一種基于Cotex-M3內核的智能低壓斷路器控制器設計

　　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。

　　有源低通濾波器采用集成運算放大器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干擾信號濾除，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。

　　波形變換電路采用電壓比較器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端口，當被測信號電壓變化范圍在設定閾值內(UD/A1

　　光電耦合器電路采用TLP521-1組成，其功能：一是將進一步的濾除干擾信號，增加硬件系統的可靠性;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件設計

　　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回路現場參數的實時采集、實時顯示、實時保護、實時通信等任務，屬于多任務實時系統。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。對于斷路器，當電網中一次回路出現過載、短路故障時，要求立刻可靠的分斷，切斷故障源，避免故障范圍擴大，并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采樣算法采用“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為采樣時間，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)，采樣時間t單位為ms，采用國際單位制，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)

　　然后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，對于曲線4沒有超出雙限范圍，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范圍，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的值關于u=1.8V軸對稱時，則對于圖中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)的性態取決于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采樣、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、短路故障的采樣、處理進行分析，由微控制器中集成的PWM輸入捕獲中斷完成。采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，是在環網一次回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。