基于DSP和CPLD的低壓斷路器智能控制器的設計

0 引言

智能電網(wǎng)的發(fā)展，對低壓電器的智能化提出了較高的要求，目前國內(nèi)使用較多的小型斷路器的智能化穩(wěn)定性不夠，在于其體積較小，將信號采集電路、動作執(zhí)行和智能脫扣器都安裝在本體內(nèi)，開關(guān)內(nèi)的強電場產(chǎn)生的電磁干擾和高溫，使得斷路器可靠性降低。本文介紹的智能控制器脫離于斷路器本體，并且能夠連接多個斷路器，實現(xiàn)對多個斷路器的監(jiān)控。

1 控制器的總體結(jié)構(gòu)

群組智能控制器的核心采用DSP TMS320F2812芯片，輔以CPLD EPM3128芯片來實現(xiàn)鍵盤和液晶的時序邏輯，減少擴展芯片帶來的體積問題，外圍電路主要包括信號調(diào)理電路和脫扣控制電路等。為適應智能電網(wǎng)的無線通信，在智能控制器中添加GPRS模塊，使得斷路器能夠更好地融入到智能電網(wǎng)中。

2 控制器的硬件設計

所采集的多個斷路器的電壓、電流等信號，經(jīng)過信號調(diào)理電路進行調(diào)理后送入DSP處理器，經(jīng)過信號的變換、運算和判斷等處理，斷路器有故障時通過脫扣電路實現(xiàn)脫扣。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2.1 信號調(diào)理電路模塊設計

信號調(diào)理模塊的主要功能，一是低通濾波，濾除高頻噪聲;二是信號放大，由于檢測電流范圍較大，為適應較大的動態(tài)范圍，提高A/D采樣分辨率，使變換后的數(shù)字信號盡可能準確反映模擬信號的大小，設計了兩路放大環(huán)節(jié)。一路有較大的放大倍數(shù)，放大小電流時的信號;另一路放大倍數(shù)較小，進行大電流時的信號放大。因為 A/D轉(zhuǎn)換器的信號輸入范圍有限，為防止大電流信號時產(chǎn)生過高的輸入電壓，對檢測電路和A/D轉(zhuǎn)換器造成損壞，設計了電平限幅保護電路。

圖2為每一相大電流信號濾波、平移、放大和限幅電路。由于A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍為0～3 V;而輸入信號是直流偏移電平為0 V的交變正弦波，所以設計電平偏移電路抬高電流信號。低通濾波和信號放大由兩級運放組成。

2.2 脫扣電路模塊設計

脫扣電路分為數(shù)字脫扣與模擬脫扣數(shù)字脫扣電路較為簡單，DSP通過I/O口輸出脫扣信號，經(jīng)過光耦隔離放大驅(qū)動磁通線圈。模擬脫扣電路采用比較器電平鑒幅電路實現(xiàn)，每一相電流采用兩個比較器來完成，當微處理器沒有發(fā)出脫扣信號且電流信號的幅值在參考基準電壓范圍內(nèi)，則比較器并聯(lián)輸出一高電平，否則為低電平。低電平信號通過脈寬檢測電路，進行抗干擾處理。如果低脈沖維持一定的寬度則單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器被觸發(fā)，同時輸出一定寬度的脈沖通過驅(qū)動電路使磁通變換器打開，從而分斷斷路器。模擬脫扣電路如圖3所示。

比較器電平鑒幅電路在實際應用中，由于干擾的存在，比較器的輸出會出現(xiàn)一些不必要的窄脈沖，因此設計了脈寬檢測電路用于濾除干擾尖峰引起誤觸發(fā)脫扣動作。在設計時，當輸入脈沖寬度大于1ms時，輸出32.9ms的脫扣信號;當小于1ms時，不輸出脫扣信號。

模擬脫扣電路在實際應用中，上電初期的短路電流只在100 ms內(nèi)起作用，其后即在DSP初始化完畢開始正常運行，模擬脫扣電路則進行特大短路電流的判斷，兩種不同情況，其電流定值不同。因此設計了可切換參考基準電壓，即MCR分斷接通電路。MCR分斷接通電路在上電初期，C408兩端電壓較低，通過比較器輸出高電平，使得T401飽和導通，因此參考基準電壓降低，即模擬脫扣動作值較低，出現(xiàn)短路故障時，實現(xiàn)MCR脫扣。上電穩(wěn)定后，C408兩端電壓升高，通過比較器輸出低電平，使得T401截止，此時參考基準電壓較高，在出現(xiàn)特大短路電流時，實現(xiàn)模擬脫扣，MCR脫扣電路如圖4所示。

2.3 GPRS通信模塊與DSP硬件接口設計

GPRS 通信模塊采用SIEMENS公司的MC55GPRS模塊，軟件原理圖如圖5所示。DSP芯片F(xiàn)2812通過外部總線接口XINTF擴展了一塊帶雙異步串口 (UART)的TL16C752B芯片，和MC55 GPRS模塊相連。DSP芯片主要實現(xiàn)整個系統(tǒng)所需的協(xié)議以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、中心主站的命令的解析;GPRS模塊則完成無線通信功能。

3 控制器軟件設計

系統(tǒng)軟件主要完成信號采樣，脫扣算法，通信處理和按鍵顯示等功能。控制器的軟件設計采用匯編語言和C語言混合編程的方法進行程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以確保實時性。程序具有模塊化和子程序化的特點，同時在程序設計中加入了抗干擾處理。主程序流程圖如圖6所示。

4 結(jié)語

本文詳細敘述了智能控制器系統(tǒng)各組成部分的設計過程，并給出了具體的電路圖。通過軟件與硬件系統(tǒng)測試表明，該智能控制器能夠較好地完成信號采集、無線通信和線路通斷控制功能。在后續(xù)的研究中，可采用嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ作為系統(tǒng)軟件平臺，實現(xiàn)μC/OS-Ⅱ在F2812上的移植。