一种基于Cotex-M3内核的智能低压断路器控制器设计

　　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。