基于單片機的永磁機構智能控制系統設計

摘要：開發了一種以單片機為核心的采用單穩態永磁操動機構的斷路器智能控制器，通過軟硬件設計實現了在預定相位完成投切（合分閘）。整個系統采用模塊化設計，結構簡單可靠，具有必要的抗干擾措施，便于調試和維護。實驗證明，樣機設計達到了預期要求。

關鍵詞：單片機；永磁機構；斷路器；選相

中圖分類號：TM571.6" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.002

0" " 引言

隨著我國經濟的快速發展，各行各業對電力系統的供電質量和供電可靠性要求越來越高。現代智能電網要求實現安全穩定運行，這就對電力系統提出了高度自動化和智能化要求。斷路器是輸配電系統中的重要電器之一，隨著用電系統的發展，控制器作為斷路器的大腦向智能化發展成為必然趨勢。

電力傳輸系統中的斷路器觸頭打開和關閉時，觸頭兩側的電壓和電流及其相角是隨機的，斷路器出線兩側帶電或是容性負載、感性負載時，即斷路器帶電分斷或閉合，將引起過電壓波動和涌流，從而影響電力系統的正常運行[1-2]。同步（或相控）操作技術是電氣智能化的前沿課題，該技術能有效削弱斷路器分合閘時所產生的涌流、過電壓等暫態沖擊，已被廣泛使用并取得了較好的效果[3]。本文提出了基于單片機的智能控制技術，可配合永磁機構在電網電壓或電流的指定相位和電壓或電流相同幅值處完成電路的閉合或斷開，減小對電氣設備和電力系統的沖擊，提高斷路器投入或切出系統的成功率。

1" " 硬件結構與設計

1.1" " 永磁機構概述

永磁機構采用一種永磁體操縱機構加真空斷路器（簡稱“斷路器”）的結構。如圖1所示，它由永久磁鐵、合分閘線圈、儲能電容、真空斷路器組成，儲能電容器用于儲存能量，合分閘時，它向合閘線圈或分閘線圈提供高達2 600 W的脈沖電能。控制電路通過改變永磁機構外電磁線圈的電流方向使斷路器完成合分閘操作，因為線圈中的電流方向決定了電磁鐵磁場方向，這樣配合永磁體的磁場方向就可以完成永磁機構的開合動作。

這種機械結構工作時主要運動部件很少，無須機械脫扣/鎖扣結構，減少了故障誘因，且增加了動作次數，使合閘動作更加可靠、有效。

1.2" " 電子驅動電路設計

永磁機構的電子驅動裝置如圖2所示，驅動電路主要由AC-DC電源模塊（110～220 V的交流電輸入）、可調直流輸出（可以達到400 V）、儲能電容器（20 000 F/450 V）、大功率MOSFET（1 200 V/75 A）、大功率開關二極管和輸入信號光電隔離器（起到抗干擾和強弱電隔離保護作用）組成。

動作原理如下：

1）接通電源，控制系統開始開關狀態檢查并進入正常工作，儲能電容在7 s內完成首次儲能，之后將在4 s內完成操作后的補充儲能，并將電容電壓穩定在出廠設置值。

2）如果合閘指令發出，則檢查斷路器是否在分閘狀態，控制器尋找斷路器兩側電壓相同、相角相同的同步點，提前發出控制信號（適當提前量），控制MOSFET對電磁線圈L正向放電，完成合閘操作。

3）如果分閘指令發出，則首先檢查斷路器是否在合閘狀態，確定在合閘狀態則分閘命令被認為有效，控制MOSFET對電磁線圈L進行反向放電，完成分閘操作。

1.3" " 控制器設計

通過分析各種單片機的優缺點和特點，決定采用高靈活性和低成本的高速微處理器AVR單片機作為控制器的主控制芯片[4]，由控制器系統的框圖（圖3）可知控制系統主要由主控部分（MCU最小系統、RS485通信電路、開關量輸入電路、鍵盤、顯示屏）、信號處理和采集部分（PT、信號調理、AD、過零點采集）和電子驅動部分（控制命令輸出、電子驅動電路）三部分組成。

需要特別注意的是，主芯片和周邊電路邏輯芯片的電平匹配問題、電磁兼容問題、抗干擾問題、驅動模塊的發熱器件布局散熱問題等。

1）控制系統的主控制電路由MCU最小系統、鍵盤、顯示屏、開關量輸入電路、RS485通信電路組成，一旦接收到遠方或本地的投切指令，即按照預定算法發出觸發信號，控制斷路器完成合閘或分閘動作；同時，系統參數也可通過總線上傳至控制中心。采用RS485差分總線可提高通信抗干擾能力，增加傳輸距離。

2）信號處理電路由相線線電壓信號采集電路、信號調理電路、A/D轉換模塊、過零點采集電路組成，利用MCU的捕獲功能，捕獲引腳上過零點，同時獲取相線的電壓值。

3）輔助位置開關信號經開關量輸入電路送入MCU，經過程序控制，發出控制信號到輸出電路（該電路具有光電隔離放大功能），控制電子驅動電路。

4）遠程命令控制中心可通過RS485通信接口傳遞命令至系統MCU并返回系統狀態信息，這方便控制系統集成到云控制系統中，使得系統具有實現遠程智能控制的可能性。

1.4" " 系統的抗干擾設計

在結構設計方面簡化永磁機構的機械結構有利于減少系統故障發生。在硬件電路和軟件設計方面，都需要采取相應的抗干擾措施，具體如下：

1）對系統的電源輸入端采用差分電感和共模電感并采用隔離變壓器。

2）電路板電路設計中，在芯片電源管腳接去耦電容。

3）輸入通道采取低通濾波，強弱信號分開布線。

4）數字信號的輸入、輸出采用光電隔離措施。

5）印刷電路板設計為多層板結構，提高電磁兼容性，以減少干擾的影響。

6）軟件設計用看門狗芯片監視MCU程序，以防止進入死循環。

7）軟件設計方面對數據采用數字濾波算法，防止由于信號干擾造成的數據波動現象。

2" " 軟件設計

2.1" " 軟件架構

架構總體由主程序模塊、中斷控制模塊、顯示子程序功能模塊、鍵盤指令處理子功能模塊、故障處理子程序模塊等部分組成，模塊之間相互配合實現動作的準確執行，達到預期設定的功能，框圖如圖4所示。

先進行系統的自檢與初始化，確定系統正常后再檢查系統輸入開關量情況，然后檢測系統外部輸入故障標志，如發現標志位已置位即進入相應的處理子程序。在鍵盤處理程序中對菜單設置以及本地分閘、合閘快捷按鍵事件進行處理。遠程合閘命令軟件是通過中斷處理的，通信也在相應中斷中處理。遠程合分閘命令中斷子程序流程如圖5所示。

首先判斷控制命令是合閘命令還是分閘命令，如果是合閘命令，再判斷合閘標志是否有效，如有效再計算合閘時間，下發合閘指令，完成合閘動作輸出。分閘判斷過程與合閘類似。遠程合閘命令在中斷服務程序中執行，有利于快速響應遠程命令。

2.2" " 控制算法

分合閘時機要根據斷路器結構動作時間具體判斷，然而永磁機構動作時間具有分散性[5]，每臺設備都有不同，所以每臺永磁機構都需要定期測試分合閘動作時間值，這些測試可單獨開發一個子程序方便測試人員調用。分合閘命令要根據選相分合閘菜單中的相角要求，通過對同步信號（過零點）以及斷路器分合閘動作固有延遲時間等參數進行計算，得出分合閘動作輸出延遲時間，然后在合適的時間發出分合閘命令。選相分合閘時序如圖6所示。

3" " 結束語

本項目組開發的斷路器智能控制器實際產品如圖7所示。

該產品具有結構簡單、性能可靠、成本低、機構動作準確和響應快速等優點，同時也為未來智能控制集群控制創造了條件，適合在智能電網和電氣化鐵路等中發揮作用。

[參考文獻]

[1] 林莘.永磁機構與真空斷路器[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2] 王季梅.真空開關技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3] 錢家驪.相位控制高壓斷路器的動向[J].高壓電器，2001（1）：38-40.

[4] 張軍，宋濤.AVR單片機C語言程序設計實例精粹[M].北京：電子工業出版社，2009.

[5] 林莘，張浩，那娜.真空斷路器永磁機構計算與分析[J].沈陽工業大學學報，2005，27（3）：266-269.

收稿日期：2024-10-10

作者簡介：杜鈺霏（2001—），男，陜西西安人，研究方向：單片機與自動化。