基于STM32的小型斷路器智能脫扣器設計

張 賢 遲長春

（上海電機學院電氣學院，上海201306）

0 引言

傳統的斷路器很多都是采用所謂的“磁熱”式設計模式，通過機械系統的動作來實現通斷[1]。這種設計方式導致傳統的斷路器體積較大，也有很多其他不足的地方，比如產品一致性不好、保護精度不高等[2]。為了避免用電設備發生各種故障時影響到整條線路的正常運行，要求在以往斷路器的起點之上，研制出高度集成、自動化、模塊化的智能型斷路器，使其可靠性大大提高[3]。

本文使用單片機控制小型電機帶動斷路器刀閘動作，實現斷路器的自動分、合閘功能。根據需要采用STM32F100控制芯片，該芯片具有功耗低、處理速度快、自帶A/D轉換器等優點，能夠滿足現場使用的自然環境、電磁環境等要求。

1 總體設計思路

智能脫扣器總體設計框圖如圖1所示。

圖1 總體設計框圖

主線路中的電壓與電流信號通過電壓、電流互感器，轉換成為可供測量的電信號，再通過整流濾波和放大，經過電平轉換電路，將模擬信號轉換成符合A/D輸入要求的電平。A/D轉換模塊將模擬信號轉換為數字信號輸入單片機，單片機經過運算和處理后對執行單元輸入控制信號，控制斷路器的分合閘。

2 信號轉換電路

信號轉換電路分為信號調理電路和電平轉換電路。其中，信號調理部分通過高精度電源芯片及其外圍電路對變壓器處理過的高壓信號進行變換，變換后的信號在12～15 V范圍內；電平轉換電路將調理后的信號轉換成單片機工作時的電平。

2.1 信號調理電路

本設計采用ST公司的電源芯片VIPER06對高壓部分進行處理，使調理后的電壓在12～15 V范圍內。

VIPER06內部通過兩條線路供電，一種是從高壓側DRAIN通過變壓器供電，一種是通過VDD供電。本設計在Vout與VDD間通過二極管相連，首先通過DRAIN啟動后，內部MOSFET導通，Vout輸出12～15 V電壓；隨后DRAIN供電線路斷開，由Vout通過VDD進行內部供電，可以有效減小損耗，提高電路的可靠性。

2.2 電平轉換電路

本電路采用穩壓芯片LD33，該芯片輸入12～15 V，輸出VCC為3.3 V，滿足單片機的供電要求，電路如圖2所示。

圖2 電平轉換電路

3 電機驅動電路

本文采用L9110S電機驅動芯片控制電機的正反停轉動。驅動電路如圖3所示，IA控制電機正轉，IB控制電機反轉，能夠直接控制電機的正反向運動和剎車。

圖3 電平轉換電路

4 軟件設計

脫扣器智能化是通過單片機控制來實現的，而單片機的控制主要依賴于軟件實現。小型斷路器智能脫扣器主要是與斷路器本體進行配合，通過控制電機的正反停來實現斷路器對線路的保護以及智能化。

根據智能脫扣器要實現的功能，所設計的系統軟件由短路判斷子程序、中斷服務子程序、延時子程序和主程序組成。程序的總體框圖如圖4所示。

圖4 程序總體框圖

5 實驗分析

實驗臺使用泰克示波器、萬用表以及0～300 V交流調壓器。如圖5所示，用示波器測出其在額定工作電壓范圍內分閘響應時間僅12.7 ms，大大提升了小型斷路器的可靠性。圖中3通道紫色曲線為短路線路電壓信號，當短路信號出現后，被短路的負載電壓變為0，經過12.7 ms斷路器分閘分斷電路，2通道電壓信號變為0。

6 結語

本文采用STM32單片機作為控制核心，設計小型斷路器智能脫扣器，使用小型電機作為執行元件，通過控制電機的正反停轉動實現斷路器本體的分合閘。實驗表明該設計符合國家標準，對終端智能小型斷路器的研究具有參考價值。