一种固态功率配电装置的采集模块的制作方法

1.本发明涉及电力电子与电工技术领域，特别是一种固态功率配电装置的采集模块。


背景技术：

2.传统配电装置主要通过控制电磁继电器或继电器实现电路的通断控制，通过熔断器实现电流过流保护或电流短路保护。当电流过流或短路时，根据流过熔断器电流的大小与时间累积热量熔断导体从而实现保护作用，并需要人工更换熔断器才能恢复电路通路。微控制器的出现使得功率配电装置实现了电子式开关控制，熔断控制，线路监测等自动化功能。同时，由于航空器中所需监测管理的设备采集数量多、逻辑复杂、精度要求高，因此对io口数量、时序控制要求较高，因此当前多数厂家通常使用fpga实现功率配电装置的采集模块。
3.当前技术存在电流过流保护或电流短路保护需人工复位，反时限过流保护精确度不高，负载故障响应速度慢并且硬件成本高，同时存在耦合性强、模块化程度低等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种固态功率配电装置的采集模块。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种固态功率配电装置的采集模块，包括单片机和数据采集电路，所述单片机与所述数据采集电路通信连接；所述数据采集电路包括第九电阻、第十电阻、第十一电阻、二极管、电压放大器、电流感应放大器、第十五电阻、第十六电阻、三极管、第十八电阻、第十九电阻以及mosfet；
7.所述第十六电阻一端作为第一通信接口，另一端与所述三极管的第一引脚连接，所述三极管的第二引脚接地，所述三极管的第三引脚与所述第十八电阻一端连接，所述第十八电阻的另一端与所述第十九电阻的一端连接，同时另一端与所述mosfet的第一引脚连接，所述mosfet的第二引脚与所述第十五电阻)的一端连接，所述mosfet的第三引脚作为负载接线端。
8.所述第十九电阻的另一端与所述电压放大器的第一引脚连接，所述电压放大器的第二引脚与所述mosfet的第二引脚连接，所述电压放大器的第三引脚与所述第九电阻的一端连接，所述第九电阻的另一端作为第二通信接口，所述电压放大器的第三引脚通过所述第十电阻接地；
9.所述第十五电阻的另一端与电源连接，所述电流感应放大器的第一引脚与所述第十五电阻的一端连接，其第二引脚与所述第十五电阻的另一端连接，其第三引脚与所述第十一电阻的一端连接，所述第十一电阻的另一端作为第三通信接口，所述第十一电阻的另一端与所述二极管的一端连接，所述二极管另一端接地。
10.作为本发明的优选方案，一种固态功率配电装置的采集模块，第四电阻、第五电阻、第六电阻、电容和第八电阻，所述单片机第一引脚与所述第四电阻的一端连接，所述第四电阻的另一端接地，所述单片机第二引脚与所述第五电阻的一端连接，所述第五电阻的另一端与所述第四电阻的另一端连接；所述单片机第三引脚与所述第六电阻的一端、所述电容的一端连接，所述第六电阻的另一端连接电源，所述电容的另一端接地；所述单片机第四引脚通过所述第八电阻接地。
11.作为本发明的优选方案，一种固态功率配电装置的采集模块，所述单片机采用stm32f103单片机。
12.作为本发明的优选方案，一种固态功率配电装置的采集模块，包括主控板，所述单片机采用can总线与主控板通信连接。
13.作为本发明的优选方案，一种固态功率配电装置的采集模块，包括隔离电源(3)，用于产生3.3v和5v电源。
14.一种固态功率配电装置的采集模块的控制方法，具体步骤为：
15.s1，单片机过滤并接收主控板的报文，识别得到遥控帧和数据帧；
16.s2，利用数据帧对通道通断控制寄存器、上一周期指令和通道电流寄存器、额定电流寄存器进行数据更新和下发通断指令；
17.s3，利用遥控帧监测通道通断控制寄存器、上一周期指令和通道电流寄存器、额定电流寄存器的数据和通断指令，得到各通道的通断状态、故障状态和采集电流值；
18.s4，单片机向主控板回复各通道的通断状态、故障状态和采集电流值。
19.作为本发明的优选方案，一种固态功率配电装置的采集模块的控制方法，故障状态的判断方法，包括以下步骤：
20.s11，单片机采集数据采集电路的通断信号、电平信号和电流信号；
21.s22，基于通断信号、电平信号和电流信号，进行故障判定：
22.当通断信号和电平信号为高电平，或者通断信号和电平信号为低电平，为内部故障；
23.当通断信号为高电平，电流信号大于或者等于1.2倍额定工作电流，同时小于或者等于8倍额定工作电流时，为过流故障；
24.当通断信号为高电平，电流信号大于8倍额定工作电流时，为短路故障；
25.当通断信号为高电平并且电平信号为低电平，或者通断信号为低平并且电平信号为高电平时，为正常工作状态。
26.作为本发明的优选方案，一种固态功率配电装置的采集模块的控制方法，当产生过流故障时，开始计算热量积累值，公式为：
[0027][0028]
其中，i为负载电流，i
p
为额定电流，δt为采样间隔时间，n为热量积累值的测量次数，m为取值范围为0.05～2之间的常数。
[0029]
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
[0030]
1、通过基于单片机实现的工作流程逻辑，利用单片机结合数据采集电路的形式，
当出现故障时，单片机立即执行故障保护逻辑，通过故障保护逻辑判断后执行关断指令，并屏蔽开通指令，无需经过上传采集数据后，根据主控板判断故障、回复控制命令后再执行保护操作，提高了负载故障响应速度；
[0031]
2、支持在线设置不同通道额定电流，同时改进通过反时限过流保护算法，即设置反时限过流保护计算中的间隔时间为实际间隔时间，可以避免固定时间间隔的情况下，出现其他外设中断而造成的计算误差，从而提高了过流保护的精确度；通过查表法获取热积累计算值，无需进行多次复杂乘法计算，节约了单片机的运算资源；同时实现了当退出过流保护状态后可自动复位，无需人工更换线路保护器件。
[0032]
3、利用单片机自带adc轮询采集多通道模拟量，无需增加adc外设，大大简化电路复杂度、降低硬件成本；
[0033]
4、通过模块化数据采集模块，使用can总线进行与主控板通讯，实现采集通道的快速扩展，提高扩展性，以适配多机型不同配电场景。
附图说明
[0034]
图1是本发明电路原理图。
[0035]
图2是本发明数据采集系统工作原理图。
[0036]
图3是本发明反时限跳闸保护算法过流电流倍数与跳闸关系图。
[0037]
图4是本发明反时限过流保护算法流程图。
[0038]
图5是本发明短路保护流程图。
[0039]
图标：1-单片机；2-负载；3-隔离电源；4-第四电阻；5-第五电阻；6-第六电阻；7-电容；8-第八电阻；9-第九电阻；10-第十电阻；11-第十一电阻；12-二极管；13-电压放大器；14-电流感应放大器；15-第十五电阻；16-第十六电阻；17-三极管；18-第十八电阻；19-第十九电阻；20-mosfet。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
[0041]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0042]
实施例1
[0043]
如图1、图2所示，一种固态功率配电装置的采集模块，包括主控板0、单片机1和数据采集电路，单片机1采用can总线与主控板0通信连接，同时，单片机1与数据采集电路通信连接；采集模块还包括隔离电源3，隔离电源3接受外部28v供电后产生3.3v和5v内部隔离电源，为整个采集模块供电。
[0044]
具体的，如图1所示，单片机1作为采集模块的微控制器，同时单片机1采用can总线与主控板0进行数据通信，本实施例1中，单片机1采用stm32f103单片机，使用stm32f103单片机自带的adc多路通道采集数据，简化电路的复杂度以及降低硬件成本，此外，单片机设置有负载1-0控制通道、负载1-1控制通道、负载1-2控制通道和负载1-3控制通道，用于采集与通断4路负载，当所需采集的负载超过4路时，使用can总线即可扩展采集模块，达到通道
数量增加的目的，实现固态功率配电装置的快速扩展性；
[0045]
采集模块还包括第四电阻4和第五电阻5，单片机1的第一引脚与第四电阻4的一端连接，第四电阻4的另一端接地，单片机1的第二引脚与第五电阻5的一端连接，第五电阻5的另一端与第四电阻4的另一端连接，单片机1上电后，第四电阻4、第五电阻5组成后期调试swclk、swdio管脚的外部电路；
[0046]
采集模块还包括第六电阻6、电容7和第八电阻8，单片机1的第三引脚与第六电阻6的一端、电容7的一端连接，第六电阻6的另一端连接电源，电容7的另一端接地，第六电阻6与电容7组成的电路完成单片机1上电时nreset管脚重置，另外，电容7充电完成后自动结束重置电平；单片机1的第四引脚通过第八电阻8接地，可通过第八电阻8与boot0管脚设置启动模式。
[0047]
具体的，如图1所示，数据采集电路包括第九电阻9、第十电阻10、第十一电阻11、二极管12、电压放大器13、电流感应放大器14、第十五电阻15、第十六电阻16、三极管17、第十八电阻18、第十九电阻19以及mosfet20。数据采集电路与单片机1通信连接，包括通断信号、电平信号以及电流信号，以单片机1的负载1-0控制通道为例，单片机1下发通断信号指令，控制三极管17的门极电压，实现三极管17的通断，进而控制mosfet 20的通断，以此实现控制负载2的电源通断；单片机1自带的adc1采集负载1-0控制通道的信号数据，包括电平信号和电流信号，电平信号为电压放大器13采集mosfet 20漏极和源极两端的电压，并输出的漏源检测电平，电流信号为电流感应放大器14采集低阻值采样第十五电阻15两端的电压，并输出的负载电流；
[0048]
其中，第十六电阻16一端作为第一通信接口，即通断信号接口，另一端与三极管17的基极连接，三极管17的集电极接地，三极管17的发射极与第十八电阻18一端连接，第十八电阻18的另一端与第十九电阻19的一端连接，同时另一端与所述mosfet 20的栅极连接，mosfet 20的漏极与第十五电阻15的一端连接，第十五电阻15的另一端与电源连接，mosfet 20的源极与负载2连接；
[0049]
第十九电阻19的另一端与电压放大器13的一个输入端连接，电压放大器13的另一个输入端与mosfet20的漏极连接，电压放大器13的输出端与第九电阻9的一端连接，第九电阻9的另一端作为第二通信接口，即电平信号接口，电压放大器13的输出端通过第十电阻10接地；
[0050]
电流感应放大器14的两个输入端分别与所述第十五电阻(15)的两端连接，同时电流感应放大器14的输出端与第十一电阻11的一端连接，第十一电阻11的另一端作为第三通信接口，即电流信号接口，第十一电阻11的另一端与二极管12的阴极连接，二极管12的阳极接地。
[0051]
其中，第九电阻9、第十电阻10、第十一电阻11、第十六电阻16、第十八电阻18、第十一电阻19和二极管12均用于调节数据采集电路的电流与电势。
[0052]
进一步的，通过图1所示的电路原理图，本发明能够实现的功能具体如下：
[0053]
1.数据采集功能：
[0054]
本发明采用stm32f103单片机自带的adc实现4通道的数据采集，实现配电装置数据采集功能的同时，大大简化了电路复杂度以及降低成本，综合考虑本发明工作逻辑、数据量、精度要求、采集频率等需求，选用一个adc负责4路通道的数据采集，通过软件触发方式
触发adc开始采集，启动扫描模式、单次转换模式，左对齐数据取高八位，则对于adc1通道ch0～3采集流程为：
[0055]
1)启动adc1；
[0056]
2)开始转换ch0；
[0057]
3)转换完成后自动开始转换ch1；
[0058]
4)转换完成后自动开始转换ch2；
[0059]
5)转换完成后自动开始转换ch3；
[0060]
6)转换完成后停止，等待adc1下一次启动；
[0061]
adc1采样值为8位，则采样实际值计算公式为(1)：
[0062][0063]
其中，u
ad
为实际电压，u为寄存器读取值，v
ref
为ad的参考电压。
[0064]
单片机1读取到采样电平信号后，即可得到mosfet 20漏源检测电平。当mosfet 20开通时，为低电平；当mosfet 20关断时，为高电平。单片机1读取到采样电流信号后，即可计算出过流负载的电流值。
[0065]
2.数据通信功能：
[0066]
如图1、图2所示，单片机通过can总线与主控板0进行通信，过滤接收主控板0的报文，并识别遥控帧和数据帧，进一步地，数据帧对通道通断控制寄存器、上一周期指令和通道电流寄存器、额定电流寄存器进行数据更新和通断命令下发，并向主控板0回复各通道的通断状态、故障状态以及采集电流值；遥控帧监测各通道的通断状态以及故障状态，并依次反馈各负载通道的工作状态，向主控板0发送回复报文。
[0067]
在超过4路负载通道的应用中，可利用多个采集模块实现通道的扩展，如图1所示，单片机1～n为相同原理的电路板，每个单片机控制4路负载通道，使用can总线实现单片机1～n与主控板0进行通信，以此来实现固态功率配电装置的快速扩展性，同时通过报文过滤机制实现主控板与采集模块的点对点通讯。
[0068]
3.通断执行功能：
[0069]
如图1、图2所示，当单片机接收到主控板0的通道通断指令，或者执行过流保护、短路保护时，输出高电平，对负载通道进行通电。具体的，通过控制单片机1的io口输出高电平或者低电平，实现该通道的通断，或通过控制该通道继电器间接单片机，实现该通道的通断。当接通负载1-0控制通道时，单片机1的io口输出高电平，三极管17开通，致使mosfet 20门极和源极存在电压差，mosfet 20开通，实现给负载2供电；当关断负载1-0控制通道时，单片机1的io口输出低电平，三极管17关断，致使mosfet 20关断，负载2断电。
[0070]
4.过流保护模式：
[0071]
负载通道电流为额定工作电流的1.2倍及以上，同时为额定工作电流的1.8倍以下时，判定为过流故障。如反时限过流保护算法流程图4所示，首先判断是否有关断负载通道的指令，若有关断负载通道的指令，则停止计算直接关断该通道负载，若没有关断负载通道的指令，则说明出现过流，开始根据公式(2)计算反时限过流保护热量积累值，反时限跳闸保护算法过流电流倍数与跳闸关系如图3所示。该式根据本发明工程应用环境条件，通过外壳自然辐射热量，选用极度反时限曲线。公式(2)左边为该通道第n次测量的热量积累值，右
边为该通道承受的热量门限值。
[0072][0073]
其中，i为负载通道的实时电流，即负载电流，通过单片机1采集得到的电流信号；i
p
为额定电流；δt为采样间隔时间，即从反时限过流保护热量积累值计算结束开始计时，到下一次计算开始结束计时，这中间的时间间隔为δt；m为取值范围为0.05～2之间的常数，其数值需要通过实验确定。
[0074]
具体的，当负载通道已经触发了1.2倍额定工作电流的条件时，即i≥1.2i
p
开始计算热量积累值，当该通道的热量积累值大于或者等于该通道的热量门限值时，则立即执行该通道的关断指令，并向主控板0上报过流故障码，实现过流保护；当该通道的热量积累值小于该通道的热量门限值时，退出过流保护；当实时电流i≥8i
p
时，直接进入短路保护模式；否则，进入正常工作模式。
[0075]
此外，需要注意的是过流保护过程中，单片机1立即执行通道关断指令，同时屏蔽开通指令。
[0076]
根据公式(2)计算单次热量值、门限值，并将该对照表存入单片机1内存。在进行热量积累值累计计算时，单片机1通过查表即可获取单次热量值，而无需进行平方运算，大大降低了单片机的计算压力；并且当出现过流故障时，立即执行关断指令，屏蔽开通指令并上报故障码，无需等待主控板0判断故障后再执行操作，提高了负载过流故障响应速度；一般情况下时间间隔为
△
t为固定设置的间隔时间，容易出现因单片机的工作机制，如其他外设中断，而造成计算误差，而本发明的反时限过流保护计算中的间隔时间
△
t为实际间隔时间，可以避免其他外设中断而造成的计算误差问题，从而提高了过流保护的精确度；同时，由公式(2)可知，本发明支持设置不同通道额定电流。
[0077]
(5)短路保护模式：
[0078]
如图5所示，负载通道电流为额定工作电流的8倍以上时，判定为短路故障。当出现短路时，单片机将优先执行该通道的关断指令。同时，为避免短路现象是由于容性负载在通电时出现的瞬时浪涌电流造成的，采集模块将经过第一次延时，重新接通负载通道判断是否为短路故障，若延时三次仍判定为短路故障，则彻底关断该负载通道，并向主控板0上报短路故障码；若经过第一次延时后i＜8i
p
，则结束短路保护模式，进入正常工作模式或过流保护模式。
[0079]
此外，需要注意的是短路保护过程中，单片机1立即执行通道关断指令，同时屏蔽开通指令。
[0080]
由此可知，当出现短路故障时，单片机1立即执行关断指令，屏蔽开通指令并上报故障码，无需等待主控板0判断故障后再执行相应操作，提高了负载短路故障的响应速度。
[0081]
(6)故障检测功能：
[0082]
本发明通过通断信号、电平信号、电流信号对内部故障和外部故障进行判定，其电路如图1所示，主要由第九电阻9、第十电阻10、第十一电阻11、二极管12、电压放大器13、电流感应放大器14组成，该设计减少了驱动电源的使用，降低硬件成本。具体的，内部故障主要是指三极管17或mosfet 20的故障。
[0083]
正常工作状态为：通断信号为高电平，检测到电压放大器13的电平信号为低电平；通断信号为低电平，检测到电压放大器13的电平信号为高电平。
[0084]
内部故障状态为：当通断信号为高电平，代表负载接通，检测到电压放大器13的电平信号为高电平，则表明三极管17或mosfet 20发生故障；当通断信号为低电平，代表负载关断，检测到电压放大器13的电平信号为低电平，则表明三极管17或mosfet 20发生故障。此时，单片机1下发关断指令到数据采集模块，数据采集模块关断该通道，并上报故障码以及屏蔽开通指令。
[0085]
外部故障状态根据单片机1采集的电流信号和通断信号进行判断。
[0086]
综上所述，本发明通过单片机与数据采集电路的结合，利用数据采集电路采集负载通道的电平、电流数据，单片机作为微控制器，进行故障逻辑判断并执行，实现了当负载电路出现故障时立即执行关断指令，屏蔽开通指令并上报故障码，无需等待主控板判断故障后再执行相应操作，大大提高了故障响应速度；其次，通过改进反时限过流保护中的时间间隔，即每次运算的时间间隔
△
t为实际时间，而不是固定的间隔时间，提高了过流保护的精确度，并且通过查表法获取热量积累值，无需进行复杂计算，节约了单片机运算资源；最后利用单片机自带adc，大大简化电路复杂度、降低硬件成本，通过模块化数据采集模块，使用can总线进行通讯，提高了扩展性能。
[0087]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。