基于单片机的接触器控制器设计

陈晶旗 储鹏飞 周海霞 张鑫雨 王天成 郭雨阳

摘 要：针对接触器的工作噪音过大，能耗过高，使用触头磨损问题，提出了一种新型智能化的接触器控制器模块设计。主要STM32核心控制器模块、有交流电压实时检测模块、交流电压变压整流、buck降压电路模块。最后通过实验表明，利用此控制器模块可以有效减少接触器的能耗，降低接触器吸合时的噪音，延长接触器的使用年限。

关键词：交流电压实时检测;变压整流;PWM波调压;buck电路

中图分类号：TM562.;TP368.1                                    文献标识码：A                                       DOI：10.12296/j.2096-3475.2021.05.337

引言：交流接触器作为低电压电子控制最根本的控制器件之一，被广泛的使用在各行各业的各种装备设施中。作为一种远程控制闭合与断开开关器件。随着中国提出节能减排的号召，各个行业对高品质的开关需求急切。但以往的接触器由于耗能，噪声大，使用寿命短、保有量大等各种问题，难以满足当前的发展需求，且难以通过更换新式接触器来解决该问题。因此开发一种智能接触器控制器模块十分急迫。在满足接触器所有功能的现状下，有如下的工作流程设计，来使得接触器更加的智能节能。

本设计采用模块化设计方案，设计了一种交流接触器的控制单元，详细分析了模块中各个组件的工作原理，最后将模块装配到一台220V交流接触器上进行试验分析，结果表明可有效实现节能。

一、智能控制单元的硬件设计

以STM32F103ZET6单片机为控制核心，采用模块化的设计思路。其中主要的模块为电压检测模块、继电器驱动模块、接触器接通模块、显示模块、降压整流模块、PWM波调压电路.图1所示的为整个只能控制模块的原理框图。为整个智能模块通上电后，实时检测交流电压并显示，当线圈电压在额定工作电压的70%～115%之间时为接触器线圈通电;使线圈产生磁力，然后线圈与触头吸合;在接触器吸合稳定后，将接入接触器线圈中的交流电断开，延时一段时间待线圈中电压稳定后，为其接入低压直流电，待接触器线圈中的电压稳定后再接入经buck电路输出的直流电;待接触器线圈中的电压变得稳定后，将低压直流电撤去，使线圈中只接入使用PWM波调压的buck电路，且使接触器触头刚好处于吸合的状态。从而实现延长接触器触头使用寿命，以及节能的目的。

1.核心控制模块

使用STM32F103ZET6单片机作为控制核心。该单片机即成了ADC转换电路，这样在检测电路时就不需要再另外设计ADC转换电路，从而实现电路的简化，同时使整个模块的可靠性更高。此外由于此款单片机具有较多的引脚，可直接在外部接上4.3寸的lcd彩屏，以此来显示更多的接触器工作时的信息;若在考虑整个模块的制作成本的基础时，可将单片机换为引脚更少的单片机，显示屏换为定制的黑白lcd显示屏。

2.继电器驱动模块

继电器驱动模块如图2所示。其中U1为光耦，将其作为一个开关使用，同时也将外部的5V电压与单片机隔离出来，阻止了可能潜在的干扰;D1为整流二极管，此处应用了其单向导电性;T1为一个小功率的NPN型三极管，此处应用了其开关特性，当光耦的输入端给出一个闭合信号时，在三极管的基极接收到通过光耦输出端的+5V电压，三极管导通，继电器线圈内通入电压，继电器吸合。此外在单片机的引脚输出模式有三种复用输出、推挽输出、开漏输出。其中以推挽输出的驱动能力最强，可输出3.V电压，但电流最大只有20mA，无法直接驱动电路中用于控制线路通断的继电器，所以需要为继电器设计一个这样的驱动电路。

3.整流降压模块

图3所示的为整流降压模块。为接触器的吸合以及PWM波调压电路提供直流电压;T3为针式变压器，将220V直流电調节为24V交流电;F5为保险丝，以起到防止过载的效果;R5为压敏电阻，可以防止进入整流桥的电压过大;D3为整流桥，将24V直流电转换为了交流电;后边的C4.D4.C5为电容、二极管、电容，其作用是将脉动的直流电变得平滑稳定。220V交流电经过此电路后，将会产生一个32.5V的直流电。

4.PWM波调压电路

PWM波调压电路如下图4所示，用单片机发出的不同占空比的PWM波来驱动光耦的通断，伴随着光耦的通断会在IGBT1的基极产生两个不同的电压，来控制IGBT1的通断，即可在IGBT的集电极和发射极产生脉动的直流电。然后将产生的脉动直流电输入到图5的buck电路中，将脉动的直流电转换为平滑的直流电，最终实现使用PWM波来调整直流电的电压。

二、智能控制单元软件设计

1.主程序设计

智能继电器模块的软件设计采用了模块化的设计思想，包括ADC转换模块、PWM波调压模块、LCD显示模块等三个主要的程序模块。程序的运行流程如左方的图6所示。当整个模块上电后，即开始检测交流电的实时电压变化，当电压变化到合适的范围内时即为接触器的线圈接入交流电，使其吸合，经过延时后将交流电撤去，为其接入低压直流电，最后接入经过PWM波调压的低压直流电。从而实现节能的目的。

2.PWM波调压设计

利用单片机内部的脉冲宽度调制（PWM）技术来实现对直流电压的调节，其中PWM波的输出是使用单片机内部的TIM3时钟，同时配置PB5脚为复用输出，最后通过设置寄存器TIM3_CCR2的数值来实现PWM波占空比的改变，进而实现对直流电压的调节。

3.ADC转换设计

利用单片机内部的ADC，其中STM32中的ADC是一个12位逐次逼近型的模拟数字转换器，具有18个通道，可采集16个外部与2个内部信号源。这里我们通过使用程序来开启ADC的时钟，设置输入脚为模拟输入。将ADC复位，之后初始化ADC，使能并校准ADC。最终实现ADC检测电压。

三、结语

文中以单片机为核心，设计了对交流电压进行实时检测、继电器驱动、buck降压电路的模块。大大降低了接触器工作时触头的磨损以及工作时的能耗，最终实现设计智能模块的节能减排目的。

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基金项目：基于51单片机的永磁真空断路器的控制器设计  2020CXXL0162020年、滁州学院大学生创新创业训练计划资助项目+基于51单片机的永磁真空断路器的控制器设计+2020CXXL016

（滁州学院机械与电气工程学院  安徽滁州  239000）