- 雙電源開關(guān)控制器的工作原理
- 雙電源開關(guān)控制器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- 雙電源開關(guān)控制器的軟件設(shè)計(jì)
- 選擇自帶A/D轉(zhuǎn)換器和輸入捕捉功能且有較豐富I/O的單片機(jī)
- 單片機(jī)對(duì)常用和備用電源進(jìn)行頻率檢測(cè)
- 實(shí)時(shí)檢測(cè)常用和備用電源的電壓
- 控制器采用RS485總線與外界進(jìn)行通信
隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，人們的生活水平不斷地提高，各行業(yè)對(duì)供電的可靠性、安全性、連續(xù)性提出了越來越高的要求，很多場(chǎng)合需要采用兩路電源來保證供電的可靠性和連續(xù)性。例如商場(chǎng)、銀行、醫(yī)院、通信部門、交通部門以及國(guó)防軍事等部門都要求能連續(xù)不間斷地安全供電。而智能型雙電源開關(guān)控制器能夠很好地解決上述問題，為可靠、連續(xù)地供電提供強(qiáng)有力的保證。目前在很多企業(yè)和領(lǐng)域都使用了智能型雙電源開關(guān)控制器，它有著廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。本文介紹的智能型雙電源開關(guān)控制器主要由控制單元(PIC16F884單片機(jī))和執(zhí)行機(jī)構(gòu)(兩臺(tái)三極或四極塑殼斷路器)組成?？刂茊卧饕?fù)責(zé)各種信號(hào)的辨識(shí)檢測(cè)、運(yùn)算處理和控制輸出。執(zhí)行機(jī)構(gòu)則快速準(zhǔn)確地響應(yīng)控制單元的各種控制命令，從而構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大、工作穩(wěn)定、可靠的控制系統(tǒng)。
1工作原理
智能型雙電源開關(guān)控制器以單片機(jī)PIC16F884為核心，對(duì)兩路供電電源(常用電源和備用電源)的電壓、頻率和相位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。當(dāng)其中一路電源(常用電源或備用電源)的電壓發(fā)生過壓、欠壓或是缺相時(shí)，控制器就會(huì)發(fā)出電機(jī)切換命令，使供電電源自動(dòng)切換到另一路電源(備用電源或常用電源)上，以此來保障供電的連續(xù)性?？刂破鞯墓ぷ鞣绞街饕凶詣?dòng)方式和手動(dòng)方式兩種?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，組成模塊如圖2所示。
[page]1.1自動(dòng)工作模式
自動(dòng)工作模式可分為：自投自復(fù)、自投不自復(fù)和電網(wǎng)-發(fā)電機(jī)三種方式。其中，前兩種主要應(yīng)用于電網(wǎng)-電網(wǎng)供電模式，而第三種則是應(yīng)用于電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)供電模式。
(1)自投自復(fù)模式：控制器對(duì)兩路電源進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)兩路電源都正常工作時(shí)，則負(fù)載由常用電源供電；當(dāng)常用電源發(fā)生故障(過壓、欠壓或缺相)時(shí)，控制器發(fā)出電機(jī)切換命令使電源自動(dòng)切換到備用電源，此時(shí)負(fù)載由備用電源供電；當(dāng)常用電源恢復(fù)正常時(shí)，控制器再次發(fā)出電機(jī)切換命令使負(fù)載供電由備用電源返回到常用電源。
(2)自投不自復(fù)模式：其工作方式和自投自復(fù)類似，但只有當(dāng)備用電源也出現(xiàn)故障時(shí)才自動(dòng)返回到常用電源，否則將一直由備用電源給負(fù)載供電。
(3)電網(wǎng)-發(fā)電機(jī)模式：當(dāng)常用電源發(fā)生故障時(shí)，控制器輸出發(fā)電機(jī)啟動(dòng)命令，經(jīng)短暫延時(shí)后斷開常用電源，此時(shí)負(fù)載由發(fā)電機(jī)供電；當(dāng)常用電源恢復(fù)正常時(shí)，控制器輸出發(fā)電機(jī)停機(jī)命令同時(shí)電源自動(dòng)切換到常用電源上，負(fù)載返回到由常用電源供電模式。
1.2手動(dòng)模式
在手動(dòng)模式下，電源不能自動(dòng)切換而需要人為操作，主要有常用電源供電、備用電源供電和斷電再扣方式。
常用電源供電：強(qiáng)制常用斷路器閉合，備用斷路器斷開。
備用電源供電：強(qiáng)制備用斷路器閉合，常用斷路器斷開。
斷電再扣：同時(shí)強(qiáng)制斷開常用斷路器和備用斷路器或是閉合因故障而斷開的所有斷路器。
2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1單片機(jī)的選擇
控制器要求對(duì)交流電壓、頻率和相位進(jìn)行檢測(cè)，有多路控制信號(hào)的輸入和輸出，為了節(jié)約成本和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)選擇自帶A/D轉(zhuǎn)換器和輸入捕捉功能且有較豐富I/O的單片機(jī)。此外，控制器里的強(qiáng)電信號(hào)和繼電器等元件會(huì)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生很大的干擾，這就要求單片機(jī)能夠有較好的抗干擾能力。綜上考慮，本設(shè)計(jì)選擇了PIC16F884單片機(jī)。它是Microchip公司目前主推的產(chǎn)品，采用精簡(jiǎn)指令集(RISC)機(jī)構(gòu)和一次性可編程(OTP)技術(shù)使得PIC16F884單片機(jī)具有高速的穩(wěn)定性和非常強(qiáng)的抗干擾能力；8KB的閃存、256B的EEPROM、10位A/D轉(zhuǎn)換器和CCP輸入捕捉，完全可以滿足本控制器的設(shè)計(jì)要求。
2.2頻率檢測(cè)
單片機(jī)對(duì)常用和備用電源進(jìn)行頻率檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果來判斷電源是否發(fā)生故障，然后進(jìn)行相應(yīng)的控制操作。頻率檢測(cè)電路主要以光耦TLP521-1和施密特觸發(fā)器CD40106為主要器件構(gòu)成。頻率檢測(cè)的硬件電路如圖3所示。電網(wǎng)中的交流電經(jīng)變壓器后變換為電壓較低的交流信號(hào)U1，U1經(jīng)過光耦TLP521-1后就變成了同頻率的方波信號(hào)。為了防止光耦內(nèi)部的二極管被反向電流擊穿，在光耦外部反向接了1個(gè)二極管。為了使光耦輸出的方波信號(hào)更加規(guī)整，為單片機(jī)測(cè)量頻率做好準(zhǔn)備，在光耦的輸出級(jí)加了施密特觸發(fā)器CD40106。利用PIC16F884單片機(jī)的輸入捕捉(CCP)功能記錄第一個(gè)上升沿的時(shí)間t1和下一個(gè)上升沿的時(shí)間t2，則信號(hào)的周期T=(t2-t1)μs。為了提高測(cè)量的精度，采用多次測(cè)量取平均值的方法來實(shí)現(xiàn)。
2.3電壓檢測(cè)
電壓檢測(cè)主要用來實(shí)時(shí)檢測(cè)常用和備用電源的電壓。PIC16F884單片機(jī)有14通道的10位A/D轉(zhuǎn)換器，可以滿足電壓采樣的精度。由于PIC16F884單片機(jī)只能對(duì)0～5V間的單極性電壓進(jìn)行檢測(cè)，故需要對(duì)交流電壓進(jìn)行提升使它成為單極性的電壓信號(hào)。電壓檢測(cè)電路如圖4所示[1]。
[page]電路采用單電源供電的運(yùn)放MCP604構(gòu)成無限增益多路反饋二階低通濾波器，除能夠?qū)涣餍盘?hào)進(jìn)行電壓提升外，還可以濾除交流信號(hào)中的高頻成分，防止交流采樣發(fā)生混疊效應(yīng)。交流工頻信號(hào)的采集，一般以其有效值進(jìn)行計(jì)算：
，其中，N為1個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)(本系統(tǒng)中取N=40)，ui為第i個(gè)采樣值。為了能夠在1個(gè)工頻周期內(nèi)采樣到40個(gè)點(diǎn)，需要每隔500μs啟動(dòng)1次A/D轉(zhuǎn)換。此過程可以用CCP的特殊觸發(fā)事件來完成。將CCP的特殊觸發(fā)事件設(shè)置成啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，在程序中初始化CCP寄存器的值為0X1F4(500?滋s)即可。上述方法的缺點(diǎn)是在1個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N為定值(40)，而由于電網(wǎng)的波動(dòng)，電網(wǎng)電壓的頻率可能會(huì)發(fā)生變化，會(huì)造成測(cè)量的誤差，因此，為了進(jìn)一步提高電壓采集的精度，還使用了頻率跟蹤法。首先利用單片機(jī)測(cè)出交流電壓的頻率，然后根據(jù)頻率來計(jì)算1個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N，這樣可以大大降低因頻率變換而造成的測(cè)量誤差。2.4通信接口
為了使控制器能夠方便地與上層控制平臺(tái)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)控制器的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，本設(shè)計(jì)為控制器添加了通信接口，采用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、廣泛應(yīng)用于工業(yè)上的RS485總線與外界進(jìn)行通信。RS485采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，有較好的抗干擾能力，通過轉(zhuǎn)換模塊很容易實(shí)現(xiàn)從RS485到RS232的信號(hào)轉(zhuǎn)換，從而便于和上位計(jì)算機(jī)通信。選用了Maxim公司的MAX485芯片作為通信控制的主要器件，其工作電源為+5V，采用半雙工通信方式，能夠?qū)TL電平轉(zhuǎn)換為RS485電平，內(nèi)部包含了1個(gè)驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)收發(fā)器，通過串口可以方便地與PIC16F884進(jìn)行通信。MAX485的接口電路如圖5所示。
2.5其他部分接口
消防檢測(cè)：控制器設(shè)有一組無源消防信號(hào)的輸入端子，信號(hào)輸入采用光耦隔離，以提高抗干擾能力。并且?guī)в幸唤M無源反饋信號(hào)輸出端子可將開關(guān)的到位信號(hào)返回到消防設(shè)備。
LCD顯示：控制器的人機(jī)界面由LCD(1602)和發(fā)光二極管(LED)組成?？刂破鞯母鞣N工作狀態(tài)和工作模式通過相應(yīng)的LED顯示。通過LCD和按鍵組成的人機(jī)交互方式對(duì)控制器的各種參數(shù)和工作狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的查詢、修改和設(shè)定等操作。
電機(jī)切換：利用三極管的開關(guān)電路驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的繼電器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)等。
開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)：利用開關(guān)檢測(cè)電路可以使控制器對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以便發(fā)出各種準(zhǔn)確的控制命令。
3軟件設(shè)計(jì)
程序采用C語言，在MPLAB+ICD2的開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編寫，控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)。主要模塊有：系統(tǒng)初始化、A/D采集、CCP頻率測(cè)量、開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)、顯示報(bào)警、輸出驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)參數(shù)整定和存儲(chǔ)等。系統(tǒng)的控制軟件流程圖如圖6所示。
4可靠性和穩(wěn)定性分析
智能型雙電源開關(guān)控制器主要運(yùn)用在一些對(duì)供電質(zhì)量要求較高的場(chǎng)合，因此，控制器的穩(wěn)定性和可靠性是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本系統(tǒng)中有強(qiáng)電和弱電共存且相互影響的情況，為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，各個(gè)部分都采用了光電隔離和濾波技術(shù)。在系統(tǒng)中增加專門的濾波模塊以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的電源采用雙線圈輸出的變壓器，使得系統(tǒng)電源和信號(hào)通道保持物理上的隔離。另外，還采用了軟件濾波和看門狗等技術(shù)以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。
本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的智能型雙電源開關(guān)控制器能夠?qū)陕冯娫吹倪^壓、欠壓和缺相進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)和監(jiān)控，能夠自由、精確地在兩路電源中自動(dòng)切換，有廣泛的使用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景。
