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低壓斷路器控制器設(shè)計論文
摘要：低壓斷路器是低壓配電系統(tǒng)中起同段控制及保護等作用的重要元件。目前，國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)場總線系統(tǒng)相連，實現(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。
關(guān)鍵詞：控制設(shè)計 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等作用的重要元件。目前，國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)場總線系統(tǒng)相連，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。國內(nèi)一些廠家也曾開發(fā)國際種職能斷路器控制器，其主要缺點是采用大規(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。主要特點有：a注重模塊化設(shè)計，采用大規(guī)模集成器件。不僅縮短了產(chǎn)品開發(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在實現(xiàn)基本保護功能的同時，增加了預(yù)警功能；c才參數(shù)測量上，除了電流、電壓等常規(guī)參數(shù)外，增加了功率因數(shù)及功率測量等，并對參數(shù)進(jìn)行顯示；d注重產(chǎn)品的可靠性設(shè)計；e斷路器帶通信接口，引入CAN現(xiàn)場總線技術(shù)。
2、支能低壓斷路器控制器設(shè)計
2.1 總體方案簡介
該斷路器控制器的主要包括微處理器、信號采集電路、鍵盤和現(xiàn)實電路、外擴存儲器、溫度檢測電路、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現(xiàn)各種功能又要有較好的是實時性和電磁兼容性，本期設(shè)計用了Dallas公司的DS80C390微處理器。其主要特點有：向下兼容80C52，使用80C51的指令集；高速的體系結(jié)構(gòu)，每個機器周期只有4個時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率可達(dá)40Mhz，兼容80C52存儲模式，內(nèi)含4KB的SRAM，外部擴展4MB的程序存儲器和4MB的用戶數(shù)據(jù)存儲器。內(nèi)含兩個CAN2.0B的控制口，集成度高。
DS80C390有2個串行口、3個定時器/計數(shù)器、7個附加中斷、1個可編程狗定時器、6個8 bit /O口（其中兩個與存儲器接口），還有一個數(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)計選用前者。
2.3 信號采集電路
常規(guī)信號輸入通道的設(shè)計一般先濾波在隔離放大，然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換等，但該設(shè)計方法難以滿足實時性要求。本設(shè)計要求采集3路線電壓和4路相電流信號，而且需要采集的信號范圍很寬，若采用常規(guī)設(shè)計則需要很多的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來設(shè)計信號輸入通道。
�。�1）CS5460的特點。a高集成。內(nèi)部繼承了1個可編程的增益放大器，1個帶固定增益放大器的電壓通道，2個可選高通濾波器等；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A/D變換頻率可達(dá)4kHz。其自帶可編程增益放大器可測量150mV獲30mV兩城范圍的信號，從而很好地解決了實時性、寬測量范圍及測量精度低等問題。
（2）CS5460的硬件設(shè)計。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為串行時鐘，CS是片選控制線。因為要采集4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，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4個門電路，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。本設(shè)計中軟件設(shè)計的基本程序采用C51編寫。CS5460的初始化和啟動轉(zhuǎn)換工作由主程序完成。設(shè)計要求每1.25ms在3路電壓、4路電流上個采一點，采用軟件定時中斷方式。每1.25ms系統(tǒng)啟動一次中斷服務(wù)程序，完成對各路信號瞬時值的采集，每2s完成一次對各路信號有效值的采集。
DS80C390通過SDI、SDO、SCLK和CS信號線與CS5460接口。運用寫操作對CS5460內(nèi)部各寄存器進(jìn)行設(shè)置；運用讀操作，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 外擴存儲器電路
傳統(tǒng)單片機應(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，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)計采用了PSD934F2芯片。
�。�1）PSD934F2的主要特點。美國WSI公司推出的PSD934F2芯片是專門為8bits微處理器設(shè)計的，實現(xiàn)了將多個外圍芯片集成于一個芯片中。其主要特點有：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存儲器和256KB的第二FLASH存儲器；具有64KB的SRAM；有19個輸出的通用PLD（GPLD）;有譯碼PLD(DPLD)；具有27個可單個配置的I/O引腳；等待電流可以降至50μA；符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的串行口可對全芯片進(jìn)行在系統(tǒng)編成；FLASH存儲器的擦寫次數(shù)至少可達(dá)100000次，PLD的擦寫次數(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)還擴展了一片128KB的SRAM。本設(shè)計中，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PSEN訪問PSD934F2的程序存儲器，用WR、RD訪問數(shù)據(jù)存儲器。PSD934F2的27個I/O引腳，分成4個口（PA、PB、PC和PD），每個引腳可單獨配制成不同的功能。
�。�3）PSD934F2的軟件開發(fā)。PSD934F2由PSDsoft軟件支持。系統(tǒng)設(shè)計時，不需要用硬件描述語言（HDL）來定義PSD934F2的引腳功能和分配存儲器地址。PSD934F2支持FlashLINK器件編程器，對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器地址，再通過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文件由用高級語言編寫的植入PSD的應(yīng)用程序經(jīng)編譯、鏈接產(chǎn)生，再將目標(biāo)通過FLASHLINK寫入PSD934F2即可。
2.5 溫度檢測電路
傳統(tǒng)的溫度檢測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)信號處理電路，且測量通道的標(biāo)定麻煩，溫度測量的準(zhǔn)確度也相對較低。所以，本設(shè)計采用Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS1620。
�。�1）DS1620的特點。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)字量輸出溫度測量值，具有測量范圍寬，傳輸距離遠(yuǎn)，可靠、穩(wěn)定等特點。DS1620的測量范圍為-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)完成被測溫度的數(shù)值轉(zhuǎn)換，可獨立工作，也可方便的與PC或單片機以串行方式連接。
（2）DS1620的軟硬件設(shè)計。DS1620通過高溫系數(shù)振蕩器控制低溫系數(shù)振蕩器的脈沖個數(shù)，實現(xiàn)被測溫度的數(shù)字輸出。溫度計數(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三線通信時為時鐘輸出口，不用CPU時為啟動轉(zhuǎn)換腳，RST為復(fù)位輸入腳。DS1620通過三線串行接口與微處理器相連，實現(xiàn)有關(guān)數(shù)據(jù)的寫入、溫度數(shù)據(jù)的讀出。 2.6 實時時鐘芯片
系統(tǒng)運行時，整個系統(tǒng)每隔一段時間就要進(jìn)行一次始終校準(zhǔn)。為此，本設(shè)計選用實時時鐘/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)出第九個脈沖時，讀取SDA線上的狀態(tài)，如讀取狀態(tài)為0，則說明數(shù)據(jù)已成功寫入PCF8563；如讀取狀態(tài)為1，則說明寫入操作不成功，程序轉(zhuǎn)入再次寫操作。每進(jìn)行一次操作，內(nèi)嵌的字地址寄存器就會自動產(chǎn)生增量。據(jù)此，可判斷出程序?qū)CF8563的讀寫操作是否完成。每隔一段時間，主機發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)時間，標(biāo)準(zhǔn)時間通過CAN總線傳入各職能節(jié)點，然后有個節(jié)點對各自的時鐘進(jìn)行校時操作。當(dāng)某節(jié)點發(fā)生故障或報警時，此節(jié)點就對自己的PCF8563進(jìn)行讀操作，已得到發(fā)生故障或報警時的時間值。
2.7 CAN總線接口電路
CAN總線是現(xiàn)場總線領(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)計時，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。這樣既可簡化硬件電路的設(shè)計，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
本控制器模塊處于強磁場環(huán)境中，各種電磁干擾源頻率大致為：電磁20Hz~幾十Hz，開關(guān)電弧30~200Hz，磁鐵1.0~3.6MHz。本模塊還處于強電力線電廠中，該場以電磁感應(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個基本要素組成。
（1）本設(shè)計選用了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的抗干擾能力。
�。�2）電源是引入干擾的重要途徑，為減少從此引入的干擾，采取了如下措施：a采用高性能開關(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采用分散獨立的功能供電。e保證有適當(dāng)?shù)墓β试６取?/p>
（3）過程通道上才取光電耦合隔離、固態(tài)繼電器開關(guān)量輸出和對傳輸線進(jìn)行阻抗匹配的措施。
�。�4）設(shè)計印刷電路板時，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)行電場屏蔽，導(dǎo)磁材料進(jìn)行磁場屏蔽。在控制器殼內(nèi)噴涂銅制電鍍導(dǎo)電層。對開關(guān)電源加屏蔽層，對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)計中采用的抗干擾措施有：a設(shè)置看門狗定時器�？撮T狗的定時時間稍大于主程序正常運行一個循環(huán)的時間，而在主程序運行過程中執(zhí)行一次時間常數(shù)刷新操作。當(dāng)程序出錯時，由于不能正常刷新定時器而導(dǎo)致定時中斷，將系統(tǒng)復(fù)位。b設(shè)置軟件陷阱。本設(shè)計中在非程序區(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)字濾波法實現(xiàn)軟件的數(shù)字濾波，以消除傳感器通道中的干擾信號；d 采用設(shè)置軟件冗余、輸出狀態(tài)影像保存、數(shù)據(jù)存儲冗余和初始化及自檢程序等，應(yīng)對控制的狀態(tài)失常。
4、實驗結(jié)果
�。�1）測量電流值。CPU讀取CS5460電流有效值寄存器中的A/D轉(zhuǎn)換值，再通過軟件進(jìn)行非線性補償?shù)确椒�，可得出對�?yīng)的電流有效值。
�。�2）電壓值的測量。電壓互感器的次級串接140Ω電阻，可以得到0 ~ 150mV的電壓。電壓經(jīng)CS5460的A/D轉(zhuǎn)換后，存儲在電壓有效值寄存器中。CPU訪問此寄存器可得到轉(zhuǎn)換結(jié)果，在據(jù)原、副邊變比關(guān)系，得到對應(yīng)電壓有效值。
�。�3）功率因數(shù)的測量。通過CS5460內(nèi)一個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）動作相應(yīng)時間驗證。本設(shè)計要求，當(dāng)線路中出現(xiàn)大電流時，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間、機械部分延遲時間和電弧熄滅時間。本設(shè)計在一個工頻周期內(nèi)對每路信號采集16個點，即每12.5ms采集一個點，再根據(jù)設(shè)定值判斷是否發(fā)生故障。實驗結(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間為6ms左右�？梢姡�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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