5通过R2—R3—D6放电，Q1截止，线圈10反电势只能从OUT-—D7—D6—OUT+释放，但此时稳压管D7工作在反向击穿状态，等效电阻较大，即放电时间常数t=LR很小，线圈1〇存储的能量很快泄放，线圈10电流迅速降到零，电磁铁很快释。[0026]参见图2所示，所述的电源+9端通过二极管D1的正端接入，然后通过二极管D1的负端分别到电阻R1、R4、线圈10的一端及二极管D6的负端；电阻R1的另一端分别接稳压块U1的1端（电源输入端）、电容C1的一端、稳压管D4的负端及二极管D2的正端;稳压块U1的3端输出端分别接MCU单片机3的1端（电源端和电容C2的一端；电容C1的另一端、电容C2的另一端、稳压管D4的正端、MCU单片机3U2的8端Vss端及稳压块U1的2端COM端连接一起接地;二极管D2的负端接电阻R2的一端和电容C5的一端；电阻R2的另一端接电阻R3的一端、稳压管D3的负端及M0SFET管Q1的栅极;M0SFET管Q1的漏极接线圈的另一端和稳压管D7的负端；电容C5的另一端、电阻R3的另一端、稳压管D3的正端、二极管D6的正端及稳压管D7的正端、M0SFET管Q1的源极与M0SFET管Q2的漏极连接在一起；电阻R4的另一端与电容C3的一端、稳压管D5的负端、电阻R5的一端及MCU单片机3U2的6端Gpl端连接在一起;电容C3的另一端、稳压管D5的正端、电阻R5的另一端连接在一起接地;MCU单片机3U2的7端GpO端接电容C4的一端和M0SFET管Q2的栅极；电容C4的另一端和M0SFET管Q1的源极连接在一起接地；M⑶单片机3U2的2端Gp5端）与晶振XTAL的一端及电容C01的一端连在一起;M⑶单片机3U2的3端Gp4端）与晶振XTAL的另一端及电容C〇2的一端连在一起；电容C01的另一端电容C02的另一端连在一起接地。[0027]工作原理如下：启动电流工作原理:如图2,设t0时刻开关Q2接通，电源电压加在电磁铁线圈上，由于线圈等效于一个电阻和电感的串联，其电流方程为I=URl-e-tT，其中U为线圈上的电压、R为线圈电阻、L为线圈电感、t=LR。由电流方程可见，线圈电流随时间t按指数规律上升，在保证电磁铁可靠吸合的前提下，程序控制Tstar见图2t，即可控制启动时线圈电流的大小，同时保证使其不要达到稳态值UR。[0028]节能工作原理：见图2，电磁铁闭合后，在11时刻，M⑶以固定振荡周期T启动振荡，则线圈平均电压Up=TonTU，根据采样到的电源电压U，调整占空时间Ton，将线圈上的平均电压从额定电压降到保持电压以上保持电压取额定电压的30%-35%，磁势IW随之减少，由于线圈消耗功率与（IW2成正比，电能损耗降到额定电压时的9%-12%，大大降低了接触器线圈的能耗，故而大大降低了线圈功耗，从而达到了节能的目的。同时为接触器减轻重量、提高寿命等电气性能提奠定了基础。[0029]快速释放原理:在Q2振荡期间，控制电路会保持Q1导通，线圈储存能量会通过开关Q1、二极管D6续流，以维持线圈平均电流不释放值以上。切断电源后，Q1会断开，关断低阻抗续流回路，线圈存储能量通过另一高阻抗回路快速释放，从而较小释放时间。[0030]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而己，并非对本发明作任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

权利要求：1.一种接触器线圈节能控制器，包括晶振电路（1、单片机电源电路⑵、MCU单片机3、电源电压采样电路4、线圈的续流电路5、高速开关电路6、快速释放电路7、外部被控接触器8、电源+9，其特征在于：电源+9连接单片机电源电路2、电源电压采样电路4、线圈的续流电路5、线圈（10，单片机电源电路2、电源电压采样电路4和晶振电路⑴连接MCU单片机⑶，线圈（10连接续流电路⑸和快速释放电路⑺，线圈的续流电路（5和快速释放电路（7连接二极管D6的正端，D6的负端与电源正连接，MCU单片机3和快速释放电路7连接高速开关电路6，高速开关电路6与电源负端连接。2.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于：所述的晶振电路（1由C01、C02、XTAL构成，晶振电路⑴給MCU单片机⑶U2提供振荡配置，即MCU单片机U2⑶的外部时钟输入电路。3.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于：所述的单片机电源电路2由1?1、04、78〇5、：1、：2构成，单片机电源电路2给单片机提供5¥0：工作电源;在电源电压高于30V后，稳压二极管D4将电压钳位在78〇5允许的最高输入电位;C1、C2使7805的输出电压更稳定。4.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于：所述的MCU单片机（3PIC12F675是microchip公司生产的一款8脚单片机，内置一个l〇bitAD转换器、T0、T1两个定时器，运用AD转换对电源电压进行采样，利用T0、T1两个定时器产生16KHz、占空比可调的振荡频率来控制高速开关Q2。5.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于:所述的电源电压采样电路4由1?4、1?5、：3、05构成，1?4、1?5将电源电压变换到？1：1狀675允许输入的电压范围内，输入M⑶的模拟输入端口AN1进行AD转换，计算出电源电压值;C3、D5抑制瞬时干扰电压，保护MCU〇6.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于：所述的线圈的续流电路5由02、03、05、1?2、1«、〇1、06构成，当1'0时刻〇2导通后，电源通过01-^1^2对05快速充电至电源电压，由R1、R2分压后加在Q1的G、S极，确保Q1导通，Q2截止期间，由于C5放电回路时间常数远大于Toff的时间，依然保持电源电压，使Q1保持导通，Q2截止期间线圈（10产生的感应电压即反电势由0UT-—Q1—D6—0UT+给线圈（10续流，使电磁体保持吸合状态。7.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于:所述的高速开关电路6，Q2为N沟道M0SFET场效应管，Q2由PIC12F675的GP0口控制，高速开关线圈（10，使线圈（1〇电压变成方波序列。8.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于：所述的快速释放电路7由D6、D7构成，当电源断电后，C5通过R2—R3—D6放电，Q1截止，线圈（10反电势只能从0UT-—D7—D6—0UT+释放，但此时稳压管D7工作在反向击穿状态，等效电阻较大，即放电时间常数t=LR很小，线圈存储的能量很快泄放，线圈（10电流迅速降到零，电磁铁很快释。9.如权利要求1所述的接触器线圈节能控制器，其特征在于:所述的电源+9端通过二极管D1的正端接入，然后通过二极管D1的负端分别到电阻R1、R4、线圈（10的一端及二极管D6的负端；电阻R1的另一端分别接稳压块U1的1端（电源输入端）、电容C1的一端、稳压管D4的负端及二极管D2的正端;稳压块U1的3端输出端分别接MCU单片机3U2的1端（电源端）和电容C2的一端;电容C1的另一端、电容C2的另一端、稳压管D4的正端、MCU单片机3U2的8端Vss端及稳压块U1的2端COM端连接一起接地；二极管D2的负端接电阻R2的一端和电容C5的一端；电阻R2的另一端接电阻R3的一端、稳压管D3的负端及M0SFET管Q1的栅极；M0SFET管Q1的漏极接线圈的另一端和稳压管的负端;电容C5的另一端、电阻R3的另一端、稳压管D3的正端、二极管D6的正端及稳压管D7的正端、M0SFET管Q1的源极与M0SFET管Q2的漏极连接在一起;电阻R4的另一端与电容C3的一端、稳压管D5的负端、电阻R5的一端及MCU单片机U23的6端Gpl端连接在一起；电容C3的另一端、稳压管D5的正端、电阻R5的另一端连接在一起接地;MCU单片机⑶U2的7端GpO端接电容C4的一端和M0SFET管Q2的栅极；电容C4的另一端和M0SFET管Q1的源极连接在一起接地;MCU单片机3U2的2端Gp5端与晶振XTAL的一端及电容CO1的一端连在一起;M⑶单片机3U2的3端Gp4端与晶振XTAL的另一端及电容C02的一端连在一起;电容C01的另一端电容C〇2的另一端连在一起接地。

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