380V电永磁控制器的设计与实现

陈 松，荣 军，赵海波

(湖南理工学院 信息与通信工程学院，湖南 岳阳 414006)



380V电永磁控制器的设计与实现

陈 松，荣 军，赵海波

(湖南理工学院 信息与通信工程学院，湖南 岳阳 414006)

设计了一个以STM32F103为控制核心的电永磁控制器，实现了在交流380V输入电压下, 对电永磁本体进行充退磁；系统输入电压经同步变压器降压处理后，由过零检测电路获取过零信号，然后通过STM32F103输出脉冲串，经脉冲变压器KCB6743加至可控硅，实现了半波整流电路精确的功率输出；灵活简单的按键操作以及完整的显示功能，很好的实现了人机互动；通过测试本系统能准确的对电永磁本体充退磁操作，并且能够通过按键设置充退磁电流，实现电永磁的磁力大小调整；该控制器具有成本低、易操作、通用性强以及高可靠性的特点，使其广泛应用于电磁领域。

电永磁控制器；可控硅；过零检测；充放电

0 引言

电永磁控制器在精密机床以及电磁铁等行业应用广泛[1-2]，因此研究其高精度、操作方便以及节能的新型电永磁控制器迫在眉睫。目前市面上出售的电永磁控制器的控制性能比较差，能耗高，并且在一些复杂的工作条件下，不能够适应。因此针对此现象，设计了一种新型的电永磁控制器，它具有高精度、无温升、能耗低以及操作方便的优点。

1 系统实现及硬件电路实现

1.1 系统组成结构框图

电永磁控制器的控制器采用TM32F103设计，控制输出电平可以改可控硅触发角的导通，从而可以输出不同压值，该电压值加至线圈负载上从而使吸盘磁化。根据不同工作环境以及不同规格的本体，充退磁电流可通过按键进行设置。该系统具有电流监测功能，通过霍尔电流传感器输出模拟量，经STM32F103自带A/D转换器处理后，再通过显示模块显示当前电流值。此外电永磁控制器还具有远程控制功能，而且可以实现多机联机以及多通道拓展，其系统总体设计结构框图如图1所示。

图1 系统总体设计结构框图

1.2 过零检测电路设计

系统在波形由正半轴到负半轴转变时，对其过零位时进行的检测称之为过零检测，其可作为开关电路或者频率检测部分，而且漏电开关的漏电检测是检测零序电流。过零检测电路采用的是变压器隔离的设计方案，以DL-PT202D电流型电压互感器为核心器件，其互感器电路原理图如图2所示。电压从变压器输入端输入，经过限流电阻进行限流处理后，电流以1:1的方式耦合至次级，再通过互感器的输出端接运放实现电压的采集，从而实现了高压到低压的隔离与转换测量。结合互感器的饱和电压与负载能力，工作电流设定在1 mA～4 mA之间可以更好的保证精度和线性度，这里饱和电压为1 V，即输出电压Uo<1V，R=Uo/I[3-4]。

图2 互感器电路原理图

由于主要用于检测380 V电压的过零点，因此并不需要实时电压值的大小，因此本文采用线路简单，不需要外接电源，低成本的电阻采样法设计，如图3所示。该电路将互感器DL-PT202D采样的信号经过LM239整形后输出给控制电路，因只考虑过零点上升沿，电路采用单电源供电，1%精度电阻分压提供LM239偏置参考电压。过零检测整体电路简单易实现，能够满足系统各项功能指标的要求。

图3 过零检测电路原理图

1.3 充退磁功率模块电路设计

冲退磁功率模块电路相对于本控制器有着至关重要的作用，它提供励磁电流与退磁电流，其设计的好坏直接将直接影响电永磁控制器能否正常的工作。本模块主要由整流电路、过零检测与可控硅驱动电路组成，该电路通过主控识别过零点以及外界触发指令，进而发送触发脉冲经MOSFET、KCB6743控制可控硅导通，最后通过电流检测器件HBC-LTS-3.3检测输出电流反馈给主控AD。该设计具有反馈控制理念，很好的实现了产品的各项功能要求，功率电路的整体电路设计框图如图4所示[5-6]。

图4 充退磁功率电路设计框图

1.4 RC阻容吸收电路设计

电阻R和电容C通过串联组成阻容吸收网络，并联在可控硅两端。电容C作用主要是利用其两端电压不能突变的特性从而降低电压上升率，电阻R则是防止感性负载条件下振荡产生高压损坏可控硅，同时可以避免电容器放电产生大电流损坏可控硅。

电容容抗的选择：

(1)

If=0.367Id

(2)

假若采用500 A的晶闸管(可控硅)进行整流，根据式(1)可以得出电容：

C=(2.5～5)×10-8×500=1.25～2.5mF

(3)

电阻阻值的选择：

(4)

由式(4)计算可知选择10欧，其中u表示三相电压的有效值。

(5)

(6)

在实际计算应用中，时间常数去在1～10 ms之间，根据负载功率的不同对时间常数的选取稍有不同，通常大功率选取10 ms，小功率取2 ms。对于电阻R的选取可根据以下提示进行选取：小功率可选金属膜、RX21线绕以及水泥电阻，其中RX21线绕和水泥电阻也可用于大功率场合。电容器C一般情况采用CBB电容较多。

1.5 可控硅触发电路设计

永电磁控制器触发电路如图5所示，采用导通电阻较小的N沟道MOS管作为开关管，减小了导通损耗，与晶体管相比MOS管属于电压控制元件，只需较小的电流便可使其导通，工作状态下MOS管的能承受较大的源极电流，且具有反向保护二极管，保证了电路的性能，提高了电路的稳定性和可靠性。防饱和二极管以及续流二极管均采用快恢复FR107，与普通二极管相比具有更快的恢复速度以及更优的性能[7]。

图5 可控硅触发电路

1.6 电流检测电路设计

系统电路的设计本着强弱电严格隔离的原则进行设计，霍尔元件属于有源器件，为方便隔离和电源的处理，该项目使用的是厚施产品霍尔电流传感器HBC-LTS-3.3。HBC-LTS-3.3是一款电源电压3.3 V便可正常工作的电流传感器，其供电电压与主控芯片取自同一电源芯片，方便了电路的隔离处理提高了电路的抗干扰能力。由电流传感器输出的电压信号经过低通滤波器平滑处理，输入主控芯片AD，保障系统电路稳定工作。整体电路如图6所示[8]。

图6 电流传感器电路图

2 系统控制算法软件实现

2.1 主程序设计

系统软件部分主要完成以下任务：1)通过检测过零点和触发指令，输出脉冲串驱动可控硅导通；2)通过检测硬件电路输出量判断工作状态是否正常；3)根据各触发指令主控做出的响应控制显示模块做出指示。本系统软件采用的是模块化的程序编写思想，其软件总体设计流程如图7所示[9-10]。

图7 主程序流程图

2.2 消息发送程序设计

关于该控制器的程序设计中按指令的获取与识别是整个软件的设计的基石，对控制的任何操作都是基于按键指令，消息发送也主要是针对按键指令获取和识别进行讲述。按键主要用于充磁、退磁以及强充三功能指令触发，按键指令以开关量的形式输出经光耦隔离输入至主控STM32F103普通I/O口，通过判别传输量电平的高低识别指令为何种指令，指令判别成功后主控对指令做出响应执行。该模块主要流程图如图8所示。由消息发送模块获取的指令任务后进行消息的处理，其获取的消息主要由可控硅导通控制信号、充退磁指令以及显示组成。

图8 消息发送流程图

2.3 充退磁指令执行程序设计

本部分程序设计主要阐述对电磁铁本体充退磁操作，当收到充退磁指令消息后，检测过零点舍弃一个正负半波，输出可控硅导通脉冲串，其要求在上节已详细说明。可控硅导通提供励磁电流，通过霍尔电流传感器输出模拟量，经A/D转换器接口输入主控芯片处理后，对电路工作状态做出判断，若符合设置要求，否则发出报警信号软件进入保护状态。程序框图如图9所示。

图9 充退磁指令执行流程

3 实验结果及分析

380V电永磁控制器设计技术指标：电源输入电压为AC380 V； 励磁电流≤50 A(80 A)；通道切换间隔时间≤0.30秒；充退磁时间为0.1～20 s；380 V半波电永磁控制器功能要求：

充退磁操作；充退磁电流可调；控制器工作状态下控制数码管显示充磁档位1～8档，不同的档位对应不同的吸力输出；磁饱和与温度检测功能。

本体充退磁强度数据测试:

控制器具有档位可设定实现对不同本体的充退磁操作，档位设定采用可控硅导通角度分档输出不同大小直流电压，通过欧姆定律以及霍尔电流传感器获取电流大小进行验证。测试环境为：380 V输入、本体内阻0.8 Ω、单通道、一次性充退磁。其数据如表1所示。从表1中的数据可知，该控制器实现了1～8档位可调，即充磁电流可控。

表1 充退磁强度数据

多通道功能主要实现对多个本体充退磁，该通道测试指标主要是检测每通道充退磁电流是否和预设值在误差范围内，能否达到设计要求。多通道功能测试环境：380 V输入、本体内阻0.8 Ω、8通道、充退磁电流60 A。其数据如表2所示，从表2可知该控制器成功实现了8通道的扩展功能。

表2 多通道测试数据

4 结论

本文设计了一个380 V半波电永磁控制器，系统设计主要包括硬件设计、软件设计和综合调试。从对系统的各项指标测试可知，电永磁控制器接入380 V电压，半波整流电路工作正常，充退磁指令成功响应，电磁铁本体充退磁成功，完全满足设计要求。系统设计采用了现代的电路构成系统的主要部分，减少硬件电路，设计一个低成本、低功耗、通用性强、小体积、易安装以及操作间单的电永磁半波控制器，本设计在工业上十分具有应用价值。

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[10] Data Sheet of TM1640[EB/OL].http://www.titanmec.com/index.php.

Design and Implementation of 380V Electric Permanent Magnetic Controller

Chen Song, Rong Jun, Zhao Haibo

(Department of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

The electric permanent magnet controller is designed based on STM32F103 as the core of control, and achieves the control of the process of magnetizing and demagnetizing under AC 380V input voltage. After the step-down treatment of synchronous transformer and the attainment of zero-crossing signal by zero-crossing detection circuit, the system outputs pulse train through the STM32F103 and adds to the SCR with pulse transformer KCB6743. In this way, the half-wave rectifier circuit power output is accurately implemented. With flexible and simple keystroke and the full display function, man-machine interaction is well realized. Through testing, it is found that the system can accurately achieve the process of magnetizing and demagnetizing on electric permanent magnet body and the adjustment of the magnetic force can also be achieved through the button Settings of filling demagnetization current. The features of low cost, easy operation, wide versatility and high reliability of the controller make it widely be used in electromagnetic field.

electric permanent magnetic controller; SCR; zero crossing detection; charge and discharge

2015-08-27；

2015-10-26。

本科专业综合改革国家级试点专业 (教高司函[2013]56号);国家级实验教学示范中心(教高函[2013]10号)。

陈 松(1973-)，男，湖南平江人，硕士，讲师，主要从事学生课外科技活动和组织工作方向的研究。

1671-4598(2016)03-0051-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.03.015

TM46

A