一款基于DSP和CPLD的低壓斷路器智能控制器設(shè)計(jì)

0 引言

智能電網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)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(hào)采集電路、動(dòng)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(qiáng)電場(chǎng)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(gè)斷路器，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)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 芯片，輔以CPLD EPM3128芯片來實(shí)現(xiàn)鍵盤和液晶的時(shí)序邏輯，減少擴(kuò)展芯片帶來的體積問題，外圍電路主要包括信號(hào)調(diào)理電路和脫扣控制電路等。為適應(yīng)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(shè)計(jì)

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

2.1 信號(hào)調(diào)理電路模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)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(hào)放大，由于檢測(cè)電流范圍較大，為適應(yīng)較大的動(dòng)態(tài)范圍，提高A/D采樣分辨率，使變換后的數(shù)字信號(hào)盡可能準(zhǔn)確反映模擬信號(hào)的大小，設(shè)計(jì)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(shí)的信號(hào);另一路放大倍數(shù)較小，進(jìn)行大電流時(shí)的信號(hào)放大。因?yàn)?A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)輸入范圍有限，為防止大電流信號(hào)時(shí)產(chǎn)生過高的輸入電壓，對(duì)檢測(cè)電路和A/D轉(zhuǎn)換器造成損壞，設(shè)計(jì)了電平限幅保護(hù)電路。

圖2為每一相大電流信號(hào)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(hào)是直流偏移電平為0 V的交變正弦波，所以設(shè)計(jì)電平偏移電路抬高電流信號(hào)。低通濾波和信號(hào)放大由兩級(jí)運(yùn)放組成。

2.2 脫扣電路模塊設(shè)計(jì)

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(jiǎn)單，DSP通過I/O口輸出脫扣信號(hào)，經(jīng)過光耦隔離放大驅(qū)動(dòng)磁通線圈。模擬脫扣電路采用比較器電平鑒幅電路實(shí)現(xiàn)，每一相電流采用兩個(gè)比較器來完成，當(dāng)微處理器沒有發(fā)出脫扣信號(hào)且電流信號(hào)的幅值在參考基準(zhǔn)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(hào)通過脈寬檢測(cè)電路，進(jìn)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(shí)輸出一定寬度的脈沖通過驅(qū)動(dòng)電路使磁通變換器打開，從而分?jǐn)鄶嗦菲?。模擬脫扣電路如圖3所示。

比較器電平鑒幅電路在實(shí)際應(yīng)用中，由于干擾的存在，比較器的輸出會(huì)出現(xiàn)一些不必要的窄脈沖，因此設(shè)計(jì)了脈寬檢測(cè)電路用于濾除干擾尖峰引起誤觸發(fā)脫扣動(dòng)作。在設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)輸入脈沖寬度大于1ms時(shí)，輸出32.9ms的脫扣信號(hào);當(dāng)小于1ms時(shí)，不輸出脫扣信號(hào)。

模擬脫扣電路在實(shí)際應(yīng)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(yùn)行，模擬脫扣電路則進(jìn)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(shè)計(jì)了可切換參考基準(zhǔn)電壓，即MCR分?jǐn)嘟油娐?。MCR分?jǐn)嘟油娐吩谏想姵跗?，C408兩端電壓較低，通過比較器輸出高電平，使得T401飽和導(dǎo)通，因此參考基準(zhǔn)電壓降低，即模擬脫扣動(dòng)作值較低，出現(xiàn)短路故障時(shí)，實(shí)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(shí)參考基準(zhǔn)電壓較高，在出現(xiàn)特大短路電流時(shí)，實(shí)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(shè)計(jì)

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(kuò)展了一塊帶雙異步串口 (UART)的B芯片，和MC55 GPRS模塊相連。DSP芯片主要實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)所需的協(xié)議以及監(jiān)測(cè)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(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要完成信號(hào)采樣，脫扣算法，通信處理和按鍵顯示等功能?？刂破鞯能浖O(shè)計(jì)采用匯編語言和C語言混合編程的方法進(jìn)行程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以確保實(shí)時(shí)性。程序具有模塊化和子程序化的特點(diǎn)，同時(shí)在程序設(shè)計(jì)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(xì)敘述了智能控制器系統(tǒng)各組成部分的設(shè)計(jì)過程，并給出了具體的電路圖。通過軟件與硬件系統(tǒng)測(cè)試表明，該智能控制器能夠較好地完成信號(hào)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(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ作為系統(tǒng)軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)μC/OS-Ⅱ在F2812上的移植。