雙電源智能轉(zhuǎn)換控制器設計

蔣 亞，蔣明華，于 虹

（揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，供電的連續(xù)性越來越重要，為確保不間斷供電，許多重要的用電場合都配備了兩路供電電源。雙電源智能控制開關能夠有效準確地實現(xiàn)雙電源間的轉(zhuǎn)換，被廣泛地應用于各種重要負荷場合［1］。

1 雙電源智能控制系統(tǒng)結(jié)構與功能

1.1 系統(tǒng)方案設計

本課題開發(fā)的基于CPLD EMP1270的雙電源自動轉(zhuǎn)換器，應用當前主流的AVR Atega32單片機同CPLD互連通信，實時采集兩路電源參數(shù)；利用CPLD專有的大容量高速緩存芯片，極大地改善了信息傳輸性能，增加了雙電源智能轉(zhuǎn)換開關的高效性；同時從提高控制器的性能、優(yōu)化其功能及外觀入手，開展研究與設計，為簡化設計，系統(tǒng)采用模塊化設計方案，并以自底向上的軟、硬件開發(fā)流程，實現(xiàn)兩路電源的自動切換［1］。

1.2 系統(tǒng)功能參數(shù)

系統(tǒng)功能參數(shù)如下：

（1）工作電源：額定電壓220 V，電網(wǎng)波動±25%內(nèi)正常。

（2）頻率檢測：額定頻率50 Hz，頻率波動±25%內(nèi)正常。

（3）電源類型選擇：電網(wǎng)＋電網(wǎng)／電網(wǎng)＋發(fā)電機。

（4）通信功能：RS485通信。

（5）消防信號：分無源信號和DC24 V恒壓／脈沖。

（6）液晶顯示屏：顯示實時檢測到的數(shù)據(jù)，并設有菜單、端子定義等功能。

（7）故障指示燈：溫度超過80℃，報警指示燈亮。

（8）遠程控制功能：設有I，II，O三個檔位。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

硬件電路是系統(tǒng)設計的基礎，合理的硬件設計有利于軟件的編寫以及裝置的調(diào)試。在設計時為提高硬件電路的電磁兼容性，采用模塊化設計方案，將強電與弱電信號隔離，獨立出主控制模塊、信號處理模塊、輸入輸出模塊、人機交互模塊，4個模塊分別設計［2］。系統(tǒng)硬件設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設計框圖

2.1 電源電路設計

電源電路是為用電設備及芯片提供電力能源的電路，其電壓、驅(qū)動能力、紋波等性能將大大影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以設計好電源電路至關重要。本設計中，電源電路設計成兩部分：①將220 V交流電轉(zhuǎn)換成5 V直流電壓，供外圍電路及芯片使用；②由于控制芯片EMP1270D的工作電壓為3.3 V，所以需要將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V電壓。

圖2為＋5 V系統(tǒng)電源電路，先經(jīng)過變壓器T1和T2將220 V的交流電進行降壓處理，輸出12 V交流電壓；再經(jīng)過橋式整流器，進行全波整流后輸出脈動的直流電，在電容C1濾波的作用下轉(zhuǎn)化為直流電進入三端穩(wěn)壓集成電路LM2575－5的輸入端，經(jīng)肖特基二極管V1、電感L1以及電容C2、電解電容C3的再次濾波后，最終輸出精度高、穩(wěn)定性又好的＋5 V的直流電壓［3］。

圖2 ＋5 V系統(tǒng)電源電路

2.2 電壓檢測電路

電壓檢測電路實時檢測電網(wǎng)輸入的三相交流電壓。圖3為信號調(diào)理電路，將三相電經(jīng)過電壓互感器后，在調(diào)理電路的作用下接入Atmega32單片機的P1口（8位專用A／D轉(zhuǎn)換口），經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換發(fā)送傳輸命令給CPLD內(nèi)部寄存器，從而驅(qū)動液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)。其中電壓調(diào)理電路由集成雙運算放大器LM358、開關二極管1N4148等組成，整體構成一個電壓比較器，實現(xiàn)恒壓反饋作用。

圖3 信號調(diào)理電路

2.3 頻率檢測電路

頻率檢測電路為檢測雙電源頻率的電路，如圖4所示。先通過熱敏電阻及變壓器T1降壓獲取較為理想的12 V交流電，串入大電阻R8獲取小電流，最后通過光電耦合器PC814捕捉過零點的動作。此處采用AVR單片機內(nèi)置的輸入捕獲功能（ICP），當發(fā)生邊沿跳變時，ICP捕捉并記錄信號。經(jīng)過采樣計算，根據(jù)檢測值與設定值的比較判斷電源是否故障。

2.4 人機交互電路

液晶顯示屏實時顯示當前檢測的數(shù)據(jù)，具有菜單項、端子定義功能，面板上設有按鍵控制按鈕，供操作人員對控制器的參數(shù)、工作狀態(tài)進行查詢、設定修改等操作。雙電源控制面板界面如圖5所示。

2.5 電動機切換電路

電動機切換電路采用三極管開關電路實現(xiàn)驅(qū)動各繼電器的動作，從而發(fā)出電動機正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、啟動和停機等命令。

圖4 頻率檢測電路

圖5 雙電源控制器面板界面

3 控制系統(tǒng)軟件設計

雙電源智能轉(zhuǎn)換控制器的軟件設計采用模塊化的設計方案，分為系統(tǒng)主程序、信號處理程序、通信程序以及人機交互程序4大程序模塊。

3.1 系統(tǒng)主程序

主程序是雙電源智能控制軟件的核心部分，當程序上電后，程序即在主程序流程中反復循環(huán)運行，各子功能模塊在需要時進行調(diào)用，調(diào)用結(jié)束后，返回主程序。系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示［4］。

3.2 信號處理程序

信號處理軟件程序主要是對電源電壓和頻率信號進行采樣并編寫各自的軟件算法。

在頻率測量前需先進行A／D初始化和中斷初始化。以A相為例，當A相方波跳變信號到來時，Atmega32單片機對其跳變信號進行捕捉，首次捕捉定時器的時間設為T1，第二次跳變信號到來，定時器的時間設為T2，根據(jù)式（1），即可以算出此時的頻率f［5］：

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

3.3 人機交互程序

人機交互程序主要包括按鍵部分、液晶顯示部分及LED指示部分。按鍵主要完成對各種控制參數(shù)的設定，包括操作選擇、狀態(tài)顯示、參數(shù)設置、故障查詢和電能參數(shù)查詢。菜單控制程序中包括按鍵的操作以及各種參數(shù)的設置。人機交互模塊程序流程圖如圖7所示。

液晶顯示模塊選用RA8835，為圖形點陣液晶顯示屏，由行驅(qū)動器／列驅(qū)動器、128＊64全點陣液晶顯示器等組成，可顯示16＊16點陣漢字。其內(nèi)部包括指令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器，XY地址計數(shù)器、顯示數(shù)據(jù)RAM等。液晶驅(qū)動程序為底層硬件操作，在對液晶模塊內(nèi)部寄存器讀寫時，需嚴格按照其器件說明書編寫。

4 雙電源三相監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試

在所有設備接線安裝完成并送電后，即對雙電源智能轉(zhuǎn)換控制器進行現(xiàn)場調(diào)試。主要調(diào)試工作如下：①方式設定：包括電源類型、電壓上／下限、優(yōu)先電源確定等；②延遲時間設置：包括斷電延遲、發(fā)電機冷時暖機延遲等；③自動控制測試：切斷主電源任何一路電源，進行兩路電源的自動轉(zhuǎn)換調(diào)試，包括發(fā)電機的自啟動、冷機／停機、轉(zhuǎn)換時間的調(diào)整、轉(zhuǎn)換時間核對等；④手動控制測試：將自動／手動選擇開關設置成手動位置，通過控制器面板按鍵，對I－O－II三個位置進行操作［6］。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)設計的硬件及軟件均滿足設計要求，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)預期的功能。在對供電電源要求越來越苛刻的今天，此雙電源智能轉(zhuǎn)換裝置必將有著廣闊的市場前景。

圖7 人機交互模塊程序流程圖

［1］ 吳劍，黃正乾.關于自動轉(zhuǎn)換開關電器設計應用的探討［J］.智能建筑電氣技術，2008（1）：90－93.

［2］ 張燕.基于DSP2812的雙電源供電系統(tǒng)智能控制器的研究［D］.曲阜：曲阜師范大學，2010：12.

［3］ 嚴曉娜.基于ARM的雙電源信號采集及切換控制技術［D］.天津：河北工業(yè)大學，2012：8－10.

［4］ 王立業(yè).雙電源自動轉(zhuǎn)換器的設計與研究［D］.天津：河北工業(yè)大學，2007：30－38.

［5］ 沈斌.雙電源自動切換系統(tǒng)的設計［D］.蘇州：蘇州大學，2011：4－6，17－18.

［6］ 李立峰.雙電源自動轉(zhuǎn)換系統(tǒng)三項監(jiān)控技術的應用［J］.中國交通信息產(chǎn)業(yè)，2010（4）：124－125.