CN102142668A

CN102142668A - 基于数字控制电位器技术的过流速断保护电路

Info

Publication number: CN102142668A
Application number: CN 201110067393
Authority: CN
Inventors: 贺晓红; 马斌; 罗湘炜
Original assignee: HUBEI WANGAN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HUBEI WANGAN TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2011-08-03

Abstract

本发明涉及基于数字控制电位器技术的过流速断保护电路，其包括精密全波整流电路、数字控制电位器模块、微处理器，精密全波整流电路与数字控制电位器模块配连，数字控制电位器模块与微处理器MCU配接，精密全波整流电路采用二组全波整流电路，二组全波整流电路的输出分别接于数字控制电位器模块的二个输入端；数字控制电位器模块由数字控制电位器和低功耗双电压比较器连接组成。优点与效果是，电路结构简单，节省成本，不需要采用复杂的计算算法，同时降低了对微处理器MCU的运算速度的要求，简化了过流速断保护控制过程，使过流速断保护响应时间更快，响应时间小于5ms，控制过程更加稳定。

Description

基于数字控制电位器技术的过流速断保护电路

技术领域

本发明涉及一种过流速断保护电路，特别是基于数字控制电位器技术的过流速断保护电路，其用于永磁机构控制器的过流速断保护装置。

背景技术

中国专利文献CN101783495A公开《通信总线防高压侵入保护装置及其保护方法》（专利申请号： 200910045438.0），该装置包括，壳体和设于壳体内的保护电路；壳体的一侧壁上设有正常总线端，壳体的另一侧壁上设有防高压入侵的总线端接地端及指示灯D1；保护电路包括：显示报警电路、防雷击电路、过流速断保护电路；显示报警电路的两端和防雷击电路的两端并接在放高压侵入的总线两端；过流速断保护电路分别与防高压入侵的总线两端、正常总线端连接；该装置串接在计算机与外部设备之间的总线中；当有220V高电压侵入本装置的总线端，有大电流流过，元器件使其温度快速上升，会迅速进入高阻态，电流被迅速夹断，该装置自动显示报警、切断电源，保护了通信设备，还具有即时显示报警和防雷电功能。该装置的过流速断保护电路包括入防止高压侵速断保护器R2、R3，瞬态抑制二极管T2、T3；防止高压侵速断保护器R2的端1、R3的端1分别与防高压入侵的总线两端连接，瞬态抑制二极管T2、T3的正端分别与正常总线的两端、防止高压侵速断保护器R2、R3的端2并接，瞬态抑制二极管T2、T3的负端相连。瞬态抑制二极管T2、T3的正端。防止高压侵速断保护器R2、R3采用高分子聚合物正系数温度电阻。该装置由于其结构所限，其保护效果并不太理想。

据申请人所知，目前使用的过流速断保护电路多数采用AD芯片采样电路，其工作原理是将交流电流模拟信号转换为数字信号，再经微处理器MCU处理，运用方均根、FFT、DFT等算法计算每个采样周期的电流幅值大小，并将计算出的电流幅值与过流速断的设定的标准值进行对比，实现过流速断保护功能。申请人在研究中发现，AD采集芯片采集完电流模拟信号至少需要半个周期（10ms），否则计算出来的值是不准确的。然后还要通过一些算法计算这个周期的幅值大小，再进行过流速断保护。由此可知，采用AD芯片采样电路的永磁机构控制器的过流速断保护响应时间必定大于10ms。过流速断响应时间带来的后果是可想而知的，应当尽量避免。因此，利用先进的数字控制电位器技术来改造现有的过流速断保护电路，以提高永磁机构控制器的过流速断保护装置的性能，是当务之急。在电力线路发生过流速断故障时，尽可能减小永磁机构控制器的响应时间，使永磁机构真空开关快速分闸，从而达到快速保护的目的，减少因过流速断故障造成的线路损失。这是永磁机构控制器的过流速断保护装置要解决的问题。

发明内容

本发明目的是，针对现有技术存在的不足，进行改进，提出并研究一种基于数字控制电位器技术实现过流速断保护电路。本发明的构想在于，利用先进的数字控制电位器技术，采用硬件电路，由其通过运用设定的标准值与测定值相互比较的方法实现快速过流速断保护。

本发明的技术解决方案是，包括整流电路、电位器电路、微处理器MCU三部分，整流电路与电位器电路配连，电位器电路与微处理器MCU配接，其特征在于，整流电路采用精密全波整流电路，电位器电路采用数字控制电位器模块；精密全波整流电路采用二组全波整流电路，二组全波整流电路的输出端分别接于数字控制电位器模块的二个输入端。

其特征在于，全波整流电路由限幅单元电路、滤波单元电路、全波整流单元电路和射级跟随器单元电路组成；限幅单元电路采用二只限幅二极管串连组成；滤波单元电路采用了无源一阶滤波单元和无源二阶滤波单元，无源一阶滤波单元由电阻、电容相连组成，无源二阶滤波单元采用由电阻配接电阻R6和电容构成的阻容滤波电路组成；全波整流单元电路由低功耗JFET输入运算放大器与外围元件输入电阻、反馈电阻、反馈二极管组成；射级跟随器单元电路由第一级JFET输入运算放大器和第二级JFET输入运算放大器组成；其中，限幅单元电路与无源一阶滤波单元并接，无源一阶滤波单元的输出接第一级JFET输入运算放大器的输入端，第一级JFET输入运算放大器的输出通过输入电阻分别配接低功耗JFET输入运算放大器的二个放大器，低功耗JFET输入运算放大器的输出端接无源二阶滤波单元，无源二阶滤波单元的输出端接第二级JFET输入运算放大器，第二级JFET输入运算放大器的输出端接数字控制电位器模块。

其特征在于，数字控制电位器模块由数字控制电位器和低功耗双电压比较器连接组成。

其特征在于，数字控制电位器采用一片X9C103芯片，低功耗双电压比较器采用一片LM193A芯片。

其特征在于，微处理器MCU采用超低功耗ATmega644微处理器。

本发明的工作过程：

首先，通过微处理器MCU设定过流速断电流保护定值，再将过流速断电流保护定值转换为数字控制电位器X9C103输出的基准比较电压U_REF，将U_REF作为电压比较器LM193A的比较参考电压。

2路电流模拟信号经精密全波整流电路所采用的二组全波整流电路处理后，输出直流电平信号U_AD1和U_AD2给电压比较器LM193A，电压比较器LM193A将U_AD1（U_AD2）与U_REF进行实时比较，当U_AD1（U_AD2）＞U_REF时，电压比较器LM193A立即产生中断信号INT0（INT1）给微处理器MCU，微处理器MCU立即执行过流速断保护任务。

本发明的优点与效果是，提出的过流速断保护电路结构简单，能为节省高速AD采集芯片创造条件，也不需要采用复杂的计算算法，同时降低了对微处理器MCU的运算速度的要求，使用普通的微处理器MCU就可以满足该过流速断保护电路的要求，从而会大大降低了永磁机构控制器的成本。该过流速断保护电路采用电压比较器硬件电路进行比较的方法，简化了过流速断保护控制过程，使过流速断保护响应时间更快，控制过程更加稳定。本发明的创新点是将数字控制电位器技术应用于过流速断保护电路，采用数字控制电位器技术应用于过流速断保护电路产生的效果是，电路结构简单、过流速断保护响应时间快（响应时间小于5ms），控制过程稳定、抗干扰能力强、制作成本低。

附图说明

图1、本发明的电路原理结构框图；

图2、本发明的数字控制电位器模块电路图；

图3、图2所示电路中的U_AD1大于U_REF时电压比较器中断信号INT0输出的电压波形图；

图4、本发明电路设计原理图。

具体实施方式

下面，根据附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明包括精密全波整流电路、数字控制电位器模块、MCU三部分。精密全波整流电路与数字控制电位器模块配连，数字控制电位器模块与微处理器MCU配接。

精密全波整流电路采用二组全波整流电路，二组全波整流电路的输出端分别接于数字控制电位器模块的二个输入端；全波整流电路由限幅单元电路、滤波单元电路、全波整流单元电路和射级跟随器单元电路组成。其中：

一个全波整流电路的组成是：限幅单元电路采用二只限幅二极管DP1、DP2串连组成；滤波单元电路采用了无源一阶滤波单元和无源二阶滤波单元，无源一阶滤波单元由电阻R1、电容C1相连组成，无源二阶滤波单元采用由电阻R5配接电阻R6和电容C2、C3构成的阻容滤波电路组成；全波整流单元电路由低功耗JFET输入运算放大器 U1B、U1C与外围元件输入电阻R2、R3、反馈电阻R4、反馈二极管D1组成；射级跟随器单元电路由第一级JFET输入运算放大器U1A和第二级JFET输入运算放大器U1D组成；其中，限幅单元电路与无源一阶滤波单元并接，无源一阶滤波单元的输出接第一级JFET输入运算放大器U1A的输入端，第一级JFET输入运算放大器U1A的输出通过输入电阻R2、R3分别配接低功耗JFET输入运算放大器的二个放大器 U1B、U1C，低功耗JFET输入运算放大器的 U1B输出端接无源二阶滤波单元，无源二阶滤波单元的输出端接第二级JFET输入运算放大器U1D，第二级JFET输入运算放大器的输出端接数字控制电位器模块。

另外一个全波整流电路的组成是：限幅单元电路采用二只限幅二极管DP3、DP4串连组成；滤波单元电路采用了无源一阶滤波单元和无源二阶滤波单元，无源一阶滤波单元由电阻R7、电容C6相连组成，电容C6接地；无源二阶滤波单元采用由电阻R11配接电阻R12和电容C7、C8构成的阻容滤波电路组成；全波整流单元电路由低功耗JFET输入运算放大器 U2B、U2C与外围元件输入电阻R8、R9、反馈电阻R10、反馈二极管D2组成；射级跟随器单元电路由第一级JFET输入运算放大器U2A和第二级JFET输入运算放大器U2D组成；其中，限幅单元电路与无源一阶滤波单元并接，无源一阶滤波单元的输出接第一级JFET输入运算放大器U2A的输入端，第一级JFET输入运算放大器U2A的输出通过输入电阻R8、R9分别配接低功耗JFET输入运算放大器的二个放大器 U2B、U2C，低功耗JFET输入运算放大器的 U2B输出端接无源二阶滤波单元，无源二阶滤波单元的输出端接第二级JFET输入运算放大器U2D，第二级JFET输入运算放大器的输出端接数字控制电位器模块。

数字控制电位器模块由数字控制电位器和低功耗双电压比较器连接组成。其中：

数字控制电位器由集成电路芯片U3和外围元件电阻R13、R14、电容C12、C13、C14组成。集成电路芯片U3的1脚接微处理器MCU的输入INT0、电阻R13一端、电容C12一端，集成电路芯片U3的2脚接U3的6脚、低功耗双电压比较器的5脚、电容C14一端，集成电路芯片U3的3脚为集成电路芯片U3的一输入端，与精密全波整流电路的第二级JFET输入运算放大器U1D的输出端相接；集成电路芯片U3的4脚接地，集成电路芯片U3的5脚为集成电路芯片U3的另一输入端，与精密全波整流电路的第二级JFET输入运算放大器U2D的输出端相接；集成电路芯片U3的6脚接电容C14一端，集成电路芯片U3的7脚接电容C13另一端、电阻R14一端、通过微处理器MCU的输入INT1，集成电路芯片U3的8脚接电源+5V。集成电路芯片U3采用LM193A芯片。LM193A芯片作为电压比较器。

低功耗双电压比较器由集成电路芯片U2和电容C11组成。集成电路芯片U2的1脚、2脚、7脚分别接于微处理器MCU的相应端口PD4、PD6，PD7，集成电路芯片U2的3脚接电源+5V、电容C11的一端，电容C11的另一端接地，集成电路芯片U2的6脚接地，集成电路芯片U2的8脚接电源+5V. 集成电路芯片U2采用X9C103芯片。X9C103芯片作为数字可调电位器。

数字控制电位器模块中，U_AD1和U_AD2是第1路和第2路电流模拟信号经过精密全波整流电路处理后转换而成的电压信号。电阻R13和X9C103等效电路组成分压电路。X9C103等效电路相当于数字可调电位器。通过微处理器MCU设定X9C103等效电路的电阻值，就可以改变基准电压U_REF的幅值，将U_REF设定为过流速断基准比较电压，通过电压比较器LM193A将U_AD1和U_AD2与U_REF进行实时比较，当U_AD1(U_AD2)＞U_REF时，电压比较器LM193A立即产生中断信号INT0或者INT1。

微处理器MCU采用超低功耗ATmega644微处理器。

本发明中微处理器MCU设定过流速断基准比较电压U_REF的设置方法：

将数字控制电位器的档位设置为n档时，基准电源电压为V。则每一档的电压步进P=V/n。采用电流标准源输入标准电流Ia。当第1（2）路电流模拟信号输入标准过流速断的电流后，经精密全波整流电路输出的第1（或第2）路电压信号U_AD1（或U_AD2）到电压比较器的输入端，数字控制电位器按照从高到低的顺序逐次的向下步进。当步进到某个点t时，电压比较器发出中断信号INT0（或者INT1）。微处理器MCU检测到中断信号，微处理器MCU记下该步进值t 。则标准电流Ia和过流速断基准比较电压REF系数k _v的关系公式如下：

运用上面的公式，微处理器MCU可以任意设置过流速断电流Im的过流速断基准比较电压U_REF电压值V _s

在这里，本发明给出一个典型实例，档位设置为n=256档，基准电源电压为V=+5V，t=200，标准电流值Ia=5A，过流速断电流值 Im=10A，则根据以上公式计算微处理器MCU设置数字电位器的过流速断基准比较电压U_REF电压值V _s：

k _v=5/（5×（256-200）/200）=5/1.4=3.5714

V _s=3.5714×10=35.71

如图3所示，U_AD1是第1路电流模拟信号经过精密全波整流电路处理后转换而成的电压信号，U_REF设定为过流速断基准比较电压。

从图上分析可知U_AD1幅值从0上升到U_REF，当U_AD1＞U_REF时，电压比较器LM193A立即产生中断信号INT0。

从图上可看出，从U_AD1幅值为0开始到出现中断信号INT0上升沿，整个过程响应时间小于5ms，所以本发明过流速断保护的响应时间快，响应时间小于5ms。

如图4所示，第1路电流模拟信号输入精密全波整流电路，限幅二极管DP1、DP2反相串联接地，其作用是限制第1路电流模拟信号输入电平过高。无源一阶滤波由电阻R1、电容C1接地滤波。射级跟随器电路的第一级运算放大器U1A，其作用增加输入阻抗，减小输出阻抗，使信号更稳定。U1A输出电流模拟信号经全波整流电路，其由U1B、U1C、R2、R3、R4、二极管D1组成。无源二阶滤波由电阻R5、R6、电容C3、C2接地滤波，射级跟随器电路的第二级运算放大器U1D输出第1路电压信号U_AD1，其作用可以保证输出干净的直流电平信号，使抗干扰能力加强，防止干扰信号误动作,也是为了保证输入信号完整性。运算放大器U1A、U1B、U1C、U1D共用电源电压+5V和-5V，电源电压通过电容C4和C5接地滤波。

第2路电流模拟信号输入精密全波整流电路同第1路电流模拟信号输入精密全波整流电路相同，详见图4。

数字控制电位器模块中的数字控制电位器U2有8个脚，其中第1、2、7脚与MCU的数据线PD4、PD6、PD7连接，第4、6脚接地，第8脚接电源电压+5V，第3脚接电源电压+5V，并接电容C11接地，第5脚同电压比较器U3的第2脚与第6脚相连。

电压比较器U3有8个脚，其中第3脚与第5脚分别与精密全波整流电路输出的第1路电压信号AD1和第2路电压信号AD2相连接。第2脚与第6脚与数字控制电位器U2的第5脚相连，并接电容C14接地滤波。第1脚中断信号INT0和第7脚中断信号INT1与MCU相连，连接上拉电阻R13、R14与电源+5V相连，连接电容C12、C13接地滤波，其作用是保证中断信号INT0 和INT1的稳定，不产生误动信号给MCU。

在本发明的一个典型实例中，电阻R1、R7、R5、R6、R11、R12为2KΩ，R2、R3、R4、R8、R9、R10为10 KΩ，R13、R14为5.1KΩ，稳压管DP1、DP2 、DP3、DP4为IN4733，电容C1、C2、C3、C6、C7、C8为0.01uF,C4、C5、C9、C10为0.1uF,C12、C13为0.001uF，C14为100pF，电解电容C11为4.7uf/16V，U1为TL064，U2为X9C103，U3为LM193A，MCU为ATMGE644。

Claims

1.基于数字控制电位器技术的过流速断保护电路，包括整流电路、电位器电路、微处理器MCU三部分，整流电路与电位器电路配连，电位器电路与微处理器MCU配接，其特征在于，整流电路采用精密全波整流电路，电位器电路采用数字控制电位器模块；精密全波整流电路采用二组全波整流电路，二组全波整流电路的输出端分别接于数字控制电位器模块的二个输入端。

2.根据权利要求1所述的基于数字控制电位器技术的过流速断保护电路，全波整流电路由限幅单元电路、滤波单元电路、全波整流单元电路和射级跟随器单元电路组成；限幅单元电路采用二只限幅二极管串连组成；滤波单元电路采用了无源一阶滤波单元和无源二阶滤波单元，无源一阶滤波单元由电阻、电容相连组成，无源二阶滤波单元采用由电阻配接电阻R6和电容构成的阻容滤波电路组成；全波整流单元电路由低功耗JFET输入运算放大器与外围元件输入电阻、反馈电阻、反馈二极管组成；射级跟随器单元电路由第一级JFET输入运算放大器和第二级JFET输入运算放大器组成；其中，限幅单元电路与无源一阶滤波单元并接，无源一阶滤波单元的输出接第一级JFET输入运算放大器的输入端，第一级JFET输入运算放大器的输出通过输入电阻分别配接低功耗JFET输入运算放大器的二个放大器，低功耗JFET输入运算放大器的输出端接无源二阶滤波单元，无源二阶滤波单元的输出端接第二级JFET输入运算放大器，第二级JFET输入运算放大器的输出端接数字控制电位器模块。

3.根据权利要求1所述的基于数字控制电位器技术的过流速断保护电路，其特征在于，数字控制电位器模块由数字控制电位器和低功耗双电压比较器连接组成。

4.根据权利要求1所述的基于数字控制电位器技术的过流速断保护电路，其特征在于，数字控制电位器采用一片X9C103芯片，低功耗双电压比较器采用一片LM193A芯片。

5.根据权利要求1所述的基于数字控制电位器技术的过流速断保护电路，其特征在于，微处理器MCU采用超低功耗ATmega644微处理器。