CN202405876U - 一种基于实时总线的机电式功率控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于实时总线的机电式功率控制器，包括电源模块、单片机、CAN总线通讯模块、电流采集模块、驱动模块和电磁继电器，解决传统的功率型继电器仅仅作为执行器件，对于负载变化情况不能实时监测并将监测参数“上报”至控制系统，变换相应控制策略的问题，本实用新型通过在电磁继电器的基础上，通过实时总线技术、电流非接触式采集技术、小型化设计技术、机电微组装技术，在几乎不增加体积重量的情况，集成了负载电流监测、智能过载保护、状态信息反馈、串行总线通讯控制等功能的一种通用化控制电子、电气设备电源接通或关断的总线型机电式功率控制器，进一步提高系统的数字化、智能化水平。

Description

一种基于实时总线的机电式功率控制器

技术领域

本实用新型属于电子电路技术领域，涉及电磁继电器的机电输出控制，

背景技术

总线型机电式功率控制器主要实现的是对负载的智能控制，根据负载电流的监测情况，对负载电流做出短路、断路、过载、正常等判断，从而实现对负载的接通和关断控制，并将负载电流情况通过实时总线反馈至用户控制系统，同时可以实时响应用户控制系统发送的指令。

目前，功率控制器的技术实现途径主要有以下两种：

其一，目前对于负载的智能控制通常是在总控单元和接触器/继电器之间，增加一部分负载监控单元。负载监控单元主要负载对继电器输出电流的采集，并将采集到的电流值上传至总控单元，总控单元根据电流值判断负载电流过载、短路、正常等情况，并将负载控制策略发送给负载监控单元，控制继电器负载。

该技术主要缺点在于负载监控单元的设计比较复杂，且占用体积大，不利于用户的使用和小型化要求，增加用户的设计复杂性。

其二，国外某些厂家已生产了固体输出的智能功率控制器(SSPC)，但受输出MOSFET管的接通电压降大、漏电流大、以及体积大的特点，且在50A以上负载控制方面暂没有产品的相关报道。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种基于实时总线的机电式功率控制器，通过实时总线设计、算法设计、负载曲线“三段式”设计，并与电磁结构巧妙配合组成了具有负载监测，智能过载、短路保护、总线反馈负载变化情况的实时性总线型机电式功率控制器，进一步提高系统的数字化、智能化水平。

本实用新型的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于实时总线的机电式功率控制器，包括电源模块、单片机、CAN总线通讯模块、电流采集模块、驱动模块和电磁继电器，其中CAN总线通讯模块一端连接外部上位机，另外一端连接单片机，单片机分别连接电流采集模块和驱动模块，电流采集模块与驱动模块均与电磁继电器连接，电源模块则分别为单片机、CAN总线通讯模块、电流采集模块、驱动模块和电磁继电器进行供电；其中：

CAN总线通讯模块：由CAN收发器、隔离器和CAN控制器组成，其中隔离器分别连接CAN收发器和CAN控制器，负责接收上位机发送的门限电流、保护电流和短路电流并存储，并根据上位机查询指令将从单片机接收的负载电流的实际情况实时反馈上位机；

单片机：包括CPU、晶体振荡器、FLASH存储器、AD单元以及若干个I/O控制端口，其中CPU分别连接晶体振荡器、FLASH存储器、AD单元以及若干个I/O控制端口；通过CAN总线通讯模块接收上位机传送的控制指令、负载跳闸要求信息，同时实时的通过AD单元采集电流采集模块的输出值监控负载电流情况，并通过CAN总线通讯模块反馈给上位机，实现了负载电流的实时监控；CPU接收电流采集模块输入的电流值，通过计算得到实际电流值，与FLASH存储器存储的电流保护值进行比对，进行过流倍数和保护时间计算，完成跳闸保护；

电流采集模块：由电流传感器和调理电路组成，由电流传感器从电磁继电器采集电流值，通过调理电路和单片机内部的AD单元传送至单片机的CPU；

驱动模块：用于电磁继电器线圈的通电和断电，实现电磁继电器的吸合和断开。

在上述基于实时总线的机电式功率控制器中，电磁继电器包括电磁系统、线圈和负载触点，其中驱动模块与线圈连接，负载触点与电流传感器连接。

在上述基于实时总线的机电式功率控制器中，驱动模块由限流电阻、驱动三极管、线圈的防反峰电路组成，当功率控制器接收到CAN总线通讯模块发送的吸合指令时，单片机控制I/O端口，使得驱动三极管导通，电磁继电器吸合；当功率控制器检测到负载电流短路或符合控制策略的跳闸要求时，单片机控制I/O端口，使得驱动三极管关断，电磁继电器断开。

在上述基于实时总线的机电式功率控制器中，电流采集模块包括电路模块、U型支架、常开触点、公共端、常闭触点和底座组，其中电路模块与U型支架通过锡焊的方式固定在一起，并焊接在底座组上靠近公共端的位置，以保证无论电流是从常开端→公共端流出，还是从常闭端→公共端流出，其电磁产生的方向一致，均能被电流采集模块采集到。

在上述基于实时总线的机电式功率控制器中，单片机中选择32个I/O控制端口、16K字节FLASH存储器和12位AD单元。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

(1)本实用新型的机电式功率控制器采用电磁继电器作为控制输出，接触电阻小、接触压降低，触点断开后，不存在漏电流，负载控制的可靠性高；

(2)本实用新型的机电式功率控制器的负载电流采用非接触式采集方式，通过调整采集模块与电磁继电器公共端的距离，可以实现0～200A的采集范围，采集量程宽；结合电流采集的门限滤波、平均滤波以及上位机的零点修正功能，实现电流采集精度高；

(3)本实用新型的机电式功率控制器采用“三段式”负载控制和过载保护策略，通过试验方法，验证电磁继电器在阻性、容性、感性等不同负载条件下触点工作特性，形成“三段式”负载跳闸曲线表，在负载电流非接触式采集的基础上，通过软件算法实现，适用于绝大多数负载情况；

(4)本实用新型的机电式功率控制器采用简化的地址码技术，并结合消息优先权和节点优先权，保证CAN总线通讯链路上重要节点的重要指令响应的优先权，设计高效、简洁的CAN总线协议，保证重要指令的实时性；

(5)本实用新型的机电式功率控制器采用电磁继电器和电路模块机电一体化设计和抗干扰设计思路，实现功率控制器小型化的同时，提高产品的工作可靠性和高功能密度集成；

(6)本实用新型的机电式功率控制器采用实时总线技术，可实时反馈负载信息并接收系统指令，提高系统对负载感知能力和控制性能。适用于航空航天和工业控制中对负载控制有实时性要求的领域。

(7)本实用新型功率控制器具有全数字化控制、负载智能控制、负载信息共享，体积微型化等特点，进一步提升电磁继电器输出的负载控制性能。

附图说明

图1为本实用新型机电式功率控制器的组成结构框图；

图2为本实用新型电流采集模块结构示意图；

图3为本实用新型电流采集算法流程图；

图4为本实用新型功率控制器整体流程图；

图5为本实用新型CAN通讯标识符定义图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细的描述：

如图1所示为本实用新型机电式功率控制器的组成结构框图，从图中可以看出本实用新型的机电式功率控制器有电路模块部分和电磁继电器两部分组成，通过与用户系统CAN总线连接，用于接收用户(上位机)发送的控制指令和反馈负载电流情况，在用户CAN总线系统中最多可以挂接16个本实用新型的机电式功率控制器。采用小型化设计思路，将电路模块装在电磁继电器内部，不增加原有电磁继电器体积的前提下，实现负载电流的控制和保护以及总线实时通讯的功能，拓宽了本实用新型的机电式功率控制器应用领域。

如图1中，本实用新型的机电式功率控制器电路模块部分包括了电源模块、CAN总线通讯模块、单片机、电流采集模块和驱动模块。其中CAN总线通讯模块一端连接外部上位机，另外一端连接单片机，单片机分别连接电流采集模块和驱动模块，电流采集模块与驱动模块均与电磁继电器连接。电源模块采用降压型DC/DC，将输入的28V电压转换为5V电压。由于系统电压为28Vd.c.，而控制电路部分采用5Vd.c.供电，因此必须采用电源模块进行电压的转换。本实用新型的机电式功率控制器采用DC/DC芯片及外围电路组成，其特点是抗干扰能力强、输入电源范围宽、输出电压稳定、转换效率高等特点，可以为产品控制电路部分提供持续、稳定的能量。

CAN通讯模块是CAN总线通讯的硬件平台，由CAN收发器、隔离部分和CAN控制器(单片机内部集成)组成，其中隔离部分采用电阻隔离的方式，电路结构简单、方便系统的小型化实现；CAN通讯模块负责接收上位机发送的诸如门限电流、保护电流、短路电流等指令并存储，并根据上位机查询指令将负载电流的实际情况实时反馈上位机。

单片机选用FREESCALE公司8位产品，内部集成CPU、CAN控制器、AD采集以及32个I/O控制端口、16K字节FLASH存储器、晶体振荡器，其中CPU分别连接晶体振荡器、FLASH存储器、AD单元以及若干个I/O控制端口。外部晶体振荡器选用4MHZ；单片机部分是整个控制的核心，里面装载了软件程序。单片机通过CAN总线通讯模块接收上位机传送的控制指令、负载跳闸要求信息，同时实时的通过12位AD单元采集电流采集模块的输出值监控负载电流情况，并通过CAN总线通讯模块反馈给上位机，实现了负载电流的实时监控；CPU接收电流采集模块输入的电流值，通过软件滤波算法得到实际电流值，与FLASH存储器存储的电流保护值进行比对，进行过流倍数和保护时间计算，完成“三段式”跳闸保护。

电流采集模块由电流传感器、调理电路组成，采用安装在电磁继电器公共端的电流传感器采集电流值，通过调理电路和单片机内部的AD单元传送至单片机CPU。电流采集模块是功率控制的基础，其采集精度的高低直接影响控制策略的选择。为保证精度，采用非接触式霍尔传感器、滤波调理电路和12位AD采集实现。将霍尔传感器安装在电磁继电器引出杆的公共端，并尽量靠近，使得霍尔传感器尽可能多的收集负载电流产生的磁力线。并通过软件算法的平滑滤波、门限滤波和插值滤波实现电流采集精度要求。

如图2为本实用新型功率控制器电流采集模块结构示意图，其中1为电流采集模块的电路模块部分，2为U型支架，电路模块1、U型支架2之间通过锡焊的方式固定在一起；6为功率控制器底座组，3为功率控制器的常开触点，4为功率控制器公共端，5为功率控制器的常闭触点。将电路模块1、U型支架2锡焊完毕的部分通过点焊方式(如图2中的a点需点焊)，焊接在底座组6上，并尽量靠近公共端4的位置。这样无论电流是从常开端→公共端流出，还是从常闭端→公共端流出，其电磁产生的方向一致，且都能被电流采集模块采集到。电流采集模块中的电流传感器输出范围为0V～5V。负载电流0A对应电流传感器输出0V、负载电流最大值对于电流传感器输出5V。在电流传感器距离公共端2mm处时，可采集的最大电流值为200A，。因此在点焊电流采集模块时，需要特定的工装保证装配精度，除此之外，本实用新型的机电式功率控制器在装配完成后，还可通过总线指令的零点修正方式，消除装配过程的误差。

驱动模块由驱动三极管、防反峰电路组成，通过单片机IO控制实现对继电器线圈的加电/断电，继电器线圈驱动内部的电磁系统，从而控制继电器触点的接通/断开。驱动模块由单片机的IO控制端口、限流电阻、驱动三极管、线圈的防反峰电路组成。当产品接收到CAN总线发送的“吸合”指令时，单片机控制IO口，使得驱动三极管导通，电磁继电器吸合；当产品检测到负载电流“短路”或符合控制策略的跳闸要求时，单片机IO口控制驱动三极管关断，电磁继电器断开。

如图1中，当采集到负载电流后，通过电流采集模块的调理电路后，被单片机的AD单元采集。单片机内部集成了12位AD采集单元，保证采集精度。单片机在采集到负载电流值后，将进行如图3所示的电流采集的软件滤波算法，分别用到门限滤波和平均滤波。首先，程序联系采集48个值，每16个值平均，得到I1、I2、I3；然后，将I1、I2、I3分别与0A、200A对比，当I1、I2、I3在0A～200A之间，则继续，否则重新采集48个值；再次，将I1、I2、I3逐个比较，当两者之间绝对值相差小于0.5A时，程序继续，否则重新采集48个值；最后，将I1、I2、I3取平均值，得到最终的电流采集值。整个电流采集过程中，AD采集的周期为16μs，48个采集周期为768μs，单片机的运算频率为4MHz，而过载保护的最短时间为0.3s，因此该算法满足电流采集的实时性要求。

如图4所示为本实用新型功率控制器整体流程图，负责系统上电时的寄存器设置，设备初始化，并读取FLASH存储器特定区域中的预设值。该程序循环进行AD采样，对采样结果进行判断，依次进行门限电流、保护电流和短路的对比，若采集值小于门限电流和保护电流值，则程序继续采集电流值；若采集值大于门限电流和保护电流但小于短路电流时，则过流保护启动并计算过流倍数和保护时间，符合设定值时实现跳闸保护；若采集值大于门限电流、保护电流和短路电流时，则直接进入短路保护，切断负载。

为保证CAN通讯的实时性，本实用新型的机电式功率控制器在CAN总线通讯协议的基础上，采用简化的地址码技术，设定系统相应的优先级，保证重要的节点的响应速度。如图5中CAN通讯标识符定义，采用CAN标准帧格式，有11位标识符。CAN的位仲裁是从标识符的高位开始，即从ID10开始，逐位比较下去。当出现参加仲裁的双方在某个位第一次出现不同时，为显形位(逻辑0)的那个协议帧赢得仲裁。所以ID10～ID8是最重要的优先级标识位，定义为消息优先级分类值。此外，采用消息优先权和节点地址优先权相结合的方式。报文的优先级不仅与信息优先级分类值相关，同时也与地址优先级相关，地址值越小优先级越高。本实用新型的机电式功率控制器主节点的地址设为0，从节点依次为1至15，因此主节点优先级最高，从节点随着地址值的增加优先级依次降低。目标节点地址值对报文优先级的影响较小，可暂不考虑。CAN总线报文帧数据域的长度为0～8个字节。协议规定第1个字节为通讯命令字，表示该报文数据的类型，具体定义如表1所示：

表1通讯命令字分配表

本实用新型充分考虑功率控制器的开断负载能力，通过试验获取功率继电器的时间-电流特性、过负载能力和极限通断能力。在非接触式采集的负载电流基础上，通过软件算法保证了：A、与被保护对象允许过载特性的良好配合，B、电流过载保护跳闸曲线与电磁继电器的时间-电流特性的良好配合，实现了保护曲线选取反时限跳闸(用于过载保护)、长延时跳闸(用于选择性短路保护)、速断跳闸(用于短路保护)的三段式过载保护曲线。

本实用新型在CAN总线通讯协议的基础上，采用简化的地址码技术，保证重要的节点的响应速度；结合消息优先权和节点地址优先权，保证节点重要指令的响应速度。采用CAN标准帧格式(11位标识符)。位定义如下：ID0～ID3为目标节点地址，ID4～ID7为源节点地址，ID8～ID10为优先级分类值。因此本实用新型用于用户系统的节点数为24＝16个，保证了16个节点对重要指令的响应时间小于500μs。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种基于实时总线的机电式功率控制器，其特征在于：包括电源模块、单片机、CAN总线通讯模块、电流采集模块、驱动模块和电磁继电器，其中CAN总线通讯模块一端连接外部上位机，另外一端连接单片机，单片机分别连接电流采集模块和驱动模块，电流采集模块与驱动模块均与电磁继电器连接，电源模块则分别为单片机、CAN总线通讯模块、电流采集模块、驱动模块和电磁继电器进行供电；其中：

CAN总线通讯模块：由CAN收发器、隔离器和CAN控制器组成，其中隔离器分别连接CAN收发器和CAN控制器，负责接收上位机发送的门限电流、保护电流和短路电流并存储，并根据上位机查询指令将从单片机接收的负载电流的实际情况实时反馈上位机；

单片机：包括CPU、晶体振荡器、FLASH存储器、AD单元以及若干个I/O控制端口，其中CPU分别连接晶体振荡器、FLASH存储器、AD单元以及若干个I/O控制端口；通过CAN总线通讯模块接收上位机传送的控制指令、负载跳闸要求信息，同时实时的通过AD单元采集电流采集模块的输出值监控负载电流情况，并通过CAN总线通讯模块反馈给上位机，实现了负载电流的实时监控；CPU接收电流采集模块输入的电流值，通过计算得到实际电流值，与FLASH存储器存储的电流保护值进行比对，进行过流倍数和保护时间计算，完成跳闸保护；

电流采集模块：由电流传感器和调理电路组成，由电流传感器从电磁继电器采集电流值，通过调理电路和单片机内部的AD单元传送至单片机的CPU；

驱动模块：用于电磁继电器线圈的通电和断电，实现电磁继电器的吸合和断开。

2.根据权利要求1所述的一种基于实时总线的机电式功率控制器，其特征在于：所述电磁继电器包括电磁系统、线圈和负载触点，其中驱动模块与线圈连接，负载触点与电流传感器连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于实时总线的机电式功率控制器，其特征在于：所述驱动模块由限流电阻、驱动三极管、线圈的防反峰电路组成，当功率控制器接收到CAN总线通讯模块发送的吸合指令时，单片机控制I/O端口，使得驱动三极管导通，电磁继电器吸合；当功率控制器检测到负载电流短路或符合控制策略的跳闸要求时，单片机控制I/O端口，使得驱动三极管关断，电磁继电器断开。

4.根据权利要求1所述的一种基于实时总线的机电式功率控制器，其特征在于：所述电流采集模块包括电路模块(1)、U型支架(2)、常开触点(3)、公共端(4)、常闭触点(5)和底座组(6)，其中电路模块(1)与U型支架(2)通过锡焊的方式固定在一起，并焊接在底座组(6)上靠近公共端的位置，以保证无论电流是从常开端→公共端流出，还是从常闭端→公共端流出，其电磁产生的方向一致，均能被电流采集模块采集到。

5.根据权利要求1所述的一种基于实时总线的机电式功率控制器，其特征在于：所述单片机中选择32个I/O控制端口、16K字节FLASH存储器和12位AD单元。

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