一种基于微控制器的欠压、分励脱扣器及PWM信号占空比调整方法

技术领域

本发明涉及低压配电保护技术领域，具体涉及一种基于微控制器的欠压、分励脱扣器及PWM信号占空比调整方法。

背景技术

低压配电网的主要故障保护设备是断路器。为了满足《GB/T 14048.2低压开关设备和控制设备第2部分：断路器》的要求，断路器一般会配置过流故障保护、欠压故障保护、接地故障保护等功能；为了就地或远程控制器断路器，还配置了分励、闭合功能。这些功能都采用电磁铁作为执行器。

但是，当前断路器上对电磁铁的控制多数是直接施加交流或直流电源来完成吸合、保持和释放。这样的模式在保持阶段的功耗大、温升高，产品寿命短，经常出现电磁铁线圈烧坏的故障现象；其次释放电压不准确，难以实现准确的欠压保护。

部分产品为了改善功耗大、温升高的问题，采用了图1所示的驱动电路，即在吸合动作时[Q6]导通[Q5]关闭、在保护阶段[Q5]导通[Q6]关闭。这个解决方案的本质是用电阻[R6]限制的电磁铁两端电压从而降低电磁铁的维持功耗，降低电磁通的温升；但电阻却引入了额外的功耗，且驱动电压的变化会显著影响电磁通的维持力，使可靠性降低。

另外，一个断路器上配置多个电磁铁，产品的结构臃肿。能否让同一电磁通执行一个以上的功能，也是本发明思考的一个问题。

发明内容

鉴于上述原因，本发明利用数字控制(DC)技术和PWM技术结合，重点解决脱扣器在保持阶段的功耗大、温升高、维持力不稳定等问题。同时，为了解决臃肿问题，将分励脱扣器的功能集成到欠压脱扣器中，不仅完美实现双功能且互不冲突，也降低显著了产品成本。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电磁铁驱动电路，包括接入端，所述接入端连接有第一二级管，所述第一二极管上并联有电磁铁，所述第一二极管连接有MOS管，其中所述MOS管的一端连接有推挽电路，所述推挽电路的一端连接PWM端口，其中PWM端口设置在微控制器上。

基于上述技术方案本发明进一步设置，所述推挽电路包括第一三级管、第二三极管，所述MOS管的一端分别与所述第一三极管和第二三极管发射级连接，所述第一三极管和第二三极管的基极相连后连接有第三三极管，所述第三三极管的基极与所述PWM端口连接，其中所述第一三极管和第三三极管之间设置有第一电阻；所述第三三极管的基极连接有支路一与支路二，所述支路一上设置有与所述PWM端口连接的第二电阻，所述支路二上设置有第三电阻，所述第三电阻的另外一端接地。

基于上述技术方案，本发明进一步设置，还包括位于接入端一侧的第二二极管和第一电容，所述第一电容的另外一端接地。

其中，上述中的电磁铁驱动电路由储能电路、开关电路和续流电路组成。储能电路提供驱动电磁铁的足够能量，开关电路的输入连接到微控制器的 PWM信号输出引脚，输出连接到电磁铁。续流电路用于释放开关电路关闭期间电磁铁中储存的能量。

另外设置的推挽电路中的三个三极管，用于接收来自微控制器的3.3V电平或脉冲信号，转换成9V的电平或脉冲信号。

此外本发明还提供了一种基于微控制器的欠压、分励脱扣器，包括如上所述的电磁铁驱动电路。

基于上述技术方案，本发明进一步设置，还包括分励信号接口电路，用于接收分励信号并转换成相应电压电平系统的高低电平，并反馈至微控制器；以及

分励主令信号电路，发送分励信号至分励信号接口电路；所述分励信号接口电路与所述微控制器连接，所述分励主令信号电路连接分励信号接口电路。

其中所述分励信号接口电路包括第一支路、第二支路，所述第一支路和第二支路连接有光电耦合器，所述第一支路上的电阻A与光电耦合器的发光二极管的一端连接，所述第二支路上的电阻B与光电耦合器的发光二极管的另一端连接，所述光电耦合器的光敏三极管的漏极连接电源，所述光电耦合器的光敏三极管的源极连接电阻C之后接地，所述光电耦合器的光敏三极管的漏极还连接电容A后接地。

基于上述技术方案，本发明进一步设置，还包括电源电路，用于提供电压；

电源电压检测电路，用于检测电源电路中的电压值并反馈至微控制器；

驱动电压检测电路，用于检测电磁铁驱动电路中的电压值并反馈至微控制器；

其中所述电源电路与所述电磁铁驱动电路连接，所述电源电压检测电路分别与所述电磁铁驱动电路与所述微控制器连接，所述驱动电压检测电路分别与所述电磁铁驱动电路与所述微控制器连接。

基于上述技术方案，本发明进一步设置，所述电源电路包括整流电路以及DC/DC降压电路，所述整流电路分别与所述电磁铁驱动电路和DC/DC降压电路连接，其中DC/DC降压电路将高压电源进行降压后输出第一电压和第二电压，所述第一电压用于电磁铁驱动电路，所述第二电压用于微控制器、分励信号电路。

基于上述技术方案，本发明进一步设置，所述电源电压检测电路和驱动电压检测电路与所述微控制器的ADC引脚连接。

基于上述技术方案，本发明进一步设置，所述分励信号接口电路与所述微控制器的标准I/O引脚连接。

本发明还提供了一种基于微控制器的欠压、分励脱扣器PWM信号的占空比调整方法，包括如下步骤，将脱扣器连接到220V或380V后，微控制器电路通过连接到电源电压检测电路的ADC端口采样并计算当前的电网电压 Vac；判断当前的电网电压Vac计算值，若当前的电网电压Vac计算值不低于 80％电网电压额定值，通过PWM端口发出吸合电平信号并持续320ms等待吸合动作完成；随后微控制器电路通过连接到驱动电压检测电路的ADC端口采样并计算当前的驱动电压Vpp，并根据驱动电压Vpp的计算值对PWM脉冲的占空比进行调整，其中占空比采用如下计算方程式：

其中：

D

U

D

本发明的有益效果：实时采样电磁铁驱动电路电压并根据此电压的高低调整PWM信号的占空比，当驱动电压高时，PWM信号的占空比低；反之，当驱动电压低时，PWM信号的占空比高，这样可以降低电磁铁线圈的温升，确保线圈的温度不超过漆包线的工作温度。反之，则会导致电磁铁线圈出现匝间击穿而致使产品失效。

其次，根据上述规律调整PWM信号占空比，可以维持一个相对恒定的吸合维持力，保证断路器在受到最大震动的情况下继续保持吸合而不会出现误动作，从而保证了欠压保护功能的可靠性。

再次，断路器上配置的分励脱扣器所完成的功能只是欠压脱扣器功能的一个子集，因此可以将分励脱扣器的功能集成到欠压脱扣器中，本发明在电路中新增与分励功能主令电路的接口，利用欠压脱扣器的电磁铁动作完成分励功能，从而减少一个电磁铁的配置，降低了成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1传统的电磁铁吸合、保持电路；

图2本发明实施例的电磁铁驱动电路；

图3为本发明实施例的结构功能框图；

图4为本发明实施例的微控制器PWM输出端的信号模式；

图5为本发明实施例的分励主令信号接口电路；

图6为本发明分励脱扣功能的工作流程图。

附图标记：10、第一二极管；20、第二二极管；30、MOS管；40、电磁铁； 50、第一三极管；60、第二三极管；70、第三三极管；80、第一电阻；90、第二电阻；100、第三电阻；110、第一电容；120、电源电路；1201、整流电路；1202、DC/DC降压电路；130、电磁铁驱动电路；140、驱动电压检测电路；150、微控制器；160、分励信号接口电路；1601、第一支路；1602、第二支路；1603、光电耦合器；1604、电阻A；1605、电阻B；1606、电阻C； 1607、电容A；170、参数整定电路；180、电源电压检测电路；

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

如图1所示，为现有技术中的一种电磁铁驱动电路；基于上述电磁铁驱动电路存在的问题，本发明提供了如下技术方案，参考图2，一种电磁铁驱动电路，包括接入端，所述接入端连接有第一二级管10，所述第一二极管10 上并联有电磁铁40，所述第一二极管10连接有MOS管30，其中所述MOS 管30的一端连接有推挽电路，所述推挽电路的一端连接PWM端口，其中 PWM端口设置在微控制器150上。

其中所述推挽电路包括第一三级管、第二三极管60，所述MOS管30的一端分别与所述第一三极管50和第二三极管60发射级连接，所述第一三极管 50和第二三极管60的基极相连后连接有第三三极管70，所述第三三极管70 的基极与所述PWM端口连接，其中所述第一三极管50和第三三极管70之间设置有第一电阻80；所述第三三极管70的基极连接有支路一与支路二，所述支路一上设置有与所述PWM端口连接的第二电阻90，所述支路二上设置有第三电阻100，所述第三电阻100的另外一端接地。推挽电路还包括位于接入端一侧的第二二极管20和第一电容110，所述第一电容110的另外一端接地。

其中，上述中的电磁铁驱动电路130可以看成由储能电路、开关电路和续流电路组成。储能电路提供驱动电磁铁40的足够能量，开关电路的输入连接到微控制器150的PWM信号输出引脚，输出连接到电磁铁40，续流电路用于释放开关电路关闭期间电磁铁40中储存的能量。

另外设置的推挽电路中的三个三极管，用于接收来自微控制器150的3.3V 电平或脉冲信号，转换成9V的电平或脉冲信号。

如图3所示，此外本发明还提供了一种基于微控制器150的欠压、分励脱扣器，包括如上所述的电磁铁驱动电路130。

此外脱扣器还包括分励信号接口电路160，用于接收分励信号并转换成相应电压电平系统的高低电平，并反馈至微控制器150；以及分励主令信号电路，发送分励信号至分励信号接口电路160；所述分励信号接口电路160与所述微控制器150连接，所述分励主令信号电路连接分励信号接口电路160。另外来还包括电源电路120，用于提供电压；电源电压检测电路180，用于检测电源电路120中的电压值并反馈至微控制器150；驱动电压检测电路140，用于检测电磁铁驱动电路130中的电压值并反馈至微控制器150；其中所述电源电路120与所述电磁铁驱动电路130连接，所述电源电压检测电路 180分别与所述电磁铁驱动电路130与所述微控制器150连接，所述驱动电压检测电路140分别与所述电磁铁驱动电路130与所述微控制器150连接。

其中所述分励信号接口电路160包括第一支路1601、第二支路1602，所述第一支路1601和第二支路1602连接有光电耦合器1603，所述第一支路 1601上的电阻A1604与光电耦合器1603的发光二极管的一端连接，所述第二支路1602上的电阻B1605与光电耦合器1603的发光二极管的另一端连接，所述光电耦合器1603的光敏三极管的漏极连接电源，所述光电耦合器1603 的光敏三极管的源极连接电阻C1606之后接地，所述光电耦合器1603的光敏三极管的漏极还连接电容A1607后接地。

所述电源电路120包括整流电路1201以及DC/DC降压电路1202，所述整流电路1201分别与所述电磁铁驱动电路130和DC/DC降压电路1202连接，其中DC/DC降压电路1202将高压电源进行降压后输出第一电压和第二电压，所述第一电压用于电磁铁驱动电路130，所述第二电压用于微控制器150、分励信号电路。

所述电源电压检测电路180和驱动电压检测电路140与所述微控制器150 的ADC引脚连接。所述分励信号接口电路160与所述微控制器150的标准I/O 引脚连接。

具体的来说，本发明由电源电路120、电源电压检测电路180、驱动电压检测电路140、微控制器150电路、电磁铁驱动电路130、参数整定电路170、分励信号接口电路160、电磁铁40几部分构成。

电源电路120由整流电路1201和DC/DC降压电路1202组成，整流电路 1201输出的一部分连接到电磁铁驱动电路130，另一部分连接到DC/DC降压电路1202。DC/DC降压电将高电压降压并稳定输出一个9V和一个3.3V电源； 9V电源供电磁铁驱动电路130使用，3.3V供微控制器150电路、参数整定电路170、分励信号接口电路160等电路使用。

电源电压检测电路180和驱动电压检测电路140具有相同的结构，只是检测信号引入点不同，用典型的阻容网络将电源电压、驱动电路电压降低到3.3V 以下并经过滤波后连接到微控制器150电路的ADC引脚。

分励信号接口电路160将分励主令电路发出的信号转换成3.3V电平系统对应的高低电平，连接到微控制器150电路的标准I/O引脚。

本发明的原理如下：当脱扣器连接到220V或380V主电路后，所述微控制器150实时采样并计算主电路的电压有效值，根据预设阈值发出高/低电平控制所述电磁铁驱动电路130吸合/释放所述电磁铁40。当所述电磁铁40被吸合后，所述微控制器150实时采样并计算所述电磁铁驱动电路130的电压值，根据电压的高低实时调整PWM信号的占空比。其目的和效果在于：实时采样电磁铁驱动电路130电压并根据此电压的高低调整PWM信号的占空比，当驱动电压高时，PWM信号的占空比低；反之，当驱动电压低时，PWM信号的占空比高，这样可以降低电磁铁40线圈的温升，确保线圈的温度不超过漆包线的工作温度。反之，则会导致电磁铁40线圈出现匝间击穿而致使产品失效。其次，根据上述规律调整PWM信号占空比，可以维持一个相对恒定的吸合维持力，保证断路器在受到最大震动的情况下继续保持吸合而不会出现误动作，从而保证了欠压保护功能的可靠性。

另外所述分励信号接口电路160连接分励控制主令电路，主令电路激励时，所述分励信号接口电路160输出高电平到所述微控制器150，所述微控制器 150检测到信号立即发出低电平信号控制所述电磁铁驱动电路130释放所述电磁铁40完成分励动作。由于断路器上配置的分励脱扣器所完成的功能只是欠压脱扣器功能的一个子集，因此可以将分励脱扣器的功能集成到欠压脱扣器中，本发明在电路中新增与分励功能主令电路的接口，利用欠压脱扣器的电磁铁40动作完成分励功能，从而减少一个电磁铁40的配置，降低了成本。

另外本发明还提供了一种基于微控制器的欠压、分励脱扣器PWM信号的占空比调整方法，包括如下步骤，将脱扣器连接到220V或380V后，微控制器电路通过连接到电源电压检测电路的ADC端口采样并计算当前的电网电压Vac(图2中Vac)；判断当前的电网电压Vac计算值，若当前的电网电压 Vac计算值不低于80％电网电压额定值，通过PWM端口发出吸合电平信号并持续320ms等待吸合动作完成；随后微控制器电路通过连接到驱动电压检测电路的ADC端口采样并计算当前的驱动电压Vpp(图2中VPP)，并根据驱动电压Vpp的计算值对PWM脉冲的占空比进行调整，其中占空比采用如下计算方程式：

其中：

D

U

在具体实施例中，D

图4示意了脱扣器在正常上电到欠压状态的PWM波形图。在欠压延时阶段，由于电压降低，PWM信号的占空比根据上述的计算方程式会增大。

本实施例中的分励脱扣功能由图5所示的分励主令信号接口电路将主令信号以隔离的方式转换为符合微控制器接收的3.3V电平。当微控制器收到分励主令信号时，按照图6所示的流程执行分励脱扣功能。

如说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。

较多了使用诸如10、第一二极管；20、第二二极管；30、MOS管；40、电磁铁；50、第一三极管；60、第二三极管；70、第三三极管；80、第一电阻；90、第二电阻；100、第三电阻；110、第一电容；120、电源电路；1201、整流电路；1202、DC/DC降压电路；130、电磁铁驱动电路；140、驱动电压检测电路；150、微控制器；160、分励信号接口电路；1601、第一支路；1602、第二支路；1603、光电耦合器；1604、电阻A；1605、电阻B；1606、电阻C； 1607、电容A；170、参数整定电路；180、电源电压检测电路等术语，需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。