基于Cotex-M3內(nèi)核的智能低壓斷路器控制器設(shè)計(jì)

摘要：文章介紹了基于Cotex—M3內(nèi)核的32位高性能微控制器在智能低壓斷路器控制器的硬件及軟件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。本智能控制器硬件采用信號變換、波形變換法;軟件采用微分法。具體是通過微控制器中集成的PWM輸入捕獲模式采樣變換后的信號來間接計(jì)算電流的變化率，大大縮短了過載、短路故障電流的響應(yīng)時(shí)間。智能低壓斷路器控制器，除實(shí)現(xiàn)故障保護(hù)功能外，還能對環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)的現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)性監(jiān)測、區(qū)域聯(lián)網(wǎng)通信等，真正能實(shí)現(xiàn)“分布式控制、集中管理”，降低現(xiàn)場維護(hù)的難度，提高了整個(gè)區(qū)域環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

0 引言

從20世紀(jì)90年代后期至今，智能化低壓電器產(chǎn)品的發(fā)展迅速。智能化低壓電器產(chǎn)品是把現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、2G/3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等新技術(shù)嵌入到產(chǎn)品中。新一代產(chǎn)品從安全性、可靠性、可維護(hù)性、經(jīng)濟(jì)和社會效益指標(biāo)等方面有新的突破。低壓斷路器是低壓電器產(chǎn)品中最重要的開關(guān)電器產(chǎn)品之一，在環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)中起著斷開或閉合正常一次回路以及可靠、快速地?cái)嚅_故障一次回路的作用，其操作性能對環(huán)網(wǎng)一次回路的安全性、可靠性、可維護(hù)性至關(guān)重要。低壓斷路器與微控制器配合對環(huán)網(wǎng)一次回路進(jìn)行保護(hù)、控制、監(jiān)測，當(dāng)環(huán)網(wǎng)一次回路中出現(xiàn)故障時(shí)，低壓斷路器能可靠、快速地?cái)嚅_環(huán)網(wǎng)一次回路中的故障回路，防止故障擴(kuò)大，保證人身與設(shè)備安全。

針對過載、短路等故障保護(hù)設(shè)計(jì)，文章介紹了基于ARM公司32位高性能微控制器STM32F103VET6的智能低壓斷路器控制器硬件和軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)。其除實(shí)現(xiàn)過載、短路等故障保護(hù)外，還能對環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)的現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)性監(jiān)測，并能通過3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立區(qū)域聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)區(qū)域環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)的智能化。

1 智能低壓斷路器控制器硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體方案設(shè)計(jì)

在環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)中，低壓斷路器主要完成對一次回路發(fā)生的各種故障(如過載、短路、不平衡等)進(jìn)行保護(hù)。因此，智能控制器應(yīng)能準(zhǔn)確快速地檢測電壓、電流、頻率等現(xiàn)場參數(shù)，并且可以按用戶的要求設(shè)定反時(shí)限或定時(shí)限曲線，真正實(shí)現(xiàn)一種保護(hù)功能多種動作特性。同時(shí)，通過3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化、智能化的監(jiān)控和保護(hù)功能。其組成框圖如圖1所示。主要包括微控制器、信號采集電路、人機(jī)接口電路、斷路器分合閘驅(qū)動電路、3G網(wǎng)絡(luò)通信接口電路、電源電路等。下面選擇幾個(gè)主要的單元電路進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2 微控制器的選擇

根據(jù)圖1所示，本智能控制器完成的任務(wù)包括：環(huán)網(wǎng)一次回路中故障保護(hù);現(xiàn)場參數(shù)采集、處理、顯示任務(wù);人機(jī)交互;斷路器分合閘驅(qū)動;3G網(wǎng)絡(luò)通信等，屬于多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)，若在軟件上采用前后臺系統(tǒng)控制方案，會增加軟件的開發(fā)難度和延長軟件的開發(fā)周期，對于多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)來說不是最可行的方案。因此，本智能控制器軟件采用基于μC/OS—III內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺，它是一個(gè)可擴(kuò)展的、可固化的、搶占式的實(shí)時(shí)內(nèi)核，它管理的任務(wù)個(gè)數(shù)不限，其功能包括資源管理、事件同步、內(nèi)部任務(wù)交流、運(yùn)行時(shí)測量運(yùn)行性能、直接發(fā)送信號量或消息給任務(wù)、任務(wù)能同時(shí)等待多個(gè)信號量或消息隊(duì)列等。

本智能控制器硬件采用基于Cotex—M3內(nèi)核的32位高性能微控制器STM32F103VET6，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和極為出色的控制能力。其主要特點(diǎn)：工作電壓為2.0至3.6V，CPU的最高工作頻率為72MHz，內(nèi)部集成單周期硬件乘法器和硬件除法器;512KB的flash和64KB的SRAM;并行TFT接口;3個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 μs，轉(zhuǎn)換范圍為0至3.6V;2通道12位D/A轉(zhuǎn)換器;12通道DMA控制器，支持的外設(shè)包括定時(shí)器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和USART;80個(gè)多功能快速雙向I/O端口，均可映射到16個(gè)外部中斷，部分端口兼容5V信號;4個(gè)16位定時(shí)器，功能包括輸入捕獲、輸出比較、PWM或脈沖計(jì)數(shù)及增量編碼器輸入;2個(gè)I2C接口;5個(gè)USRT接口;3個(gè)SPI接口等。

基于μC/OS-III內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠移植到STM32F103VET6硬件平臺上，通過實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來管理如圖1所示的任務(wù)，大大降低了軟件的開發(fā)難度和縮短了軟件的開發(fā)周期。因此，采用此微控制器可以更好地滿足整個(gè)系統(tǒng)的硬件和軟件資源的需求。

1.3 過載、短路故障信號采樣電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.3.1 采樣方式的比較

為了實(shí)現(xiàn)過載、短路等故障的實(shí)時(shí)性保護(hù)，本智能控制器對環(huán)網(wǎng)一次回路中交流電流信號進(jìn)行模擬量采集。數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)智能化的重要環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確、快速地采集故障信號變化的躍變點(diǎn)是本智能控制器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。通常采用直流采樣法，即是將環(huán)網(wǎng)一次回路中各相交流電流通過電流互感器降低，然后通過整流、濾波、非線性校準(zhǔn)等各種電子電路變換為信號幅值變化較小的直流信號，然后再通過單片機(jī)對直流信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。但存在實(shí)時(shí)性差、精度低等不足，因而其應(yīng)用受到了限制。

本智能控制器采用交流采樣法，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，即是指通過霍爾傳感器將交流電流信號轉(zhuǎn)換成按正弦變化的直流電壓信號，然后通過低通有源濾波器，濾除中頻、高頻干擾信號，再經(jīng)過雙限比較器把按正弦變化的直流電壓信號變換成方波信號，最后再通過微控制器中集成的PWM輸入捕獲模式測量出方波信號的正脈沖寬度及周期值，再通過簡單的算法快速、準(zhǔn)確地判定一次回路中故障的類型。采用交流采樣法，能快速、實(shí)時(shí)地跟蹤和響應(yīng)故障電流信號的躍變點(diǎn)，信號采樣電路結(jié)構(gòu)簡單，減少了誤差和干擾源，具有一定的濾波特性。

1.3.2 過載、短路故障信號采樣電路設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際情況，本智能控制器采集環(huán)網(wǎng)一次回路中任兩相電流信號即可，圖2所示為A相電流信號采樣電路，由電流信號變換電路、有源低通濾波器、波形變換電路、光電耦合器電路組成。

電流信號變換電路是將過載、短路故障電流信號通過霍爾傳感器ACS712ELCTR-30A-T將交流電流信號變換成按正弦變化的直流電壓信號，其傳遞函數(shù)為：

uout=66(mV/A)*ip(A)+2.5(V) (1)

其中：uout為霍爾傳感器的輸出電壓信號，ip為霍爾傳感器的輸入電流信號。

有源低通濾波器采用集成運(yùn)算放大器LM358組成的二階直流耦合低通RC有源濾波器，將霍爾傳感器輸出的電壓信號中中頻及高頻干擾信號濾除，有源低通濾波器的截止頻率：

品質(zhì)因數(shù)Q=0.5，閉環(huán)增益Av=1。

波形變換電路采用電壓比較器LM339所構(gòu)成的雙限比較器電路，其中兩個(gè)電壓比較器的比較值由微控制器D/A功能設(shè)置，分別連接D/A1和D/A2端口，當(dāng)被測信號電壓變化范圍在設(shè)定閾值內(nèi)(UD/A1

光電耦合器電路采用TLP521-1組成，其功能：一是將進(jìn)一步的濾除干擾信號，增加硬件系統(tǒng)的可靠性;二是實(shí)現(xiàn)把5V邏輯電平轉(zhuǎn)換成3.3V邏輯電平，與微控制器的邏輯電平兼容。

2 智能低壓斷路器控制器軟件設(shè)計(jì)

2.1 過載、短路故障算法——微分法原理

智能斷路器控制器完成電網(wǎng)中一次回路現(xiàn)場參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)顯示、實(shí)時(shí)保護(hù)、實(shí)時(shí)通信等任務(wù)，屬于多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)。在這些任務(wù)中最重要的是實(shí)時(shí)保護(hù)，包括對過載、短路等故障的保護(hù)。對于斷路器，當(dāng)電網(wǎng)中一次回路出現(xiàn)過載、短路故障時(shí)，要求立刻可靠的分?jǐn)?，切斷故障源，避免故障范圍擴(kuò)大，并且根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，斷路器可以選擇重合，重合次數(shù)一般0～5次，取值越大，重合越難。為了可靠而又快速地分?jǐn)?，本智能控制器故障電流采樣算法采?ldquo;微分法”，即故障電流的變化率di/dt，變化率越大，故障越嚴(yán)重。

在三相交流電中電流信號i表達(dá)式為：

i=Imsin(ωt+φo)(A) (2)

其中：Im為電流幅值，ω為角頻率，t為采樣時(shí)間，φo為初始相位角。

在三相交流電中，已知角頻率ω=2πf=2×3.14×50=314(rad/s)，采樣時(shí)間t單位為ms，采用國際單位制，則ωt=0.314t(rad)。初始相位角φo=0。所以，式(2)可寫成：

i=Imsin(0.314t)(A) (3)

所以電流的變化率為：

霍爾傳感器的輸出電壓信號由式(1)、(3)得：

uout=0.066×Imsin(0.3140+2.5(V) (5)

然后再通過分壓電阻限制uout的最大值為3.3V，因?yàn)殡p限比較器的比較值UD/A1和UD/A2由微控制器的D/A功能提供，輸出的最大值為3.3V。所以，波形變換電路的輸入信號為：

u=0.73uout=0.04818×Imsin(0.314t)+1.83(V) (6)

其中：u值為通過微控制器內(nèi)集成的D/A功能設(shè)置的比較電壓值，t值通過微控制器內(nèi)集成的PWM輸入捕獲功能測量得到。如圖3交流電流信號變換分析，當(dāng)上限u=Uf1或下限u=Uf2時(shí)，對于曲線4沒有超出雙限范圍，所以沒有突變點(diǎn)。而曲線1、曲線2、曲線3都不同程度地超出雙限范圍，所以都有突變點(diǎn)。以曲線3為例說明，在圖中①、②、③、④為突變點(diǎn)，對應(yīng)雙限比較器輸出為PWM方波信號。在圖3中PWM方波信號的周期為T=10ms，正脈寬時(shí)間為△t可以通過微控制器的PWM輸入捕獲功能得到，當(dāng)Uf1和Uf2的值關(guān)于u=1.8V軸對稱時(shí)，則對于圖中①突變點(diǎn)的坐標(biāo)值

，②突變點(diǎn)的坐標(biāo)值

，③突變點(diǎn)的坐標(biāo)值

，④突變點(diǎn)的坐標(biāo)值

。把①突變點(diǎn)的坐標(biāo)值代入式(6)中，求出電流幅值：

由式(4)、(7)得，故障電流的變化率為：

其中，Uf1是一個(gè)定值，所以式(8)的性態(tài)取決于cot(0.314t)的性態(tài)，t取圖3中正弦信號的1/4周期內(nèi)變化，t值越小，cot(0.314t)值越大，di/dt值就越大。

2.2 過載、短路故障程序設(shè)計(jì)

智能斷路器控制器既要完成故障采樣、處理等實(shí)時(shí)任務(wù)，也要完成顯示、鍵盤掃描、通信等實(shí)時(shí)任務(wù)。文章只對過載、短路故障的采樣、處理進(jìn)行分析，由微控制器中集成的PWM輸入捕獲中斷完成。采用這種設(shè)計(jì)方案的好處是PWM輸入捕獲中斷源向CPU發(fā)送中斷申請，是在環(huán)網(wǎng)一次回路中出現(xiàn)異常情況下產(chǎn)生的，正常情況下輸入捕獲中斷不產(chǎn)生，大大優(yōu)化了CPU的效率，能快速、實(shí)時(shí)地跟蹤和響應(yīng)故障電流信號的躍變點(diǎn)。捕獲中斷處理任務(wù)流程圖如圖4所示。

2.3 試驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證，當(dāng)檢測到過載、短路等故障電流后，在不同等級電流下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其中額定工作電流5A，是本智能控制器采樣系統(tǒng)的輸入電流，不是電網(wǎng)中一次回路中的額定工作電流，電網(wǎng)中一次回路與采樣系統(tǒng)之間有電流互感器，把電網(wǎng)中一次回路中的大電流降低到采樣系統(tǒng)容限范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)電網(wǎng)一次回路某相中出現(xiàn)過載故障時(shí)，本控制器響應(yīng)時(shí)間△t/2不超過5ms，滿足系統(tǒng)對響應(yīng)時(shí)間的要求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)電網(wǎng)一次回路某相中出現(xiàn)短路故障時(shí)，本控制器響應(yīng)時(shí)間△t/2的時(shí)刻不超過3ms，滿足系統(tǒng)對響應(yīng)時(shí)間的要求。

3 結(jié)束語

文章采用ARM公司的基于Cotex-M3內(nèi)核的高性能32位微控制器STM32F103VET6在智能低壓斷路器控制器中實(shí)現(xiàn)過載、短路故障保護(hù)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化應(yīng)用。硬件采用信號變換、波形變換法;軟件采用微分法。具體是通過微控制器內(nèi)集成的PWM輸入捕獲模式采樣變換后的信號來間接計(jì)算電流的變化率，大大縮短了過載、短路故障電流的響應(yīng)時(shí)間。本智能控制器運(yùn)行可靠、響應(yīng)快速，有良好的電磁兼容性。智能低壓斷路器控制器除實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能外，還能對環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)的現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)性監(jiān)測，并且通過3G網(wǎng)絡(luò)建立區(qū)域聯(lián)網(wǎng)，能真正實(shí)現(xiàn)“分布式控制、集中管理”，降低現(xiàn)場維護(hù)的難度，提高整個(gè)區(qū)域環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)的安全性和可靠性。完全滿足現(xiàn)代環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)的自動化、智能化要求。