自适应调整的微控制器、固态功率控制器及保护方法与流程

1.本发明属于航空配电领域，具体涉及一种微控制器、固态功率控制器及保护方法。


背景技术：

2.固态功率控制器(solid state power controller,sspc)是一种由半导体器件组成的集各种保护、状态指示和复位多功能组合于一体具有控制功率通断能力的无触点开关部件，它是集继电器的切换功能和断路器的电路保护功能于一体的智能开关部件，实现了断路器由触点形式向固体形式的发展，广泛应用于航空配电领域，可以控制直流/交流负载的通断，并具有过流和短路保护的功能，用于替代常规的继电器、接触器、断路器、熔断器等实现负载供电的通断控制和馈线保护。
3.固态功率控制器典型实现方式是采用控制器软件结合负载电流检测，实现后级用电设备供电线路电流的实时检测，并根据电流大小按照固化在控制器中的i2t保护曲线算法，实现对线路的过载和短路保护。
4.但在实际使用过程中，由于后级用电设备的种类繁多，各个用电设备的电气特性曲线千差万别，并且众多用电设备厂商甚至无法提供自身设备的电气特性曲线。在固态功率控制器额定电流规格选取、i2t保护曲线参数设置等方面无法做到量体裁衣，通常的做法是根据供电线路规格设定规定电流倍数的i2t保护曲线。在实际使用过程中，由于用电设备的瞬时电流特性差异往往会出现误保护和不保护的现象，需要技术人员多次调整软件、甚至电路改进。面对整机特别是大型飞机，动辄几千路用电设备、若干供应厂商，这样的工作就变得庞大繁琐，且费时费力。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种自适应调整的微控制器、固态功率控制器及保护方法，旨在实现自动调节固态功率控制器的i2t保护曲线参数和短路保护阈值，以更好的适应后级设备的电气负载特性，避免繁琐的调节、维护工作，提高整机配电系统适应性和保障效率。
6.本发明的技术解决方案如下：
7.本发明的一种保护曲线自适应调整的微控制器，包括：
8.指令解析单元：用于接收上位机的控制指令并进行解析；
9.接口单元：用于实时采集负载工作电流信息；
10.第一存储单元：用于对实时采集的负载工作电流信息进行存储；
11.i2t保护单元：用于根据内嵌的i2t保护曲线，在负载工作电流信息过载的情况下，产生关断控制指令；
12.数据分析及处理单元：用于读取存储单元所储存负载工作电流信息的历史数据，对历史数据进行预处理，根据处理后的历史数据拟合出上电曲线及稳态曲线；根据上电曲线及稳态曲线得出负载短路保护参数及负载过载保护参数；
13.第二存储单元：用于对数据分析及处理单元所得到的负载短路保护参数及负载过载保护参数进行存储；
14.参数配置单元：用于读取第二存储单元中的负载过载保护参数，并根据得到的负载过载保护参数调整i2t保护曲线；读取第二存储单元中的短路保护参数并进行输出；
15.输出单元：用于输出指令解析单元的控制指令及i2t保护单元的控制指令。
16.本发明还提供了一种保护曲线自适应调整的固态功率控制器，包括权利要求上述的微控制器；还包括：
17.电流采集单元，所述电流采集单元的输入端用于与负载配电母线连接，所述电流采集单元的输出端与微控制器的接口单元的输入端连接；
18.驱动控制及保护单元，所述驱动控制及保护单元具有第一输入端、第二输入端、第三输入端及输出端；
19.所述驱动控制及保护单元通过第一输入端与所述电流采集单元的输出端连接，用于获取负载工作电流信息；
20.所述驱动控制及保护单元通过第二输入端与所述微控制器的参数配置单元连接，用于获取负载短路保护参数；
21.所述驱动控制及保护单元通过第三输入端与所述微控制器的输出端连接，用于获取微控制器所输出的控制指令；
22.所述驱动控制及保护单元的输出端与功率单元的输入端连接，用于根据所接收的负载工作电流信息、负载短路保护参数及微控制器所输出的控制指令产生相应的开关信号；
23.所述功率单元与驱动控制及保护单元的输出端连接，用于根据相应的开关信号控制负载配电通道的通断。
24.本发明还提供了一种利用固态功率控制器进行短路及过载保护的方法，包括以下步骤：
25.接收上位机的控制指令并进行解析，打开负载供电通道；
26.实时采集负载工作电流信息；
27.对实时采集的负载工作电流信息进行存储；
28.读取负载工作电流信息的历史数据，对负载工作电流信息历史数据进行预处理；
29.根据处理后的载工作电流历史数据拟合出上电曲线及稳态曲线；根据上电曲线及稳态曲线得出负载短路保护参数及负载过载保护参数；
30.对负载短路保护参数及负载过载保护参数进行存储；
31.读取负载过载保护参数，并根据得到的负载过载保护参数调整i2t保护曲线；根据调整后的i2t保护曲线进行过载保护；
32.读取短路保护参数，根据负载短路保护参数并进行短路保护。
33.与相关技术相比，本发明提供的自适应调整的微控制器、固态功率控制器及保护方法，至少实现了如下的有益效果：
34.1、本发明保护曲线自适应调整的微控制器，通过存储单元对实时采集的负载工作电流信息进行存储形成历史数据；通过设置数据分析及处理单元，利用数据分析及处理单元对历史数据进行分析处理拟合出上电曲线及稳态曲线，进而得到负载过载保护参数及负
载短路保护参数，对负载短路保护参数并进行输出，并根据得到的负载过载保护参数进一步调整i2t保护曲线；本发明与相关技术的最大区别点在于能够针对负载测量其真实的电气特性曲线，而且能够根据真实的电气特性曲线调整i2t保护曲线和负载短路保护参数，因此，与相关技术相比，具有保护准确的特点；此外，本发明的微控制不仅拟合出稳态曲线而且还拟合出上电曲线，能够避免用电设备的瞬时电流特性差异所导致的误保护和不保护的现象。
35.2、本发明的固态功率控制器通过采用具有保护曲线自适应调整功能的微控制器，配合以电流采集单元、驱动控制及保护单元及功率单元，能够实现根据不同负载特性，自动调节固态功率控制器的i2t保护曲线参数和短路保护阈值，以更好的适应后级设备的电气负载特性，避免繁琐的调节、维护工作，提高整机配电系统适应性和保障效率。
36.3、本发明通过分别设置第一电流采集单元及第二电流采集单元对电流进行分区采集，能够提高负载实时工作电流采集的准确性。
37.当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
38.通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
39.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。
40.图1所示为本发明实施例所提供的微控制器的功能原理示意图；
41.图2所示为本发明实施例所提供的固态微控制器的结构原理图；
42.图3所示为本发明实施例所提供的利用固态微控制进行短路及过载保护的流程图。
具体实施方式
43.现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
44.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
45.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
46.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
47.在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在本发明中能进行各种修改和变化，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。因而，本发明意在覆盖落入所对应权利要求(要求保护的技术方案)及其等同物范围内的本发明的修改和变化。需要说明的是，本发明实施例所提供的实施方式，在不矛盾的情况下可以相互组合。
48.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一
12是指稳态电流最大过载倍数为7-12范围值中的一特定值。
57.本发明负载短路保护参数及过载保护参数均分为两个阶段，一是上电阶段，二是稳态阶段；通过分阶段设置负载短路保护参数和负载过载保护参数能够实现精准保护；以下举例说明：
58.误保护主要发生在上电阶段，如果没有自适应保护，如果某设备上电瞬间产生的冲击电流达到30a，而负载稳态工作电流为1a,配电通道额定电流为3a，固态功率控制器最大过载倍数为7；此时冲击电流30a已超过该路固态功率控制器的最大保护电流3a
×
7＝21a，发生跳闸保护。而真实情况是，该设备工作正常，并未发生过载或短路故障，因此，判定固态功率控制器发生了误保护。
59.如采用本发明的“微控制器μp”，在“曲线自适应设置模式”下，会读取第一存储单元所储存的历史数据，根据历史数据拟合上电曲线和稳态工作曲线。该案例中经微控制器μp分析会得出“上电过载基准电流为3a”、“上电最大过载保护倍数为12倍”、“上电短路保护阈值为36a”，“稳态工作过载基准电流为1.2a”、“稳态工作最大过载保护倍数7倍”及“稳态工作短路保护阈值8.4a”，经确认后，相关参数存入“第二存储单元”中。然后，在“正常工作模式”下，参数配置单元会自动加载上述配置信息，并以此来执行保护。从数据可以看出，该设置可以有效避免该负载在上电过程中的30a的瞬时冲击电流，同时在稳态工作过程中，又能有效的保护负载线路。
60.如图2所示，本发明的第一存储单元和第二存储单元可为非易失存储器u4。
61.请继续参照图2，图2所示为基于上述微控制器μp的固态功率控制器结构图，固态功率控制器除了包括上述的微控制器μp外还包括电流采集单元、驱动控制及保护单元和功率单元。
62.其中，电流采集单元的输入端用于与负载配电母线连接，电流采集单元的输出端与微控制器μp的接口单元的输入端连接。
63.驱动控制及保护单元具有第一输入端、第二输入端、第三输入端及输出端；驱动控制及保护单元通过第一输入端与所述电流采集单元的输出端连接，用于获取负载工作电流信息；驱动控制及保护单元通过第二输入端与微控制器μp的参数配置单元连接，用于获取负载短路保护参数；驱动控制及保护单元通过第三输入端与所述微控制器μp的输出端连接，用于获取微控制器μp所输出的控制指令；驱动控制及保护单元的输出端与功率单元的输入端连接，用于根据所接收的负载工作电流信息、负载短路保护参数及微控制器μp所输出的控制指令产生相应的开关信号；功率单元与驱动控制及保护单元的输出端连接，用于根据相应的开关信号控制负载配电通道的通断。
64.本发明的固态功率控制器通过采用具有保护曲线自适应调整功能的微控制器μp，配合以电流采集单元、驱动控制及保护单元及功率单元，能够实现根据不同负载特性，自动调节固态功率控制器的i2t保护曲线参数和短路保护阈值，以更好的适应后级设备的电气负载特性，避免繁琐的调节、维护工作，提高整机配电系统适应性和保障效率。
65.在某些情况下，本发明的电流采集单元包括第一电流采集单元和第二电流采集单元，第一电流采集单元的电流采集范围为i
额定
～20倍i
额定
，第二电流采集单元的电流采集范围为0～i
额定
，i
额定
为配电通道额定电流；驱动控制及保护单元通过第一输入端与第一电流采集单元的输出端连接。
66.本发明通过分别设置第一电流采集单元及第二电流采集单元对电流进行分区采集，能够提高负载实时工作电流采集的准确性。
67.本发明的微控制器μp的接口单元包括第一采集接口和第二采集接口。
68.本发明的第一电流采集单元包括分流器r0、电阻r3、电阻r4、运算放大器g2、电阻r5及电阻r6；分流器r0串联在负载配电母线中；运算放大器g1的第一输入端通过电阻r3与分流器r0的输入端连接，运算放大器g1的第二输入端通过电阻r4与分流器r0的输出端连接；运算放大器g2的第一输入端与运算放大器g1的输出连接，运算放大器g2的第二输入端与电阻r6的一端连接，运算放大器g2的输出端同时与电阻r6的另一端、驱动控制及保护单元的第一输入端及微控制器μp的第一采集接口的输入端连接；电阻r5与运算放大器g2的第二输入端连接。
69.本发明的第二电流采集单元包括运算放大器g3、运算放大器g4、电阻r7及电阻r8；运算放大器g3的第一输入端通过电阻r3与分流器r0的输入端连接，运算放大器g3的第二输入端通过电阻r4与分流器r0的输出端连接；运算放大器g4的第一输入端与运算放大器g3的输出连接，运算放大器g4的第二输入端与电阻r8的一端连接，运算放大器g4的输出端同时与电阻r8的另一端及微控制器μp的第一采集接口的输入端连接；电阻r7与运算放大器g4的第二输入端连接。
70.本发明的运算放大器g1及运算放大器g3优选为隔离差分运算放大器。
71.本发明的第一电流采集单元通过高精度的运算放大器g1采集流过分流器r0的电流信号，然后通过运算放大器g2放大，送入到微控制器μp接口单元的第一采集接口，该通道主要完成配电通道额定电流值到20倍配电通道额定电流值的采集，提高对过载电流io的采集宽度，通过调节运算放大器g2的增益，可以实现对过载电流io(大电流)的精确调节。
72.本发明的第一电流采集单元主要是通过高精度的运算放大器g3采集流过分流器r0的电流信号，然后通过运算放大器g4放大，送入到微控制器μp接口单元的第二采集接口，该通道主要完成0～i
额定
的检测，通过调节g4的增益，可以提高对额定电流(小电流)的采集精度，i
额定
为配电通道额定电流。
73.在本发明中，第一电流采集单元与第二电流采集单元的基本组成是相同的，区别在于二者的运算放大器g2、运算放大器g4增益不同，从而实现的对不同电流区间的检测。第一电流采集单元用于检测电流大于额定值的“大电流”的检测；而第二电流采集单元在于实际工作的“较小电流”的检测。
74.本发明中接口单元采集的负载工作电流信息为表示负载工作电流大小的电压信号。
75.在某些实施例中，驱动控制及保护单元包括基准电压设置单元u3、比较器c1、锁存器u2、非门u6及与门u5；基准电压设置单元u3具有锁存功能，基准电压设置单元u3的输入端通过spi总线与数据分析及处理单元连接，用于获取短路保护参数；比较器c1的第一输入端与第一电流采集单元的输出端连接，比较器c1的第二输入端与基准电压设置单元u3的输出端连接；锁存器u2的输入端与比较器c1的输出端连接；非门u6的输入端与锁存器u2的输出端连接；与门u5的第一输入端与非门u6的输出端连接，与门u5的第二输入端与微控制器μp输出单元连接；与门u5的输出端用于输出用于控制功率单元的开关信号。
76.本发明的驱动控制及保护单元还包括隔离器u1，隔离器u1的输入端和与门u5的输
出端连接，隔离器u1的输出端输出功率单元的开关信号。
77.在某些实施例中，隔离器u1的低电源为3.3v，高电源为12_iso，gnd为低电源对应的地，iso_gnd为高电源对应的地，隔离器u1的输入端连接与门u5的输出端，输出端连接功率单元，作用在于驱动功率单元的接通与断开。
78.本发明中微控制器μp可以通过spi总线将短路保护参数送入基准电压设置单元u3，此信号输入至自带锁存器的基准电压设置单元u3后，将信号输入至比较器c1，与过载电流信息进行比较，将其比较结果送入锁存器u2，锁存器u2又将其输入至逻辑非门u6，非门u6进行逻辑取反后的信号输入至逻辑与门u5，同时微控制器μp发出的on/off指令信号也输入至逻辑与门u5，共同u1控制固态功率控制的接通与断开。
79.在相关技术中，驱动控制及保护单元的短路保护阈值为固定的电压值，不会随着负载的工作状态而发生变化，上电阶段的短路保护阈值和稳态工作的短路阈值是相同的，因此会出现过保护和误保护的现象；
80.本发明的驱动控制及保护单元的基准电压设置单元u3的输入端通过spi总线与数据分析及处理单元连接，用于获取短路保护参数；此处，u3的输入端的输入的路保护阈值是与负载的特性曲线相适配的，上电阶段，u3的输入端输入的是上电短路保护阈值；稳态阶段，u3的输入端输入的是稳态短路保护阈值。因此，与相关技术相比，本发明的驱动控制及保护单元所提供的短路保护更加精准，在一定程度上能够避免过保护和误保护的现象。
81.本发明的基准电压设置单元u3可以通过数字电位器实现，也可以通过数字dac实现，如ad5121、ad5141、ad5310r、ad5311r等。
82.基准电压设置单元u3获取微控制器传递的短路保护参数后，根据短路保护参数输出相应的上电短路保护阈值或稳态短路保护阈值，上电短路保护阈值为电压值，表示配电通道额定电流的7-20倍；稳态短路保护阈值为电压值，表示配电通道额定电流的7-12倍。
83.在一些情况下，本发明的固态功率控制器还包括后端状态监控单元，后端状态监控单元的输入端与分流器r0的输出连接，用于采集负载配电母线电压；微控制器μp还包括第二采集接口；后端状态监控单元的输出端与第二采集接口的输入端连接，第二采集接口的输出端用于向上位机反馈负载配电母线电压。
84.在一些情况下，后端状态监控单元包括电阻r1、电阻r2、运算放大器g5及运算放大器g6；运算放大器g5的第一输入端与分流器r0的输出端连接，运算放大器g5的第二输入端通过电阻r2接地；电阻r1的一端与运算放大器g5的第一输入端连接，另一端与运算放大器g5的第二输入端连接；运算放大器g6的第一输入端与运算放大器g5的输出端连接，运算放大器g6的输出端同时与运算放大器g6的第二输入端及第二采集接口的输入端连接。
85.如图2所示，本发明的功率单元场效应管q1、场效应管q2、二极管d1和二极管d2，场效应管q1与场效应管q2并联设置，场效应管q1与场效应管q2的分别通过各自的源极与漏极接入母线中，场效应管q1与场效应管q2的栅极均与u1的输出端连接。场效应管q1与场效应管q2的漏极还连接有iso-gnd。
86.本发明的后端状态监控单元主要用于获取功率单元后端的电压，该数据用于判断功率单元是处在接通状态还是断开状态。
87.此外，结合图1及图2，本发明微控制器μp的指令解析单元可通过通信总线如rs422、can总线等，输入的是“接通/断开、复位”等控制命令。同时，通过总线，可输出后端状
态监控单元检测到的后级功率单元中mos管的接通、断开状态、电流、电压数据、自检信息等等。
88.图2中的离散量信号为28v/开路或gnd/开路的i\o控制信号，用于应急接通/断开控制。从接通/断开控制功能上来说，与通信总线“接通/断开”控制命令是一样的；但离散量的“接通/断开”一般用于“通信总线”失效时的应急控制。
89.图3所示为利用固态功率控制器进行短路及过载保护的方法的流程图，如图3所示，本发明的利用固态功率控制器进行短路及过载保护的方法，包括以下步骤：
90.接收上位机的控制指令并进行解析，打开负载供电通道；
91.实时采集负载工作电流信息；
92.对实时采集的负载工作电流信息进行存储；
93.读取负载工作电流信息的历史数据，对负载工作电流信息历史数据进行预处理；
94.根据处理后的载工作电流历史数据拟合出上电曲线及稳态曲线；根据上电曲线及稳态曲线得出负载短路保护参数及负载过载保护参数；
95.对负载短路保护参数及负载过载保护参数进行存储；
96.读取负载过载保护参数，并根据得到的负载过载保护参数调整i2t保护曲线；根据调整后的i2t保护曲线进行过载保护；
97.读取短路保护参数，根据负载短路保护参数并进行短路保护。
98.上述为本发明固态功率控制器进行短路及过载保护方法的核心原理，在实际应用过程中，微控制器μp可以有两种工作模式，一种为曲线自适应设置模式，一种为正常工作模式；在曲线自适应设置模式下，固态功率控制器主要确定与实际负载用电特性匹配的i2t保护曲线及负载短路保护参数；在正常工作模式时，微控制器μp的参数配置单元通过与基准电压设置单元u3进行通信，实现短路保护参数的调节；并根据得到的负载过载保护参数调整i2t保护曲线；根据调整后的值经比较器c1后的信号将被锁存器u2锁存，之后锁存器u2发出的控制信号与微控制器μp发出的on/off信号同时经过逻辑与门u5对u1进行控制，向功率单元发送通断的信号量，实现对输出电流的通断控制，以此实现i2t曲线自适应保护。进一步的还可以将负载通道中采集的电压vr经差分器g5和跟随器g6传送至微控制器μp，对其后端状态进行实时监测。
99.虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。