基于Cotex-M3內(nèi)核的智能低壓斷路器控制器設計

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計中的應用。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算電流的變化率，大大縮短了過載、短路故障電流的響應時間。智能低壓斷路器控制器，除實現(xiàn)故障保護功能外，還能對環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)的現(xiàn)場參數(shù)進行實時性監(jiān)測、區(qū)域聯(lián)網(wǎng)通信等，真正能實現(xiàn)“分布式控制、集中管理”，降低現(xiàn)場維護的難度，提高了整個區(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、計算機網(wǎng)絡技術、2G/3G網(wǎng)絡技術等新技術嵌入到產(chǎn)品中。新一代產(chǎn)品從安全性、可靠性、可維護性、經(jīng)濟和社會效益指標等方面有新的突破。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、快速地斷開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、可維護性至關重要。低壓斷路器與微控制器配合對環(huán)網(wǎng)一次回路進行保護、控制、監(jiān)測，當環(huán)網(wǎng)一次回路中出現(xiàn)故障時，低壓斷路器能可靠、快速地斷開環(huán)網(wǎng)一次回路中的故障回路，防止故障擴大，保證人身與設備安全。

針對過載、短路等故障保護設計，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)化設計。其除實現(xiàn)過載、短路等故障保護外，還能對環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)的現(xiàn)場參數(shù)進行實時性監(jiān)測，并能通過3G網(wǎng)絡技術建立區(qū)域聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)整個區(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計

1.1 總體方案設計

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)進行保護。因此，智能控制器應能準確快速地檢測電壓、電流、頻率等現(xiàn)場參數(shù)，并且可以按用戶的要求設定反時限或定時限曲線，真正實現(xiàn)一種保護功能多種動作特性。同時，通過3G網(wǎng)絡實現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)絡化、智能化的監(jiān)控和保護功能。其組成框圖如圖1所示。主要包括微控制器、信號采集電路、人機接口電路、斷路器分合閘驅(qū)動電路、3G網(wǎng)絡通信接口電路、電源電路等。下面選擇幾個主要的單元電路進行詳細介紹。

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包括：環(huán)網(wǎng)一次回路中故障保護;現(xiàn)場參數(shù)采集、處理、顯示任務;人機交互;斷路器分合閘驅(qū)動;3G網(wǎng)絡通信等，屬于多任務實時系統(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，對于多任務實時系統(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)核的實時操作系統(tǒng)平臺，它是一個可擴展的、可固化的、搶占式的實時內(nèi)核，它管理的任務個數(shù)不限，其功能包括資源管理、事件同步、內(nèi)部任務交流、運行時測量運行性能、直接發(fā)送信號量或消息給任務、任務能同時等待多個信號量或消息隊列等。

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：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12位A/D轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時間為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，支持的外設包括定時器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和USART;80個多功能快速雙向I/O端口，均可映射到16個外部中斷，部分端口兼容5V信號;4個16位定時器，功能包括輸入捕獲、輸出比較、PWM或脈沖計數(shù)及增量編碼器輸入;2個I2C接口;5個USRT接口;3個SPI接口等。

基于μC/OS-III內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)能夠移植到STM32F103VET6硬件平臺上，通過實時操作系統(tǒng)來管理如圖1所示的任務，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)化設計

1.3.1 采樣方式的比較

為了實現(xiàn)過載、短路等故障的實時性保護，本智能控制器對環(huán)網(wǎng)一次回路中交流電流信號進行模擬量采集。數(shù)據(jù)采集是實現(xiàn)智能化的重要環(huán)節(jié)，準確、快速地采集故障信號變化的躍變點是本智能控制器設計的重點。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，然后再通過單片機對直流信號進行A/D轉(zhuǎn)換。但存在實時性差、精度低等不足，因而其應用受到了限制。

本智能控制器采用交流采樣法，硬件結構如圖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、實時地跟蹤和響應故障電流信號的躍變點，信號采樣電路結構簡單，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計

根據(jù)實際情況，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所構成的雙限比較器電路，其中兩個電壓比較器的比較值由微控制器D/A功能設置，分別連接D/A1和D/A2端口，當被測信號電壓變化范圍在設定閾值內(nèi)(UD/A1

光電耦合器電路采用TLP521-1組成，其功能：一是將進一步的濾除干擾信號，增加硬件系統(tǒng)的可靠性;二是實現(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計

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)的實時采集、實時顯示、實時保護、實時通信等任務，屬于多任務實時系統(tǒng)。在這些任務中最重要的是實時保護，包括對過載、短路等故障的保護。對于斷路器，當電網(wǎng)中一次回路出現(xiàn)過載、短路故障時，要求立刻可靠的分斷，切斷故障源，避免故障范圍擴大，并且根據(jù)現(xiàn)場實際情況，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斷，本智能控制器故障電流采樣算法采用“微分法”，即故障電流的變化率di/dt，變化率越大，故障越嚴重。

在三相交流電中電流信號i表達式為：

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，因為雙限比較器的比較值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，當上限u=Uf1或下限u=Uf2時，對于曲線4沒有超出雙限范圍，所以沒有突變點。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。以曲線3為例說明，在圖中①、②、③、④為突變點，對應雙限比較器輸出為PWM方波信號。在圖3中PWM方波信號的周期為T=10ms，正脈寬時間為△t可以通過微控制器的PWM輸入捕獲功能得到，當Uf1和Uf2的值關于u=1.8V軸對稱時，則對于圖中①突變點的坐標值

，②突變點的坐標值

，③突變點的坐標值

，④突變點的坐標值

。把①突變點的坐標值代入式(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、短路故障程序設計

智能斷路器控制器既要完成故障采樣、處理等實時任務，也要完成顯示、鍵盤掃描、通信等實時任務。文章只對過載、短路故障的采樣、處理進行分析，由微控制器中集成的PWM輸入捕獲中斷完成。采用這種設計方案的好處是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、實時地跟蹤和響應故障電流信號的躍變點。捕獲中斷處理任務流程圖如圖4所示。

2.3 試驗分析

為了驗證，當檢測到過載、短路等故障電流后，在不同等級電流下進行了實驗，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。實驗結果如表1、表2所示。

實驗結果表明：當電網(wǎng)一次回路某相中出現(xiàn)過載故障時，本控制器響應時間△t/2不超過5ms，滿足系統(tǒng)對響應時間的要求。

實驗結果表明：當電網(wǎng)一次回路某相中出現(xiàn)短路故障時，本控制器響應時間△t/2的時刻不超過3ms，滿足系統(tǒng)對響應時間的要求。

3 結束語

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現(xiàn)過載、短路故障保護設計方案的優(yōu)化應用。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算電流的變化率，大大縮短了過載、短路故障電流的響應時間。本智能控制器運行可靠、響應快速，有良好的電磁兼容性。智能低壓斷路器控制器除實現(xiàn)保護功能外，還能對環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)的現(xiàn)場參數(shù)進行實時性監(jiān)測，并且通過3G網(wǎng)絡建立區(qū)域聯(lián)網(wǎng)，能真正實現(xiàn)“分布式控制、集中管理”，降低現(xiàn)場維護的難度，提高整個區(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。