CN108181850A - 一种隔离控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离控制系统，用于高压电源侧和低压用户侧的隔离，包括微控制电路、电源电路、电压测量电路、过零检测电路、可控硅电路和光耦通信电路；其中，微控制电路用于将电压测量电路和过零检测电路获取到的高压电源信息通过光耦通信电路传送给用户侧，以及通过光耦通信电路接收用户侧发来的数据信号驱动可控硅电路中对应可控硅的触发。将本隔离控制系统应用于各类电器产品中，可有效减少了电器元件的数量和占用空间。

Description

一种隔离控制系统

技术领域

本发明涉及控制技术领域，尤其涉及一种隔离控制系统。

背景技术

鉴于安全因素的考虑，在许多电器产品的生产制造中，会要求其用户操作侧和输入的高压电源侧隔离，并且要求电器产品在较宽的电压和频率范围内保持稳定的参数输出。如，在200V～250V/50Hzh～60Hz高压电源的电压和频率范围内，电器产品的温度、流量等参数仍能保持在稳定的范围内。又或者，要求电器产品只有在给定的电压和频率范围内才正常工作，以保证其在宽泛的工作环境下输出稳定的性能参数。

为了对电器产品工作时输入的高压电源得到准确可靠的监控，电器产品的隔离控制系统一般都包含有电压测量、过零检测的功能，现有技术中的电压测量通常是采用电压传感器或电压互感器来实现，过零检测通常是采用线性光耦来实现。用户侧的微控制电路根据上述电器元件获取到的高压电源信息计算得到当前可控硅正常工作所需的输出功率后通过过零型双向可控硅输出光耦驱动对应的可控硅工作。现有技术的隔离控制系统包括的电器元件数量较多，增加了制造成本以及增大了控制板所占面积，不利于电器产品的小型化设计。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种隔离控制系统，用于高压电源侧和低压用户侧的隔离，隔离控制系统包括微控制电路、电源电路、电压测量电路、过零检测电路、可控硅电路和光耦通信电路；

高压电源的输出端分别与电源电路的输入端、电压测量电路的输入端、过零检测电路的输入端连接，电源电路的输出端、电压测量电路的输出端、过零检测电路的输出端分别与微控制电路的输入端连接，微控制电路的输出端与可控硅电路的输入端连接，微控制电路与光耦通信电路通信连接，光耦通信电路的输出端与用户侧通信连接；

微控制电路，用于将电压测量电路和过零检测电路获取到的高压电源信息通过光耦通信电路传送给用户侧，以及通过光耦通信电路接收用户侧发来的数据信号驱动可控硅电路中对应可控硅的触发。

进一步地，电压测量电路采用电阻分压式结构。

进一步地，电压测量电路包括第一测量电阻、第二测量电阻、第三测量电阻、第四测量电阻、第一测量电容和第一测量二极管；其中，第一测量电阻、第二测量电阻、第三测量电阻依次串联，第一测量电阻的第一端作为电压测量电路的输入端与高压电源的火线端连接，第三测量电阻的第二端作为电压测量电路的输出端与微控制电路连接；

第一测量二极管的负极与高压电源的零线端连接，第一测量二极管的正极与第二测量电阻的第二端连接；

第四测量电阻的第一端、第一测量电容的第一端与第二测量电阻的第二端连接，第四测量电阻的第二端、第一测量电容的第二端与电源电路的输出端连接。

进一步地，电压测量电路用于获取高压电源的电压有效值，高压电源的电压有效值为根据高压电源的半波采样值通过均方根计算得到。

进一步地，高压电源的电压有效值为根据高压电源的半波采样值通过均方根计算得到包括步骤：

设置采样时间间隔T0/N，T0为高压电源信号的半波周期，N为半波采样数目；

对过零信号时刻后的第i个采样时刻的高压电源采样M次，得到第i个采样时刻对应的M个电压瞬时值，1≤i≤N，M为自然数；

根据第i个采样时刻对应的M个电压瞬时值计算得到第i个采样时刻对应的电压平均值；

根据N个采样时刻对应的N个电压平均值进行积分运算得到电压积分值，再对电压积分值开平方得到高压电源的电压有效值。

进一步地，过零检测电路包括第一检测电阻、第二检测电阻、第三检测电阻、第四检测电阻、第一检测电容、第二检测电容、第一检测二极管和第二检测二极管；其中，

第一检测电阻、第二检测电阻、第三检测电阻依次串联，第一检测电阻的第一端作为过零检测电路的输入端与高压电源的火线端连接，第三检测电阻的第二端作为过零检测电路的输出端与微控制电路连接；

第一检测电容与第二检测电阻并联；

第一检测二极管的负极与第四检测电阻的第一端并联后与高压电源的零线端连接，第一检测二极管的正极、第四检测电阻的第二端与第二检测电阻的第二端连接；

第二检测二极管的负极、第二检测电容的第一端与第二检测电阻的第二端连接，第二检测二极管的正极与第二检测电容的第二端并联后与电源电路的输出端连接。

进一步地，光耦通信电路包括过零信号光耦、发射信号光耦和接收信号光耦；其中，

过零信号光耦，用于将微控制电路获取到的高压电源的过零信息传送给用户侧；

发射信号光耦，用于将微控制电路获取到的其他数据信号传送给用户侧；

接收信号光耦，用于接收用户侧的数据信号并传送给微控制电路。

进一步地，过零信号光耦、发射信号光耦和接收信号光耦均采用线性光耦PC817C。

进一步地，微控制电路采用MCU芯片。

在本发明提出的隔离控制系统中，增设了一个与用户侧微处理电路配合工作的微处理电路，通过微控制电路、电压测量电路、过零检测电路、可控硅电路和光耦通信电路的协同工作替代了现有技术中电压传感器/电压互感器/带放大器的线性测量光耦等的使用。用户侧计算得到的可控硅的工作状态是通过光耦通信电路传送给微控制电路，再由微控制电路通过接口直接控制对应可控硅的工作。可见，在本技术方案中，驱动对应可控硅的工作不需要对应数量的过零型双向可控硅输出光耦线性光耦，相较于现有的隔离控制系统，减少了电器元件的数量和占用空间。

本发明提出的隔离控制系统可广泛应用于高压电源侧与低压用户侧需要隔离的上述各类电器产品中。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是一个实施例中一种隔离控制系统的结构示意图；

图2是一个实施例中电压测量电路的结构示意图；

图3是一个实施例中过零检测电路的结构示意图；

图4是一个实施例中MCU芯片引脚的连接示意图；

图5是一个实施例中高压电源的电压有效值计算示意图(N＝16)。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如前所述的，现有技术的隔离控制系统中，包含有特定数量的可控硅，那么对应地，就需要使用相同数量的过零型双向可控硅输出光耦分别驱动各个可控硅工作。这样，使用的过零型双向可控硅输出光耦耦数目会随着使用的可控硅数目的增多而增多，电器元件数目的增多不仅导致制造成本增加还会导致控制板的面积增大，以及还要增加许多其他电器元件来匹配电压波形及量程，导致隔离控制系统的设计过于复杂化。

鉴于此，特提出一种隔离控制系统10，用于电器产品中高压电源侧和低压用户侧的隔离，参见图1是一个实施例中一种隔离控制系统的结构示意图。本隔离控制系统10包括微控制电路110、电源电路120、电压测量电路130、过零检测电路140、可控硅电路150和光耦通信电路160；其中，高压电源的输出端分别与电源电路120的输入端、电压测量电路130的输入端、过零检测电路140的输入端连接，电源电路120的输出端、电压测量电路130的输出端、过零检测电路140的输出端分别与微控制电路110的输入端连接，微控制电路110的输出端与可控硅电路150的输入端连接，微控制电路110与光耦通信电路160通信连接，光耦通信电路160的输出端与用户侧通信连接。

电源电路120，用于输出稳定的直流电(如-5V)提供给微控制电路110工作使用。由于电源电路120的输入端与高压电源的零线端连接，因而，可以将此作为电压测量电路130和过零检测电路140工作时的参考电压。

电压测量电路130，用于测量输入的高压电源的电压。

过零检测电路140，用于检测高压电源的电压过零点。该电压过零点信息可进一步用于获取高压电源的频率信息以及作为本隔离控制系统10工作的时间基准。

可控硅电路150，包括若干用于调整电器产品工作参数的可控硅。例如，可控硅电路150包括发热体可控硅、电磁泵可控硅、电磁阀可控硅。

光耦通信电路160，用于微控制电路110与用户侧之间进行通信。

微控制电路110，用于将电压测量电路130和过零检测电路140获取到的高压电源信息通过光耦通信电路160传送给用户侧，以及通过光耦通信电路160接收用户侧发来的数据信号控制可控硅电路150的工作。

具体地，微控制电路110将获取到的高压电源的电压和频率信息通过光耦通信电路160发送给用户侧，用户侧基于接收到的高压电源信息计算得到当前可控硅正常工作所需的输出功率等相关信息后再将该相关信息通过光耦通信电路160发送给微控制电路110，微控制电路110根据接收到的相关信息控制可控硅电路150中对应可控硅的开和关。如此，即实现了高压电源侧与低压用户侧之间数据通信的安全隔离。

若将用户侧的微处理电路称为主微控制电路，本隔离控制系统内的微控制电路称为从微控制电路，可见，从微控制电路分担了现有技术中主微控制电路进行电压测量和可控硅过零触发的任务。由于从微控制电路直接与电压测量电路、过零检测电路和可控硅电路相连，因而，能在较短的时间内获取有效信息以及完成需求响应，避免因延迟产生EMI(Electro Magnetic Interference)干扰信号。

在另一个实施例中，电压测量电路130采用电阻分压式结构。参见图2是一个实施例中电压测量电路的结构示意图,电压测量电路130包括第一测量电阻RA40、第二测量电阻RA41、第三测量电阻RA42、第四测量电阻RA43、第一测量电容CA33和第一测量二极管DA12。具体的连接关系包括：

第一测量电阻RA40、第二测量电阻RA41、第三测量电阻RA42依次串联，第一测量电阻RA40的第一端作为电压测量电路130的输入端与高压电源的火线端LA连接，第三测量电阻RA42的第二端作为电压测量电路130的输出端与微控制电路110的电压测量输入端V_Check连接；

第一测量二极管DA12的负极与高压电源的零线端N连接，第一测量二极管DA12的正极与第二测量电阻RA41的第二端连接；

第四测量电阻RA43的第一端、第一测量电容CA33的第一端与第二测量电阻RA41的第二端连接，第四测量电阻RA43的第二端、第一测量电容CA33的第二端并联后与电源电路120的输出端连接。

其中，第一测量电阻RA40、第二测量电阻RA41、第三测量电阻RA42、第四测量电阻RA43在电压测量电路130中起到保护及分压作用。

本电压测量电路130通过采用电阻分压这种简单直接的方式，不需要额外转化电路，因而，实现起来也方便可靠。

在另一个实施例中，参见图3是一个实施例中过零检测电路的结构示意图,过零检测电路140包括第一检测电阻RA26、第二检测电阻RA27、第三检测电阻RA28、第四检测电阻RA25、第一检测电容CA22、第二检测电容CA27、第一检测二极管D12A和第二检测二极管D12B。具体的连接关系包括：

第一检测电阻RA26、第二检测电阻RA27、第三检测电阻RA28依次串联，第一检测电阻RA26的第一端作为过零检测电路140的输入端与高压电源的火线端LA连接，第三检测电阻RA28的第二端作为过零检测电路140的输出端与微控制电路110的过零检测输入端szero连接；

第一检测电容CA22与第二检测电阻RA27并联；

第一检测二极管DA12的负极与第四检测电阻RA25的第一端并联后与高压电源的零线端N连接，第一检测二极管DA12的正极、第四检测电阻RA25的第二端与第二检测电阻RA27的第二端连接；

第二检测二极管D12B的负极、第二检测电容CA27的第一端与第二检测电阻RA27的第二端连接，第二检测二极管D12B的正极与第二检测电容CA27的第二端并联后与电源电路120的输出端连接。

其中，第一检测电阻RA26、第二检测电阻RA27在过零检测电路140中起到隔离保护的作用。

在另一个实施例中，光耦通信电路160包括过零信号光耦、发射信号光耦和接收信号光耦。其中，过零信号光耦，用于将微控制电路110获取到的高压电源的过零信息传送给用户侧；发射信号光耦，用于将微控制电路110获取到的其他数据信号传送给用户侧；接收信号光耦，用于接收用户侧的数据信号并传送给微控制电路110。优选地，过零信号光耦、发射信号光耦和接收信号光耦均可采用线性光耦PC817C。

许多家用及商用电器产品，比如个人护理类、健身保健类、厨房电器类电器产品，都需要达到安全的电压测量，以及输出功率跟随高压电源的变化而自行调整的要求。下面以本隔离控制系统应用于某款咖啡机的实例来对本隔离控制系统在电压测量、可控硅过零触发、数据传送三个方面的工作过程进行说明。容易理解地是，本发明提出的隔离控制系统还可以应用在有类似要求及功能的其他电器产品中。

该款咖啡机的高压电源侧和低压用户侧之间相互隔离，且产出的咖啡温度和流量不能因高压电源的电压波动而超出误差范围。其中，可控硅电路包括6个可控硅，具体为：第一发热体可控硅、第二发热体可控硅、电磁泵可控硅、第一电磁阀可控硅和第二电磁阀可控硅、自动关机电磁线圈可控硅。

本隔离控制系统中的微控制电路采用型号为uPD78F9224的MCU芯片，参见图4是一个实施例中MCU芯片引脚的连接示意图，具体连接关系包括：

引脚Vss与电源电路120的输出端、稳压电容C31的第一端、解耦电容CA23的第一端连接，引脚AVREF与稳压电容C31的第二端、解耦电容CA23的第二端连接，引脚P20/ANI0与电压测量电路130的输出端连接，引脚P30/TI000/INTP0与过零检测电路140的输出端连接，引脚P123与第一发热体可控硅接口Q1_GATE连接，引脚P40与第二发热体可控硅接口Q2_GATE连接，引脚P45与电磁泵可控硅接口Q3_GATE连接，引脚P23/ANI3与第一电磁阀可控硅接口Q4_GATE连接，引脚P22/ANI2与第二电磁阀可控硅接口Q5_GATE连接，引脚P21/ANI1与自动关机电磁线圈可控硅接口APO_GATE连接，引脚P44/RxD6与接收信号光耦连接，引脚P43/TxD6/INTP1与发送信号光耦连接。

(一)电压测量

过零检测电路检测到的电压过零信号为电压测量提供了采样点和测量窗口的时间基点。为方便运算，本实施例中采用简化的RMS(均方根)方式进行电压测量，利用定时中断对高压电源正弦波的半个周期进行等时间间隔采样，根据高压电源的半波采样值通过均方根计算得到高压电源的电压有效值，具体包括：

S210、设置采样时间间隔T0/N，T0为高压电源信号的半波周期，即高压电源正弦波两个相邻过零点间的时间间隔，N为半波采样数目；

S230、在过零信号时刻后的第i个采样时刻t_i对高压电源采样M次，得到第i个采样时刻对应的M个电压瞬时值；其中，1≤i≤N，M为自然数，如M＝8；

S250、对第i个采样时刻t_i对应的M个电压瞬时值进行滤波处理得到第i个采样时刻t_i对应的电压平均值；

S270、根据N个采样时刻对应的N个电压平均值进行积分运算得到电压积分值，再对电压积分值开平方即得到高压电源的电压有效值。

参见图5是一个实施例中高压电源的电压有效值计算示意图(N＝16)，对N个采样时刻对应的N个电压平均值进行积分运算即是计算图5中N个竖框的面积和，其中，第i个竖框的底为T0/N，高为第i个采样时刻t_i对应的电压平均值。

采样点数目的多少和电压测量精度有关，理论上增加采样点数目会提高电压测量精度，但采样点数目太多会增加微控制电路20的运算负荷，进而影响其他任务，优选地，16≤N≤32。

(二)可控硅过零触发

当过零检测电路检测到过零信号时，通知微控制电路进入中断服务程序，微控制电路根据用户侧发来的当前可控硅的开关状态对第一发热体可控硅接口Q1_GATE、第二发热体可控硅接口Q2_GATE、电磁泵可控硅接口Q3_GATE、第一电磁阀可控硅接口Q4_GATE、第二电磁阀可控硅接口Q5_GATE和自动关机电磁线圈可控硅接口APO_GATE进行置位或复位操作，然后输出相应电平控制可控硅电路中对应可控硅的触发。例如，通过调整发热体可控硅的功率、电磁泵可控硅的开关时间来取得所需的咖啡温度及流量。

(三)数据传送

微控制电路110将获取到的高压电源相关信息(包括电压、频率、过零信息)通过光耦通信电路160发送给用户侧，用户侧利用高压电源相关信息计算得到当前阶段上述6个可控硅的输出功率，再根据该输出功率进一步计算得到6个可控硅对应的开关状态序列；用户侧还利用高压电源的过零信息同步各个功率输出窗口的切换。

微控制电路110通过光耦通信电路160接收6个可控硅对应的开关状态序列，并基于该6个可控硅对应的开关状态序列驱动可控硅电路150中的6个可控硅的触发。

经实验，利用本发明提出的隔离控制系统能准确地测量出高压电源的电压有效值(保证误差在+/-3V范围内)，且在高压电源变化时能及时调整对应可控硅的输出，从而保证在200V～250V的电压范围内用户对咖啡流量、温度输出稳定的需求能得以满足。

由上可看出，本隔离控制系统仅需采用1个MCU芯片、3个线性光耦元件PC817C及电压测量、过零检测相关电路就可以达到现有技术中6个光耦元件MOC3063、若干电压传感器/互感器才能达到的技术效果，相较而言，显然减少了电器元件的数量和占用空间，占用控制板面积小，利于实现咖啡机的小型化和家庭化。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种隔离控制系统，用于高压电源侧和低压用户侧的隔离，其特征在于，所述隔离控制系统包括微控制电路、电源电路、电压测量电路、过零检测电路、可控硅电路和光耦通信电路；

所述高压电源的输出端分别与所述电源电路的输入端、所述电压测量电路的输入端、所述过零检测电路的输入端连接，所述电源电路的输出端、所述电压测量电路的输出端、所述过零检测电路的输出端分别与所述微控制电路的输入端连接，所述微控制电路的输出端与所述可控硅电路的输入端连接，所述微控制电路与所述光耦通信电路通信连接，所述光耦通信电路的输出端与所述用户侧通信连接；

所述微控制电路，用于将所述电压测量电路和所述过零检测电路获取到的所述高压电源信息通过所述光耦通信电路传送给所述用户侧，以及通过所述光耦通信电路接收所述用户侧发来的数据信号驱动所述可控硅电路中对应可控硅的触发。

2.根据权利要求1所述的隔离控制系统，其特征在于，所述电压测量电路采用电阻分压式结构。

3.根据权利要求2所述的隔离控制系统，其特征在于，所述电压测量电路包括第一测量电阻、第二测量电阻、第三测量电阻、第四测量电阻、第一测量电容和第一测量二极管；其中，

所述第一测量电阻、所述第二测量电阻、所述第三测量电阻依次串联，所述第一测量电阻的第一端作为所述电压测量电路的输入端与所述高压电源的火线端连接，所述第三测量电阻的第二端作为所述电压测量电路的输出端与所述微控制电路连接；

所述第一测量二极管的负极与所述高压电源的零线端连接，所述第一测量二极管的正极与所述第二测量电阻的第二端连接；

所述第四测量电阻的第一端、所述第一测量电容的第一端与所述第二测量电阻的第二端连接，所述第四测量电阻的第二端、所述第一测量电容的第二端与所述电源电路的输出端连接。

4.根据权利要求2所述的隔离控制系统，其特征在于，所述电压测量电路用于获取高压电源的电压有效值，所述高压电源的电压有效值为根据所述高压电源的半波采样值通过均方根计算得到。

5.根据权利要求4所述的隔离控制系统，其特征在于，所述高压电源的电压有效值为根据所述高压电源的半波采样值通过均方根计算得到包括步骤：

设置采样时间间隔T0/N，T0为高压电源信号的半波周期，N为半波采样数目；

对过零信号时刻后的第i个采样时刻的高压电源采样M次，得到第i个采样时刻对应的M个电压瞬时值，1≤i≤N，M为自然数；

根据第i个采样时刻对应的M个电压瞬时值计算得到第i个采样时刻对应的电压平均值；

根据N个采样时刻对应的N个电压平均值进行积分运算得到电压积分值，再对电压积分值开平方得到高压电源的电压有效值。

6.根据权利要求1所述的隔离控制系统，其特征在于，所述过零检测电路包括第一检测电阻、第二检测电阻、第三检测电阻、第四检测电阻、第一检测电容、第二检测电容、第一检测二极管和第二检测二极管；其中，

所述第一检测电阻、所述第二检测电阻、所述第三检测电阻依次串联，所述第一检测电阻的第一端作为所述过零检测电路的输入端与所述高压电源的火线端连接，所述第三检测电阻的第二端作为所述过零检测电路的输出端与所述微控制电路连接；

所述第一检测电容与所述第二检测电阻并联；

所述第一检测二极管的负极与所述第四检测电阻的第一端并联后与所述高压电源的零线端连接，所述第一检测二极管的正极、所述第四检测电阻的第二端与所述第二检测电阻的第二端连接；

所述第二检测二极管的负极、所述第二检测电容的第一端与所述第二检测电阻的第二端连接，所述第二检测二极管的正极与所述第二检测电容的第二端并联后与所述电源电路的输出端连接。

7.根据权利要求1所述的隔离控制系统，其特征在于，所述光耦通信电路包括过零信号光耦、发射信号光耦和接收信号光耦；

其中，

所述过零信号光耦，用于将所述微控制电路获取到的高压电源的过零信息传送给所述用户侧；

所述发射信号光耦，用于将所述微控制电路获取到的其他数据信号传送给所述用户侧；

所述接收信号光耦，用于接收所述用户侧的数据信号并传送给所述微控制电路。

8.根据权利要求7所述的隔离控制系统，其特征在于，所述过零信号光耦、所述发射信号光耦和所述接收信号光耦均采用线性光耦PC817C。

9.根据权利要求1～8任一项所述的隔离控制系统，其特征在于，所述微控制电路采用MCU芯片。