基於Cotex-M3內核的智能低壓斷路器控制器設計

摘要：文章介紹了基於Cotex—M3內核的32位高性能微控制器在智能低壓斷路器控制器的硬體及軟體設計中的應用。本智能控制器硬體採用信號變換、波形變換法;軟體採用微分法。具體是通過微控制器中集成的PWM輸入捕獲模式採樣變換後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，除實現故障保護功能外，還能對環網供配電系統的現場參數進行實時性監測、區域聯網通信等，真正能實現「分布式控制、集中管理」，降低現場維護的難度，提高了整個區域環網供配電系統的安全性和可靠性。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/306782.htm

0 引言

從20世紀90年代後期至今，智能化低壓電器產品的發展迅速。智能化低壓電器產品是把現代電子技術、計算機網絡技術、2G/3G網絡技術等新技術嵌入到產品中。新一代產品從安全性、可靠性、可維護性、經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品中最重要的開關電器產品之一，在環網供配電系統中起著斷開或閉合正常一次迴路以及可靠、快速地斷開故障一次迴路的作用，其操作性能對環網一次迴路的安全性、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網一次迴路進行保護、控制、監測，當環網一次迴路中出現故障時，低壓斷路器能可靠、快速地斷開環網一次迴路中的故障迴路，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，文章介紹了基於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體和軟體優化設計。其除實現過載、短路等故障保護外，還能對環網供配電系統的現場參數進行實時性監測，並能通過3G網絡技術建立區域聯網，實現整個區域環網供配電系統的智能化。

1 智能低壓斷路器控制器硬體設計

1.1 總體方案設計

在環網供配電系統中，低壓斷路器主要完成對一次迴路發生的各種故障(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、頻率等現場參數，並且可以按用戶的要求設定反時限或定時限曲線，真正實現一種保護功能多種動作特性。同時，通過3G網絡實現區域網絡化、智能化的監控和保護功能。其組成框圖如圖1所示。主要包括微控制器、信號採集電路、人機接口電路、斷路器分合閘驅動電路、3G網絡通信接口電路、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

根據圖1所示，本智能控制器完成的任務包括：環網一次迴路中故障保護;現場參數採集、處理、顯示任務;人機互動;斷路器分合閘驅動;3G網絡通信等，屬於多任務實時系統，若在軟體上採用前後臺系統控制方案，會增加軟體的開發難度和延長軟體的開發周期，對於多任務實時系統來說不是最可行的方案。因此，本智能控制器軟體採用基於μC/OS—III內核的實時作業系統平臺，它是一個可擴展的、可固化的、搶佔式的實時內核，它管理的任務個數不限，其功能包括資源管理、事件同步、內部任務交流、運行時測量運行性能、直接發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。

本智能控制器硬體採用基於Cotex—M3內核的32位高性能微控制器STM32F103VET6，具有強大的數據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，內部集成單周期硬體乘法器和硬體除法器;512KB的flash和64KB的SRAM;並行TFT接口;3個12位A/D轉換器，最小轉換時間為1 μs，轉換範圍為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埠，均可映射到16個外部中斷，部分埠兼容5V信號;4個16位定時器，功能包括輸入捕獲、輸出比較、PWM或脈衝計數及增量編碼器輸入;2個I2C接口;5個USRT接口;3個SPI接口等。

基於μC/OS-III內核的實時作業系統能夠移植到STM32F103VET6硬體平臺上，通過實時作業系統來管理如圖1所示的任務，大大降低了軟體的開發難度和縮短了軟體的開發周期。因此，採用此微控制器可以更好地滿足整個系統的硬體和軟體資源的需求。

1.3 過載、短路故障信號採樣電路優化設計

1.3.1 採樣方式的比較

為了實現過載、短路等故障的實時性保護，本智能控制器對環網一次迴路中交流電流信號進行模擬量採集。數據採集是實現智能化的重要環節，準確、快速地採集故障信號變化的躍變點是本智能控制器設計的重點。通常採用直流採樣法，即是將環網一次迴路中各相交流電流通過電流互感器降低，然後通過整流、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，然後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。

本智能控制器採用交流採樣法，硬體結構如圖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，然後通過低通有源濾波器，濾除中頻、高頻幹擾信號，再經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，最後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衝寬度及周期值，再通過簡單的算法快速、準確地判定一次迴路中故障的類型。採用交流採樣法，能快速、實時地跟蹤和響應故障電流信號的躍變點，信號採樣電路結構簡單，減少了誤差和幹擾源，具有一定的濾波特性。

1.3.2 過載、短路故障信號採樣電路設計

根據實際情況，本智能控制器採集環網一次迴路中任兩相電流信號即可，圖2所示為A相電流信號採樣電路，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。

電流信號變換電路是將過載、短路故障電流信號通過霍爾傳感器ACS712ELCTR-30A-T將交流電流信號變換成按正弦變化的直流電壓信號，其傳遞函數為：

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

其中：uout為霍爾傳感器的輸出電壓信號，ip為霍爾傳感器的輸入電流信號。

有源低通濾波器採用集成運算放大器LM358組成的二階直流耦合低通RC有源濾波器，將霍爾傳感器輸出的電壓信號中中頻及高頻幹擾信號濾除，有源低通濾波器的截止頻率：

品質因數Q=0.5，閉環增益Av=1。

波形變換電路採用電壓比較器LM339所構成的雙限比較器電路，其中兩個電壓比較器的比較值由微控制器D/A功能設置，分別連接D/A1和D/A2埠，當被測信號電壓變化範圍在設定閾值內(UD/A1

光電耦合器電路採用TLP521-1組成，其功能：一是將進一步的濾除幹擾信號，增加硬體系統的可靠性;二是實現把5V邏輯電平轉換成3.3V邏輯電平，與微控制器的邏輯電平兼容。

2 智能低壓斷路器控制器軟體設計

2.1 過載、短路故障算法——微分法原理

智能斷路器控制器完成電網中一次迴路現場參數的實時採集、實時顯示、實時保護、實時通信等任務，屬於多任務實時系統。在這些任務中最重要的是實時保護，包括對過載、短路等故障的保護。對於斷路器，當電網中一次迴路出現過載、短路故障時，要求立刻可靠的分斷，切斷故障源，避免故障範圍擴大，並且根據現場實際情況，斷路器可以選擇重合，重合次數一般0～5次，取值越大，重合越難。為了可靠而又快速地分斷，本智能控制器故障電流採樣算法採用「微分法」，即故障電流的變化率di/dt，變化率越大，故障越嚴重。

在三相交流電中電流信號i表達式為：

i=Imsin(ωt+φo)(A) (2)

其中：Im為電流幅值，ω為角頻率，t為採樣時間，φo為初始相位角。

在三相交流電中，已知角頻率ω=2πf=2×3.14×50=314(rad/s)，採樣時間t單位為ms，採用國際單位制，則ωt=0.314t(rad)。初始相位角φo=0。所以，式(2)可寫成：

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

所以電流的變化率為：

霍爾傳感器的輸出電壓信號由式(1)、(3)得：

uout=0.066×Imsin(0.3140+2.5(V) (5)

然後再通過分壓電阻限制uout的最大值為3.3V，因為雙限比較器的比較值UD/A1和UD/A2由微控制器的D/A功能提供，輸出的最大值為3.3V。所以，波形變換電路的輸入信號為：

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

其中：u值為通過微控制器內集成的D/A功能設置的比較電壓值，t值通過微控制器內集成的PWM輸入捕獲功能測量得到。如圖3交流電流信號變換分析，當上限u=Uf1或下限u=Uf2時，對於曲線4沒有超出雙限範圍，所以沒有突變點。而曲線1、曲線2、曲線3都不同程度地超出雙限範圍，所以都有突變點。以曲線3為例說明，在圖中①、②、③、④為突變點，對應雙限比較器輸出為PWM方波信號。在圖3中PWM方波信號的周期為T=10ms，正脈寬時間為△t可以通過微控制器的PWM輸入捕獲功能得到，當Uf1和Uf2的值關於u=1.8V軸對稱時，則對於圖中①突變點的坐標值

，②突變點的坐標值

，③突變點的坐標值

，④突變點的坐標值

。把①突變點的坐標值代入式(6)中，求出電流幅值：

由式(4)、(7)得，故障電流的變化率為：

其中，Uf1是一個定值，所以式(8)的性態取決於cot(0.314t)的性態，t取圖3中正弦信號的1/4周期內變化，t值越小，cot(0.314t)值越大，di/dt值就越大。

2.2 過載、短路故障程序設計

智能斷路器控制器既要完成故障採樣、處理等實時任務，也要完成顯示、鍵盤掃描、通信等實時任務。文章只對過載、短路故障的採樣、處理進行分析，由微控制器中集成的PWM輸入捕獲中斷完成。採用這種設計方案的好處是PWM輸入捕獲中斷源向CPU發送中斷申請，是在環網一次迴路中出現異常情況下產生的，正常情況下輸入捕獲中斷不產生，大大優化了CPU的效率，能快速、實時地跟蹤和響應故障電流信號的躍變點。捕獲中斷處理任務流程圖如圖4所示。

2.3 試驗分析

為了驗證，當檢測到過載、短路等故障電流後，在不同等級電流下進行了實驗，其中額定工作電流5A，是本智能控制器採樣系統的輸入電流，不是電網中一次迴路中的額定工作電流，電網中一次迴路與採樣系統之間有電流互感器，把電網中一次迴路中的大電流降低到採樣系統容限範圍。實驗結果如表1、表2所示。

實驗結果表明：當電網一次迴路某相中出現過載故障時，本控制器響應時間△t/2不超過5ms，滿足系統對響應時間的要求。

實驗結果表明：當電網一次迴路某相中出現短路故障時，本控制器響應時間△t/2的時刻不超過3ms，滿足系統對響應時間的要求。

3 結束語

文章採用ARM公司的基於Cotex-M3內核的高性能32位微控制器STM32F103VET6在智能低壓斷路器控制器中實現過載、短路故障保護設計方案的優化應用。硬體採用信號變換、波形變換法;軟體採用微分法。具體是通過微控制器內集成的PWM輸入捕獲模式採樣變換後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。本智能控制器運行可靠、響應快速，有良好的電磁兼容性。智能低壓斷路器控制器除實現保護功能外，還能對環網供配電系統的現場參數進行實時性監測，並且通過3G網絡建立區域聯網，能真正實現「分布式控制、集中管理」，降低現場維護的難度，提高整個區域環網供配電系統的安全性和可靠性。完全滿足現代環網供配電系統的自動化、智能化要求。

• STM32單片機中文官網
• STM32單片機官方開發工具
• STM32單片機參考設計