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低壓斷路器控制器設(shè)計(jì)論文
摘要：低壓斷路器是低壓配電系統(tǒng)中起同段控制及保護(hù)等作用的重要元件。目前，國(guó)外的低壓斷路器正朝著高性能、小型化、智能化和模塊化方向發(fā)展，并且與現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。本文介紹一種新型智能低壓斷路器控制器的設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：控制設(shè)計(jì) 配電系統(tǒng) 元件
1、引言
低壓斷路器是低壓配電系統(tǒng)中起同段控制及保護(hù)等作用的重要元件。目前，國(guó)外的低壓斷路器正朝著高性能、小型化、智能化和模塊化方向發(fā)展，并且與現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。國(guó)內(nèi)一些廠家也曾開(kāi)發(fā)國(guó)際種職能斷路器控制器，其主要缺點(diǎn)是采用大規(guī)模集成器件較少，故體積較大，易進(jìn)入干擾。
本文介紹一種新型智能低壓斷路器控制器的設(shè)計(jì)。主要特點(diǎn)有：a注重模塊化設(shè)計(jì)，采用大規(guī)模集成器件。不僅縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高了產(chǎn)品性能，而且減少了產(chǎn)品體積，降低了成本；b在實(shí)現(xiàn)基本保護(hù)功能的同時(shí)，增加了預(yù)警功能；c才參數(shù)測(cè)量上，除了電流、電壓等常規(guī)參數(shù)外，增加了功率因數(shù)及功率測(cè)量等，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行顯示；d注重產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)；e斷路器帶通信接口，引入CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。
2、支能低壓斷路器控制器設(shè)計(jì)
2.1 總體方案簡(jiǎn)介
該斷路器控制器的主要包括微處理器、信號(hào)采集電路、鍵盤和現(xiàn)實(shí)電路、外擴(kuò)存儲(chǔ)器、溫度檢測(cè)電路、輸出執(zhí)行電路和電源等。
2.2 微處理器的選擇
智能斷路器控制器既要實(shí)現(xiàn)各種功能又要有較好的是實(shí)時(shí)性和電磁兼容性，本期設(shè)計(jì)用了Dallas公司的DS80C390微處理器。其主要特點(diǎn)有：向下兼容80C52，使用80C51的指令集；高速的體系結(jié)構(gòu)，每個(gè)機(jī)器周期只有4個(gè)時(shí)鐘周期，最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率可達(dá)40Mhz，兼容80C52存儲(chǔ)模式，內(nèi)含4KB的SRAM，外部擴(kuò)展4MB的程序存儲(chǔ)器和4MB的用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。內(nèi)含兩個(gè)CAN2.0B的控制口，集成度高。
DS80C390有2個(gè)串行口、3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、7個(gè)附加中斷、1個(gè)可編程狗定時(shí)器、6個(gè)8 bit /O口（其中兩個(gè)與存儲(chǔ)器接口），還有一個(gè)數(shù)據(jù)指針OPRT1。DS80C390有2種封裝形式：68腳的PLCC和64腳的LQFP，本設(shè)計(jì)選用前者。
2.3 信號(hào)采集電路
常規(guī)信號(hào)輸入通道的設(shè)計(jì)一般先濾波在隔離放大，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換等，但該設(shè)計(jì)方法難以滿足實(shí)時(shí)性要求。本設(shè)計(jì)要求采集3路線電壓和4路相電流信號(hào)，而且需要采集的信號(hào)范圍很寬，若采用常規(guī)設(shè)計(jì)則需要很多的A/D轉(zhuǎn)換通道，故采用了Cirrus Logic公司的電子是電能表芯片CS5460來(lái)設(shè)計(jì)信號(hào)輸入通道。
�。�1）CS5460的特點(diǎn)。a高集成。內(nèi)部繼承了1個(gè)可編程的增益放大器，1個(gè)帶固定增益放大器的電壓通道，2個(gè)可選高通濾波器等；b高精度。轉(zhuǎn)換精度可達(dá)0.1%；c易接口。CS5460是高速A/D器件，缺省狀態(tài)下，瞬時(shí)A/D變換頻率可達(dá)4kHz。其自帶可編程增益放大器可測(cè)量150mV獲30mV兩城范圍的信號(hào)，從而很好地解決了實(shí)時(shí)性、寬測(cè)量范圍及測(cè)量精度低等問(wèn)題。
�。�2）CS5460的硬件設(shè)計(jì)。電壓電流互感二次側(cè)感應(yīng)電壓值經(jīng)分壓后分別送入CS5460的UIN+、UIN--和IIN+、IIN-引腳。CS5460有4 個(gè)串行口：SDI為串行數(shù)據(jù)輸入口，SDO為串行數(shù)據(jù)輸出口，SCLK為串行時(shí)鐘，CS是片選控制線。因?yàn)橐杉?路電流、3路電壓值，故選用了4片CS5460芯片。并用引腳p4.0、p4.1、p4.2和p4.3輪流選通每片CS5460。當(dāng)CS=1時(shí)，SOD為高阻狀態(tài)，故4片CS5460的引腳可以直接連在一起。又DS80C390的I/O口可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)門電路，故4片CS5460的SDI和SCLK引腳分別以線與的形式直接相連。
�。�3）CS5460的軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中軟件設(shè)計(jì)的基本程序采用C51編寫(xiě)。CS5460的初始化和啟動(dòng)轉(zhuǎn)換工作由主程序完成。設(shè)計(jì)要求每1.25ms在3路電壓、4路電流上個(gè)采一點(diǎn)，采用軟件定時(shí)中斷方式。每1.25ms系統(tǒng)啟動(dòng)一次中斷服務(wù)程序，完成對(duì)各路信號(hào)瞬時(shí)值的采集，每2s完成一次對(duì)各路信號(hào)有效值的采集。
DS80C390通過(guò)SDI、SDO、SCLK和CS信號(hào)線與CS5460接口。運(yùn)用寫(xiě)操作對(duì)CS5460內(nèi)部各寄存器進(jìn)行設(shè)置；運(yùn)用讀操作，讀出CS5460內(nèi)部各狀態(tài)寄存器和輸出結(jié)果寄存器的值。
2.4 外擴(kuò)存儲(chǔ)器電路
傳統(tǒng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)為一般以微處理器為核心外加必要的芯片組成。但所需外加零散芯片很多時(shí)，所得的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將很復(fù)雜且不易與更新或修改。所以，本設(shè)計(jì)采用了PSD934F2芯片。
（1）PSD934F2的主要特點(diǎn)。美國(guó)WSI公司推出的PSD934F2芯片是專門為8bits微處理器設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)了將多個(gè)外圍芯片集成于一個(gè)芯片中。其主要特點(diǎn)有：可方便的使用復(fù)用和非復(fù)用的8bits微處理器接口；內(nèi)置2MB的主FLASH存儲(chǔ)器和256KB的第二FLASH存儲(chǔ)器；具有64KB的SRAM；有19個(gè)輸出的通用PLD（GPLD）;有譯碼PLD(DPLD)；具有27個(gè)可單個(gè)配置的I/O引腳；等待電流可以降至50μA；符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的串行口可對(duì)全芯片進(jìn)行在系統(tǒng)編成；FLASH存儲(chǔ)器的擦寫(xiě)次數(shù)至少可達(dá)100000次，PLD的擦寫(xiě)次數(shù)最少可達(dá)1 000次。
�。�2）PSD934F2與DS80C390的硬件電路。系統(tǒng)要求具有256KB的FLASH、125±8KB的SRAM和16KB的輔助FLASH，還要31路I/O輸出及一些外設(shè)片選輸出，故系統(tǒng)還擴(kuò)展了一片128KB的SRAM。本設(shè)計(jì)中，DS80C390工作于22bits連續(xù)葉面尋址模式，配置為8bits的數(shù)據(jù)/地址復(fù)用方式。用程序選通允許信號(hào)PSEN訪問(wèn)PSD934F2的程序存儲(chǔ)器，用WR、RD訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。PSD934F2的27個(gè)I/O引腳，分成4個(gè)口（PA、PB、PC和PD），每個(gè)引腳可單獨(dú)配制成不同的功能。
�。�3）PSD934F2的軟件開(kāi)發(fā)。PSD934F2由PSDsoft軟件支持。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不需要用硬件描述語(yǔ)言（HDL）來(lái)定義PSD934F2的引腳功能和分配存儲(chǔ)器地址。PSD934F2支持FlashLINK器件編程器，對(duì)PSD934F2進(jìn)行編程。首先用PSDsoft軟件定義PSD934F2的引腳功能及分配存儲(chǔ)器地址，再通過(guò)PSDsoft將PSD934F2配置與用戶HEX文件進(jìn)行合并產(chǎn)生目標(biāo)文件。HEX文件由用高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的植入PSD的應(yīng)用程序經(jīng)編譯、鏈接產(chǎn)生，再將目標(biāo)通過(guò)FLASHLINK寫(xiě)入PSD934F2即可。
2.5 溫度檢測(cè)電路
傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)電路采用熱敏電阻等溫度敏感元件，熱敏電阻成本雖低，但需要后續(xù)信號(hào)處理電路，且測(cè)量通道的標(biāo)定麻煩，溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度也相對(duì)較低。所以，本設(shè)計(jì)采用Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS1620。
�。�1）DS1620的特點(diǎn)。數(shù)字溫度傳感器DS1620是Dallas公司推出的新型溫度敏感器件。他以數(shù)字量輸出溫度測(cè)量值，具有測(cè)量范圍寬，傳輸距離遠(yuǎn)，可靠、穩(wěn)定等特點(diǎn)。DS1620的測(cè)量范圍為-55~125℃，分辨率為0.5℃。溫度以9位數(shù)字輸出，能夠在1秒內(nèi)完成被測(cè)溫度的數(shù)值轉(zhuǎn)換，可獨(dú)立工作，也可方便的與PC或單片機(jī)以串行方式連接。
�。�2）DS1620的軟硬件設(shè)計(jì)。DS1620通過(guò)高溫系數(shù)振蕩器控制低溫系數(shù)振蕩器的脈沖個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)溫度的數(shù)字輸出。溫度計(jì)數(shù)器和寄存器預(yù)置-55℃的基準(zhǔn)值，若溫度寄存器與技術(shù)起在脈沖周期結(jié)束前為0，則溫度寄存器增至被測(cè)溫度值。
DS1620的引腳DQ位數(shù)據(jù)輸入輸出腳（3線通信），CLK/CONV三線通信時(shí)為時(shí)鐘輸出口，不用CPU時(shí)為啟動(dòng)轉(zhuǎn)換腳，RST為復(fù)位輸入腳。DS1620通過(guò)三線串行接口與微處理器相連，實(shí)現(xiàn)有關(guān)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入、溫度數(shù)據(jù)的讀出。 2.6 實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)每隔一段時(shí)間就要進(jìn)行一次始終校準(zhǔn)。為此，本設(shè)計(jì)選用實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片PCF8563。PCF8563與DS80C390采用I2C通信接口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。由于DS80C390本身沒(méi)有I2C通信接口，所以采用軟件模擬的方法與具有I2C接口的PCF8563接口。
程序中微處理器在發(fā)出第九個(gè)脈沖時(shí)，讀取SDA線上的狀態(tài)，如讀取狀態(tài)為0，則說(shuō)明數(shù)據(jù)已成功寫(xiě)入PCF8563；如讀取狀態(tài)為1，則說(shuō)明寫(xiě)入操作不成功，程序轉(zhuǎn)入再次寫(xiě)操作。每進(jìn)行一次操作，內(nèi)嵌的字地址寄存器就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生增量。據(jù)此，可判斷出程序?qū)CF8563的讀寫(xiě)操作是否完成。每隔一段時(shí)間，主機(jī)發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間通過(guò)CAN總線傳入各職能節(jié)點(diǎn)，然后有個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)各自的時(shí)鐘進(jìn)行校時(shí)操作。當(dāng)某節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或報(bào)警時(shí)，此節(jié)點(diǎn)就對(duì)自己的PCF8563進(jìn)行讀操作，已得到發(fā)生故障或報(bào)警時(shí)的時(shí)間值。
2.7 CAN總線接口電路
CAN總線是現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域應(yīng)用很廣泛的一種通信技術(shù)，用CAN代替以往的RS—485將從根本上改善監(jiān)控系統(tǒng)的性能。DS80C390內(nèi)部集成了兩個(gè)全功能CAN2.0控制器，易與外部CAN總線接口。
2.8 鍵盤及顯示電路
鍵盤設(shè)計(jì)時(shí)，將按鍵的一端與微處理器的口線直接相連，并加上阻容電路去抖動(dòng)。這樣既可簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)，還可減小體積。顯示電路由發(fā)光二極管和液晶組成，液晶采用精電公司的MGLS-12864T，可用圖形或文本方式顯示。
3、智能控制器的可靠性設(shè)計(jì)
本控制器模塊處于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中，各種電磁干擾源頻率大致為：電磁20Hz~幾十Hz，開(kāi)關(guān)電弧30~200Hz，磁鐵1.0~3.6MHz。本模塊還處于強(qiáng)電力線電廠中，該場(chǎng)以電磁感應(yīng)的方式將電磁能量施加與本控制器模塊。所有的電磁干擾都有電磁干擾源、耦合通道和敏感設(shè)備3個(gè)基本要素組成。
�。�1）本設(shè)計(jì)選用了CS5460、PCF8563等貼片封裝元器件，高集成度的DS80C390及可配置內(nèi)存器件PSD934F2和帶光電隔離的固態(tài)繼電器。這些控制器模塊本身就有很強(qiáng)的抗干擾能力。
（2）電源是引入干擾的重要途徑，為減少?gòu)拇艘氲母蓴_，采取了如下措施：a采用高性能開(kāi)關(guān)電源以抗尖脈沖干擾等；b采用壓敏電阻或RC網(wǎng)絡(luò)等吸收浪涌電壓；c電源進(jìn)線端加大容量電解電容和高頻陶瓷電容分別濾除低頻、高頻干擾；d采用分散獨(dú)立的功能供電。e保證有適當(dāng)?shù)墓β试６取?/p>
�。�3）過(guò)程通道上才取光電耦合隔離、固態(tài)繼電器開(kāi)關(guān)量輸出和對(duì)傳輸線進(jìn)行阻抗匹配的措施。
（4）設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，采取合適的制版面積、雙板層、井字形布線，盡量減少環(huán)路面積和環(huán)路電流、并排走線間插入離散地線、重要信號(hào)線靠近地線等措施。本控制器模塊采用工作接地。采用待屏蔽的雙絞線以減小電流信號(hào)回路的電磁干擾，其屏蔽層接到斷路器外殼。接地線盡可能短，線徑盡可能粗。
�。�5）采用較高導(dǎo)電性材料如銅進(jìn)行電場(chǎng)屏蔽，導(dǎo)磁材料進(jìn)行磁場(chǎng)屏蔽。在控制器殼內(nèi)噴涂銅制電鍍導(dǎo)電層。對(duì)開(kāi)關(guān)電源加屏蔽層，對(duì)顯示窗中使用屏蔽玻璃，采用電磁密封襯墊防殼體縫隙漏磁。
(6）軟件設(shè)計(jì)中采用的抗干擾措施有：a設(shè)置看門狗定時(shí)器�？撮T狗的定時(shí)時(shí)間稍大于主程序正常運(yùn)行一個(gè)循環(huán)的時(shí)間，而在主程序運(yùn)行過(guò)程中執(zhí)行一次時(shí)間常數(shù)刷新操作。當(dāng)程序出錯(cuò)時(shí)，由于不能正常刷新定時(shí)器而導(dǎo)致定時(shí)中斷，將系統(tǒng)復(fù)位。b設(shè)置軟件陷阱。本設(shè)計(jì)中在非程序區(qū)反復(fù)用NOP，NOP，LJMP 0000H填滿，作為程序亂飛的攔截措施。這樣，不論程序失控指向哪一字節(jié)，都能回到復(fù)位狀態(tài)；c 采用一階遞推數(shù)字濾波法實(shí)現(xiàn)軟件的數(shù)字濾波，以消除傳感器通道中的干擾信號(hào)；d 采用設(shè)置軟件冗余、輸出狀態(tài)影像保存、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)冗余和初始化及自檢程序等，應(yīng)對(duì)控制的狀態(tài)失常。
4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
（1）測(cè)量電流值。CPU讀取CS5460電流有效值寄存器中的A/D轉(zhuǎn)換值，再通過(guò)軟件進(jìn)行非線性補(bǔ)償?shù)确椒�，可得出�?duì)應(yīng)的電流有效值。
�。�2）電壓值的測(cè)量。電壓互感器的次級(jí)串接140Ω電阻，可以得到0 ~ 150mV的電壓。電壓經(jīng)CS5460的A/D轉(zhuǎn)換后，存儲(chǔ)在電壓有效值寄存器中。CPU訪問(wèn)此寄存器可得到轉(zhuǎn)換結(jié)果，在據(jù)原、副邊變比關(guān)系，得到對(duì)應(yīng)電壓有效值。
�。�3）功率因數(shù)的測(cè)量。通過(guò)CS5460內(nèi)一個(gè)電量寄存器積累電能。根據(jù)電能與功率的關(guān)系W=Pt，在1s內(nèi)積累的電能數(shù)值上等于其有功功率P。在根據(jù)公式cosφ=P/UI算出功率因數(shù)值。
�。�4）動(dòng)作相應(yīng)時(shí)間驗(yàn)證。本設(shè)計(jì)要求，當(dāng)線路中出現(xiàn)大電流時(shí)，斷路器必須在20 ms內(nèi)可靠分?jǐn)�，這其中包括線路出現(xiàn)大電流短路故障到微處理器判斷出故障發(fā)出分?jǐn)嘀噶钏璧臅r(shí)間、機(jī)械部分延遲時(shí)間和電弧熄滅時(shí)間。本設(shè)計(jì)在一個(gè)工頻周期內(nèi)對(duì)每路信號(hào)采集16個(gè)點(diǎn)，即每12.5ms采集一個(gè)點(diǎn)，再根據(jù)設(shè)定值判斷是否發(fā)生故障。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)中，線路出現(xiàn)大電流短路故障到微處理器判斷發(fā)出分?jǐn)嘀噶钏钑r(shí)間為6ms左右�？梢�(jiàn)，線路出現(xiàn)大電流短路后，斷路器在20ms內(nèi)能可靠分?jǐn)唷?/p>
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