基于單片機的永磁機構(gòu)智能控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：開發(fā)了一種以單片機為核心的采用單穩(wěn)態(tài)永磁操動機構(gòu)的斷路器智能控制器，通過軟硬件設(shè)計實現(xiàn)了在預(yù)定相位完成投切（合分閘）。整個系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單可靠，具有必要的抗干擾措施，便于調(diào)試和維護。實驗證明，樣機設(shè)計達到了預(yù)期要求。

關(guān)鍵詞：單片機；永磁機構(gòu)；斷路器；選相

中圖分類號：TM571.6" " 文獻標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.002

0" " 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，各行各業(yè)對電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量和供電可靠性要求越來越高。現(xiàn)代智能電網(wǎng)要求實現(xiàn)安全穩(wěn)定運行，這就對電力系統(tǒng)提出了高度自動化和智能化要求。斷路器是輸配電系統(tǒng)中的重要電器之一，隨著用電系統(tǒng)的發(fā)展，控制器作為斷路器的大腦向智能化發(fā)展成為必然趨勢。

電力傳輸系統(tǒng)中的斷路器觸頭打開和關(guān)閉時，觸頭兩側(cè)的電壓和電流及其相角是隨機的，斷路器出線兩側(cè)帶電或是容性負(fù)載、感性負(fù)載時，即斷路器帶電分?jǐn)嗷蜷]合，將引起過電壓波動和涌流，從而影響電力系統(tǒng)的正常運行[1-2]。同步（或相控）操作技術(shù)是電氣智能化的前沿課題，該技術(shù)能有效削弱斷路器分合閘時所產(chǎn)生的涌流、過電壓等暫態(tài)沖擊，已被廣泛使用并取得了較好的效果[3]。本文提出了基于單片機的智能控制技術(shù)，可配合永磁機構(gòu)在電網(wǎng)電壓或電流的指定相位和電壓或電流相同幅值處完成電路的閉合或斷開，減小對電氣設(shè)備和電力系統(tǒng)的沖擊，提高斷路器投入或切出系統(tǒng)的成功率。

1" " 硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計

1.1" " 永磁機構(gòu)概述

永磁機構(gòu)采用一種永磁體操縱機構(gòu)加真空斷路器（簡稱“斷路器”）的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，它由永久磁鐵、合分閘線圈、儲能電容、真空斷路器組成，儲能電容器用于儲存能量，合分閘時，它向合閘線圈或分閘線圈提供高達2 600 W的脈沖電能?？刂齐娐吠ㄟ^改變永磁機構(gòu)外電磁線圈的電流方向使斷路器完成合分閘操作，因為線圈中的電流方向決定了電磁鐵磁場方向，這樣配合永磁體的磁場方向就可以完成永磁機構(gòu)的開合動作。

這種機械結(jié)構(gòu)工作時主要運動部件很少，無須機械脫扣/鎖扣結(jié)構(gòu)，減少了故障誘因，且增加了動作次數(shù)，使合閘動作更加可靠、有效。

1.2" " 電子驅(qū)動電路設(shè)計

永磁機構(gòu)的電子驅(qū)動裝置如圖2所示，驅(qū)動電路主要由AC-DC電源模塊（110～220 V的交流電輸入）、可調(diào)直流輸出（可以達到400 V）、儲能電容器（20 000 F/450 V）、大功率MOSFET（1 200 V/75 A）、大功率開關(guān)二極管和輸入信號光電隔離器（起到抗干擾和強弱電隔離保護作用）組成。

動作原理如下：

1）接通電源，控制系統(tǒng)開始開關(guān)狀態(tài)檢查并進入正常工作，儲能電容在7 s內(nèi)完成首次儲能，之后將在4 s內(nèi)完成操作后的補充儲能，并將電容電壓穩(wěn)定在出廠設(shè)置值。

2）如果合閘指令發(fā)出，則檢查斷路器是否在分閘狀態(tài)，控制器尋找斷路器兩側(cè)電壓相同、相角相同的同步點，提前發(fā)出控制信號（適當(dāng)提前量），控制MOSFET對電磁線圈L正向放電，完成合閘操作。

3）如果分閘指令發(fā)出，則首先檢查斷路器是否在合閘狀態(tài)，確定在合閘狀態(tài)則分閘命令被認(rèn)為有效，控制MOSFET對電磁線圈L進行反向放電，完成分閘操作。

1.3" " 控制器設(shè)計

通過分析各種單片機的優(yōu)缺點和特點，決定采用高靈活性和低成本的高速微處理器AVR單片機作為控制器的主控制芯片[4]，由控制器系統(tǒng)的框圖（圖3）可知控制系統(tǒng)主要由主控部分（MCU最小系統(tǒng)、RS485通信電路、開關(guān)量輸入電路、鍵盤、顯示屏）、信號處理和采集部分（PT、信號調(diào)理、AD、過零點采集）和電子驅(qū)動部分（控制命令輸出、電子驅(qū)動電路）三部分組成。

需要特別注意的是，主芯片和周邊電路邏輯芯片的電平匹配問題、電磁兼容問題、抗干擾問題、驅(qū)動模塊的發(fā)熱器件布局散熱問題等。

1）控制系統(tǒng)的主控制電路由MCU最小系統(tǒng)、鍵盤、顯示屏、開關(guān)量輸入電路、RS485通信電路組成，一旦接收到遠方或本地的投切指令，即按照預(yù)定算法發(fā)出觸發(fā)信號，控制斷路器完成合閘或分閘動作；同時，系統(tǒng)參數(shù)也可通過總線上傳至控制中心。采用RS485差分總線可提高通信抗干擾能力，增加傳輸距離。

2）信號處理電路由相線線電壓信號采集電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、過零點采集電路組成，利用MCU的捕獲功能，捕獲引腳上過零點，同時獲取相線的電壓值。

3）輔助位置開關(guān)信號經(jīng)開關(guān)量輸入電路送入MCU，經(jīng)過程序控制，發(fā)出控制信號到輸出電路（該電路具有光電隔離放大功能），控制電子驅(qū)動電路。

4）遠程命令控制中心可通過RS485通信接口傳遞命令至系統(tǒng)MCU并返回系統(tǒng)狀態(tài)信息，這方便控制系統(tǒng)集成到云控制系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)具有實現(xiàn)遠程智能控制的可能性。

1.4" " 系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計

在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面簡化永磁機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)有利于減少系統(tǒng)故障發(fā)生。在硬件電路和軟件設(shè)計方面，都需要采取相應(yīng)的抗干擾措施，具體如下：

1）對系統(tǒng)的電源輸入端采用差分電感和共模電感并采用隔離變壓器。

2）電路板電路設(shè)計中，在芯片電源管腳接去耦電容。

3）輸入通道采取低通濾波，強弱信號分開布線。

4）數(shù)字信號的輸入、輸出采用光電隔離措施。

5）印刷電路板設(shè)計為多層板結(jié)構(gòu)，提高電磁兼容性，以減少干擾的影響。

6）軟件設(shè)計用看門狗芯片監(jiān)視MCU程序，以防止進入死循環(huán)。

7）軟件設(shè)計方面對數(shù)據(jù)采用數(shù)字濾波算法，防止由于信號干擾造成的數(shù)據(jù)波動現(xiàn)象。

2" " 軟件設(shè)計

2.1" " 軟件架構(gòu)

架構(gòu)總體由主程序模塊、中斷控制模塊、顯示子程序功能模塊、鍵盤指令處理子功能模塊、故障處理子程序模塊等部分組成，模塊之間相互配合實現(xiàn)動作的準(zhǔn)確執(zhí)行，達到預(yù)期設(shè)定的功能，框圖如圖4所示。

先進行系統(tǒng)的自檢與初始化，確定系統(tǒng)正常后再檢查系統(tǒng)輸入開關(guān)量情況，然后檢測系統(tǒng)外部輸入故障標(biāo)志，如發(fā)現(xiàn)標(biāo)志位已置位即進入相應(yīng)的處理子程序。在鍵盤處理程序中對菜單設(shè)置以及本地分閘、合閘快捷按鍵事件進行處理。遠程合閘命令軟件是通過中斷處理的，通信也在相應(yīng)中斷中處理。遠程合分閘命令中斷子程序流程如圖5所示。

首先判斷控制命令是合閘命令還是分閘命令，如果是合閘命令，再判斷合閘標(biāo)志是否有效，如有效再計算合閘時間，下發(fā)合閘指令，完成合閘動作輸出。分閘判斷過程與合閘類似。遠程合閘命令在中斷服務(wù)程序中執(zhí)行，有利于快速響應(yīng)遠程命令。

2.2" " 控制算法

分合閘時機要根據(jù)斷路器結(jié)構(gòu)動作時間具體判斷，然而永磁機構(gòu)動作時間具有分散性[5]，每臺設(shè)備都有不同，所以每臺永磁機構(gòu)都需要定期測試分合閘動作時間值，這些測試可單獨開發(fā)一個子程序方便測試人員調(diào)用。分合閘命令要根據(jù)選相分合閘菜單中的相角要求，通過對同步信號（過零點）以及斷路器分合閘動作固有延遲時間等參數(shù)進行計算，得出分合閘動作輸出延遲時間，然后在合適的時間發(fā)出分合閘命令。選相分合閘時序如圖6所示。

3" " 結(jié)束語

本項目組開發(fā)的斷路器智能控制器實際產(chǎn)品如圖7所示。

該產(chǎn)品具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、成本低、機構(gòu)動作準(zhǔn)確和響應(yīng)快速等優(yōu)點，同時也為未來智能控制集群控制創(chuàng)造了條件，適合在智能電網(wǎng)和電氣化鐵路等中發(fā)揮作用。

[參考文獻]

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收稿日期：2024-10-10

作者簡介：杜鈺霏（2001—），男，陜西西安人，研究方向：單片機與自動化。