一種基于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(hào)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(hào)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(duì)環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)、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(chǎng)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(huì)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(duì)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(duì)環(huán)網(wǎng)一次回路進(jìn)行保護(hù)、控制、監(jiān)測(cè)，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(duì)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(duì)環(huán)網(wǎng)供配電系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)，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(duì)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(cè)電壓、電流、頻率等現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(hào)采集電路、人機(jī)接口電路、斷路器分合閘驅(qū)動(dòng)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(chǎng)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(dòng);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(tái)系統(tǒng)控制方案，會(huì)增加軟件的開發(fā)難度和延長(zhǎng)軟件的開發(fā)周期，對(duì)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(tái)，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(cè)量運(yùn)行性能、直接發(fā)送信號(hào)量或消息給任務(wù)、任務(wù)能同時(shí)等待多個(gè)信號(hào)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(hào);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(tái)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(hào)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(duì)環(huán)網(wǎng)一次回路中交流電流信號(hào)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(hào)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(hào)幅值變化較小的直流信號(hào)，然后再通過單片機(jī)對(duì)直流信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換成按正弦變化的直流電壓信號(hào)，然后通過低通有源濾波器，濾除中頻、高頻干擾信號(hào)，再經(jīng)過雙限比較器把按正弦變化的直流電壓信號(hào)變換成方波信號(hào)，最后再通過微控制器中集成的PWM輸入捕獲模式測(cè)量出方波信號(hào)的正脈沖寬度及周期值，再通過簡(jiǎn)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(hào)的躍變點(diǎn)，信號(hào)采樣電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(hào)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(hào)即可，圖2所示為A相電流信號(hào)采樣電路，由電流信號(hào)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。