一種基于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轉換器，最小轉換時間為1 μs，轉換范圍為0至3.6V;2通道12位D/A轉換器;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。