专利名称：一种电压自适应的直流低电压脱扣控制器及控制方法
技术领域：
本发明属于电子产品领域，特别是涉及一种电压自适应的直流低电压脱离控制器及控制方法。
背景技术：
随着通讯、电力事业的发展，直流大功率开关电源系统技术发展迅速，与其相应的外围电路技术也变化较大，特别是一些保护电路。低电压脱离控制器(Low Voltage Disconnect，LVD)是通讯电源系统与电力系统的关键部件，当系统交流电源或整流器异常而使用蓄电池直流供电时，用于防止蓄电池或蓄电池组过放电。电源监控器(Power SystemMonitor，PSM)监测蓄电池的输出电压，并向LVD发脱扣(disconnect)信号或吸合(reconnect)信号。LVD通过控制继电器的释放或吸合，断开或连接蓄电池的放电回路。低电压脱离控制器有效防止了蓄电池的过放电，延长了蓄电池的使用寿命，保护了蓄电池。传统LVD完全由硬件电子电路实现，由于继电器的驱动一般由开关电信号控制，在特定供电电压下，只能控制相应额定电压的继电器。在测试及使用不同供电电源或继电器的场合时，则需要更换不同LVD以适应环境参数的变化。
目前，国外对LVD的研究主要集中在如何简化电路、提高稳定性以及降功耗等问题上，对LVD的自适应性还没有相关报道。传统的以硬件电子电路为核心的LVD难以实现自动跟踪以及自动适应外界环境参数的变化。分析当前LVD产品仍然存在一些不足，主要问题是1.产品通用型差，目前常见直流电压类型主要有48v、24v、12v，不同的电压类型用不同规格的LVD，给维护、投运、调试带来不便；2.与国产直流接触器无法配套，国外的直流接触器成本高，系统成本降不下来；
3.对各种工况参数处理简单，系统的稳定性与可靠性不高，缺少智能处理能力；4.LVD电路复杂、元器件多，生产、调试效率低，可靠性低；5.RC震荡电路在温度变化下，会造成系统的工作频率漂移，脱扣电压精度不高。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种电压自适应的直流低电压脱离控制器，并提供该控制器的控制方法。
本发明的脱离控制器包括单片机、通讯接口、PWM驱动电路、电源电路、控制方式切换电路、LED驱动电路。单片机分别与通讯接口、工况采集电路、PWM驱动电路、电源电路、控制方式切换电路、LED驱动电路相接。
所述的通讯接口包括RJ45主插口、RJ45从插口、信号输入输出光电隔离和转换电路，用于和电源监控器以及从控制器之间的通信。RJ45主插口与电源监控器或主LVD连接，RJ45从插口与从LVD连接(可选)。所述的工况采集电路包括分压电阻和短路器，完成工作电压信号的检测、分压并输入单片机，主、从LVD和电源监控器类型的配置信号输入单片机。所述的PWM驱动电路将单片机接口输出一定占空比的脉冲，经放大电路放大后接到继电器线圈的一端(另一端接工作电压)，从而线圈上形成相应压差，使继电器吸合或脱扣。
单片机采用PIC16F73芯片，它是一种高性能RISC CPU，具有可接收12个中断源的中断系统，8级硬件堆栈，具有8位和16位定时器/计数器，二个PWM模式通道，8位A/D转换器，同步串行口，通用同步异步接收转换器，8位外部可读、写和片选控制的并行口等。单片机通过A/D转换可以监测系统工作电压，判断系统工作在24V系统或48V系统等，输出占空比随时可调的PWM脉冲，使LVD能适应不同电源系统中，并且可以驱动多种额定电压的继电器；在单片机中根据输入线圈电压，采用模糊控制算法闭环控制，稳定了继电器线圈电压，保护了继电器，使系统的供电电压可在线性范围内变化。单片机通过通讯接口与监控器或主从LVD进行通信，完成控制方式切换电路信号输入判断、LED驱动电路的控制等功能。PWM驱动电路、电源电路、控制方式切换电路、LED驱动电路采用成熟技术。
该电压自适应的直流低电压脱扣控制器的控制方法是首先判断是否看门狗引起的复位，若是则对PIC单片机进行初始化，并判断LVD是否处于自动工作方式，若是则转入判断LVD控制器所接监控器类型，若不是则转入读工作电压信号，判断是48V或24V或12V系统，并判断工作电压是否达到脱扣电压阈值，同时设置相应的标志位(脱扣电压阈值根据用户的具体需要进行设定)；若判断不是看门狗引起的复位，即正常复位，则对PIC单片机进行初始化，然后进入主程序循环，先判断LVD控制器所接监控器类型，再输入工作电压引脚，判断是48V或24V或12V系统，并判断其是否达到脱扣阈值，同时设置相应的标志位；根据配置接口设置PWM占空比寄存器，读取控制方式切换电路，判断是自动还是手动的吸合或脱扣，并设置相应标志位；若是自动方式，则接收监控器指令，并读取继电器状态与监控器指令进行比较，若带从LVD控制器，则根据监控器类型读取从LVD控制器的工作状态，然后根据PWM占空比寄存器及相应的标志位，输出PWM脉冲驱动继电器，对于接SM50的监控器，还要向上级LVD控制器发状态信号；根据当前LVD控制器状态设置LED显示的标志寄存器；最后根据是否接监控器，来判断进入两个入口之一。
该方法采用循环设置、比较、判别方式，不断读取工况参数进行比较、判别并设置；A/D转换、模糊控制和LED显示分别采用中断方式，在中断子程序中完成。
本发明提出了以单片机作为LVD核心部件，利用占空比随时可调的PWM脉冲实现不同额定电压继电器的驱动，并结合模糊控制算法对PWM脉冲占空比进行微调的改进方案，和传统LVD相比，提高了系统的稳定性；利用单片机输出的PWM信号驱动继电器可使系统适应变化的现场，改变了由于现场参数变化而需要频繁更换LVD的现状；在调制脉冲过程中应用模糊控制算法使得LVD可以适应不稳定的供电电压，有效稳定了继电器线圈电压。
在自动工作方式下，监控器监控蓄电池等供电设备，供电设备的输出电压低于设定的低限值时，发出脱扣指令，LVD接收到这个命令后就会进行PWM调制，输出占空比一定的脉冲信号，使继电器完成脱扣动作；当供电设备的输出电压上升至某一设定值时，监控器就会向LVD发吸合指令，LVD接收到此命令后通过PWM调制完成吸合动作。同时，LVD向监控器发状态信号，例如失败信号以及工作方式信号等。当手动方式时，LVD可与监控器断开。
本发明的直流低电压脱扣控制器能够自动适应各档电压的要求，可工作在三档直流电压(12/24/48V)下；可与国产直流大功率接触器配套；自动方式中，LVD接收脱扣或吸合指令进行PWM调制，输出一定占空比的脉冲，以驱动继电器，完成脱扣或吸合动作；同时，LVD向监控器发状态信号，例如失败信号以及工作方式信号等；根据线圈电压与线圈参考电压的偏差作为输入，单片机运用模糊控制算法输出调整PWM的占空比稳定线圈电压；LVD可以串连使用，控制多个继电器。LVD可以工作在主从模式下，相应的分为主LVD和从LVD，可通过短路器进行设置。主LVD控制从LVD，从LVD通过主LVD和后台控制进行通信。系统还有LED显示功能，针对脱扣、吸合、失败、手动、自动以及监控器断开等不同情况，都可以通过LED的闪烁或亮灭来显示；当系统执行指令失败，或监控器未被接入等异常情况发生时，产生报警，并通过LED显示。
图1是电压自适应的直流低电压脱离控制器(LVD)结构框图；图2是继电器线圈电压模糊控制原理框图；图3是单片机主程序框图。
具体实施例方式
如图1所示，脱离控制器包括单片机1、通讯接口2、PWM驱动电路4、电源电路5、控制方式切换电路6、LED驱动电路7。单片机1分别与通讯接口2、工况采集电路3、PWM驱动电路4、电源电路5、控制方式切换电路6、LED驱动电路7相接。
通讯接口2包括包括RJ45主插口、RJ45从插口、信号输入输出光电隔离和转换电路，用于和电源监控器以及从控制器之间的通信。RJ45主插口与电源监控器或主LVD连接，RJ45从插口与从LVD连接(可选)。
PWM驱动电路3将单片机接口输出一定占空比的脉冲，经放大电路放大后接到继电器线圈的一端(另一端接工作电压)，从而线圈上形成相应压差，使继电器吸合或脱扣。
单片机1采用PIC16F73芯片，通过A/D转换可以监测系统工作电压，判断系统工作在24V系统或48V系统，输出占空比随时可调的PWM脉冲，使LVD能适应不同电源系统中，并且可以驱动多种额定电压继电器。在单片机中根据输入线圈电压，采用模糊控制算法闭环控制，稳定了继电器线圈电压，保护了继电器，使系统的供电电压可在线性范围内变化。
在自动工作方式下，监控器监控蓄电池等供电设备。当蓄电池等供电设备的输出电压低于设定的低限值时，发出脱扣指令。LVD接收到这个指令后就会进行PWM调制，输出占空比一定的脉冲信号，完成与继电器的脱离动作；当供电设备的输出电压上升至某一设定值时，监控器就会向LVD发吸合指令，LVD接收到此命令后通过PWM调制完成吸合动作。同时，LVD向监控器发状态信号，例如失败信号以及工作方式信号等。系统自动识别外界环境参数的变化，输出相应占空比的PWM脉冲驱动继电器降功耗运行。
如图2所示，应用模糊控制算法，控制继电器线圈电压。当PWM占空比一定而工作电压上下浮动时，线圈两端电压随之变化，这会造成继电器不能准确动作，甚至损害继电器。当工作电压发生变化时，为了保持线圈电压的稳定，单片机将检测工作电压输入A/D转换，计算出线圈电压，根据线圈电压Vcoil与线圈参考电压Vcoil0的偏差作为模糊控制器输入，经模糊控制算法运算，调整模糊控制输出u的值，输出PWM脉冲驱动继电器，以稳定线圈电压；同时可以适合不同的工作电压与继电器吸合电压，可以配置为24V工作电压，6V、12V的继电器吸合电压；48V工作电压，12V、24V的继电器吸合电压。
LVD可以串连使用，控制多个继电器。LVD可以工作在主从模式下，相应的分为主LVD和从LVD，可通过硬件短路器进行设置。主LVD控制从LVD，从LVD通过主LVD和后台控制进行通信。
LVD的核心部件单片机的主程序流程图如图3所示。主程序采用循环设置、比较、判别方式，不断读取工况参数进行比较、判别并设置；A/D转换、模糊控制和LED显示分别采用中断方式，在中断子程序中完成。主程序首先判断是否看门狗引起的复位，若是则对PIC单片机进行初始化，并判断LVD是否处于自动工作方式，若是则转入判断LVD控制器所接监控器类型，若不是则转入读工作电压信号，判断是48V或24V或12V系统，并判断工作电压是否达到脱扣电压阈值，同时设置相应的标志位；若判断不是看门狗引起的复位，即正常复位，则对PIC单片机进行初始化，然后进入主程序循环，先判断LVD控制器所接监控器类型，再输入工作电压引脚，判断是48V或24V或12V系统，并判断其是否达到脱扣阈值，同时设置相应的标志位；根据配置接口设置PWM占空比寄存器，读取控制方式切换电路，判断是自动还是手动的吸合或脱扣，并设置相应标志位；若是自动方式，则接收监控器指令，并读取继电器状态与监控器指令进行比较，若带从LVD控制器，则根据监控器类型读取从LVD控制器的工作状态，然后根据PWM占空比寄存器及相应的标志位，输出PWM脉冲驱动继电器，对于接SM50的监控器，还要向上级LVD控制器发状态信号；根据当前LVD控制器状态设置LED显示的标志寄存器；最后根据是否接监控器，来判断进入两个主程序入口之一。
权利要求
1.一种电压自适应的直流低电压脱扣控制器，其特征在于该脱扣控制器包括单片机、通讯接口、PWM驱动电路、电源电路、控制方式切换电路、LED驱动电路；单片机分别与通讯接口、工况采集电路、PWM驱动电路、电源电路、控制方式切换电路、LED驱动电路相接；所述的通讯接口包括RJ45主插口、RJ45从插口、信号输入输出光电隔离和转换电路，用于和电源监控器以及从控制器之间的通信；所述的工况采集电路包括分压电阻和短路器，完成工作电压信号的检测、分压并输入单片机；所述的PWM驱动电路将单片机接口输出一定占空比的脉冲，经放大电路放大后接到继电器线圈的一端，从而线圈上形成相应压差，使继电器吸合或脱扣。
2.如权利要求1所述脱扣控制器的控制方法，其特征在于该方法具体是首先判断是否看门狗引起的复位，若是则对PIC单片机进行初始化，并判断LVD是否处于自动工作方式，若是则转入判断LVD控制器所接监控器类型，若不是则转入读工作电压信号，判断是48V或24V或12V系统，并判断工作电压是否达到脱扣电压阈值，同时设置相应的标志位；若判断不是看门狗引起的复位，即正常复位，则对PIC单片机进行初始化，然后进入主程序循环，先判断LVD控制器所接监控器类型，再输入工作电压引脚，判断是48V或24V或12V系统，并判断其是否达到脱扣阈值，同时设置相应的标志位；根据配置接口设置PWM占空比寄存器，读取控制方式切换电路，判断是自动还是手动的吸合或脱扣，并设置相应标志位；若是自动方式，则接收监控器指令，并读取继电器状态与监控器指令进行比较，若带从LVD控制器，则根据监控器类型读取从LVD控制器的工作状态，然后根据PWM占空比寄存器及相应的标志位，输出PWM脉冲驱动继电器，对于接SM50的监控器，还要向上级LVD控制器发状态信号；根据当前LVD控制器状态设置LED显示的标志寄存器；最后根据是否接监控器，来判断进入两个入口之一。
全文摘要
本发明涉及一种电压自适应的直流低电压脱离控制器及控制方法。电压自适应的直流低电压脱离控制器是由单片机分别与通信接口、工况采集电路、PWM驱动电路、电源电路、控制方式切换电路、报警电路相接。其控制方法是脱离控制器根据电源监控器发出的控制指令，来控制继电器是否脱扣，并根据模糊控制算法对线圈电压进行PWM输出调整，并自适应多电压范围；采用主从设计，多个LVD可串连使用，并兼容多种型号电源监控器。和传统LVD相比，本发明提高了系统的稳定性，有效稳定了继电器线圈电压。
文档编号H03K17/00GK101013638SQ200610155280
公开日2007年8月8日 申请日期2006年12月18日 优先权日2006年12月18日
发明者包健, 严义 申请人:杭州电子科技大学