赵青青 郑彬 陈蒙生
浙江天正电气股份有限公司 325604
摘要
交流接触器是一种广泛应用于电机控制和配电系统的低压电器。随着科学技术的进步和电力需求的增加，市场对交流接触器的性能提出了更高的要求。本文针对传统交流接触器存在的问题，在控制系统成本合理的前提下，设计了交流接触器智能控制系统，并用测试样机对控制系统进行了测试，验证了支持控制系统运行的软件功能，基本达到了预期的目标。
关键词：交流接触器；智能控制系统；触头弹跳
1.引言
交流接触器作为现代工业中重要的低压电器之一，是电机控制和配电系统行业的研究热点。传统交流接触器在工作过程中存在一些问题：合闸过程中触头弹跳非常明显，合闸噪声大；保持过程能耗高；分断过程电弧侵蚀严重，容易造成触头损坏；整个工作过程不具备异常保护功能、网络通讯功能和在线监测功能。根据这种缺陷，本文设计了一种交流接触器智能控制系统。
2.交流接触器概述
2.1交流接触器的结构
电磁交流接触器的典型结构主要包括电磁系统机构和机械机构。机械结构由动触头、主弹簧、静触头、反作用弹簧和主电路端子组成。
2.2研究对象的选择
低压电器制造商天正公司推出CJX2系列交流接触器。CJX2系列交流接触器安装、拆卸、连接、采购、库存方便。他们主要致力于为电机提供更高的安全性和可靠性保护。本文选用的试验样机是天正CJX2F-400交流接触器，线圈的额定控制电压为380VAC，线圈闭合时功率为1200W，保持时功率为20W。
3.交流接触器智能控制系统硬件设计
3.1晶闸管驱动模块
本文选择了“混合”开关技术。在“混合”开关技术中，采用双向晶闸管驱动电路，交流接触器常无弧断开。本文选用Bta41-600b双向晶闸管。Moc3083由砷化镓发光二极管和三端双向晶闸管开关元件组成。moc3083光电耦合器有6个插脚，插脚1和2为输入端子，插脚3和5不工作，插脚4和6为输出端，与交流主电路相连，结构控制电路内的三端双向晶闸管开关元件通断。通过添加电信号使LED工作，实现了光电信号切换信号和光信号返回信号的处理。光电流通过输出引脚接收光信号后通过光电效应控制双向晶闸管的过程，是实现输入电路和输出电路之间电隔离的过程。
3.3线圈驱动模块
线圈驱动电路主要解决交流接触器智能控制系统中存在的高噪声、高能耗和触点弹跳现象。通常，MOSFET和JFET是两种主要的驱动电路。针对NMOS的导通电阻小、成本低、开关速度快、输入阻抗高等特点，选择MOSFET驱动电路实现对线圈两端电压的PWM分段控制，以改善接触器的接触弹跳现象，降低接触器的运行噪声降低了接触器正常运行时的能耗。
3.4三相电流/电压信号采集与调理电路
由于交流接触器本身的特点，交流接触器智能控制系统的三相电流/电压信号采样往往会夹杂不规则高次谐波等干扰信号，信号采样电路的不稳定也会导致采样结果的偏差。因此，本文对三相电流/电压信号采样调理电路进行了优化设计，在保证三相电流/电压信号正常采样的基础上，提高了电路的稳定性和抗干扰能力。考虑到实际应用场景和成本问题，本文最后选择了电压/电流互感器进行电信号采样。
对于三相电流信号电压采集调理电路和三相电压信号流采集调理电路，可分为五个部分，包括电流/电压采样电路、电压跟随电路、二阶低通滤波电路，双极到单极转换电路和箝位电路。
4.交流接触器智能控制的软件设计与实现
4.1软件功能
本文将整个软件系统分为智能控制和网络通信两部分。智能控制主要包括：
（1）分合闸任务负责优化接触器的工作过程；
（2）数据采集任务负责系统运行数据的实时采集；
（3）数据处理任务负责对采集到的数据进行处理；
（4）LCD显示任务负责系统数据的本地显示。
网络通信主要包括：
（1）下位机以太网通信任务负责实现上下位机之间的双向通信；
（2）上位机监控接口负责对接触器的运行状态进行远程监控。
4.2中断配置子程序的设计和实现
S3C6410具有多种协处理器来配合主CPU完成各种功能。中断控制器是常用的协处理器之一。中断功能可以通过编程中断控制器和主CPU来完成。当打开/关闭命令出现时，软件将自动切换到打开/关闭任务，执行系统相应的中断开/关操作。
4.3PWM信号生成子程序的设计和实现
PWM信号产生子程序如下：定时器初始化负责定时器的一系列配置工作，使定时器处于正常工作状态，并初始化相关引脚的PWM信号输出功能；通过设置预分频器值和分频器值，定时器的时钟频率可以设置，这是定时器工作的基础；通过设置计数值，可以设置定时器的时钟频率，初始值用来设置PWM信号的频率，比较值用来设置PWM信号的占空比，使其输出一定频率和占空比的PWM波形，定时器接通后，产生连续的PWM信号，控制接触器合闸。
4.4μC/OS-II的任务创建与优先级分配
创建任务的过程：在μc/osⅡ中创建任务包括以下步骤：先编写任务代码，然后在操作系统main函数main中声明栈长任务长度、任务栈任务栈任务等。为任务定义任务栈OS，在#STKTask#Stk[task#StkLength]；最后，调用main函数中的OSTaskCreate（）函数来创建任务。其中，表示不同任务的序列号。
本文使用的μc/os-ii操作系统可以支持多达64个任务，对应于优先级0-63。数字越高，优先级越低。通过对本文设计的智能接触器控制系统功能的分析，将其分为开关任务、数据采集任务、数据处理任务、液晶显示任务和以太网通信任务。
4.5以太网控制
该控制系统设计的以太网通信方案为：D9000AEP网卡芯片作为主控芯片S3C6410和上位机的驱动装置，通过RJ45接口和以太网网络连接上位机，是以太网通信的硬件基础；软件操作平台采用“c/osii实时操作系统，将LwIP协议栈移植为嵌入式网络通信协议栈，通过在LwIP协议栈底部添加dm9000aep驱动程序和数据收发等网络应用程序，支持接触器与上位机的通信软件设计。
控制系统采用c/osii作为软件开发平台，dm9000aep作为网卡驱动芯片，控制系统实现以太网通信主要包括三个部分：LwIP协议栈移植、dm9000aep网卡驱动和应用层数据传输。
4.6上位机控制页面的设计
LabVIEW程序分为两个面板：前面板是人机交互界面，通过图形界面向用户显示要监控的输出和输入控制量；后面板是程序控制面板，可以对前面板控制的数据进行处理，实现上位机监控界面的功能。
控制系统的上位机监控界面主要是为了方便工作人员远距离监控电路的运行状态，包括：电压、电流、温度等状态值的显示；系统异常情况的显示和报警；接触器的开/关控制；记录和趋势历史数据的显示。
5交流接触器智能控制系统样机试验
本文主要对天正公司生产的CJX2F-400交流接触器进行了试验。试验结果表明，该控制系统达到了设计要求，优化了试验样机的性能：采用PWM电压反馈控制线圈电压，很好地跟踪理想电压，有效地控制了触点弹跳，过程节能率达88%；实现了无弧分断，系统具有良好的实时保护和人机交互能力，以太网通信性能良好，上位机监控界面良好，实现了对样机运行状态的远程监控。
结论
本文利用RVDS开发环境设计并完成了控制系统的软件设计，优化了交流接触器的工作过程，解决了交流接触器工作过程中存在的问题，实现了上下位机之间的以太网通信，移植LwIP协议栈作为以太网通信的协议支持；移植μc/os-ii操作系统，实现各控制系统软件任务的自动管理，解决了传统软件设计中响应时间冲突的问题；利用LabVIEW开发环境设计并实现了上位机监控界面，实现了对接触器运行状态的远程监控；基于测试原型CJX2F-400对软件功能进行了测试，验证了控制系统满足设计要求。
参考文献
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