CN104113130A - 自备电源控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自备电源控制器，包括控制柜、开关柜和储能仓配电箱；所述控制柜包括CPU核心板、显示操作板、继电器板、转接板、UPS电源和蓄电池，所述显示操作板、继电器板、转接板、UPS电源和蓄电池分别与所述CPU核心板连接，所述UPS电源的输出端与蓄电池输入端连接，所述CPU核心板还分别与所述开关柜、储能仓配电箱连接；本发明的开关柜是自备电源系统各个分系统开关的汇总点，将开关集总到开关柜中，外线先进入柜内主控开关，然后进入分控开关，各分路按其需要进行设置，储能仓配电箱也是由控制柜控制，实现了集中控制和分散管理，实现了管理实现集中控制。

Description

自备电源控制器

 

技术领域

本发明涉及一种自备电源分系统的控制技术领域，具体涉及一种自备电源控制器。

 

背景技术

电源系统由两个分系统组成——自备电源分系统、激光电源分系统。自备电源分系统包括柴油-变频发电机组，拖动-高压发电机组，高压充电器，电力电子变换器组，电源控制器。

电源控制器是自备电源分系统的控制单元，它接收中央控制器的指令或人工控制指令，根据操作指令或中央控制器的命令来控制和协调整个自备电源分系统各部件的动作，记录相应状态和数据并显示。

电源控制器的另一个重要功能是按中央控制器的要求准时控制储能电容器的转换开关及点火器，完成储能电容器的放电过程，输出激光脉冲。

现有技术很难达到对整个系统的集中控制和分散管理。

 

发明内容

本发明的目的是提供一种对自备电源分系统进行集中控制和分散管理的自备电源控制器。

为实现上述目的，本发明设计的自备电源控制器，包括控制柜、开关柜和储能仓配电箱；所述控制柜包括CPU核心板、显示操作板、继电器板、转接板、UPS电源和蓄电池，所述显示操作板、继电器板、转接板、UPS电源和蓄电池分别与所述CPU核心板连接，所述UPS电源的输出端与蓄电池输入端连接，所述CPU核心板还分别与所述开关柜、储能仓配电箱连接；所述CPU核心板包括主控CPU、协处理器以及外设电路，所述主控CPU为DSP主处理器，所述协处理器为FPGA，所述DSP主处理器与所述之间FPGA通过总线的方式进行通信，总线通信方式用于系统大批量信号的处理及控制，所述外设电路包括通信用CAN总线、通过总线外扩的RAM，以及通过SPI串口通信端口外接的EEPROM，还设有外部传感器，外部模拟检测量经过传感器检测后送入DSP的AD口，FPGA用于连接各类信号，FPGA内部进行逻辑控制后将数据传送给DSP，所述外设电路的控制由DSP与FPGA进行数据交流中完成。

在上述技术方案中，所述DSP主处理器包括复位模块，复位模块包括软件复位和硬件复位；所述软件复位采用外部看门狗芯片TPS3823-33DBVR进行复位，在软件运行中，每隔一段时间踢狗，若程序跑飞，在规定的时间间隔内没有踢狗，则看门狗芯片将会产生一个低电平，该低电平进入DSP的复位引脚，引发DSP复位，外部看门狗与DSP内部的看门狗同时起作用；硬件复位为两个线与关系的按键，两个按键信号为线与关系。

在上述技术方案中，所述开关柜用于对自备电源分系统的开关磁阻电机控制器、励磁电源、柴油机、变频发电机、真空泵及高压充电器的开关实现一体化智能控制。

在上述技术方案中，控制柜先控制开关柜的通断情况，再由开关柜决定储能仓配电柜的通断情况，然后由控制柜中的多路I/O信号通过对空气开关的控制，实现控制储能仓配电柜内控制舱配电柜、3路220V/50Hz电源变换器、电网充电器及温控器的通断状况。

本发明的控制柜是整个系统的中枢，采用微程序控制器设计方便，结构简单，修改或扩充都方便，修改一条机器指令的功能，只需重编所对应的微程序；要增加一条机器指令，只需在控制存储器中增加一段微程序。由于本系统的特殊性，系统的调试验证是必不可少的环节，所以本自备电源控制器采用微程序控制器，保证本身内部各器件间正常的工作，以及与总控和下级各模块之间的快速、稳定、准确的通信与控制，实现了对系统的实时监测与控制。

本发明的开关柜是自备电源系统各个分系统开关的汇总点，将开关集总到开关柜中，外线先进入柜内主控开关，然后进入分控开关，各分路按其需要进行设置，便于管理实现集中控制。

储能仓配电箱是自备电源系统的各个电力电子变换器的汇总点，将电源变换器集总到配电箱中，配电箱能够合理的分配电能，方便对电路的开合操作，而且有较高的安全防护等级，能直观的显示电路的导通状态，便于管理，当电路发生故障时也有利于维修。开关柜是由控制柜控制，储能仓配电箱也是由控制柜控制，实现了集中控制和分散管理。

 

附图说明

图1为本发明系统结构框图；

图2为本发明的电源控制器核心控制模块总框图

图3为本发明的储能仓配电柜的接线图。

 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

如图1所示的自备电源控制器，包括控制柜、开关柜和储能仓配电箱；控制柜包括CPU核心板、显示操作板、继电器板、转接板、UPS电源和蓄电池，显示操作板、继电器板、转接板、UPS电源和蓄电池分别与CPU核心板连接，UPS电源的输出端与蓄电池输入端连接，CPU核心板还分别与开关柜、储能仓配电箱连接；CPU核心板包括主控CPU、协处理器以及外设电路，主控CPU为DSP主处理器，协处理器为FPGA，DSP主处理器与之间FPGA通过总线的方式进行通信，总线通信方式用于系统大批量信号的处理及控制，外设电路包括通信用CAN总线、通过总线外扩的RAM，以及通过SPI串口通信端口外接的EEPROM，还设有外部传感器，外部模拟检测量经过传感器检测后送入DSP的AD口，FPGA用于连接各类信号，FPGA内部进行逻辑控制后将数据传送给DSP，外设电路的控制由DSP与FPGA进行数据交流中完成。

DSP主处理器包括复位模块，复位模块包括软件复位和硬件复位；软件复位采用外部看门狗芯片TPS3823-33DBVR进行复位，在软件运行中，每隔一段时间踢狗，若程序跑飞，在规定的时间间隔内没有踢狗，则看门狗芯片将会产生一个低电平，该低电平进入DSP的复位引脚，引发DSP复位，外部看门狗与DSP内部的看门狗同时起作用；硬件复位为两个线与关系的按键，两个按键信号为线与关系。

开关柜用于对自备电源分系统的开关磁阻电机控制器、励磁电源、柴油机、变频发电机、真空泵及高压充电器的开关实现一体化智能控制。

控制柜先控制开关柜的通断情况，再由开关柜决定储能仓配电柜的通断情况，然后由控制柜中的多路I/O信号通过对空气开关的控制，实现控制储能仓配电柜内控制舱配电柜、3路220V/50Hz电源变换器、电网充电器及温控器的通断状况。

控制柜是整个电源控制器的核心,电源控制器对自备电源系统的通信和控制功能由控制柜实现和完成，控制柜根据功能的不同分为以下几个部分。

1、核心控制板

它作为整个控制系统的大脑，包括了主控CPU、协处理器以及相应外设。其总体框图如图2所示，采用DSP作为主处理器，同时采用FPGA作为协处理器，它们之间采用总线的方式进行通信，从而能够胜任整个系统大批量信号的处理及控制。除了搭建了通信用CAN等外设外，还通过总线外扩了RAM，以及应用SPI串口通信端口外接了EEPROM。外部模拟检测量经过传感器检测后送入DSP的AD口。各类信号的连接主要由FPGA完成，在其内部进行逻辑的控制后将数据传送给DSP。外部的一些控制也主要由DSP与FPGA进行数据交流中完成的。

1）、DSP最小系统设计

F2833X 在保持150 MHz时钟速率不变的情况下，新型F2833x浮点控制器与现有数字信号控制器相比，性能平均提高 50%。与作用相当的 32 位定点技术相比，快速傅立叶转换 (FFT) 等复杂计算算法采用新技术后性能提升了一倍之多。

选用TMS320F28335 DSP具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多达18路的PWM输出，其中有6路为TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，12位16通道ADC。与前代DSC相比，平均性能提升50%，并与定点C28x控制器软件兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。DSP处理器TMS320F28335，32位浮点高速数字处理器，最高工作频率150M；DSP片内内置256K * 16位 FLASH，可存放用户程序，FLASH可加密；DSP片内内置 34K * 16位 SRAM；DSP片外扩展 64K * 16位SRAM（基本配置），最大可扩展到512K * 16位。DSP最小系统是指能够使DSP完成基本功能的电路，主要包括供电电路、晶振、看门狗等。

2）电源系统：整个系统所要的电源为5V，±15V，24V。±15V主要为双电源运放供电，完成滤波以及比较斩波功能。24V主要是作为IO通信供电电源。5V为DSP系统供电。此三种电源皆由朝阳电源生产的电源供电。作为电源接入主控板，在其输入端应该接入两个电容：一个容量较大的电解电容，用于平波、稳定电压，即当负载变化时，该电容可以提供稳定的电压，而不影响系统工作；一个容量较小的钽电容，该电容用于滤波，主要滤除电源中的高频成分。

DSP工作时，外设需要的是3.3V电源，核心需要的是1.9V的电源。我们采用TI公司生产的TPS767D301得到这两种电源。该芯片是双输入双输出的电源转换芯片。第一路5V输入，输出可通过分压电阻来进行调节。其中1FB口输出的为参考电压，参考电压为1.1834V；OUT口输出的为输出电压，输出电压大小可用如下公式计算:

第二路5V输入，可直接输出3.3V。

3）、复位电路，主要用于DSP系统的复位，该复位分为软件复位和硬件复位。软件复位是采用看门狗芯片TPS3823-33DBVR进行复位，即外部看门狗电路。在软件运行中，每隔一段时间踢狗。若程序跑飞，在规定的时间间隔内没有踢狗，则看门狗芯片将会产生一个低电平，该低电平进入DSP的复位引脚，引发DSP复位。硬件复位是采用按键进行复位，两个按键信号为线与关系。软件复位的输出通过跳线相连接（P5），这样能够灵活的禁止和启用外部看门狗。外部看门狗与DSP内部的看门狗同时起作用，这使系统拥有了双重保险，增强系统的抗干扰能力。

4）、控制柜中的UPS电源，即不间断电源，是一种以逆变器为主要组成部分的直流稳压不间断电源，用于给控制柜提供不间断的电源供应。当电网或者柴油发电机组供电正常时，UPS将输入电压经过电力电子变换器转换成5V、±15V、24V的直流控制用电源供给控制柜使用，此时的UPS就是一台直流稳压电源，同时它还向控制柜内的蓄电池充电。

本发明电源控制器的UPS电源采用外购朝阳电源的4NIC-UPS121W一体化UPS电源。

5）、蓄电池，当事故停电导致电网中断或者柴油发电机组无法供电时，切换为蓄电池输出24V直流电给控制柜供电，使负载能够维持正常工作一定的时间，以使控制柜能够紧急处理一些突发故障，并保护系统软、硬件不受损坏。蓄电池关键参数之一蓄电池容量的计算如下：

设定UPS负载功率为120W，蓄电池需要输出电压为24V，蓄电池后备时间至少为30min。根据最大放电电流确定蓄电池容量。

然后，根据所选的蓄电池组的后备时间，查出所需的电池组的放电速率值，自备电源的开关柜属于低压开关柜，是由一个或多个低压开关设备和与之相关的控制、保护、测量、信号、调节等设备，由制造厂家负责完成所有内部电气和机械的连接，用结构部件完整地组装在一起的一种组合。开关柜是由各种高低压开关、接触器、继电器等组成的配电柜，在电源控制器的控制下完成对电能的分配与控制。对电网或者是柴油发电机组输入的电能分接到各部件的输入端，对输出的电能根据工作方式和工作模式的不同，把各种不同的负载转接到相应的输出端子上。

开关柜从断路器的安装方式上分，主要有固定式和抽出式两种结构。其中，抽出式低压开关柜以其功能单元空间利用率高、柜内出线回路多、相同规格的抽屉可灵活互换的优点，在低压成套设备中得到了广泛的应用，无论是产量、品种和电气性能都超过了固定柜。

电源控制器采用智能化的主断路器实现对开关柜的智能化控制，这种断路器一般有四个单元组成:保护单元、电流计量单元(或信号单元) 、控制单元和对话单元。利用绝缘隔板或接地的金属隔板将柜体分成若干个功能隔室，一般包括: 母线室(装设水平母线的空间)、电器室(装设功能单元的空间)、电缆室(电缆进出线间)。

开关柜实现对自备电源分系统的开关磁阻电机控制器、励磁电源、柴油机、变频发电机、真空泵及高压充电器的开关实现一体化智能控制，主要完成这些功能：智能保护功能:长延时、短延时、瞬时过流保护,单相接地保护、负载监控保护、漏电保护等。

测量显示功能:可对相电流、相电压、线电压等参数进行测量并在控制柜上显示, 也可通过标准的CAN接口将数据传输到中央控制室显示。

通信功能:通过I/O接口与控制柜连接,可在控制柜上对开关柜进行遥控(如合闸、分闸等)，开关柜将状态反馈给控制柜。

控制柜通过一路输出I/O信号完成对开关柜的断路器的合闸、分闸的控制，另外，有一路输入I/O信号反馈开关柜的状态。

电源控制器的储能仓配电柜完成和开关柜相似的功能，如图3所示为储能仓配电柜的接线图。由于车载系统的特殊结构布局，将储能仓中的配电柜单独做成一个单元作为电源控制器的一个分单元。此时先由控制柜控制开关柜的通断情况，再由开关柜决定储能仓配电柜的通断情况，然后由控制柜中的多路I/O信号控制储能仓配电柜内的各个分部件的通断状况，包括，控制舱配电柜、3路220V/50Hz电源变换器、电网充电器及温控器。这些信号主要是对空气开关的控制。

Claims (4)

1.一种自备电源控制器，其特征在于：包括控制柜、开关柜和储能仓配电箱；

所述控制柜包括CPU核心板、显示操作板、继电器板、转接板、UPS电源和蓄电池，所述显示操作板、继电器板、转接板、UPS电源和蓄电池分别与所述CPU核心板连接，所述UPS电源的输出端与蓄电池输入端连接，所述CPU核心板还分别与所述开关柜、储能仓配电箱连接；

所述CPU核心板包括主控CPU、协处理器以及外设电路，所述主控CPU为DSP主处理器，所述协处理器为FPGA，所述DSP主处理器与所述之间FPGA通过总线的方式进行通信，总线通信方式用于系统大批量信号的处理及控制，所述外设电路包括通信用CAN总线、通过总线外扩的RAM，以及通过SPI串口通信端口外接的EEPROM，还设有外部传感器，外部模拟检测量经过传感器检测后送入DSP的AD口，FPGA用于连接各类信号，FPGA内部进行逻辑控制后将数据传送给DSP，所述外设电路的控制由DSP与FPGA进行数据交流中完成。

2.根据权利要求1所述的自备电源控制器，其特征在于：所述DSP主处理器包括复位模块，复位模块包括软件复位和硬件复位；所述软件复位采用外部看门狗芯片TPS3823-33DBVR进行复位，在软件运行中，每隔一段时间踢狗，若程序跑飞，在规定的时间间隔内没有踢狗，则看门狗芯片将会产生一个低电平，该低电平进入DSP的复位引脚，引发DSP复位，外部看门狗与DSP内部的看门狗同时起作用；硬件复位为两个线与关系的按键，两个按键信号为线与关系。

3.根据权利要求1所述的自备电源控制器，其特征在于：所述开关柜用于对自备电源分系统的开关磁阻电机控制器、励磁电源、柴油机、变频发电机、真空泵及高压充电器的开关实现一体化智能控制。

4.根据权利要求1所述的自备电源控制器，其特征在于：所述控制柜先控制开关柜的通断情况，再由开关柜决定储能仓配电柜的通断情况，然后由控制柜中的多路I/O信号通过对空气开关的控制，实现控制储能仓配电柜内控制舱配电柜、3路220V/50Hz电源变换器、电网充电器及温控器的通断状况。