CN105680673A - 基于微控制器实现的三相交流固态开关控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于微控制器实现的三相交流固态开关控制方法，其特征在于，包括以下步骤：一、微控制器收到上位机发送的开关命令，设定高电平表示开通命令，低电平表示关断命令，将开关命令与故障信号进行与逻辑运算得到开关信号CMD，设定故障信号低电平表示有故障，高电平表示无故障，开关命令与故障信号同为高电平时，输出的开关信号CMD为高电平，否则为低电平。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于微控制器实现的三相交流固态开关控制方法，属于电力电子与电工技术领域。
背景技术
固态开关是随着飞机配电系统的发展应运而生的，其集继电器的转换功能与断路器的保护功能于一体，是与飞机固态配电系统相配套的控制通断的开关装置。在交流配电系统中，为了抑制固态功率开关在开通过程中的电流应力、关断过程的电压应力以及其对供电系统和环境的电磁干扰，要求交流固态功率开关实现零电压开通和零电流关断，并且在发生过流或者短路时也能够可靠的工作。
现有交流固态开关功率回路多采用两个功率管背靠背相连的方式，参阅图1，功率回路包括一上功率管MOS1、一下功率管MOS2以及一个用于检测电流的检测电阻。上功率管MOS1和下功率管MOS2通过检测电阻反串联，下功率管MOS2的源极作为硬件控制电路的参考地，漏极作为功率输出端POWEROUT连接交流的一端，交流的另一端连接电源地；上功率管MOS1漏极连接电源输入端，控制电路检测电压和电流信号并发送两个功率管的控制信号。
通过控制电路控制两个功率管MOS1和MOS2的开通关断，从而实现交流固态开关的开通关断。目前交流固态开关控制电路多采用纯模拟器件时器件繁多、逻辑控制电路复杂，尤其单相交流固态功率开关组合为三相交流固态功率开关时，并且需要额外增加同步控制电路；智能化程度不高，固态开关是一种智能化设备，需可以与上位机进行信息交互，采用模拟器件其无法直接与上位机交互。
发明内容
本发明涉及一种基于微控制器实现的三相交流固态开关控制方法，解决现有技术中器件繁多、逻辑控制电路复杂、智能化程度不高等问题。本发明在保证三相交流固态开关功能实现的前提下，将交流固态开关“零电压开通、零电流关断”驱动控制电路、保护电路、状态判断、三相同步控制电路等集成于微处理器，减小器件数量以及电路的复杂度，提高其智能化程度以及系统适应性。
本发明提供了一种基于微控制器实现的三相交流固态开关控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、微控制器收到上位机发送的开关命令，设定高电平表示开通命令，低电平表示关断命令，将开关命令与故障信号进行与逻辑运算得到开关信号CMD，设定故障信号低电平表示有故障，高电平表示无故障，开关命令与故障信号同为高电平时，输出的开关信号CMD为高电平，否则为低电平；
设置触发器1和触发器2，将经过与逻辑运算得到的开关信号CMD发送给触发器1和触发器2，触发器1将输出信号发送至上功率管MOS1的开关控制信号DRIVE+，触发器2的输出信号发送至连接下功率管MOS2的开关控制信号DRIVE-，触发器触发时输出信号等于输入信号，即将开关信号CMD发出；
二、判断开关信号CMD是否为高电平，即开关信号CMD是否为开通命令：
1、若判断开关信号CMD为高电平，则表示为开通命令，通过判断电源电压是否在正半周确定上功率管MOS1和下功率管MOS2的开关顺序：
①若判断电源电压在正半周，则立即给触发器2触发脉冲，下功率管MOS2的控制信号DRIVE-等于开关信号CMD，置为高电平，即开通下功率管MOS2，接着等待电源电压跳变到负半周，检测电源电压跳变到负半周时，给触发器1触发脉冲，上功率管MOS1的控制信号DRIVE+等于开关信号CMD，置为高电平，即开通上功率管MOS1，此时完全开通；
②若判断电源电压在负半周，则立即给触发器1触发脉冲，上功率管MOS1的控制信号DRIVE+等于开关信号CMD，置为高电平，即开通上功率管MOS1，接着等待电源电压跳变到正半周，当检测到电源电压跳变到正半周时，给触发器2触发脉冲，下功率管MOS1的控制信号DRIVE-等于开关信号CMD，置为高电平，即开通下功率管MOS2，此时完全开通；
2、若判断开关信号CMD为低电平，则表示为关断命令，首先判断此时上功率管MOS1和下功率管MOS2内是否有电流，若无电流，则根据步骤1中通过电源电压判定上功率管MOS1和下功率管MOS2的开关顺序，只是在触发器1和触发器2接收到触发脉冲时，触发器1和触发器2输出为低电平；若上功率管MOS1和下功率管MOS2内有电流，则功率管MOS1和下功率管MOS2的开关顺序取决于电流，判断电流是否在正半周：
1)若判断电流在正半周，则立即触发器2触发脉冲，下功率管MOS2的控制信号DRIVE-等于开关信号CMD，置为低电平，即关断下功率管MOS2，接着等待电流跳变到负半周，当检测到电流跳变到负半周时，给触发器1触发脉冲，上功率管MOS1的控制信号DRIVE+等于开关信号CMD，置为低电平，即关断上功率管MOS1，此时完全关断；
2)若判断电流在负半周，则给触发器1触发脉冲，上功率管MOS1的控制信号DRIVE+等于开关信号CMD，置为低电平，即关断上功率管MOS1，接着等待电源电压跳变到正半周，当检测到电流跳变到正半周时，给触发器2触发脉冲，下功率管MOS1的控制信号DRIVE-等于开关信号CMD，置为低电平，即关断下功率管MOS2，此时完全关断。
进一步的，故障信号包括过流、过压、欠压、过温、短路产生的情况。
微处理器通过串行通讯接收上位机命令，与检测的电源电压、电流以及故障信号进行逻辑综合运算，实现自然过零开通的“零电压开通、零电流关断”控制，即按一定的次序开通两个功率管；微处理器综合三相各自工作状态，实现三相同步控制，三相接收相同的控制命令，当其中一相发生故障时，另两相也快速关断，并且可在线控制实现单相工作与三相工作的状态切换。
本发明的一种基于微控制器实现的三相交流固态开关控制方法，具有以下优点：
(1)集成度高，减小器件数量以及电路的复杂度；
(2)软件实现“零电压开通、零电流关断”控制策略；
(3)抑制交流固态开关开关过程中的电流冲击和电压应力。
(4)可在单相工作与三相工作状态之间在线切换；
本发明可应用于交流供配电系统。
附图说明
图1交流固态开关功率回路；
图2三相交流固态开关总体原理框图；
图3三相交流固态开关总体运行流程；
图4零电压开通、零电流关断控制流程；
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
图3为三相交流固态开关总体运行流程图，即同步时序关系。微控制器接收上位机命令，判断是否为开关命令，若是，则执行“零电压开通、零电流关断”的开关程序，若不是，则执行相应的命令；接着检测每相的故障置为信号，判断是否发生故障，只需发现其中一相发生故障，则三相都执行关断命令程序。
图4所示为“零电压开通、零电流关断”控制策略的实现流程图，由于三相的控制策略一致，本发明只介绍其中一相，本发明实现的是自然过零通断的策略，即依次开通或关断上功率管MOS1和下功率管MOS2，其控制过程如下：
一种基于微控制器实现的三相交流固态开关控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、微控制器收到上位机发送的开关命令，设定高电平表示开通命令，低电平表示关断命令，将开关命令与故障信号进行与逻辑运算得到开关信号CMD，设定故障信号低电平表示有故障，高电平表示无故障，开关命令与故障信号同为高电平时，输出的开关信号CMD为高电平，否则为低电平；
设置触发器1和触发器2，将经过与逻辑运算得到的开关信号CMD发送给触发器1和触发器2，触发器1将输出信号发送至上功率管MOS1的开关控制信号DRIVE+，触发器2的输出信号发送至连接下功率管MOS2的开关控制信号DRIVE-，触发器触发时输出信号等于输入信号，即将开关信号CMD发出；
二、判断开关信号CMD是否为高电平，即开关信号CMD是否为开通命令：
1、若判断开关信号CMD为高电平，则表示为开通命令，通过判断电源电压是否在正半周确定上功率管MOS1和下功率管MOS2的开关顺序：
①若判断电源电压在正半周，则立即给触发器2触发脉冲，下功率管MOS2的控制信号DRIVE-等于开关信号CMD，置为高电平，即开通下功率管MOS2，接着等待电源电压跳变到负半周，检测电源电压跳变到负半周时，给触发器1触发脉冲，上功率管MOS1的控制信号DRIVE+等于开关信号CMD，置为高电平，即开通上功率管MOS1，此时完全开通；
②若判断电源电压在负半周，则立即给触发器1触发脉冲，上功率管MOS1的控制信号DRIVE+等于开关信号CMD，置为高电平，即开通上功率管MOS1，接着等待电源电压跳变到正半周，当检测到电源电压跳变到正半周时，给触发器2触发脉冲，下功率管MOS1的控制信号DRIVE-等于开关信号CMD，置为高电平，即开通下功率管MOS2，此时完全开通；
2、若判断开关信号CMD为低电平，则表示为关断命令，首先判断此时上功率管MOS1和下功率管MOS2内是否有电流，若无电流，则根据步骤1中通过电源电压判定上功率管MOS1和下功率管MOS2的开关顺序，只是在触发器1和触发器2接收到触发脉冲时，触发器1和触发器2输出为低电平；若上功率管MOS1和下功率管MOS2内有电流，则功率管MOS1和下功率管MOS2的开关顺序取决于电流，判断电流是否在正半周：
1)若判断电流在正半周，则立即触发器2触发脉冲，下功率管MOS2的控制信号DRIVE-等于开关信号CMD，置为低电平，即关断下功率管MOS2，接着等待电流跳变到负半周，当检测到电流跳变到负半周时，给触发器1触发脉冲，上功率管MOS1的控制信号DRIVE+等于开关信号CMD，置为低电平，即关断上功率管MOS1，此时完全关断；
2)若判断电流在负半周，则给触发器1触发脉冲，上功率管MOS1的控制信号DRIVE+等于开关信号CMD，置为低电平，即关断上功率管MOS1，接着等待电源电压跳变到正半周，当检测到电流跳变到正半周时，给触发器2触发脉冲，下功率管MOS1的控制信号DRIVE-等于开关信号CMD，置为低电平，即关断下功率管MOS2，此时完全关断。
图2为三相交流固态开关的总体原理框图，包括微处理器控制模块、隔离控制接口、硬件控制模块以及功率回路。微处理器一端通过通讯接口与上位机连接；一端连接隔离控制接口，接收由硬件控制模块上传的电源电压信号、电流信号、温度信号、短路故障信号，并且通过隔离接口发送上功率管MOS1和下功率管MOS2的开关控制信号DRIVE+和DRIVE-至硬件控制模块。各相硬件控制模块通过隔离控制接口接收上位机的开关控制命令以及上传自己的数据，A相上传A相电源电压、A相电流、A相温度和A相短路故障信号，接收上管MOS1开关控制信号A_DRIVE+、下管MOS2开关控制信号A_DRIVE-；B相上传B相电源电压、B相电流、B相温度和B相短路故障信号，接收上管MOS1开关控制信号B_DRIVE+、下管MOS2开关控制信号B_DRIVE-；C相上传C相电源电压、C相电流、C相温度和C相短路故障信号，接收上管MOS1开关控制信号C_DRIVE+、下管MOS2开关控制信号C_DRIVE-。A相功率回路一端分别连接A相电源输入，另一端连接A相的交流；B相功率回路一端分别连接B相电源输入，另一端连接B相的交流；C相功率回路一端分别连接C相电源输入，另一端连接C相的交流。
Claims (2)
1.基于微控制器实现的三相交流固态开关控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、微控制器收到上位机发送的开关命令，设定高电平表示开通命令，低电平表示关断命令，将开关命令与故障信号进行与逻辑运算得到开关信号CMD，设定故障信号低电平表示有故障，高电平表示无故障，开关命令与故障信号同为高电平时，输出的开关信号CMD为高电平，否则为低电平；
设置触发器1和触发器2，将经过与逻辑运算得到的开关信号CMD发送给触发器1和触发器2，触发器1将输出信号发送至上功率管MOS1的开关控制信号DRIVE+，触发器2的输出信号发送至连接下功率管MOS2的开关控制信号DRIVE-，触发器触发时输出信号等于输入信号，即将开关信号CMD发出；
二、判断开关信号CMD是否为高电平，即开关信号CMD是否为开通命令：
(1)、若判断开关信号CMD为高电平，则表示为开通命令，通过判断电源电压是否在正半周确定上功率管MOS1和下功率管MOS2的开关顺序：
①若判断电源电压在正半周，则立即给触发器2触发脉冲，下功率管MOS2的控制信号DRIVE-等于开关信号CMD，置为高电平，即开通下功率管MOS2，接着等待电源电压跳变到负半周，检测电源电压跳变到负半周时，给触发器1触发脉冲，上功率管MOS1的控制信号DRIVE+等于开关信号CMD，置为高电平，即开通上功率管MOS1，此时完全开通；
②若判断电源电压在负半周，则立即给触发器1触发脉冲，上功率管MOS1的控制信号DRIVE+等于开关信号CMD，置为高电平，即开通上功率管MOS1，接着等待电源电压跳变到正半周，当检测到电源电压跳变到正半周时，给触发器2触发脉冲，下功率管MOS1的控制信号DRIVE-等于开关信号CMD，置为高电平，即开通下功率管MOS2，此时完全开通；
(2)、若判断开关信号CMD为低电平，则表示为关断命令，首先判断此时上功率管MOS1和下功率管MOS2内是否有电流，若无电流，则根据步骤1中通过电源电压判定上功率管MOS1和下功率管MOS2的开关顺序，只是在触发器1和触发器2接收到触发脉冲时，触发器1和触发器2输出为低电平；若上功率管MOS1和下功率管MOS2内有电流，则功率管MOS1和下功率管MOS2的开关顺序取决于电流，判断电流是否在正半周：
1)若判断电流在正半周，则立即触发器2触发脉冲，下功率管MOS2的控制信号DRIVE-等于开关信号CMD，置为低电平，即关断下功率管MOS2，接着等待电流跳变到负半周，当检测到电流跳变到负半周时，给触发器1触发脉冲，上功率管MOS1的控制信号DRIVE+等于开关信号CMD，置为低电平，即关断上功率管MOS1，此时完全关断；
2)若判断电流在负半周，则给触发器1触发脉冲，上功率管MOS1的控制信号DRIVE+等于开关信号CMD，置为低电平，即关断上功率管MOS1，接着等待电源电压跳变到正半周，当检测到电流跳变到正半周时，给触发器2触发脉冲，下功率管MOS1的控制信号DRIVE-等于开关信号CMD，置为低电平，即关断下功率管MOS2，此时完全关断。
2.根据权利要求1所述的基于微控制器实现的三相交流固态开关控制方法，其特征在于，故障信号包括过流、过压、欠压、过温、短路产生的情况。
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