基于单片机的永磁机构驱动器的设计.docx

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基于单片机的永磁机构驱动器的设计

摘要

基于单片机的永磁机构驱动器是一种运用基本电子技术、单片机控制技术、驱动控制技术、实时电压测量技术等知识并由单片机控制，通过检测供电电压与开关控制信号共同作用，驱动保护控制器实现永磁机构的安全控制。

其显著的特点是和比较普通的断路器相比更为安全，对电网的检测能力更为敏感，其采用了单片机作为控制核心，功能更为的强大，可根据实际要求做出相应的调整，市场应用性更为广泛

为了实现以上功能，采用AC/DC变换电路、A/D转换电路、断电保护电路、电容充电电路、辅助电源以及单片机及外围电路等构成永磁机构驱动系统。

该系统硬件电路布局设计简单合理，功能齐全，成本经济性价比高。

通过AC/DC电路将工业交流电转换成稳定的直流充电电压，为电容器组充电并由单片机控制，经放电驱动对放电线圈放电，产生瞬时电流改变线圈的磁场，控制断路器的开通和关断。

整个过程均通过电压采集电路以及A/D转换电路将采样信号转换后接入单片机分析控制，单片机通过信号分析，控制电压的转换充电以及电容器组对放电线圈的放电。

本系统带RS485通信接口可连接监控主机或PC机，通过监控主机或PC机来实时查看当前状态，并可远程控制。

本设计的硬件电路包括以下几个方面：

单片机电路、模数转换电路、信号采样电路、电路充电电路、辅助电源电路、驱动输出电路。

关键词：

永磁机构；模数转换器；驱动电路

Abstract

Basedmicrocontrollerwithpermanentmagneticactuatordriveistheuseofbasicelectronictechnology,microprocessorcontroltechnology,drivecontroltechnology,real-timevoltagemeasurementtechniquesandknowledgebytheMCUcontrol,bydetectingthesupplyvoltageandtheswitchcontrolsignaltogether,drivetoprotectthecontrollersecuritycontrolofpermanentmagnetinstitutions.Significantfeaturesandcomparedtothenormalcircuitbreakerissafer,moresensitivetothedetectioncapabilitiesofthegrid,usingthemicrocontrollerasacontrolcorefunctionismorepowerful,canmaketheappropriateadjustmentsbasedonactualrequirements,broadermarketapplications

Inordertoachievetheabovefunctions,theuseofAC/DCconversioncircuit,theA/Dconversioncircuit,thepowerprotectioncircuit,thecapacitorchargingcircuit,theauxiliarypowersupplyandmicrocontrollerandperipheralcircuitsconstituteapermanentmagneticactuatordrivesystem.Thesystemissimpleandreasonablehardwarecircuitlayoutdesign,fullyfunctional,cost-cost-effective.AC/DCcircuittoconverttheindustrialACstabilityoftheDCchargingvoltage,chargingthecapacitorbankiscontrolledbythemicrocontroller,drivenbythedischarge,thedischargecoildischarge,resultingininstantaneouscurrentchangeofthemagneticfieldofthecoiltocontroltheopeningofthecircuitbreakeronandoff.AccessmicrocontrollertocontrolthewholeprocessofthevoltageacquisitioncircuitandA/Dconvertercircuitsamplingsignalconversion,single-chipsignalanalysis,controlvoltageconversionchargeandthecapacitorbankdischargecoildischarge.ThissystemwithRS485communicationinterfacecanbeconnectedtothemonitoringhostorPC,bymonitoringhostorPCtoviewthecurrentstatusinrealtimeandcanberemotecontrol.

Thehardwarecircuitofthisdesignincludethefollowingaspects:

single-chipcircuits,analogtodigitalconversioncircuit,thesignalsamplingcircuit,thecircuitchargingcircuit,theauxiliarypowersupplycircuit,thedriveroutputcircuit.

Keywords:

permanentmagneticactuator;AnalogtoDigitalConverter;drivingcircuit

第1章绪论

1.1基于单片机的永磁机构驱动器的开发背景

目前,我国对城市和农村电网的改造正在进一步深入，电力部门也由原来的单纯行业管理转变为服务用户的企业。

因此，不但对设备的质量和性能要求越来越高，同时，对投资和可获得的效益也越来越关注。

新一代永磁机构真空断路器的出现，将为广大用户提供一种新的选择。

它具有结构简单，运行可靠，经久耐用等特点。

永磁机构是一种用于中低压真空断路器的永磁保持、电子控制的电磁操作机构，与断路器使用的传统弹簧机构和电磁机构相比，永磁机构采用了一种全新的工作原理和结构，工作时主要运动部件极少，无需机械结构脱、锁扣装置，故障源少，具有较高的可靠性，克服传统弹簧机构和电磁机构的不足，将永久磁铁应用于操动机构中，使真空断路器分、合闸位置的保持通过永久磁铁实现代传统的脱扣装置，这种磁力机构具有永久磁铁和分闸、合闸控制线圈。

因而已成为开关制造企业与电网企业及高新重工企业关注的热点，具有非常广阔的市场前景。

因此，作为永磁真空断路器的核心—基于单片机的永磁机构驱动器产生了。

它能通过检测供电电压与开关控制信号共同作用，驱动保护控制器实现中低压永磁机构的安全控制。

1.2基于单片机的永磁机构驱动器的现有科技水平

1.2.1永磁机构真空断路器的发展现状

真空断路器最初由英、美研究，随后发展到日本、德国和原苏联等其他国家。

我国从1959年起开始研究真空断路器的理论，到20世纪70年代初正式生产各类真空断路器。

真空灭弧室、操动机构、绝缘水平等制造技术的不断创新和改进,使真空断路器的发展极为迅速,在大容量、小型化、智能化及可靠性研究方面取得了一系列重大成果。

真空断路器以具备良好的灭弧特性，适宜频繁操作，电气寿命长、运行可靠性高、不检修周期长的优势，在当今我国电力城乡电网改造、化工、冶金、铁道电气化以及矿山等行业得到了广泛的应用。

产品从过去的ZN1-ZN5几个品种到现在数十个型号、品种，额定电流达到4000A，开断电流达到50KA，甚至有63kA，电压达到35kV等级。

ZW32-12型永磁真空重合器采用了独特设计的永磁机构和高可靠性的MGK智能控制器构成。

该装置主要应用于中压架空线电网，作为分、合负荷电流、过载电流、短路电流之用，并具有0～3次自动重合闸。

根据我国目前使用的0.6-35kV真空断路器的操作机构都是弹簧机构和电磁机构的现状，鉴于弹簧机构存在零部件多，制造工艺复杂，运行容易引起机械故障，而电磁机构存在驱动功率较大，接触力较小且合闸时容易引起触头跳动等问题，严重影响真空断路器的性能和可靠性。

为了克服弹簧机构和电磁机构的不足，提高6-35kV系列真空断路器的可靠性、安全性及使用寿命，降低驱动功率。

随着社会科技程度的提高，电力行业及广大终端用户对开关设备的性能要求愈来愈高。

目前，国内已开始进口永磁机构真空断路器，并投入财力、人力进行相关的研究和开发，一些国际知名企业（如：

ABB公司，日本三菱，东芝公司）已经开始销售他们的产品。

由于永磁机构真空断路器具有高可靠性、长寿命、免维护等突出优势，相信永磁机构真空断路器将逐步取代传统的电磁机构和弹簧机构断路器。

1.2.2基于单片机的永磁机构驱动器的发展现状

永磁机构驱动技术是90年代世界最新技术，它采用一种新的工作原理和结构，通过将电磁铁与永久磁铁特殊结合，实现传统断路器操动机构的全部功能，并在一定程度上实现智能化。

永磁机构工作时运动部件很少，零件总数也比弹簧操动机构大大减少。

在结构上与传统断路器操动机构的最大区别在于无需机械脱、锁扣装置即可实现机构终端位置的保持功能，是一种传统观念的突破，具有非常高的可靠性。

同时，所需的操作电能非常小，并可实现免维护运行。

国外文献称这一技术是革命性的。

国外永磁机构驱动技术的理论及应用研究开始于80年代末，欧洲以英国和德国为代表。

1989年英国曼彻斯特大学（TheUniversityofManchester）系统与能量组为GEC公司设计了一台永磁操动机构模型。

1992年前后永磁驱动技术开始在英国工业中应用。

1995年，英国的Whipp&Bourne公司进一步改进了结构，具有十年免维护功能的自动重合器投入市场。

1997年ABBCalorEmag开关设备公司在德刊上介绍了它们最新研制的VM1型配永磁驱动机构的真空断路器，接着于1998年在汉诺威博览会上展出了样品，引起了各制造公司的极大重视。

ABB公司的VM1所配的永磁驱动机构是一种双稳态双线圈结构，采用电容器作为充放电元件，可以实现重合闸操作。

 采用同样工作原理、由英国IPEC公司（SCIENCE&TECHNOLOGYINPOWERENGINEERING）开发制造的用于中压开关装置的电磁驱动器（MAGACT）也于几年前推向市场。

该产品为系列化产品，保持力的范围为1000N～10000N。

与ABB公司产品不同之处在于，该公司将永久磁铁由静铁心移到动铁心上，且操作时所需的电能大为降低。

继ABB公司之后，国外其它一些开关制造企业也纷纷向市场推出了类似的产品。

例如法国AlsthomT&DEIBS.A.公司推出的中压断路器用的非对称磁力操动机构，以及ABB公司又开发出的基于永磁驱动机构的同步中低压断路器。

1.3基于单片机的永磁机构驱动器的指标参数

输入电压AC：

127V±20%/50Hz

驱动电流DC20A

内部电容器直流电压DC：

220V±10V

按键电压220V±10V

合分闸时间50ms

第2章基于单片机的永磁机构驱动器的方案论证

AC/DC转换芯片的选择

TOP开关电源芯片，TOP开关电源的芯片组是三端离线式脉宽调制单片开关集成电路TOP（ThreeterminalofflinePWM）的简称，TOP将PWM控制器与功率开关MOSFET合二为一封装在一起，采用TOP开关集成电路设计开关电源，可使电路大为简化，体积进一步缩小，成本也明显降低。

TOP开关集各种控制功能、保护功能及耐压700V的功率开关MOSFET于一体，采用TO220或8脚DIP封装。

少数采用8脚封装的TOP开关，除D、C两引脚外，其余6脚实际连在一起，作为S端，故仍系三端器件。

三个引出端分别是漏极端D、源极端S和控制端C。

其中，D是内装MOSFET的漏极，也是内部电流的检测点，起动操作时，漏极端由一个内部电流源提供内部偏置电流。

控制端C控制输出占空比，是误差放大器和反馈电流的输入端。

在正常操作时，内部的旁路调整端提供内部偏置电流，且能在输入异常时，自动锁定保护。

源极端S是MOSFET的源极，同时是TOP开关及开关电源初级电路的公共接地点及基准点。

2.2单片机的选择

51单片机：

8051单片机最早由Intel公司推出，随后Intel公司将80C51内核使用权以专利互换或出让给世界许多著名IC制造厂商。

在保特与80C51单片机兼容的基础上，这些公司容入了自身的优势，扩展了针对满足不同测控对象要求的外围电路，如满足模拟量输入的A/D、满足伺服驱动的PWM、满足高速输入/输出控制的HSL/HSO、满足串行扩展总线I2C、保证程序可靠运行的的WDT、引入使用方便且价廉的FlashROM等，开发出上百种功能各异的新品种。

80C51已成为8位单片机的主流，成了事实上的标准MCU芯片。

51单片机发展时间久，性能稳定，价格相比较而言也比较便宜，能完全能满足设计的要求，所以这次设计将采用51单片机。

AT89C51是高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用

虽然二者都是8051的内核，但是AT89S52的内部资源比AT89C51稍多，另外AT89S52的内存也从AT89C51的128字节提高到了256字节，ROM也从2K提高到4K，可以装下更大的程序，并且AT89S52比AT89C51还增加了ISP功能，就是在线可编程功能，这使得AT89S52可以随时更新插在电路板上的单片机的程序，十分方便。

而AT89C51却不具备，所以AT89S52更适合本设计。

2.1A/D转换器的选择

A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量，模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。

但在A/D转换前，输入到A/D转换器的输入信号必须经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。

A/D转换后，输出的数字信号可以有8位、10位、12位和16位等。

本设计中，运用A/D转换电路检测电容器组充电电压以及AC/DC转换电压进行采样转换，转换后的数字信号送入单片机分析监测。

其中A/D转换芯片采用ADC0809,能满足设计要求并实现设计效果，而且在成本上ADC0809价格比较便宜，所以最后采用了ADC0809芯片。

2.4驱动电路的选择

采用IGBT驱动装置将20A的驱动电流输出至外部脱扣装置。

IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor），绝缘栅双极型晶体管，是由BJT（双极型三极管）和MOS（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。

IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

IGBT非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

第3章基于单片机的永磁机构驱动器的整体设计

基于单片机的永磁机构驱动器的整体框图

下图为整个永磁机构断路器安全驱动保护控制器的工作模块与流程，它主要包括：

AC/DC变换电路，A/D转换电路，AT89S52单片机，开合闸按键信号，电容充电电路，驱动电路，辅助供电电源这几个模块。

系统检测到外部信号后，经过模数转换后接入单片机，外部按键信号通过隔离转换得到的低电压信号也输至单片机，单片机结合这几个信号进行分析对比，将得到的结果输至驱动模块，用来控制外部脱扣装置工作。

这个模块的芯片工作电压均由辅助供电电源提供。

总体框图如图3.1所示。

图3.1整体框图

系统总体工作流程

在允许输入电压范围内（AC：

127V±20%/50Hz），经整流滤波电路产生DC127V±20%的直流电压，该电压经采样电路采样并由A/D转换电路转换成数字量送入单片机。

该直流电压又经过升压电路产生220V±10V的直流电压，该电压用于向电容器充电，并在充电电容器两端各经过电压采样送入单片机，同时由辅助电源电路将整流滤波产生的直流127V转换产生合适的内部操作电压向断路器控制单元和外围设备供电。

单片机通过收到的数字信号和外部的按键信号与预设值进行比较后得到结果，将得到的结果输出至驱动电路模块，驱动电路根据单片机的信号可控制驱动电流的输出与否，从而控制外部断路器的通断。

操作员可通过外部按键对断路器进行闭合和断开的操作，为了保证电网的绝对安全，在操作员按下分闸按钮时，合闸按钮将不响应操作，只有当分闸按钮处于断开状态，而电网参数与预设值符合的时候，系统才相应合闸信号。

当系统处于合闸的状态时，如果电路出现了断路，欠压，过载的情况时，输入电压发生改变，单片机接受到的数字信号与预设值发生偏差，于是输出信号让断路驱动电路工作，对断路器进行拉闸动作，从而起到保护电路的作用。

第4章系统各单元电路设计

AC/DC转换电路容充电电路

4.1.1芯片L6562介绍

外部输入的电压为127V，而所使用的电解电容的充电电压为220V的直流电压，所以首先需要进行升压，此次采用的是以L6562为核心的BOST升压电路。

图4.1.1芯片L6562引脚图

4.1.2升压转换电路

由于考虑到输入电压为交流的127V±20%电压，首先我们对其进行整流后得直流电压，然后通过以L6562芯片为核心的功率因数补偿电路得到直流稳压的充电电压。

下图是基于芯片L6562的一个BOST升压电路，这种电路的优点是可以使输入电流连续，并且在整个输入电压的正弦周期都可以调制，因此可获得很高的功率因数；该电路的电感电流即为输入电流，因而容易调节；同时开关管门极驱动信号地与输出共地，故驱动简单；此外，由于输入电流连续，开关管的电流峰值较小，因此，对输入电压变化适应性强。

利用Boost电路实现高功率因数的原理是使输入电流跟随输入电压，并获得期望的输出电压。

因此，控制电路所需的参量包括即时输入电压、输入电流及输出电压。

乘法器连接输入电流控制部分和输出电压控制部分，输出正弦信号。

当输出电压偏离期望值，如输出电压跌落时，电压控制环节的输出电压增加，使乘法器的输出也相应增加，从而使输入电流有效值也相应增加，以提供足够的能量。

在此类控制模型中，输入电流的有效值由输出电压控制环节实现调制，而输入电流控制环节使输入电流保持正弦规律变化，从而跟踪输入电压。

图中，输入交流电经整流桥整流后变换为脉动直流，作为Boost电路的输入；电容C4用以滤除电感电流中的高频信号，降低输入电流的谐波含量；电阻R1和R2构成电阻分压网络，用以确定输入电压的波形与相位，电容C10用以虑除3号引脚的高频干扰信号；Boost电感L的一个副边绕组，一方面通过电阻R6将电感电流过零信号传递到芯片的5脚，另一方面作为芯片正常工作时的电源；芯片驱动信号通过电阻R7连到MOS管的门极；电阻R8作为电感电流检测电阻，用以采样电感电流的上升沿（MOS管电流），该电阻一端接于系统地，另一端同时接在MOS管的源极，同时经电阻R10接至芯片的4脚；电阻R5和R6构成电阻分压网络，同时形成输出电压的负反馈回路；电容C9连接于芯片1、2脚之间，以组成电压环的补偿网络；电阻R4，电容C6，二极管D5，稳压管D6和Boost电感的副边则共同构成芯片电源。

图4.1.2AC/DC升压变换电路

4.1.3电容器充电电路

本次采用的电容为电解电容，220V的电压加到这四个1000μF的电容上对其进行充电，用来输出驱动电流，HV2为合闸的驱动电流输出口，HV3为分闸信号的驱动电流输出口。

图中的C29电容与其他三个电容通过二极管分开，这主要是预防合闸动作把前三个电容里的能量消耗完了，没有足够的能量来进行分闸操作。

所以特别加一个C29电容，它只为分闸动作提供能量。

图4.1.3电容器充电电路

单片机部分

4.2.1AT89S52芯片说明

AT89S52是低功耗、高性能、采用CMOS工艺的8位单片机，其片内具有8KB的可在线编程的Flash存储器。

该单片机采用了ATMEL公司的高密度、非易失性存储器技术，与工业标准型80C51单片机的指令系统和引脚完全兼容；片内的Flash存储器可在线重新编程，或者使用通用的非易失性存储器编程；通用的8位CPU与在线可编程Flash集成在一块芯片上，从而使AT89S52功能更加完善，应用更加灵活；具有较高的性能价格比，使其在嵌入式控制系统中有着广泛的应用前景。

MCS单片机都采用40引脚的双列直插封装方式。

引脚排列图见图3.3.1。

图4.2.1AT89S52引脚图

4.2.2外部复位电路

在单片机工作时，有可能会出现“死机”的情况，即程序出错了。

这是就需要一个复位信号来对单片机进行复位操作，让其重新正常工作，下图为单片机强制复位电路。

当单片机程序出错的时候我们可以通过外面的按键信号给单片机的复位端加上一个高电平，使单片机复位，脱离死机。

RESET和单片机的复位口相连。

图4.2.2外部复位电路

4.2.3外部晶振电路

单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。

一般选用11.0592M，因为可以准确地得到9600波特率和19200波特率。

图4.2.3外部晶振电路

4.2.4单片机最小系统

模数转换器部分电路

ADC0809芯片引脚说明

图4.3.1ADC0809芯片引脚图

4.3.2ADC0809芯片说明

模数转换电路的功能是将连续变化的模拟量转换为离散的数字量，是架起模拟系统跟数字系统之间连接的桥梁。

对于本系统而言，就是用于快速、高精度地对输入的酒精浓度信号进行采样编码，将其转换成单片机所能够处理的数字量。

模数转换电路是本系统的关键部分，其性能的好坏直接影响整个系统的质量。

根据A/D