CN102183687A - 基于交流采样的can传输的三相电力电流传感器 - Google Patents

Abstract

基于交流采样的CAN传输的三相电力电流传感器，设置三个由绕在非磁性材料开口骨架上的空心线圈构成的互感器1、互感器2、互感器3；三个互感器分别连接电力系统的三个相的电流，三个互感器后接入交流采样模块：交流采样模块后的三个相的电压以及参考电压均接入STM32微处理器的A/D转换电路，STM32微处理器的A/D转换电路之后顺序连接CPU处理器和CAN控制器，CAN收发器电路与CAN控制器相连接；STM32微处理器与按键控制模块连接。该传感器实现了互感数据的CAN数字接口传输，提高了电力系统控制领域中互感器的信号传输的可靠性、稳定性和准确性，传输距离可达1000米，还能够对超高电流、电压进行测量。在实际应用时，该传感器安装简单、方便，传感器内部有开路、短路保护，使其在实际应用中不易损坏报废。

Description

基于交流采样的CAN传输的三相电力电流传感器

技术领域

本发明涉及电力系统尤其是机车电力拖动开发应用、工厂自动化和各类电机等领域的控制，具体是基于交流采样的CAN传输的三相电力电流传感器。

背景技术

为了满足电力系统的要求和保证电力系统安全运行，必须对电力设备的运行情况进行检测、控制和监视，但一般的测量和控制装置不能直接接入一次高压设备。在电力系统中，互感器作为一种特殊变压器，其一次绕组连接高电压、大电流设备，二次绕组分别与测量仪表、保护装置等互相连接。互感器将交流电压和大电流按比例缩小，使一次系统的电压、电流信息准确地传递到二次侧的相关检测和控制设备，实现了强电到弱电的隔离，保证了二次设备和人身的安全。互感器与测量仪表和计量装置配合，可以测量一次系统的电压、电流和电能；与继电保护和自动装置配合，可以形成对电网各种故障的电气保护和自动控制。

随着电力工业的发展，电流传感器显得越来越重要，由于大电流设备的等级不断提高，传统的简单的带铁心电流互感器难以满足电力系统的要求。另外，目前的互感器信号因模拟传输的方式、多节点复杂布线的不足导致互感器可靠性和稳定性欠缺，准确性不够，甚至可能引起的保护控制系统的误判，导致其已经不能适应当前复杂工业控制环境的要求。

在电力系统尤其是在机车电力拖动开发应用中，往往还要求保护系统能够对电力设备异常(例如电机的过流、过载及电路)做出可靠、及时、有效的保护。互感器性能的好坏，直接影响到电力系统测量、计量的准确性和继电器装置保护动作的可靠性。互感器将电力设备的大电压、大电流转换成低电压低电流后，一般的做法是将转换后的电压和电流连接到测量仪表电路，以实现测量、监视和控制。在当代复杂的工业控制中，电力控制的环境比较恶劣，受监控的电力设备往往不止一个，负责监测和保护的中央控制系统与互感器有一定的通信距离，当受控终端增多时尽量不增加布线难度，传统的互感器二次侧的信号与测量仪表的布线距离不能太长，否则信号的由于衰减或受到外部干扰等原因导致测量的数据的准确性和可靠性下降，最终的结果可能是电力保护系统失效。而这些不能不说是对传统的互感器的挑战。

发明内容

本发明的目的是提供基于交流采样的CAN传输的三相电力电流传感器，以满足现代电力系统控制的要求，实现可靠传输和准确测量。

本发明的技术方案是：在包括互感器的系统中，设置三个由绕在非磁性材料开口骨架上的空心线圈构成的互感器1、互感器2、互感器3；三个互感器分别连接电力系统的三个相的电流，三个互感器后接入交流采样模块；交流采样模块后的三个相的电压以及参考电压均接入STM32微处理器的A/D转换电路，STM32微处理器的A/D转换电路之后顺序连接CPU处理器和CAN控制器，CAN收发器电路与CAN控制器相连接；STM32微处理器与按键控制模块连接。

本发明考虑到数据传输，故在传输前需要对数据进行采样处理。当采用直流采样时，由于直流采样时，整流电路是一个积分的过程，故采样的结果会产生延时。当采用交流采样时，则能够对被测量的瞬时值进行采样，其实时性好，相位失真小。同时为了保证传输时得到可靠、实时、准确的数据，采用CAN总线传输不失为一种有效地措施。控制器局域网CAN是一种现场总线，它是由德国电气商博世公司开发出面向汽车的C A N通信协议，已通过I S011898国际标准，用于工业自动化里的各种检测与控制。

本发明中，互感器由绕在非磁性材料开口骨架上的空心线圈构成。由于空心线圈中没有铁磁材料，它不会因为被测电流大而饱和，因而它具有很高的线性度。在这种空心线圈电流互感器中，它的输出电压数值将与母线或汇流排中的原边电流值成正比。可用于测量3A到1200A大电流的场合，将该装置放置在待测的母线一侧即可，空心线圈输出的电压信号可提高下级的继电保护设备或其它的监控计测设备利用的准确性。互感器按照常规的原理，具有电源、输入电路、输出电路，还有环形铁氧体感应线圈、功率放大电路和阻抗匹配调整电路，互感器的输出接到到后处理电路，可广泛适用于各种需要交流电流传感器的仪器仪表和控制系统中，与现有的电流传感器相比，具有成本低，体积小，安装使用方便，易于调节，测量范围大，频率响应性和安全性好等显著优点。

本发明中，STM32微控制器主要对交流采样后的信号进行A/D转换，达到限流报警的目的，防止过载。再经CPU处理，CAN数据处理，最后交由CAN收发器电路，以总线形式将数据传送到终端设备，传输距离可达1000米。

另有一路输入到STM32微控制器的信号是参考电压，主要是用作基准电压，从而校正采样的数据。

按键控制模块主要用于清零、调幅。

本发明中，STM32微控制器的外围电路中，晶振电路模块、复位电路模块、串口通信模块、工作模式选择模块均接入STM32微控制器，电源模块分别与晶振电路模块、复位电路模块、串口通信模块、工作模式选择模块、STM32微控制器、CAN收发器电路相连。

本发明达到有益的效果，实现了互感数据的CAN数字接口传输，着眼于提高电力系统控制领域中互感器的信号传输的可靠性、稳定性和准确性。

同时，本发明的电力系统的传感器还能够对超高电流、电压进行测量；在实际应用时，传感器的安装简单、方便，传感器内部有开路、短路保护，使其在实际应用中不易损坏报废。

附图说明

图1、基于CAN传输的三相电力电流传感器的结构框图；

图2、STM32微控制器外围电路框图；

图3、交流采样原理图；

图4、CAN收发器原理图；

图5、软件实现的流程图；

图6、调零调幅中断流程图；

图7、CAN总线传输的标准报文帧格式图；

具体实施方式

如图1。

设置三个由绕在非磁性材料开口骨架上的空心线圈构成的互感器1、互感器2、互感器3；三个互感器分别连接电力系统的三个相的电流，三个互感器后接入交流采样模块；交流采样模块后的三个相的电压以及参考电压均接入STM32微处理器的A/D转换电路，STM32微处理器的A/D转换电路之后顺序连接CPU处理器和CAN控制器，CAN收发器电路与CAN控制器相连接；STM32微处理器与按键控制模块连接。

STM32微控制器主要对交流采样后的信号进行A/D转换，再经CPU数据处理，CAN数据打包处理，最后发送数据至终端设备。图1中采用的是四输入的A/D转换，其中的一路输入是参考电压的输入，主要是用作基准电压，从而校正采样的数据。

STM32微控制器外围电路框图见图2。STM32微控制器的外围电路中，晶振电路模块、复位电路模块、串口通信模块、工作模式选择模块均接入STM32微控制器，电源模块分别与晶振电路模块、复位电路模块、串口通信模块、工作模式选择模块、STM32微控制器、CAN收发器电路相连。

其中：晶振电路主要用于驱动微控制器工作；复位电路，主要是当系统死机时自动复位；串口通信电路用于对下载程序；工作模式选择电路用于选择适合本设备的最佳工作方式；交流采样电路，其采样后得到的电压作为STM32微控制器里A/D转换的输入，根据A/D转换的值可以算出各相电流的大小，假设每通道的A/D理论转换值为0x0000-0x0FFF，则

注：I_P——额定电流

上述公式中A/D转换的精度达到12位，即；

经过A/D转换的数据，再经CAN数据处理，然后以总线的形式发送出去，而CAN收发器电路则负责接收经CAN数据处理发来的数据，经处理，最后再发送到终端设备。

交流采样的原理如图3。三个相的电流分别从CON1、CON2、CON3口接入。当电流从CON1进入后，经过互感器1后，将降到mA级的交流电流信号，运放U1A将此信号转换成电压并放大，运放U2A将放大的信号叠加上V1之后，变成直流信号经AD[0]送至CPU，由于CPU内保存的参考电压也是V1，故CPU将测量值减去V1，即可得到交流电压的瞬时值。同理对CON2、CON3进行相应的处理即可得到相应的交流电压的瞬时值，从而实现交流采样。

CAN收发器电路原理见图4。图4中CAN数据处理模块的输出引脚CAN_TX接到L9616的数据输入引脚T X，可将此C A N节点发送的数据传送到CAN网络中；而CAN数据处理模块的接收引脚CAN_RX与L9616的数据输出引脚RXO连接，用于接收数据。L9616的ASC引脚是可调节的斜率控制引脚，通过调节VSS的电压可实现工作模式的选择。CANH、CANL则分别为高、低电平时，控制CAN收发器的输入或输出。

软件实现的流程图见图5。首先是初始化，包括时钟、A/D转换的工作模式、变量、读取基准值、微处理器的工作模式、以及CAN等的初始化。初始化完毕之后，如果发生调零或调幅中断则进行现场校正，否则进入正常工作状态——进行数据采样、处理及CAN传输。该过程具体过程如下(含中断)：

一、清零，在外部没有信号输入时，调用延时程序延时两秒，进入清零模式；读取三通道及基准通道的值分别为vz_a、vz_b、vz_c、vz_vr，(此时读数均在0～几mV，否则报错)；采取多次读数求平均值的方法，提高上述各初始值的精确度，并这些数据保存在Flash中作为各个通道的零点。

二、调幅，在外部输入调至某个值时(由于外部输入不稳定或可能达不到满值，只能调至某个值)，调用span子程序进入调幅模式；保存好三通道及基准通道的值分别为vs_a、vs_b、vs_c、vs_vr；各通道的满值分别为：

$\mathrm{VSa}=\{\frac{\mathrm{vs}\_a-\mathrm{vz}\_a}{\mathrm{vs}\_\mathrm{vr}-\mathrm{vz}\_\mathrm{vr}}\×2.5+\mathrm{vz}\_a\}V$

$\mathrm{VSb}=\{\frac{\mathrm{vs}\_b-\mathrm{vz}\_b}{\mathrm{vs}\_\mathrm{vr}-\mathrm{vz}\_\mathrm{vr}}\×2.5+\mathrm{vz}\_b\}V$

$\mathrm{VSc}=\{\frac{\mathrm{vs}\_c-\mathrm{vz}\_c}{\mathrm{vs}\_\mathrm{vr}-\mathrm{vz}\_\mathrm{vr}}\×2.5+\mathrm{vz}\_c\}V$

上述各值均采取多次求平均值的方法求得。

三、采样后的数据输出。在上述两部完成后，即可得出基准值以及最大值(即调幅的满值)。当正常工作后，外部输入任意值时三通读数分别为Va、Vb、Vc；三通道输出数据分别为：

$\mathrm{Da}=\frac{\mathrm{Va}-\mathrm{vz}\_a}{\mathrm{VSa}-\mathrm{vz}\_a}\×2^{11}$

$\mathrm{Db}=\frac{\mathrm{Vb}-\mathrm{vz}\_b}{\mathrm{VSb}-\mathrm{vz}\_b}\×2^{11}$

$\mathrm{Dc}=\frac{\mathrm{Vc}-\mathrm{vz}\_c}{\mathrm{VSc}-\mathrm{vz}\_c}\×2^{11}$

上式中2的11次方表示用11位数据作为满值输出，留一位最为溢出输出；其中Da、Db、Dc分别为A/D转换的输入AD[0]、AD[1]、AD[2]。上述各值均采取多次求平均值的方法求得。

经过上面的采样步骤后，所得的数据通过程序调用微处理器进行滤波处理，形成CAN发送帧，最后发送数据。

数据采样的说明。如果在工作过程中遇到严重短路，即使电流超出14倍In以上时，必须瞬间切断电源，这个任务是依靠断路器中电磁脱扣线圈来完成的，动作时间在0.05秒以内。如果仍是故障状况，但预期过电流的情况在10～14倍In之间，这个电流已经大于正常电动机启动时的冲击电流(一般是7倍In以内)，不允许持续时间过长，所以，断路器动作时限在1～5秒以内，但小于0.02秒的极短暂的冲击不会使断路器动作，这个范围内的动作仍然是依靠电磁脱扣线圈来完成；本发明的传感器响应时间(150毫秒)与采样时间之和在200毫秒以内。

以下是部分采样数据的参数：

时钟周期：1/56MHz＝0.0179μs；

输入电流为工频交流，周期：1/50Hz＝20mS

波特率为250K bps，周期：1/250kHz＝4μs；送一次数据的时间4μs*90＝360uS

满程电流输入时，三路通道电压为2.5V左右，纹波保证200mV以内。

调零调幅中断流程如图6。当按下调试键(“zero”，“span”)2秒后进入调试模式，然后延时20mS后进行数据采集并处理；在数据采集时，读取2工频周期(40mS)时间的数据取平均值；每1mS读数一次，采集210个数据后，延时1.5mS，再次采集20个数据(每2mS读数一次)；将40个数据取平均值作为调零调幅的数据；在采集数据过程中，当检测到最大值(即峰值)时，将其保存在Flash中，用于计算平均值。在正常工作的状态下，每1mS采样一个数据(采样一个周期20mS)，取连续20个数据取平均值送出。计算平均值时，去掉最大值与最小值，从而提高数据的精确度。

CAN总线传输的标准报文帧格式如图7。本发明采用CAN总线传输时，其通信采用的是标准的CAN2.0A报文帧格式，帧的波特率为250Kbps；每帧由7部分组成，分别为：

(1)在标准格式中，报文的起始位称为帧起始SOF(Start Of Frame)，其后是仲裁域。

(2)仲裁域Arbitration File其格式如下：

名称	STID	RTR
			位域	[11:1]	[0]
值	0x19*	0

STID默认值为16进制的0x192，可通过旋转拨码开关修改，修改范围为：0x190-0x19F。11位标识符和远程发送请求位(RTR)组成的仲裁域，RTR位标明是数据帧还是请求帧，在请求帧中没有数据字节。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。

(3)控制域Control File其格式如下：

名称	IDE	RB0	DLC
				位域	[5]	[4]	[3:0]

控制域包括标识符扩展位(IDE)，指出是标准格式还是扩展格式，它还包括一个保留位(RB0)，为将来扩展使用，它的最后四个字节用来指明数据场中数据的长度(DLC)。

(4)数据域Data File

数据域的范围为0～8个字节，其后有一个检测数据错误的循环冗余检查(CRC)。在标准报文帧中，AD[0]的低字节放在数据域的DATA[0]，高字节放在数据域的DATA[1]。同理，AD[1]、AD[2]以及Counter的高、低字节依次放在数据域的DATA[2]-DATA[7]里；三个通道的A/D值共占用了6个字节。Counter是16位的发送计数器，每50ms发送一次数据，同时Counter自增1，溢出自动归零(复位重启也是自动归零)。

(5)CRC域Control File

名称	ACK	DEL
			位域	[1]	[0]
值	*	1

在一帧报文中加入冗余检查位可保证报文正确，接收站通过CRC可判断报文是否有错。

(6)应答域Ack File

名称	CRC	DEL
			位域	[15:1]	[0]
值	0x**	1

应答域(ACK)包括应答位和应答分隔符。发送站发送的这两位均为隐性电平(逻辑1)，这时正确接收报文的接收站发送主控电平(逻辑0)覆盖它。用这种方法，发送站可以保证网络中至少有一个站能正确接收到报文。

(7)帧结尾End of Frame

名称	End of Frame
		位域	[6:0]
值	0x3F

报文的尾部由7位二进制数表示帧结束，默认值为0x3F。

Claims (2)

1.基于交流采样的CAN传输的三相电力电流传感器，包含互感器，其特征在于：设置三个由绕在非磁性材料开口骨架上的空心线圈构成的互感器1、互感器2、互感器3；三个互感器分别连接电力系统的三个相的电流，三个互感器后接入交流采样模块；交流采样模块后的三个相的电压以及参考电压均接入STM32微处理器的A/D转换电路，STM32微处理器的A/D转换电路之后顺序连接CPU处理器和CAN控制器，CAN收发器电路与CAN控制器相连接；STM32微处理器与按键控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于：STM32微控制器的外围电路中，晶振电路模块、复位电路模块、串口通信模块、工作模式选择模块均接入STM32微控制器，电源模块分别与晶振电路模块、复位电路模块、串口通信模块、工作模式选择模块、STM32微控制器、CAN收发器电路相连。

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