基于ARM的大功率智能配電箱設(shè)計

摘要：為了滿足現(xiàn)代化工業(yè)用電設(shè)備的用電功率大、用電頻率高、用電時間長、用電負載特性復(fù)雜等用電需求，針對典型的380 V 交流配電系統(tǒng)，設(shè)計了一種大功率交流智能配電箱，介紹了該配電箱的控制電路設(shè)計實現(xiàn)、功率輸出控制方法、輸出故障保護機制以及系統(tǒng)狀態(tài)顯示。通過實物樣機驗證，證實了該大功率配電箱在多種負載情況下的配電可靠性。

關(guān)鍵詞：工業(yè)用電；交流配電；智能配電

中圖分類號：TM642+.2 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著科技的發(fā)展和現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)備的升級換代，工業(yè)機器人、車輛、船舶現(xiàn)代化工業(yè)用電設(shè)備呈現(xiàn)多樣化、多電化、智能化等特點，這對供配電設(shè)備也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的機械式配電方式和小功率的配電設(shè)備已無法滿足現(xiàn)代化工業(yè)用電需求。為了滿足現(xiàn)代化工業(yè)用電設(shè)備用電功率大、用電頻率高、用電時間長、用電負載特性復(fù)雜等用電需求，本文針對工業(yè)中使用的380 V 交流用電系統(tǒng)，設(shè)計了一種大功率交流智能配電箱，圍繞配電箱的控制電路設(shè)計實現(xiàn)、功率輸出控制方法、輸出故障保護機制等開展研究工作[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的100 kW 大功率配電箱主要用于大功率用電系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換及電源管理，將三相三線380×（1±10%）V/（50 ± 3）Hz 交流供電輸入，經(jīng)供電狀態(tài)監(jiān)控、保護、分配管理后，輸出4 路三相三線380×（1±10%）V/（50 ± 3）Hz 至后級用電設(shè)備使用。其中，第1 路輸出供用電設(shè)備1 使用，輸出功率不小于40 kW；第2 路輸出供用電設(shè)備2 使用，輸出功率不小于27.5 kW；第3 路輸出供用電設(shè)備3 使用，輸出功率不小于27.5 kW；第4 路輸出供用電設(shè)備4 使用，輸出功率不小于3 kW。同時，該智能配電箱還具備1 路串口通信以及1 路以太網(wǎng)通信，智能配電箱可通過該串口通信或以太網(wǎng)通信向上位機上報供電監(jiān)控信息，上位機也可通過該串口通信或以太網(wǎng)通信向智能配電箱下發(fā)控制指令，實現(xiàn)遠程控制功能，大功率智能配電箱系統(tǒng)功能框圖如圖1 所示。

1.1 硬件設(shè)計

配電箱系統(tǒng)主要由控制單元、功率單元、通信單元和顯示單元組成。由控制單元通過通信單元接收上位機下發(fā)的控制指令，控制功率單元輸入/ 輸出（input/output，I/O）開關(guān)的接通關(guān)斷，完成配電箱的供配電功能。同時利用顯示單元、通信單元分別顯示和上傳監(jiān)測功率單元的各狀態(tài)信息。

（1）控制單元主要實現(xiàn)對功率單元的輸出配電開關(guān)控制、功率單元電壓電流采集以及外部開關(guān)信號采集等功能。該設(shè)計選用基于高性能的ARM? CortexTM-M4 32 位精簡指令集計算機（reduced instruction set computer，RISC） 內(nèi)核的QJ32F407ZGT6 微控制器作為核心處理器，其與外圍電源電路、電源復(fù)位監(jiān)測電路和晶振電路等組成單片機最小系統(tǒng)。通過最小系統(tǒng)和外部三極管放大接觸器驅(qū)動電路、電壓電流采集電路和開關(guān)按鈕采集電路，進而組成完整的配電箱控制單元。

（2）功率單元通過三相交流接觸器將三相三線380×（1±10%）V/（50 ±3）Hz 交流供電輸入至配電箱內(nèi)部匯流條母線，再從匯流條母線分別經(jīng)4 只三相交流接觸器分配為4 路三相三線380×（1±10%）V/（50 ±3）Hz 交流電輸出，每路輸出在接觸器后端串接1 只空氣開關(guān)，實現(xiàn)過載保護功能。

（3）通信單元主要實現(xiàn)配電箱的遠程控制和數(shù)據(jù)上傳[2-3]，其通過上位機向配電箱下發(fā)遠程控制指令或向上位機上報配電箱供電監(jiān)控信息。通過QJ32F407ZGT6 微控制器的通用異步收發(fā)器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）外設(shè)接口輔以RS422 收發(fā)器組成完成的RS422 通信單元。以太網(wǎng)通信由QJ32F407ZGT6 微控制器的簡化媒體獨立接口（reduced media independentinterface，RMII）控制器與外部百兆以太網(wǎng)端口物理層（port physical layer，PHY）芯片組成。

（4）顯示單元主要由液晶顯示屏、指示燈和蜂鳴器組成，液晶顯示屏負責(zé)對功率單元三相交流電的電壓、電流、頻率和I/O 功率進行顯示，指示燈負責(zé)指示輸出開關(guān)狀態(tài)，蜂鳴器負責(zé)各種故障告警指示。大功率智能配電箱控制部分硬件原理框圖如圖2 所示。

1.1.1 ARM 微控制器最小系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

進階精簡指令集機器（advanced RISC machines，ARM）的最小系統(tǒng)由ARM 微控制器、供電電源電路、外部晶振電路以及復(fù)位電路組成。該系統(tǒng)復(fù)位電路使用專用電源復(fù)位芯片U3，保證上電復(fù)位的復(fù)位時間滿足ARM 的要求時間，并且可以對ARM的電源電壓進行監(jiān)控，當(dāng)電源出現(xiàn)掉電時能保證ARM 可靠復(fù)位。

1.1.2 RS422 通信硬件電路設(shè)計

該智能配電箱采用了隔離式RS422 收發(fā)器，將外部總線和內(nèi)部控制系統(tǒng)完全電氣隔離，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。該收發(fā)器芯片內(nèi)部集成DC-DC 電源，輸出端無須外部供電，降低了電路設(shè)計的復(fù)雜程度。在總線端的外部端口增加瞬態(tài)電壓抑制（transient voltage suppressor，TVS）二極管，吸收總線上的尖峰干擾脈沖，保證了內(nèi)部系統(tǒng)的安全[4-5]。

1.1.3 以太網(wǎng)通信硬件電路設(shè)計

該智能配電箱采用JDP83848 型單端口10/100 Mb/s 以太網(wǎng)物理層收發(fā)芯片作為收發(fā)器，通過RMII 接口與QJ32F407ZGT6 處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)自適應(yīng)收發(fā)[6-7]。對外通信接口通過網(wǎng)口變壓器進行隔離輸出，將控制部分與外部強干擾部分進行電氣隔離，防止外部高壓部分的干擾信號對物理層收發(fā)芯片以及處理器部分電路造成干擾，從而提高產(chǎn)品的抗干擾能力和電磁兼容能力。

1.1.4 接觸器驅(qū)動和狀態(tài)回采硬件電路設(shè)計

由于該智能配電箱輸出主接觸器線圈啟動電流大，為了保證接觸器安全啟動，采用達林頓三極管將控制信號進行功率放大以驅(qū)動接觸器線圈。同時，為了保證控制端不被接觸器線圈的反電動勢引起的尖峰電壓干擾，本文采用光耦作為隔離器件，將處理器與接觸器線圈端進行光電隔離，并且在接觸器線圈兩端并聯(lián)二極管，為線圈產(chǎn)生的反向電動勢提供續(xù)流回路，防止反向尖峰電壓燒毀達林頓三極管。

為了實時監(jiān)控輸出接觸器的接通關(guān)斷狀態(tài)，將接觸器輔助觸點作為狀態(tài)回采點，將輔助觸點一端接28 V 電源，另一端經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后驅(qū)動光耦輸入。在接觸器主觸點接通后，輔助觸點同時接通，ARM 在光耦輸出端采集對應(yīng)的低電平電壓，從而判斷接觸器為接通狀態(tài)。

1.1.5 主功率硬件電路設(shè)計

在主功率硬件電路中，三相三線380 V 交流電經(jīng)過輸入接觸器開關(guān)后分配至4 只交流接觸器，使用4 只交流接觸器作為4 路輸出的配電開關(guān)，控制每路輸出的開通與關(guān)斷。QJ32F407ZGT6 處理器負責(zé)輸出I/O 信號，該信號經(jīng)過驅(qū)動電路后直接驅(qū)動I/O 接觸器，每路輸出再分別經(jīng)空氣開關(guān)后輸出，空氣開關(guān)可以實現(xiàn)輸出短路保護功能。

1.2 軟件設(shè)計

該智能配電箱系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，根據(jù)該智能配電箱系統(tǒng)任務(wù)要求擬定整機軟件系統(tǒng)功能，再通過軟件系統(tǒng)功能來確定軟件功能模塊的組成。該智能配電箱軟件主要由程序初始化模塊、參數(shù)配置模塊、開關(guān)信號回采模塊、RS422 通信模塊、以太網(wǎng)通信模塊、執(zhí)行器件控制模塊、模擬信號采集模塊、過流保護模塊、過欠壓保護模塊、顯示模塊和故障復(fù)位模塊組成。

2 樣機驗證

通過實物樣機對該智能配電箱進行驗證，主要驗證其是否具備配電功能、帶載能力、過載保護功能、過壓保護功能、欠壓保護功能、相序保護功能、漏電保護功能以及缺相保護功能等。驗證結(jié)果顯示，該智能配電箱樣機能正常完成配電分配，帶載能力可以滿足總輸出功率大于100 kW 的要求，當(dāng)出現(xiàn)過載、過壓、欠壓、相序錯誤、漏電流過大以及缺相時，智能配電箱能夠及時斷開輸出，并將對應(yīng)的故障信息上傳至測試計算機，同時蜂鳴器報警，故障指示燈點亮。當(dāng)故障恢復(fù)后，按下故障復(fù)位按鈕，通過測試計算機或本地按鈕開關(guān)下發(fā)接通控制指令，該智能配電箱能夠正常將I/O 接通，從而實現(xiàn)配電功能。綜上，該智能配電箱樣機能夠滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)語

本文設(shè)計的基于ARM 的大功率交流智能配電箱實現(xiàn)了大功率交流負載的用電分配，具備輸入漏電流監(jiān)測和保護、過壓保護、欠壓保護以及輸出過流保護功能，能夠?qū)崟r監(jiān)測電壓、電流、功率等信息，滿足了現(xiàn)代化工業(yè)用電設(shè)備的用電功率大、用電頻次高、用電時間長、用電負載特性復(fù)雜等用電需求。

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