基于Cotex-M3内核的智能低压断路器控制器设计

摘要：文章介绍了基于Cotex—M3内核的32位高性能微控制器在智能低压断路器控制器的硬件及软件设计中的应用。本智能控制器硬件采用信号变换、波形变换法;软件采用微分法。具体是通过微控制器中集成的PWM输入捕获模式采样变换后的信号来间接计算电流的变化率，大大缩短了过载、短路故障电流的响应时间。智能低压断路器控制器，除实现故障保护功能外，还能对环网供配电系统的现场参数进行实时性监测、区域联网通信等，真正能实现“分布式控制、集中管理”，降低现场维护的难度，提高了整个区域环网供配电系统的安全性和可靠性。

0 引言

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、计算机网络技术、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、可靠性、可维护性、经济和社会效益指标等方面有新的突破。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，在环网供配电系统中起着断开或闭合正常一次回路以及可靠、快速地断开故障一次回路的作用，其操作性能对环网一次回路的安全性、可靠性、可维护性至关重要。低压断路器与微控制器配合对环网一次回路进行保护、控制、监测，当环网一次回路中出现故障时，低压断路器能可靠、快速地断开环网一次回路中的故障回路，防止故障扩大，保证人身与设备安全。

针对过载、短路等故障保护设计，文章介绍了基于ARM公司32位高性能微控制器STM32F103VET6的智能低压断路器控制器硬件和软件优化设计。其除实现过载、短路等故障保护外，还能对环网供配电系统的现场参数进行实时性监测，并能通过3G网络技术建立区域联网，实现整个区域环网供配电系统的智能化。

1 智能低压断路器控制器硬件设计

1.1 总体方案设计

在环网供配电系统中，低压断路器主要完成对一次回路发生的各种故障(如过载、短路、不平衡等)进行保护。因此，智能控制器应能准确快速地检测电压、电流、频率等现场参数，并且可以按用户的要求设定反时限或定时限曲线，真正实现一种保护功能多种动作特性。同时，通过3G网络实现区域网络化、智能化的监控和保护功能。其组成框图如图1所示。主要包括微控制器、信号采集电路、人机接口电路、断路器分合闸驱动电路、3G网络通信接口电路、电源电路等。下面选择几个主要的单元电路进行详细介绍。

1.2 微控制器的选择

根据图1所示，本智能控制器完成的任务包括：环网一次回路中故障保护;现场参数采集、处理、显示任务;人机交互;断路器分合闸驱动;3G网络通信等，属于多任务实时系统，若在软件上采用前后台系统控制方案，会增加软件的开发难度和延长软件的开发周期，对于多任务实时系统来说不是最可行的方案。因此，本智能控制器软件采用基于μC/OS—III内核的实时操作系统平台，它是一个可扩展的、可固化的、抢占式的实时内核，它管理的任务个数不限，其功能包括资源管理、事件同步、内部任务交流、运行时测量运行性能、直接发送信号量或消息给任务、任务能同时等待多个信号量或消息队列等。

本智能控制器硬件采用基于Cotex—M3内核的32位高性能微控制器STM32F103VET6，具有强大的数据处理能力和极为出色的控制能力。其主要特点：工作电压为2.0至3.6V，CPU的最高工作频率为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转换器，最小转换时间为1 μs，转换范围为0至3.6V;2通道12位D/A转换器;12通道DMA控制器，支持的外设包括定时器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和USART;80个多功能快速双向I/O端口，均可映射到16个外部中断，部分端口兼容5V信号;4个16位定时器，功能包括输入捕获、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。

基于μC/OS-III内核的实时操作系统能够移植到STM32F103VET6硬件平台上，通过实时操作系统来管理如图1所示的任务，大大降低了软件的开发难度和缩短了软件的开发周期。因此，采用此微控制器可以更好地满足整个系统的硬件和软件资源的需求。

1.3 过载、短路故障信号采样电路优化设计

1.3.1 采样方式的比较

为了实现过载、短路等故障的实时性保护，本智能控制器对环网一次回路中交流电流信号进行模拟量采集。数据采集是实现智能化的重要环节，准确、快速地采集故障信号变化的跃变点是本智能控制器设计的重点。通常采用直流采样法，即是将环网一次回路中各相交流电流通过电流互感器降低，然后通过整流、滤波、非线性校准等各种电子电路变换为信号幅值变化较小的直流信号，然后再通过单片机对直流信号进行A/D转换。但存在实时性差、精度低等不足，因而其应用受到了限制。

本智能控制器采用交流采样法，硬件结构如图2所示，即是指通过霍尔传感器将交流电流信号转换成按正弦变化的直流电压信号，然后通过低通有源滤波器，滤除中频、高频干扰信号，再经过双限比较器把按正弦变化的直流电压信号变换成方波信号，最后再通过微控制器中集成的PWM输入捕获模式测量出方波信号的正脉冲宽度及周期值，再通过简单的算法快速、准确地判定一次回路中故障的类型。采用交流采样法，能快速、实时地跟踪和响应故障电流信号的跃变点，信号采样电路结构简单，减少了误差和干扰源，具有一定的滤波特性。

1.3.2 过载、短路故障信号采样电路设计

根据实际情况，本智能控制器采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，由电流信号变换电路、有源低通滤波器、波形变换电路、光电耦合器电路组成。

电流信号变换电路是将过载、短路故障电流信号通过霍尔传感器ACS712ELCTR-30A-T将交流电流信号变换成按正弦变化的直流电压信号，其传递函数为：

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

其中：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。

有源低通滤波器采用集成运算放大器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干扰信号滤除，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。

波形变换电路采用电压比较器LM339所构成的双限比较器电路，其中两个电压比较器的比较值由微控制器D/A功能设置，分别连接D/A1和D/A2端口，当被测信号电压变化范围在设定阈值内(UD/A1

光电耦合器电路采用TLP521-1组成，其功能：一是将进一步的滤除干扰信号，增加硬件系统的可靠性;二是实现把5V逻辑电平转换成3.3V逻辑电平，与微控制器的逻辑电平兼容。

2 智能低压断路器控制器软件设计

2.1 过载、短路故障算法——微分法原理

智能断路器控制器完成电网中一次回路现场参数的实时采集、实时显示、实时保护、实时通信等任务，属于多任务实时系统。在这些任务中最重要的是实时保护，包括对过载、短路等故障的保护。对于断路器，当电网中一次回路出现过载、短路故障时，要求立刻可靠的分断，切断故障源，避免故障范围扩大，并且根据现场实际情况，断路器可以选择重合，重合次数一般0～5次，取值越大，重合越难。为了可靠而又快速地分断，本智能控制器故障电流采样算法采用“微分法”，即故障电流的变化率di/dt，变化率越大，故障越严重。

在三相交流电中电流信号i表达式为：

i=Imsin(ωt+φo)(A) (2)

其中：Im为电流幅值，ω为角频率，t为采样时间，φo为初始相位角。

在三相交流电中，已知角频率ω=2πf=2×3.14×50=314(rad/s)，采样时间t单位为ms，采用国际单位制，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)

所以电流的变化率为：

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)

然后再通过分压电阻限制uout的最大值为3.3V，因为双限比较器的比较值UD/A1和UD/A2由微控制器的D/A功能提供，输出的最大值为3.3V。所以，波形变换电路的输入信号为：

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

其中：u值为通过微控制器内集成的D/A功能设置的比较电压值，t值通过微控制器内集成的PWM输入捕获功能测量得到。如图3交流电流信号变换分析，当上限u=Uf1或下限u=Uf2时，对于曲线4没有超出双限范围，所以没有突变点。而曲线1、曲线2、曲线3都不同程度地超出双限范围，所以都有突变点。以曲线3为例说明，在图中①、②、③、④为突变点，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，正脉宽时间为△t可以通过微控制器的PWM输入捕获功能得到，当Uf1和Uf2的值关于u=1.8V轴对称时，则对于图中①突变点的坐标值

，②突变点的坐标值

，③突变点的坐标值

，④突变点的坐标值

。把①突变点的坐标值代入式(6)中，求出电流幅值：

由式(4)、(7)得，故障电流的变化率为：

其中，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周期内变化，t值越小，cot(0.314t)值越大，di/dt值就越大。

2.2 过载、短路故障程序设计

智能断路器控制器既要完成故障采样、处理等实时任务，也要完成显示、键盘扫描、通信等实时任务。文章只对过载、短路故障的采样、处理进行分析，由微控制器中集成的PWM输入捕获中断完成。采用这种设计方案的好处是PWM输入捕获中断源向CPU发送中断申请，是在环网一次回路中出现异常情况下产生的，正常情况下输入捕获中断不产生，大大优化了CPU的效率，能快速、实时地跟踪和响应故障电流信号的跃变点。捕获中断处理任务流程图如图4所示。

2.3 试验分析

为了验证，当检测到过载、短路等故障电流后，在不同等级电流下进行了实验，其中额定工作电流5A，是本智能控制器采样系统的输入电流，不是电网中一次回路中的额定工作电流，电网中一次回路与采样系统之间有电流互感器，把电网中一次回路中的大电流降低到采样系统容限范围。实验结果如表1、表2所示。

实验结果表明：当电网一次回路某相中出现过载故障时，本控制器响应时间△t/2不超过5ms，满足系统对响应时间的要求。

实验结果表明：当电网一次回路某相中出现短路故障时，本控制器响应时间△t/2的时刻不超过3ms，满足系统对响应时间的要求。

3 结束语

文章采用ARM公司的基于Cotex-M3内核的高性能32位微控制器STM32F103VET6在智能低压断路器控制器中实现过载、短路故障保护设计方案的优化应用。硬件采用信号变换、波形变换法;软件采用微分法。具体是通过微控制器内集成的PWM输入捕获模式采样变换后的信号来间接计算电流的变化率，大大缩短了过载、短路故障电流的响应时间。本智能控制器运行可靠、响应快速，有良好的电磁兼容性。智能低压断路器控制器除实现保护功能外，还能对环网供配电系统的现场参数进行实时性监测，并且通过3G网络建立区域联网，能真正实现“分布式控制、集中管理”，降低现场维护的难度，提高整个区域环网供配电系统的安全性和可靠性。完全满足现代环网供配电系统的自动化、智能化要求。