智能型雙電源開關控制器的設計
發布時間：2021-12-05 15:29:58 來源：浙江消控電氣有限公司
隨著科技的進步和社會的發展，人們的生活水平不斷地提高，各行業對供電的可靠性、安全性、連續性提出了越來越高的要求，很多場合需要采用兩路電源來保證供電的可靠性和連續性。例如商場、銀行、醫院、通信部門、交通部門以及國防軍事等部門都要求能連續不間斷地安全供電。而智能型雙電源開關控制器能夠很好地解決上述問題，為可靠、連續地供電提供強有力的保證。目前在很多企業和領域都使用了智能型雙電源開關控制器，它有著廣闊的市場前景和應用價值。本文介紹的智能型雙電源開關控制器主要由控制單元(PIC16F884單片機)和執行機構(兩臺三或四塑殼斷路器)組成。控制單元主要負責各種信號的辨識檢測、運算處理和控制輸出。執行機構則快速準確地響應控制單元的各種控制命令，從而構成一個功能強大、工作穩定、可靠的控制系統。
工作原理
智能型雙電源開關控制器以單片機PIC16F884為核心，對兩路供電電源(常用電源和備用電源)的電壓、頻率和相位進行實時檢測。當其中一路電源(常用電源或備用電源)的電壓發生過壓、欠壓或是缺相時，控制器就會發出電機切換命令，使供電電源自動切換到另一路電源(備用電源或常用電源)上，以此來保障供電的連續性。控制器的工作方式主要有自動方式和手動方式兩種。
1.1 自動工作模式
自動工作模式可分為：自投自復、自投不自復和電網-發電機三種方式。其中，前兩種主要應用于電網-電網供電模式，而第三種則是應用于電網和發電機供電模式。
(1)自投自復模式：控制器對兩路電源進行監控，當兩路電源都正常工作時，則負載由常用電源供電;當常用電源發生故障(過壓、欠壓或缺相)時，控制器發出電機切換命令使電源自動切換到備用電源，此時負載由備用電源供電;當常用電源恢復正常時，控制器再次發出電機切換命令使負載供電由備用電源返回到常用電源。
(2)自投不自復模式：其工作方式和自投自復類似，但只有當備用電源也出現故障時才自動返回到常用電源，否則將一直由備用電源給負載供電。
(3)電網-發電機模式：當常用電源發生故障時，控制器輸出發電機啟動命令，經短暫延時后斷開常用電源，此時負載由發電機供電;當常用電源恢復正常時，控制器輸出發電機停機命令同時電源自動切換到常用電源上，負載返回到由常用電源供電模式。
1.2 手動模式
在手動模式下，電源不能自動切換而需要人為操作，主要有常用電源供電、備用電源供電和斷電再扣方式。
常用電源供電：強制常用斷路器閉合，備用斷路器斷開。
備用電源供電：強制備用斷路器閉合，常用斷路器斷開。
斷電再扣：同時強制斷開常用斷路器和備用斷路器或是閉合因故障而斷開的斷路器。
硬件系統設計
2.1 單片機的選擇
控制器要求對交流電壓、頻率和相位進行檢測，有多路控制信號的輸入和輸出，為了節約成本和系統的穩定性，應選擇自帶A/D轉換器和輸入捕捉功能且有較豐富I/O的單片機。此外，控制器里的強電信號和繼電器等元件會對單片機產生很大的干擾，這就要求單片機能夠有較好的抗干擾能力。綜上考慮，本設計選擇了PIC16F884單片機。它是Microchip公司目前主推的產品，采用精簡指令集(RISC)機構和一次性可編程(OTP)技術使得PIC16F884單片機具有高速的穩定性和非常強的抗干擾能力;8 KB的閃存、256 B的EEPROM、10位A/D轉換器和CCP輸入捕捉，可以滿足本控制器的設計要求。
2.2 頻率檢測
單片機對常用和備用電源進行頻率檢測，根據檢測的結果來判斷電源是否發生故障，然后進行相應的控制操作。頻率檢測電路主要以光耦TLP521-1和施密特觸發器CD40106為主要器件構成。電網中的交流電經變壓器后變換為電壓較低的交流信號U1，U1經過光耦TLP521-1后就變成了同頻率的方波信號。為了防止光耦內部的二管被反向電流擊穿，在光耦外部反向接了 1個二管。為了使光耦輸出的方波信號更加規整，為單片機測量頻率做好準備，在光耦的輸出級加了施密特觸發器CD40106。利用PIC16F884單片機的輸入捕捉(CCP)功能記錄個上升沿的時間t1和下一個上升沿的時間t2，則信號的周期T=(t2-t1) s。為了提高測量的精度，采用多次測量取平均值的方法來實現。
2.3 電壓檢測
電壓檢測主要用來實時檢測常用和備用電源的電壓。PIC16F884單片機有14通道的10位A/D轉換器，可以滿足電壓采樣的精度。由于 PIC16F884單片機只能對0～5 V間的單性電壓進行檢測，故需要對交流電壓進行提升使它成為單性的電壓信號。電壓檢測電路如圖4所示 [1]。
電路采用單電源供電的運放MCP604構成無限增益多路反饋二階低通濾波器，除能夠對交流信號進行電壓提升外，還可以濾除交流信號中的高頻成分，防止交流采樣發生混疊效應。交流工頻信號的采集，一般以其有效值進行計算：
，其中，N為1個周期內的采樣點數(本系統中取N=40)，ui為第i個采樣值。為了能夠在1個工頻周期內采樣到40個點，需要每隔500 s啟動1次 A/D轉換。此過程可以用CCP的觸發事件來完成。將CCP的觸發事件設置成啟動A/D轉換，在程序中初始化CCP寄存器的值為 0X1F4(500 ?滋s)即可。上述方法的缺點是在1個周期內的采樣點數N為定值(40)，而由于電網的波動，電網電壓的頻率可能會發生變化，會造成測量的誤差，因此，為了進一步提高電壓采集的精度，還使用了頻率跟蹤法。首先利用單片機測出交流電壓的頻率，然后根據頻率來計算1個周期內的采樣點數N，這樣可以大大降低因頻率變換而造成的測量誤差。
2.4 通信接口
為了使控制器能夠方便地與上層控制平臺進行聯網通信，實現控制器的遠程控制、遠程監控等功能，本設計為控制器添加了通信接口，采用簡單經濟、廣泛應用于工業上的RS485總線與外界進行通信。RS485采用差分信號進行傳輸，有較好的抗干擾能力，通過轉換模塊很容易實現從RS485到RS232 的信號轉換，從而便于和上位計算機通信。選用了Maxim公司的MAX485芯片作為通信控制的主要器件，其工作電源為+5 V，采用半雙工通信方式，能夠將TTL電平轉換為RS485電平，內部包含了1個驅動器和1個收發器，通過串口可以方便地與PIC16F884進行通信。MAX485的接口電路如圖 5所示。
2.5 其他部分接口
消防檢測：控制器設有一組無源消防信號的輸入端子，信號輸入采用光耦隔離，以提高抗干擾能力。并且帶有一組無源反饋信號輸出端子可將開關的到位信號返回到消防設備。
LCD顯示：控制器的人機界面由LCD(1602)和發光二管(LED)組成。控制器的各種工作狀態和工作模式通過相應的LED顯示。通過LCD和按鍵組成的人機交互方式對控制器的各種參數和工作狀態進行相應的查詢、修改和設定等操作。
電機切換：利用三管的開關電路驅動相應的繼電器動作，從而實現電機的啟動、停機、正轉和反轉等。
開關狀態檢測：利用開關檢測電路可以使控制器對系統中各個開關狀態進行實時監控，以便發出各種準確的控制命令。
軟件設計
程序采用C語言，在MPLAB+ICD2的開發環境下進行編寫，控制程序采用模塊化設計。主要模塊有：系統初始化、A/D采集、CCP頻率測量、開關狀態檢測、顯示報警、輸出驅動、系統參數整定和存儲等。系統的控制軟件流程圖如圖6所示。
可靠性和穩定性分析
智能型雙電源開關控制器主要運用在一些對供電質量要求較高的場合，因此，控制器的穩定性和可靠性是設計的重點和難點。本系統中有強電和弱電共存且相互影響的情況，為了提高系統抗干擾能力，各個部分都采用了光電隔離和濾波技術。在系統中增加專門的濾波模塊以保證系統的穩定性。系統的電源采用雙線圈輸出的變壓器，使得系統電源和信號通道保持物理上的隔離。另外，還采用了軟件濾波和看門狗等技術以增強系統的可靠性。
本系統所設計的智能型雙電源開關控制器能夠對兩路電源的過壓、欠壓和缺相進行準確的檢測和監控，能夠自由、精確地在兩路電源中自動切換，有廣泛的使用價值和廣闊的市場前景。
參考文獻
[1] 李海濤，儀維，吳筱堅，等.PIC單片機應用開發典型模塊[M].北京:人民教育出版社，2007.
[2] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎(第三版)[M].北京:高等教育出版社，2001.
[3] Microchip Technology Inc.PICl6F884 datasheet.2008.