一种强制导向型继电器控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及轨道交通控制技术领域，尤其涉及强制导向型继电器控制装置及控制方法。

背景技术

近年来全电子联锁产品在铁路行业应用逐年增加,强制型导向继电器在全电子联锁产品中应用广泛，一般在道岔机硬件控制电路板，信号灯硬件控制电路板和零散输入输出硬件控制电路板上都有大量使用。单块板卡的密集度越高，使用的继电器越多，相对成本就越低。强制型导向继电器依靠使其线圈得电/断电来控制常闭触点吸合/落下，线圈得电会导致发热。大量使用继电器时，当继电器同时得电，线圈发热会导致整个产品内部温升随之增加，从而降低产品的寿命。

现有已知全电子板卡上使用的强制型导向继电器普遍的控制方法为：CPU(中央处理器)控制一个光耦的初级侧的通断，其次级控制一个电子开关的通断，电子开关与强制导向型继电器的线圈和线圈控制电源串联。线圈控制电源为恒压源，光耦打开时，线圈控制电源流过线圈，继电器得电常开触点吸合。由于控制电源为恒压源，且一般电压都控制在继电器线圈的额定工作电压，继电器发热在得电后是基本一致的。而一般强制型导向继电器工作电压分吸起电压，保持电压和释放电压，即当通过线圈的电压大于吸起电压时继电器可从释放状态转为吸合状态，当继电器已经吸合后只要通过的电压大于保持电压就可以保持吸合状态，直到通过的电压小于释放电压继电器才会释放。一般保持电压都比吸起电压要小很多，很多厂商的继电器保持电压都小于等于额定电压的一半，但现有的恒压源的方案，为了保证继电器顺利吸起，电压恒定一直保持在额定电压，使得继电器发热一直处于比较大的状态，成为板卡密度增大的障碍，不利于成本控制和节能低碳的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种强制导向型继电器控制装置，可降低继电器线圈发热，节能低碳的同时又延长整个全电子产品的寿命，提升了用户体验。

实现上述目的的技术方案是：

一种强制导向型继电器控制装置，包括：输入直流电压源、电子开关、第一中央处理器、第二中央处理器和晶体管可控线圈电压调整电路，

所述输入直流电压源通过所述电子开关连接所述晶体管可控线圈电压调整电路；

所述晶体管可控线圈电压调整电路通过内部晶体管的通断调节来自所述输入直流电压源的输入电压，产生输出电压供给强制导向型继电器的线圈；

所述第一中央处理器一方面产生用于控制晶体管通断的PWM(脉冲宽度调制)信号传输给所述晶体管可控线圈电压调整电路，另一方面回采所述输出电压的取样电压和强制导向型继电器的一个常闭触点状态；

所述第二中央处理器一方面控制所述电子开关通断，另一方面监控所述第一中央处理器产生的PWM信号和回采强制导向型继电器的另一个常闭触点状态。

优选的，所述晶体管可控线圈电压调整电路和强制导向型继电器的线圈均接地。

优选的，还包括：

连接在所述第一中央处理器和所述晶体管可控线圈电压调整电路之间，用于减缓PWM信号上下冲的第一电阻；以及

连接在所述第一中央处理器的输出端和第二中央处理器之间的第二电阻。

优选的，还包括：用于将所述输出电压分压取样，得到取样电压的第三电阻和第四电阻，

所述第三电阻的一端连接所述晶体管可控线圈电压调整电路和强制导向型继电器的线圈的相接端，另一端通过所述第四电阻接地；

所述线圈控制电压监控电路连接所述第三电阻和第四电阻的相接端，将取样电压调整后输出给所述第一中央处理器读取。

优选的，还包括：与强制导向型继电器的线圈并联，用于给强制导向型继电器的线圈续流的二极管。

优选的，还包括：

连接所述第一中央处理器和强制导向型继电器的一个常闭触点，用于给该常闭触点回采信号限流的第六电阻；

连接所述第二中央处理器和强制导向型继电器的另一个常闭触点，用于给该常闭触点回采信号限流的第五电阻。

优选的，两个常闭触点分别由各自对应的直流电源供电。

优选的，所述第一中央处理器和第二中央处理器通过本地总线通讯连接，所述第一中央处理器和第二中央处理器还连接上位机。

一种上述强制导向型继电器控制装置的控制方法，包括：

步骤一，所述第一中央处理器配置与吸起电压对应的PWM信号的频率和占空比，并传输给所述第二中央处理器记录；

步骤二，所述第二中央处理器读到所述第一中央处理器发送的PWM信号的频率和占空比与本身监控的值一致时，发出闭合所述电子开关的命令并通知所述第一中央处理器；如果不一致时，所述第二中央处理器发送给所述第一中央处理器和上位机错误报警，并停止；

步骤三，所述第一中央处理器和第二中央处理器在达到强制导向型继电器的稳定吸合时间后，各自回采一个常闭触点状态，当均读到低电平后，说明继电器已经稳定吸合，此时可选择性跳开步骤四进入步骤五；否则必须进入步骤四，且完成步骤四后停止后续操作；

步骤四，所述第一中央处理器采集取样电压并传给所述第二中央处理器和上位机；

步骤五，所述第一中央处理器配置与保持电压对应的PWM信号的频率和占空比，并发送给所述第二中央处理器，在所述第一中央处理器收到所述第二中央处理器已知的应答信息后，输出PWM信号；

步骤六，所述第一中央处理器和第二中央处理器各自回采一个常闭触点状态，当均读到低电平后，完成步骤七后进入步骤八；否则完成步骤七后，给上位机发出错误报警并停止；

步骤七，所述第一中央处理器采集取样电压，并判断是否在预设范围，同时将取样电压值和判断结果传给所述第二中央处理器和上位机；所述第二中央处理器读到所述第一中央处理器发送的PWM信号的频率和占空比与本身监控的值做比较，并把比较结果发送给第一中央处理器和上位机；

步骤八，上位机查看取样电压是否在预设的范围内，如果超过范围则发送给第一中央处理器停止发出PWM的命令，同时给第二中央处理器发出打开电子开关的命令；同时上位机查看PWM信号的频率和占空比与监控到的值是否一致，如果不一致则发送给第一中央处理器停止发出PWM的命令，同时给第二中央处理器发出打开电子开关的命令；如果取样电压在范围内，且PWM频率和占空比监控的值和预设的值也一致，那么周期性顺序重复步骤六和步骤七。

优选的，步骤二中，所述第二中央处理器将读到的所述第一中央处理器发送的PWM信号的频率和占空比与多次本身监控的值进行对比；

步骤三中，在预设时间内，所述第一中央处理器和第二中央处理器各自回采一个常闭触点状态；

步骤六中，在预设时间内，所述第一中央处理器和第二中央处理器各自回采一个常闭触点状态；

步骤七中，所述第一中央处理器多次采集取样电压与预设范围进行比较；所述第二中央处理器将读到的所述第一中央处理器发送的PWM信号的频率和占空比与多次本身监控的值进行对比。

本发明的有益效果是：本发明使得继电器线圈的通断电由双CPU冗余控制，继电器线圈的控制电源电压可调，在吸起瞬间提供线圈所需的吸起电压，而当继电器稳定后，可调节PWM波的占空比或者频率，使得电压保持在继电器所需的保持电压。继电器线圈的功耗近乎为使用现有常用控制方法的三分之一。由于发热与功耗成正比，单个继电器线圈的发热大大降低了，有利于提高单板的功率密度，节能低碳，降低了全电子产品的成本。

继电器状态被双CPU回采监控，继电器的控制命令与回采状态由双CPU对比判断，一旦有任何一个CPU对比不一致都可以各个独立断开继电器线圈的供电通路，从而使得继电器落下，系统导向安全侧，比单CPU控制继电器吸合落下的方案更加安全可靠。

本发明不仅监控了继电器触点状态，还回采了继电器线圈的控制电压大小和调节线圈控制电压大小的PWM的频率和占空比，当发生故障时，方便精确定位故障，提高了可维护性。

附图说明

图1是本发明的强制导向型继电器控制装置的结构图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1，本发明的强制导向型继电器控制装置，包括：输入直流电压源VCC1、电子开关S1、第一中央处理器100、第二中央处理器200和晶体管可控线圈电压调整电路300。

输入直流电压源VCC1通过电子开关S1连接晶体管可控线圈电压调整电路300。电子开关S1控制输入直流电压源VCC1供电的通断。

晶体管可控线圈电压调整电路300通过内部晶体管的通断调节来自输入直流电压源VCC1的输入电压，产生输出电压VCC2供给强制导向型继电器K1的线圈。

第一中央处理器100一方面产生用于控制晶体管通断的PWM信号传输给晶体管可控线圈电压调整电路300，另一方面回采输出电压VCC2的取样电压和强制导向型继电器K1的一个常闭触点状态。

第二中央处理器200一方面控制电子开关S1通断，另一方面监控第一中央处理器100产生的PWM信号和回采强制导向型继电器K1的另一个常闭触点状态。电子开关S1的控制端连接第二中央处理器200。

本实施例中，还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6。

晶体管可控线圈电压调整电路300和强制导向型继电器K1的线圈均接地。

第一电阻R1连接在第一中央处理器100和所述晶体管可控线圈电压调整电路200之间，用于减缓PWM信号上下冲。第二电阻R2连接在第一中央处理器100的输出端和第二中央处理器200之间，用于双CPU电源系统隔离。

第三电阻R3和第四电阻R4串联，4用于将输出电压VCC2分压取样，得到取样电压。具体地，第三电阻R3的一端连接晶体管可控线圈电压调整电路300和强制导向型继电器K1的线圈的相接端，另一端通过第四电阻R4接地。

线圈控制电压监控电路400连接第三电阻R3和第四电阻R4的相接端，将取样电压调整后输出给所述第一中央处理器100读取。

二极管D1与强制导向型继电器K1的线圈并联，用于给强制导向型继电器K1的线圈续流。当强制导向型继电器K1的线圈断电时，能量可以通过二极管D1释放。

第六电阻R6连接第一中央处理器100和强制导向型继电器K1的一个常闭触点，用于给该常闭触点回采信号限流。第五电阻R5连接第二中央处理器200和强制导向型继电器K1的另一个常闭触点，用于给该常闭触点回采信号限流。两个常闭触点分别由各自对应的直流电源VDD1、VDD2供电。

第一中央处理器100和第二中央处理器200通过本地总线通讯连接，第一中央处理器100和第二中央处理器200还连接上位机。

输入直流电压源VCC1的电压经过电子开关S1后，通过晶体管可控线圈电压调整电路300产生输出电压VCC2；输出电压VCC2直接供给强制导向型继电器K1的线圈。其中控制晶体管通断的PWM信号由第一中央处理器100产生，第一中央处理器100通过控制PWM信号的频率和占空比来调节第二中央处理器200的大小。第一中央处理器100产生的PWM信号经过第一电阻R1后送给晶体管可控线圈电压调整电路300控制其晶体管的通断，同时经过第二电阻R2后送给第二中央处理器200监控。输出电压VCC2经过第三电阻R3和第四电阻R4分压取样后送给线圈控制电压监控电路400进行隔离和电压调整后送给第一中央处理器100的模数转换管脚，从而第一中央处理器100可以实时监控输出电压VCC2的大小。强制导向型继电器K1的一个常闭触点的一端接直流电源VDD1，另一端通过第六电阻R6后连接第一中央处理器100的管脚，从而强制导向型继电器K1的吸合或落下状态被第一中央处理器100回采；强制导向型继电器K1其中一个常闭触点的一端接直流电源VDD2，另一端通过第五电阻R5后连接第二中央处理器200的管脚，从而强制导向型继电器K1的吸合或落下状态被第二中央处理器200回采。

第一中央处理器100和第二中央处理器200可通过本地总线互相通讯，从而第二中央处理器200可以告知第一中央处理器100控制电子开关S1的通断命令，强制导向型继电器K1的常闭触点回采状态和监控到的PWM波频率和占空比等。同理，第一中央处理器100可告知第二中央处理器200其预设的PWM波频率和占空比，强制导向型继电器K1的常闭触点回采状态和读回的线圈控制电压反馈值等。根据这些信息两系CPU都可以判断强制导向型继电器K1控制命令与回采状态是否一致，当有任何不一致时，第一中央处理器100和第二中央处理器200都可以断开输入直流电压源VCC1与强制导向型继电器K1的线圈的通路，从而使得强制导向型继电器K1断电落下。

通过本发明，当强制导向型继电器K1从断电落下要转为得电吸合状态时，可以由第一中央处理器100设置可产生VCC2≥吸起电压的频率和占空比，等强制导向型继电器K1吸合稳定，双CPU回采都正常后，第一中央处理器100可以调节占空比降低强制导向型继电器K1的线圈电压，只需保持VCC2≥保持电压即可。由于一般强制导向互斥继电器线圈的保持电压比吸起电压要小很多，线圈发热和电压成正比，对于需要长期吸合的继电器，本发明可降低单个继电器线圈的发热，从而可增大全电子单板的密度，降低成本的同时节能低碳。

本实施例中，电子开关S1可采用常见的PhotoMOS或者P-MOSFET器件。第一中央处理器100和第二中央处理器200可以是ARM，PowerPC，FPGA任意一种控制芯片即可。线圈控制电压监控电路400可以采用常见的运放构成电压调整电路。二极管D1选择可耐受继电器线圈反向电压的二极管。第一电阻R1可选择常见的贴片电阻。第二电阻R2可选择金属膜电阻。第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6可选择常见的贴片电阻。晶体管可控线圈电压调整电路300可采用常见的由晶体管控制输出电压大小的buck电路或者由推挽电路构成的负电荷泵电路，输出电压VCC2的大小都可以通过控制晶体管的通断调节。

当电子开关S1断开时，强制导向型继电器K1的线圈失电，K1落下，即其常开触点断开，常闭触点合上；当电子开关S1合上时，作为晶体管可控线圈电压调整电路300的输入电压＝VCC1，为强制导向型继电器K1的线圈得电的必要条件。

上述强制导向型继电器控制装置的控制方法，包括下列步骤：

步骤一，第一中央处理器100配置与吸起电压对应的PWM信号的频率和占空比，并传输给第二中央处理器200记录。

步骤二，第二中央处理器200读到第一中央处理器100发送的PWM信号的频率和占空比与本身监控的值一致时，发出闭合所述电子开关S1的命令并通知所述第一中央处理器100；如果不一致时(允许容错几次，可按系统需要设置)，所述第二中央处理器200发送给所述第一中央处理器100和上位机错误报警，并停止。

步骤三，第一中央处理器100和第二中央处理器200在达到强制导向型继电器K1的稳定吸合时间后，各自回采一个常闭触点状态，当均读到低电平后(允许容错，在预设时间内)，说明继电器已经稳定吸合，此时可选择性跳开步骤四，进入步骤五。当第一中央处理器100和第二中央处理器200在超过容错的范围后，其中一个CPU读到高电平或者两个CPU都读到高电平，都判断为继电器吸合失败，此时必须进入步骤四并且完成第四步后停止后续操作。

步骤四，第一中央处理器100采集取样电压并传给第二中央处理器200和上位机，以便监控或故障定位；

步骤五，第一中央处理器100配置与保持电压对应的PWM信号的频率和占空比，并发送给第二中央处理器200，在所述第一中央处理器100收到所述第二中央处理器200已知的应答信息后，输出PWM信号；

步骤六，第一中央处理器100和第二中央处理器200各自回采一个常闭触点状态，当均读到低电平后(允许容错，在预设时间内)，说明继电器稳定保持吸合，完成步骤七后进入步骤八；否则完成步骤七后，给上位机发出错误报警并停止；

步骤七，第一中央处理器100采集取样电压(可以是多次采样)，并判断是否在预设范围，同时将取样电压值和判断结果传给所述第二中央处理器200和上位机；第二中央处理器200读到第一中央处理器100发送的PWM信号的频率和占空比与本身监控的值做比较，并把比较结果发送给第一中央处理器100和上位机；

步骤八，上位机查看取样电压是否在预设的范围内，如果超过范围则发送给第一中央处理器100停止发出PWM的命令，同时给第二中央处理器200发出打开电子开关的命令；同时上位机查看PWM信号的频率和占空比与监控到的值是否一致，如果不一致则发送给第一中央处理器100停止发出PWM的命令，同时给第二中央处理器200发出打开电子开关的命令；如果取样电压在范围内，且PWM频率和占空比监控的值和预设的值也一致，那么周期性顺序重复步骤六和步骤七。

第一中央处理器100和第二中央处理器200可周期性的去回采强制导向型继电器K1常闭触点的状态，以实时监控K1的状态是否和命令一致,当任何一个CPU发现不一致时，都可独立断开强制导向型继电器K1的线圈的控制电，使得其失电落下。第一中央处理器100可配置PWM波的占空比为0，在电子开关S1合上的情况下，依然可调节VCC2＝0；第二中央处理器200可发出断开电子开关S1的命令，即使PWM还正常输出，失去了输入电压VCC1，也可使得输出电压VCC2＝0。

继电器线圈的控制电源电压可调，在吸起瞬间提供线圈所需的吸起电压，而当继电器稳定后，可调节PWM信号的占空比或者频率，使得电压保持在继电器所需的保持电压。由于继电器吸起到稳定的时间很短，一般只需要几十毫秒，远远小于继电器稳定吸合的时间，而大部分厂家的强制导向型继电器保持电压一般比吸起来电压小很多。比如泰克的SR4D4012，吸起电压为9VDC,保持电压为5.4VDC,额定电压为12VDC，现有的技术控制方法为保持裕量，常设置控制线圈的电源电压为恒定12VDC，本发明可设置吸起电压为12VDC，保持电压为7V，由于吸起时间很短，可以忽略，在这种情形下，使用本发明的控制方法的继电器线圈的功耗近乎为使用现有常用控制方法的三分之一。由于发热与功耗成正比，单个继电器线圈的发热大大降低了，有利于提高单板的功率密度，节能低碳，降低了全电子产品的成本。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。