CN100461322C - 一种电压自适应的直流低电压脱扣控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电压自适应的直流低电压脱离控制器及控制方法。电压自适应的直流低电压脱离控制器是由单片机分别与通信接口、工况采集电路、PWM驱动电路、电源电路、控制方式切换电路、报警电路相接。其控制方法是脱离控制器根据电源监控器发出的控制指令，来控制继电器是否脱扣，并根据模糊控制算法对线圈电压进行PWM输出调整，并自适应多电压范围；采用主从设计，多个LVD可串连使用，并兼容多种型号电源监控器。和传统LVD相比，本发明提高了系统的稳定性，有效稳定了继电器线圈电压。

Description

一种电压自适应的直流低电压脱扣控制器及控制方法

技术领域

本发明属于电子产品领域，特别是涉及一种电压自适应的直流低电压脱离控制器及控制方法。

背景技术

随着通讯、电力事业的发展，直流大功率开关电源系统技术发展迅速，与其相应的外围电路技术也变化较大，特别是一些保护电路。低电压脱离控制器(Low Voltage Disconnect，LVD)是通讯电源系统与电力系统的关键部件，当系统交流电源或整流器异常而使用蓄电池直流供电时，用于防止蓄电池或蓄电池组过放电。电源监控器(Power SystemMonitor，PSM)监测蓄电池的输出电压，并向LVD发脱扣(disconnect)信号或吸合(reconnect)信号。LVD通过控制继电器的释放或吸合，断开或连接蓄电池的放电回路。低电压脱离控制器有效防止了蓄电池的过放电，延长了蓄电池的使用寿命，保护了蓄电池。传统LVD完全由硬件电子电路实现，由于继电器的驱动一般由开关电信号控制，在特定供电电压下，只能控制相应额定电压的继电器。在测试及使用不同供电电源或继电器的场合时，则需要更换不同LVD以适应环境参数的变化。

目前，国外对LVD的研究主要集中在如何简化电路、提高稳定性以及降功耗等问题上，对LVD的自适应性还没有相关报道。传统的以硬件电子电路为核心的LVD难以实现自动跟踪以及自动适应外界环境参数的变化。分析当前LVD产品仍然存在一些不足，主要问题是：

1.产品通用型差，目前常见直流电压类型主要有48v、24v、12v，不同的电压类型用不同规格的LVD，给维护、投运、调试带来不便；

2.与国产直流接触器无法配套，国外的直流接触器成本高，系统成本降不下来；

3.对各种工况参数处理简单，系统的稳定性与可靠性不高，缺少智能处理能力；

4.LVD电路复杂、元器件多，生产、调试效率低，可靠性低；

5.RC震荡电路在温度变化下，会造成系统的工作频率漂移，脱扣电压精度不高。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种电压自适应的直流低电压脱离控制器，并提供该控制器的控制方法。

本发明的脱离控制器包括PIC单片机、通讯接口、PWM驱动电路、电源电路、控制方式切换电路、LED驱动电路。PIC单片机分别与通讯接口、工况采集电路、PWM驱动电路、电源电路、控制方式切换电路、LED驱动电路相接。

所述的通讯接口包括RJ45主插口、RJ45从插口、信号输入输出光电隔离和转换电路，用于和电源监控器以及从LVD控制器之间的通信。RJ45主插口与电源监控器或主LVD连接，RJ45从插口与从LVD连接(可选)。所述的工况采集电路包括分压电阻和短路器，完成工作电压信号的检测、分压并输入PIC单片机，主、从LVD和电源监控器类型的配置信号输入PIC单片机。所述的PWM驱动电路将PIC单片机接口输出一定占空比的脉冲，经放大电路放大后接到继电器线圈的一端(另一端接工作电压)，从而线圈上形成相应压差，使继电器吸合或脱扣。

PIC单片机采用PIC16F73芯片，它是一种高性能RISC CPU，具有可接收12个中断源的中断系统，8级硬件堆栈，具有8位和16位定时器/计数器，二个PWM模式通道，8位A/D转换器，同步串行口，通用同步异步接收转换器，8位外部可读、写和片选控制的并行口等。PIC单片机通过A/D转换可以监测系统工作电压，判断系统工作在24V系统或48V系统等，输出占空比随时可调的PWM脉冲，使LVD能适应不同电源系统中，并且可以驱动多种额定电压的继电器；在PIC单片机中根据输入线圈电压，采用模糊控制算法闭环控制，稳定了继电器线圈电压，保护了继电器，使系统的供电电压可在线性范围内变化。PIC单片机通过通讯接口与电源监控器或主从LVD进行通信，完成控制方式切换电路信号输入判断、LED驱动电路的控制等功能。PWM驱动电路、电源电路、控制方式切换电路、LED驱动电路采用成熟技术。

该电压自适应的直流低电压脱扣控制器的控制方法是：首先判断是否看门狗引起的复位，若是则对PIC单片机进行初始化，并判断LVD是否处于自动工作方式，若是则转入判断LVD控制器所接电源监控器类型，若不是则转入读工作电压信号，判断是48V或24V或12V系统，并判断工作电压是否达到脱扣电压阈值，同时设置相应的标志位(脱扣电压阈值根据用户的具体需要进行设定)；若判断不是看门狗引起的复位，即正常复位，则对PIC单片机进行初始化，然后进入主程序循环，先判断LVD控制器所接电源监控器类型，再输入工作电压引脚，判断是48V或24V或12V系统，并判断其是否达到脱扣阈值，同时设置相应的标志位；根据配置接口设置PWM占空比寄存器，读取控制方式切换电路，判断是自动还是手动的吸合或脱扣，并设置相应标志位；若是自动方式，则接收电源监控器指令，并读取继电器状态与电源监控器指令进行比较，若带从LVD控制器，则根据电源监控器类型读取从LVD控制器的工作状态，然后根据PWM占空比寄存器及相应的标志位，输出PWM脉冲驱动继电器，对于接SM50的电源监控器，还要向上级LVD控制器发状态信号；根据当前LVD控制器状态设置LED显示的标志寄存器；最后根据是否接电源监控器，来判断进入主程序的两个入口之一。

该方法采用循环设置、比较、判别方式，不断读取工况参数进行比较、判别并设置；A/D转换、模糊控制和LED显示分别采用中断方式，在中断子程序中完成。

本发明提出了以PIC单片机作为LVD核心部件，利用占空比随时可调的PWM脉冲实现不同额定电压继电器的驱动，并结合模糊控制算法对PWM脉冲占空比进行微调的改进方案，和传统LVD相比，提高了系统的稳定性；利用PIC单片机输出的PWM信号驱动继电器可使系统适应变化的现场，改变了由于现场参数变化而需要频繁更换LVD的现状；在调制脉冲过程中应用模糊控制算法使得LVD可以适应不稳定的供电电压，有效稳定了继电器线圈电压。

在自动工作方式下，电源监控器监控蓄电池等供电设备，供电设备的输出电压低于设定的低限值时，发出脱扣指令，LVD接收到这个命令后就会进行PWM调制，输出占空比一定的脉冲信号，使继电器完成脱扣动作；当供电设备的输出电压上升至某一设定值时，电源监控器就会向LVD发吸合指令，LVD接收到此命令后通过PWM调制完成吸合动作。同时，LVD向电源监控器发状态信号，例如失败信号以及工作方式信号等。当手动方式时，LVD可与电源监控器断开。

本发明的直流低电压脱扣控制器能够自动适应各档电压的要求，可工作在三档直流电压(12/24/48V)下；可与国产直流大功率接触器配套；自动方式中，LVD接收脱扣或吸合指令进行PWM调制，输出一定占空比的脉冲，以驱动继电器，完成脱扣或吸合动作；同时，LVD向电源监控器发状态信号，例如失败信号以及工作方式信号等；根据线圈电压与线圈参考电压的偏差作为输入，PIC单片机运用模糊控制算法输出调整PWM的占空比稳定线圈电压；LVD可以串连使用，控制多个继电器。LVD可以工作在主从模式下，相应的分为主LVD和从LVD，可通过短路器进行设置。主LVD控制从LVD，从LVD通过主LVD和后台控制进行通信。系统还有LED显示功能，针对脱扣、吸合、失败、手动、自动以及电源监控器断开等不同情况，都可以通过LED的闪烁或亮灭来显示；当系统执行指令失败，或电源监控器未被接入等异常情况发生时，产生报警，并通过LED显示。

附图说明

图1是电压自适应的直流低电压脱离控制器(LVD)结构框图；

图2是继电器线圈电压模糊控制原理框图；

图3是PIC单片机主程序框图。

具体实施方式

如图1所示，脱离控制器包括PIC单片机1、通讯接口2、PWM驱动电路4、电源电路5、控制方式切换电路6、LED驱动电路7。PIC单片机1分别与通讯接口2、工况采集电路3、PWM驱动电路4、电源电路5、控制方式切换电路6、LED驱动电路7相接。

通讯接口2包括包括RJ45主插口、RJ45从插口、信号输入输出光电隔离和转换电路，用于和电源监控器以及从LVD控制器之间的通信。RJ45主插口与电源监控器或主LVD连接，RJ45从插口与从LVD连接(可选)。

PWM驱动电路3将PIC单片机接口输出一定占空比的脉冲，经放大电路放大后接到继电器线圈的一端(另一端接工作电压)，从而线圈上形成相应压差，使继电器吸合或脱扣。

PIC单片机1采用PIC16F73芯片，通过A/D转换可以监测系统工作电压，判断系统工作在24V系统或48V系统，输出占空比随时可调的PWM脉冲，使LVD能适应不同电源系统中，并且可以驱动多种额定电压继电器。在PIC单片机中根据输入线圈电压，采用模糊控制算法闭环控制，稳定了继电器线圈电压，保护了继电器，使系统的供电电压可在线性范围内变化。

在自动工作方式下，电源监控器监控蓄电池等供电设备。当蓄电池等供电设备的输出电压低于设定的低限值时，发出脱扣指令。LVD接收到这个指令后就会进行PWM调制，输出占空比一定的脉冲信号，完成与继电器的脱离动作；当供电设备的输出电压上升至某一设定值时，电源监控器就会向LVD发吸合指令，LVD接收到此命令后通过PWM调制完成吸合动作。同时，LVD向电源监控器发状态信号，例如失败信号以及工作方式信号等。系统自动识别外界环境参数的变化，输出相应占空比的PWM脉冲驱动继电器降功耗运行。

如图2所示，应用模糊控制算法，控制继电器线圈电压。当PWM占空比一定而工作电压上下浮动时，线圈两端电压随之变化，这会造成继电器不能准确动作，甚至损害继电器。当工作电压发生变化时，为了保持线圈电压的稳定，PIC单片机将检测工作电压输入A/D转换，计算出线圈电压，根据线圈电压Vcoil与线圈参考电压Vcoi10的偏差作为模糊控制器输入，经模糊控制算法运算，调整模糊控制输出u的值，输出PWM脉冲驱动继电器，以稳定线圈电压；同时可以适合不同的工作电压与继电器吸合电压，可以配置为24V工作电压，6V、12V的继电器吸合电压；48V工作电压，12V、24V的继电器吸合电压。

LVD可以串连使用，控制多个继电器。LVD可以工作在主从模式下，相应的分为主LVD和从LVD，可通过硬件短路器进行设置。主LVD控制从LVD，从LVD通过主LVD和后台控制进行通信。

LVD的核心部件PIC单片机的主程序流程图如图3所示。主程序采用循环设置、比较、判别方式，不断读取工况参数进行比较、判别并设置；A/D转换、模糊控制和LED显示分别采用中断方式，在中断子程序中完成。主程序首先判断是否看门狗引起的复位，若是则对PIC单片机进行初始化，并判断LVD是否处于自动工作方式，若是则转入判断LVD控制器所接电源监控器类型，若不是则转入读工作电压信号，判断是48V或24V或12V系统，并判断工作电压是否达到脱扣电压阈值，同时设置相应的标志位；若判断不是看门狗引起的复位，即正常复位，则对PIC单片机进行初始化，然后进入主程序循环，先判断LVD控制器所接电源监控器类型，再输入工作电压引脚，判断是48V或24V或12V系统，并判断其是否达到脱扣阈值，同时设置相应的标志位；根据配置接口设置PWM占空比寄存器，读取控制方式切换电路，判断是自动还是手动的吸合或脱扣，并设置相应标志位；若是自动方式，则接收电源监控器指令，并读取继电器状态与电源监控器指令进行比较，若带从LVD控制器，则根据电源监控器类型读取从LVD控制器的工作状态，然后根据PWM占空比寄存器及相应的标志位，输出PWM脉冲驱动继电器，对于接SM50的电源监控器，还要向上级LVD控制器发状态信号；根据当前LVD控制器状态设置LED显示的标志寄存器；最后根据是否接电源监控器，来判断进入主程序的两个入口之一。

Claims (2)

1.一种电压自适应的直流低电压脱扣控制器，其特征在于该低电压脱扣控制器包括PIC单片机、通讯接口、PWM驱动电路、电源电路、控制方式切换电路、LED驱动电路；PIC单片机分别与通讯接口、工况采集电路、PWM驱动电路、电源电路、控制方式切换电路、LED驱动电路相接；

所述的通讯接口包括RJ45主插口、RJ45从插口、信号输入输出光电隔离和转换电路，用于和电源监控器以及从低电压脱扣控制器之间的通信；

所述的工况采集电路包括分压电阻和短路器，完成工作电压信号的检测、分压并输入PIC单片机；

所述的PWM驱动电路将PIC单片机接口输出一定占空比的脉冲，经放大电路放大后接到继电器线圈的一端，从而线圈上形成相应压差，使继电器吸合或脱扣。

2.如权利要求1所述低电压脱扣控制器的控制方法，其特征在于该方法具体是：首先判断是否看门狗引起的复位，若是则对PIC单片机进行初始化，并判断低电压脱扣控制器是否处于自动工作方式，若是则转入判断低电压脱扣控制器所接电源监控器类型，若不是则转入读工作电压信号，判断是48V或24V或12V系统，并判断工作电压是否达到脱扣电压阈值，同时设置相应的标志位；若判断不是看门狗引起的复位，即正常复位，则对PIC单片机进行初始化，然后进入主程序循环，先判断低电压脱扣控制器所接电源监控器类型，再输入工作电压引脚，判断是48V或24V或12V系统，并判断其是否达到脱扣阈值，同时设置相应的标志位；根据配置接口设置PWM占空比寄存器，读取控制方式切换电路，判断是自动还是手动的吸合或脱扣，并设置相应标志位；若是自动方式，则接收电源监控器指令，并读取继电器状态与电源监控器指令进行比较，若带从低电压脱扣控制器，则根据电源监控器类型读取从低电压脱扣控制器的工作状态，然后根据PWM占空比寄存器及相应的标志位，输出PWM脉冲驱动继电器，对于接SM50的电源监控器，还要向上级低电压脱扣控制器发状态信号；根据当前低电压脱扣控制器状态设置LED显示的标志寄存器；最后根据是否接电源监控器，来判断进入主程序的两个入口之一。

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