根据Cotex-M3内核的智能低压断路器控制器规划

摘要：文章介绍了依据Cotex—M3内核的32位高功用微操控器在智能低压断路器操控器的硬件及软件规划中的使用。本智能操控器硬件选用信号改换、波形改换法;软件选用微分法。详细是经过微操控器中集成的PWM输入捕获形式采样改换后的信号来直接核算电流的改变率，大大缩短了过载、短路毛病电流的呼应时刻。智能低压断路器操控器，除完结毛病保护功用外，还能对环网供配电体系的现场参数进行实时性监测、区域联网通讯等，真实能完结“分布式操控、会集办理”，下降现场保护的难度，进步了整个区域环网供配电体系的安全性和牢靠性。

0 导言

从20世纪90年代后期至今，智能化低压电器产品的发展迅速。智能化低压电器产品是把现代电子技术、核算机网络技术、2G/3G网络技术等新技术嵌入到产品中。新一代产品从安全性、牢靠性、可保护性、经济和社会效益目标等方面有新的打破。低压断路器是低压电器产品中最重要的开关电器产品之一，在环网供配电体系中起着断开或闭合正常一次回路以及牢靠、快速地断开毛病一次回路的效果，其操作功用对环网一次回路的安全性、牢靠性、可保护性至关重要。低压断路器与微操控器合作对环网一次回路进行保护、操控、监测，当环网一次回路中呈现毛病时，低压断路器能牢靠、快速地断开环网一次回路中的毛病回路，防止毛病扩展，确保人身与设备安全。

针对过载、短路等毛病保护规划，文章介绍了依据ARM公司32位高功用微操控器STM32F103VET6的智能低压断路器操控器硬件和软件优化规划。其除完结过载、短路等毛病保护外，还能对环网供配电体系的现场参数进行实时性监测，并能经过3G网络技术树立区域联网，完结整个区域环网供配电体系的智能化。

1 智能低压断路器操控器硬件规划

1.1 整体计划规划

在环网供配电体系中，低压断路器首要完结对一次回路发生的各种毛病(如过载、短路、不平衡等)进行保护。因而，智能操控器应能精确快速地检测电压、电流、频率等现场参数，而且能够按用户的要求设定反时限或定时限曲线，真实完结一种保护功用多种动作特性。一起，经过3G网络完结区域网络化、智能化的监控和保护功用。其组成框图如图1所示。首要包含微操控器、信号收集电路、人机接口电路、断路器分合闸驱动电路、3G网络通讯接口电路、电源电路等。下面挑选几个首要的单元电路进行详细介绍。

1.2 微操控器的挑选

依据图1所示，本智能操控器完结的使命包含：环网一次回路中毛病保护;现场参数收集、处理、显现使命;人机交互;断路器分合闸驱动;3G网络通讯等，归于多使命实时体系，若在软件上选用前后台体系操控计划，会添加软件的开发难度和延伸软件的开发周期，关于多使命实时体系来说不是最可行的计划。因而，本智能操控器软件选用依据μC/OS—III内核的实时操作体系渠道，它是一个可扩展的、可固化的、抢占式的实时内核，它办理的使命个数不限，其功用包含资源办理、事情同步、内部使命沟通、运转时丈量运转功用、直接发送信号量或音讯给使命、使命能一起等候多个信号量或音讯行列等。

本智能操控器硬件选用依据Cotex—M3内核的32位高功用微操控器STM32F103VET6，具有强壮的数据处理才能和极为超卓的操控才能。其首要特色：作业电压为2.0至3.6V，CPU的最高作业频率为72MHz，内部集成单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个12位A/D转化器，最小转化时刻为1 μs，转化规模为0至3.6V;2通道12位D/A转化器;12通道DMA操控器，支撑的外设包含定时器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和USART;80个多功用快速双向I/O端口，均可映射到16个外部中止，部分端口兼容5V信号;4个16位定时器，功用包含输入捕获、输出比较、PWM或脉冲计数及增量编码器输入;2个I2C接口;5个USRT接口;3个SPI接口等。

依据μC/OS-III内核的实时操作体系能够移植到STM32F103VET6硬件渠道上，经过实时操作体系来办理如图1所示的使命，大大下降了软件的开发难度和缩短了软件的开发周期。因而，选用此微操控器能够更好地满意整个体系的硬件和软件资源的需求。

1.3 过载、短路毛病信号采样电路优化规划

1.3.1 采样方法的比较

为了完结过载、短路等毛病的实时性保护，本智能操控器对环网一次回路中沟通电流信号进行模拟量收集。数据收集是完结智能化的重要环节，精确、快速地收集毛病信号改变的跃变点是本智能操控器规划的要点。一般选用直流采样法，便是将环网一次回路中各相沟通电流经过电流互感器下降，然后经过整流、滤波、非线性校准等各种电子电路改换为信号幅值改变较小的直流信号，然后再经过单片机对直流信号进行A/D转化。但存在实时性差、精度低一级缺乏，因而其使用受到了约束。

本智能操控器选用沟通采样法，硬件结构如图2所示，便是指经过霍尔传感器将沟通电流信号转化成按正弦改变的直流电压信号，然后经过低通有源滤波器，滤除中频、高频搅扰信号，再经过双限比较器把按正弦改变的直流电压信号改换成方波信号，最终再经过微操控器中集成的PWM输入捕获形式丈量出方波信号的正脉冲宽度及周期值，再经过简略的算法快速、精确地断定一次回路中毛病的类型。选用沟通采样法，能快速、实时地盯梢和呼应毛病电流信号的跃变点，信号采样电路结构简略，减少了差错和搅扰源，具有必定的滤波特性。

1.3.2 过载、短路毛病信号采样电路规划

依据实际情况，本智能操控器收集环网一次回路中任两相电流信号即可，图2所示为A相电流信号采样电路，由电流信号改换电路、有源低通滤波器、波形改换电路、光电耦合器电路组成。

电流信号改换电路是将过载、短路毛病电流信号经过霍尔传感器ACS712ELCTR-30A-T将沟通电流信号改换成按正弦改变的直流电压信号，其传递函数为：

uout=66(mV/A)*ip(A)+2.5(V) (1)

其间：uout为霍尔传感器的输出电压信号，ip为霍尔传感器的输入电流信号。

有源低通滤波器选用集成运算放大器LM358组成的二阶直流耦合低通RC有源滤波器，将霍尔传感器输出的电压信号中中频及高频搅扰信号滤除，有源低通滤波器的截止频率：

品质因数Q=0.5，闭环增益Av=1。

波形改换电路选用电压比较器LM339所构成的双限比较器电路，其间两个电压比较器的比较值由微操控器D/A功用设置，别离衔接D/A1和D/A2端口，当被测信号电压改变规模在设定阈值内(UD/A1

光电耦合器电路选用TLP521-1组成，其功用：一是将进一步的滤除搅扰信号，添加硬件体系的牢靠性;二是完结把5V逻辑电平转化成3.3V逻辑电平，与微操控器的逻辑电平兼容。

2 智能低压断路器操控器软件规划

2.1 过载、短路毛病算法——微分法原理

智能断路器操控器完结电网中一次回路现场参数的实时收集、实时显现、实时保护、实时通讯等使命，归于多使命实时体系。在这些使命中最重要的是实时保护，包含对过载、短路等毛病的保护。关于断路器，当电网中一次回路呈现过载、短路毛病时，要求马上牢靠的分断，堵截毛病源，防止毛病规模扩展，而且依据现场实际情况，断路器能够挑选重合，重合次数一般0～5次，取值越大，重合越难。为了牢靠而又快速地分断，本智能操控器毛病电流采样算法选用“微分法”，即毛病电流的改变率di/dt，改变率越大，毛病越严峻。

在三相沟通电中电流信号i表达式为：

i=Imsin(ωt+φo)(A) (2)

其间：Im为电流幅值，ω为角频率，t为采样时刻，φo为初始相位角。

在三相沟通电中，已知角频率ω=2πf=2×3.14×50=314(rad/s)，采样时刻t单位为ms，选用国际单位制，则ωt=0.314t(rad)。初始相位角φo=0。所以，式(2)可写成：

i=Imsin(0.314t)(A) (3)

所以电流的改变率为：

霍尔传感器的输出电压信号由式(1)、(3)得：

uout=0.066×Imsin(0.3140+2.5(V) (5)

然后再经过火压电阻约束uout的最大值为3.3V，由于双限比较器的比较值UD/A1和UD/A2由微操控器的D/A功用供给，输出的最大值为3.3V。所以，波形改换电路的输入信号为：

u=0.73uout=0.04818×Imsin(0.314t)+1.83(V) (6)

其间：u值为经过微操控器内集成的D/A功用设置的比较电压值，t值经过微操控器内集成的PWM输入捕获功用丈量得到。如图3沟通电流信号改换剖析，当上限u=Uf1或下限u=Uf2时，关于曲线4没有超出双限规模，所以没有骤变点。而曲线1、曲线2、曲线3都不同程度地超出双限规模，所以都有骤变点。以曲线3为例阐明，在图中①、②、③、④为骤变点，对应双限比较器输出为PWM方波信号。在图3中PWM方波信号的周期为T=10ms，正脉宽时刻为△t能够经过微操控器的PWM输入捕获功用得到，当Uf1和Uf2的值关于u=1.8V轴对称时，则关于图中①骤变点的坐标值

，②骤变点的坐标值

，③骤变点的坐标值

，④骤变点的坐标值

。把①骤变点的坐标值代入式(6)中，求出电流幅值：

由式(4)、(7)得，毛病电流的改变率为：

其间，Uf1是一个定值，所以式(8)的性态取决于cot(0.314t)的性态，t取图3中正弦信号的1/4周期内改变，t值越小，cot(0.314t)值越大，di/dt值就越大。

2.2 过载、短路毛病程序规划

智能断路器操控器既要完结毛病采样、处理等实时使命，也要完结显现、键盘扫描、通讯等实时使命。文章只对过载、短路毛病的采样、处理进行剖析，由微操控器中集成的PWM输入捕获中止完结。选用这种规划计划的优点是PWM输入捕获中止源向CPU发送中止请求，是在环网一次回路中呈现异常情况下发生的，正常情况下输入捕获中止不发生，大大优化了CPU的功率，能快速、实时地盯梢和呼应毛病电流信号的跃变点。捕获中止处理使命流程图如图4所示。

2.3 试验剖析

为了验证，当检测到过载、短路等毛病电流后，在不同等级电流下进行了试验，其间额外作业电流5A，是本智能操控器采样体系的输入电流，不是电网中一次回路中的额外作业电流，电网中一次回路与采样体系之间有电流互感器，把电网中一次回路中的大电流下降到采样体系容限规模。试验成果如表1、表2所示。

试验成果表明：当电网一次回路某相中呈现过载毛病时，本操控器呼应时刻△t/2不超越5ms，满意体系对呼应时刻的要求。

试验成果表明：当电网一次回路某相中呈现短路毛病时，本操控器呼应时刻△t/2的时刻不超越3ms，满意体系对呼应时刻的要求。

3 结束语

文章选用ARM公司的依据Cotex-M3内核的高功用32位微操控器STM32F103VET6在智能低压断路器操控器中完结过载、短路毛病保护规划计划的优化使用。硬件选用信号改换、波形改换法;软件选用微分法。详细是经过微操控器内集成的PWM输入捕获形式采样改换后的信号来直接核算电流的改变率，大大缩短了过载、短路毛病电流的呼应时刻。本智能操控器运转牢靠、呼应快速，有杰出的电磁兼容性。智能低压断路器操控器除完结保护功用外，还能对环网供配电体系的现场参数进行实时性监测，而且经过3G网络树立区域联网，能真实完结“分布式操控、会集办理”，下降现场保护的难度，进步整个区域环网供配电体系的安全性和牢靠性。彻底满意现代环网供配电体系的自动化、智能化要求。