基于STM32控制的智能交流接觸器設(shè)計(jì)

孟 宇（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州，221116）

設(shè)計(jì)與研發(fā)

基于STM32控制的智能交流接觸器設(shè)計(jì)

孟 宇
（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州，221116）

在分析了交流接觸器工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套智能交流接觸器軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。通過(guò)ATT7022E電量芯片采集處理交流信號(hào)，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(dòng)作實(shí)現(xiàn)消除電弧、節(jié)能運(yùn)行目的。同時(shí)利用LabVIEW編寫(xiě)上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了智能交流接觸器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

STM微處理器；智能交流接觸器；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0 引言

交流接觸器是一種適用于遠(yuǎn)距離頻繁地接通和斷開(kāi)交流電路的自動(dòng)控制設(shè)備，廣泛應(yīng)用于各種電網(wǎng)配電系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)，其工作性能的好壞直接影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和安全。

交流接觸器在AC-4使用類(lèi)別下，主觸頭在吸合過(guò)程中要承受幾倍于主回路額定電流的電流沖擊，由此帶來(lái)強(qiáng)烈的電弧侵蝕，閉合過(guò)程機(jī)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(yùn)行過(guò)程中實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，減少觸頭碰撞，同時(shí)實(shí)現(xiàn)無(wú)弧分合閘，則能減少電弧對(duì)觸頭造成侵蝕，提高交流接觸器的使用壽命。

圖1 系統(tǒng)的硬件框圖

1 智能交流接觸器的總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的智能交流接觸器以STM32F103C8T6處理器為核心組成電參數(shù)監(jiān)測(cè)及接觸器分合閘控制系統(tǒng)，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(qū)動(dòng)模塊以及RS485通信接口模塊。

該控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)大功率交流接觸器的無(wú)弧吸合與分?jǐn)啵瑫r(shí)能檢測(cè)接觸器工作回路中的電量、電能質(zhì)量和功率消耗等參數(shù)，并將這些電量參數(shù)通過(guò)RS485接口上傳到LabVIEW上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)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(shè)備的通斷時(shí)，觸點(diǎn)間存在著很強(qiáng)的飛弧。采用晶閘管元件作為無(wú)觸點(diǎn)電子開(kāi)關(guān)能解決飛弧的問(wèn)題，但是晶閘管元件在導(dǎo)通時(shí)有約 1.2V 的電壓降，熱損耗現(xiàn)象嚴(yán)重，若長(zhǎng)時(shí)間工作需要解決散熱問(wèn)題。本設(shè)計(jì)將三個(gè)雙向晶閘管并聯(lián)在交流接觸器的三個(gè)主觸頭上，形成混合式接觸器?？刂破魍ㄟ^(guò)檢測(cè)電壓過(guò)零點(diǎn)控制其開(kāi)通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)在觸頭分合瞬間分流以消除接觸器電弧。

當(dāng)接觸器接到合閘信號(hào)時(shí)，首先雙向晶閘管在電壓過(guò)零點(diǎn)瞬間得到觸發(fā)信號(hào)導(dǎo)通，接著交流接觸器線圈得電，在接觸器主觸點(diǎn)可靠閉合后，晶閘管被短路而關(guān)斷，此時(shí)主回路電流全部流經(jīng)接觸器主觸點(diǎn)，提高了該混合式接觸器的負(fù)載能力。當(dāng)接觸器接到分閘信號(hào)時(shí)，其線圈斷電，主觸頭分開(kāi)，觸頭兩端的電壓降迅速增大，當(dāng)電壓降達(dá)到 6V左右時(shí)，由于觸發(fā)信號(hào)一直存在，晶閘管滿足導(dǎo)通條件而導(dǎo)通，主回路電流流過(guò)晶閘管，抑制了飛弧，觸發(fā)電路經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，即主觸頭分開(kāi)一定距離時(shí)，停止給出觸發(fā)信號(hào)，晶閘管在電流過(guò)零時(shí)自行關(guān)斷，從而完成無(wú)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(tǒng)，STM32F103C8T6采用高性能的Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置了高速存儲(chǔ)器（高達(dá)128K字節(jié)的閃存與20K字節(jié)的SRAM），12位ADC，8路定時(shí)器，SWD調(diào)試口等，具有較高的性?xún)r(jià)比。微處理器最小系統(tǒng)包括微處理器、復(fù)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(hào)采集部分主要功能包括三相電壓、三相電流采集、系統(tǒng)電壓采集和三相電壓過(guò)零點(diǎn)獲取。本文選用ATT7022E電量芯片，其內(nèi)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(shí)，ATT7022E內(nèi)部對(duì)采集的電量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可以得到電網(wǎng)中的電壓和電流的基波或全波有效值、有功功率、功率因數(shù)等。配置使能中斷后，在檢測(cè)到電壓過(guò)零點(diǎn)后其IRQ引腳拉低，觸發(fā)控制器外部中斷，STM32通過(guò)SPI接口與ATT7022讀取相關(guān)計(jì)量參數(shù)，讀取中斷狀態(tài)寄存器后，IRQ引腳置高。交流信號(hào)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(qū)動(dòng)電路

圖4 直流激磁電源選通電路圖

圖6 上位機(jī)與STM32通訊示意圖

2.3 雙向可控硅驅(qū)動(dòng)模塊硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)柵極施加信號(hào)可以驅(qū)使雙向晶閘管導(dǎo)通，觸發(fā)信號(hào)不區(qū)分正負(fù)，對(duì)柵極的觸發(fā)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(qū)動(dòng)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(dāng)控制器將端口電平拉低時(shí)使隔離光耦TLP521導(dǎo)通，進(jìn)而使觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)雙向可控硅OPTO導(dǎo)通，給雙向晶閘管提供觸發(fā)信號(hào)（AP-AN），圖中只給出了A相觸發(fā)電路，B、C相電路結(jié)構(gòu)與A相相同，此處不再給出。

2.4 直流電源模塊

相對(duì)于交流激磁，直流穩(wěn)壓激磁不需要分磁環(huán)，同時(shí)能消除電網(wǎng)的波動(dòng)對(duì)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(guò)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(guò)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(tài)，該方式可以降低接觸器功耗。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 STM32總體程序設(shè)計(jì)

鑒于所設(shè)計(jì)的智能交流接觸器控制系統(tǒng)模塊多、信息量大的特點(diǎn)，軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化程序設(shè)計(jì)的方法，其軟件流程圖如圖5所示。

其中合閘操作為：檢測(cè)A相電壓過(guò)零點(diǎn)→投A相晶閘管→檢測(cè)B相電壓過(guò)零點(diǎn)→投B相晶閘管→檢測(cè)C相電壓過(guò)零點(diǎn)→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(cè)A相電流過(guò)零點(diǎn)→切除A相晶閘管→檢測(cè)B相電流過(guò)零點(diǎn)→切除B相晶閘管→檢測(cè)C相電流過(guò)零點(diǎn)→切除C相晶閘管。

3.2 上位機(jī)LabVIEW監(jiān)控界面開(kāi)發(fā)

LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具，它提供了實(shí)現(xiàn)虛擬儀器編程和數(shù)據(jù)采集處理的便捷途徑，具有功能齊全的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，可以替代常規(guī)的BASIC或C語(yǔ)言而進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)的LabVIEW上位機(jī)和STM32通過(guò)RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。PC主機(jī)安裝NI串口驅(qū)動(dòng)后通過(guò)調(diào)用VISA函數(shù)完成串口信息的發(fā)送和讀取包括VISA配置、VISA讀取，VISA寫(xiě)入，VISA關(guān)閉。由于PC機(jī)只有RS232借口，通過(guò)485/232轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

圖7 智能交流接觸器上位機(jī)監(jiān)控界面

利用LabVIEW所編寫(xiě)的上位機(jī)界面如圖7所示。上位機(jī)可顯示接觸器的當(dāng)前狀態(tài)以及所采集的電網(wǎng)電量信息，并且能夠遠(yuǎn)程控制接觸器的分合。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的智能接觸器的控制準(zhǔn)確性，運(yùn)行系統(tǒng)后，通過(guò)示波器觀察單相電壓波形和觸發(fā)信號(hào)波形的同步情況，如圖8所示。

圖8 過(guò)零點(diǎn)捕捉實(shí)驗(yàn)

圖9 合閘控制實(shí)驗(yàn)

如圖9所示，A、B、C、D、E分別對(duì)應(yīng)：合閘信號(hào)給出時(shí)刻、A相晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻、B相晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻、C相晶閘管導(dǎo)通（240V電源接入）時(shí)刻、24V電源接入時(shí)刻。=5ms，=6.67ms，=6.67ms，=20ms。A時(shí)刻給出合閘信號(hào)，5ms后A相晶閘管導(dǎo)通，延時(shí)6.67ms后B相晶閘管導(dǎo)通，再延時(shí)6.67ms后C相晶閘管導(dǎo)通，與此同時(shí)240V激磁直流穩(wěn)壓電源接入電路，經(jīng)20ms延時(shí)后保證觸點(diǎn)可靠閉合，再將接入24V保持穩(wěn)壓直流電源接入電路，電路實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

在主觸頭兩端并聯(lián)雙向晶閘管后，由于晶閘管器件自身的特點(diǎn)，主回路在分?jǐn)鄷r(shí)的電壓電流特性將發(fā)生變化，可以有效地抑制電弧的產(chǎn)生。樣機(jī)在阻性負(fù)載和感性負(fù)載下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，接觸器分合閘時(shí)均無(wú)電弧產(chǎn)生。

4.1 節(jié)能性分析

交流接觸器樣機(jī)可靠閉合后，接觸器觸點(diǎn)由低直流24V電源保持。線圈的功率小于 0.650VA。控制系統(tǒng)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(jī)節(jié)能80%以上。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著計(jì)算機(jī)和監(jiān)測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，信息化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的開(kāi)關(guān)電器也不斷出現(xiàn)，本設(shè)計(jì)將嵌入式微處理器和電量芯片應(yīng)用于傳統(tǒng)的交流接觸器通、斷控制，可以實(shí)現(xiàn)交流接觸器的無(wú)弧分合操作，通過(guò)上位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)交流接觸器工況的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了交流接觸器使用、管理的智能化。

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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?yàn)椋河?jì)算機(jī)控制。