基于Cotex-M3内核的智能低压断路器控制器设计

    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。

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