凌　闖

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

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基于PIC單片機(jī)的固體功率控制器設(shè)計(jì)

凌闖

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

摘要：介紹了一種新型的固體功率控制器；介紹了基于PIC單片機(jī)的固體功率控制器的功能和工作原理以及硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：固體功率控制器；設(shè)計(jì)；PIC單片機(jī)

1引言

隨著全電/多電飛機(jī)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)飛機(jī)的配電系統(tǒng)已由常規(guī)配電向固體配電發(fā)展。常規(guī)配電采用熱保護(hù)開(kāi)關(guān)、繼電器、接觸器、斷路器等機(jī)電式器件對(duì)負(fù)載控制，其優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟、器件工作穩(wěn)定，缺點(diǎn)是電路過(guò)流、短路等故障響應(yīng)較慢，不能實(shí)現(xiàn)負(fù)載的自動(dòng)管理。因此必須采用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)的匹配發(fā)展，固體配電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。該技術(shù)以微型計(jì)算機(jī)為控制中心，通過(guò)多路傳輸和固體功率控制器(SSPC)來(lái)控制和保護(hù)負(fù)載，這種配電方式大大提高了配電系統(tǒng)的自動(dòng)化和可靠性，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的自動(dòng)管理功能，是今后配電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

固體功率控制器是集斷路器保護(hù)功能和固體繼電器轉(zhuǎn)換功能于一體的智能開(kāi)關(guān)裝置，分為直流和交流固體功率控制器兩種，具有開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)電弧、電磁干擾小以及便于計(jì)算機(jī)控制等特點(diǎn)。

2功能和工作原理

固體功率控制器作為先進(jìn)飛機(jī)配電系統(tǒng)中的重要配電設(shè)備，主要用于接通或關(guān)斷用電設(shè)備的電源，同時(shí)還具有過(guò)載保護(hù)功能和自檢測(cè)功能，指示負(fù)載是否已經(jīng)發(fā)生跳閘或出現(xiàn)了故障，取代了常規(guī)配電的機(jī)械開(kāi)關(guān)。

固體功率控制器除了具有偏置電路、隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路、輸出電路部分外，還有取樣和信號(hào)處理、保護(hù)和故障判斷(控制單元)、狀態(tài)反饋等電路。圖1為固體功率控制器內(nèi)部功能框圖。

圖1　固體功率控制器內(nèi)部功能框圖

固體功率控制器通過(guò)取樣和信號(hào)處理電路將輸出端出現(xiàn)的過(guò)載、短路異常情況傳送到故障判斷電路(控制單元)；根據(jù)控制算法控制輸出關(guān)斷，達(dá)到保護(hù)固體功率控制器的目的，同時(shí)由狀態(tài)輸出端輸出。

在正常工作時(shí)，控制輸入信號(hào)經(jīng)隔離電路，將信號(hào)加到驅(qū)動(dòng)電路，控制輸出電路的接通或關(guān)斷。

當(dāng)電流過(guò)載時(shí)，通過(guò)取樣和信號(hào)處理電路，將過(guò)載信息反饋到控制單元電路，控制單元電路根據(jù)過(guò)載電流超過(guò)額定電流值的倍數(shù)，進(jìn)行判斷、延時(shí)，在延時(shí)時(shí)間內(nèi)過(guò)載未消除，將跳閘關(guān)斷輸出，同時(shí)反饋到跳閘狀態(tài)端和負(fù)載狀態(tài)端。

當(dāng)短路時(shí)，通過(guò)取樣和信號(hào)處理電路，控制單元電路監(jiān)測(cè)到短路信號(hào)，通過(guò)判斷，并及時(shí)關(guān)斷輸出，同時(shí)反饋到負(fù)載狀態(tài)端和跳閘狀態(tài)端。

3硬件設(shè)計(jì)

過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)是固體功率控制器設(shè)計(jì)的核心部分，主要包括取樣、信號(hào)處理電路和控制單元電路設(shè)計(jì)。采用負(fù)載電流的電阻取樣法進(jìn)行固體功率控制器過(guò)載、短路電流的檢測(cè)；采用Microchip公司的PIC12F675單片機(jī)進(jìn)行固體功率控制器過(guò)載、短路保護(hù)控制。

3.1　取樣和信號(hào)處理電路

常用的電流檢測(cè)方式一般有基于磁場(chǎng)的檢測(cè)方法和基于分流器的檢測(cè)方法。基于磁場(chǎng)的檢測(cè)方法(以電流互感器和霍爾傳感器為代表)具有良好的隔離和較低的功率損耗等優(yōu)點(diǎn)，但它的缺點(diǎn)是體積較大，線性以及溫度特性不理想。在本產(chǎn)品中，固體功率控制器過(guò)載、短路電流的檢測(cè)，采用輸出回路中串聯(lián)電阻進(jìn)行電流取樣方式。過(guò)載、短路保護(hù)電阻取樣方案原理框圖見(jiàn)圖2。

圖2　過(guò)載、短路保護(hù)電阻取樣方案原理框圖

輸出回路中串聯(lián)取樣電阻將增大固體功率控制器的輸出電壓降。如果輸出電壓降增加太多，固體功率控制器的輸出電壓降增大、功耗增大。不過(guò)，基于取樣分辨率的考慮，電阻的阻值也不允許太低。

為了能夠進(jìn)行正常A/D轉(zhuǎn)換，得到最好的A/D精度和分辨率，需要對(duì)取樣信號(hào)進(jìn)行處理。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須盡可能地讓取樣信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化變換到0～5V的電壓后再送給單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

3.2　控制單元電路

在固體功率控制器控制單元電路設(shè)計(jì)中，我們采用PIC12F675單片機(jī)進(jìn)行控制。PIC12F675單片機(jī)是8引腳8位單片機(jī)，其引腳示意圖如圖3所示。

圖3　PIC12F675引腳示意圖

PIC12F675單片機(jī)技術(shù)性能具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)哈拂總線結(jié)構(gòu)。PIC系列單片機(jī)在架構(gòu)上采用了與眾不同的哈拂總線結(jié)構(gòu)，在芯片內(nèi)部將數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，并采用不同的寬度，便于實(shí)現(xiàn)指令提取的“流水作業(yè)”；便于實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)化、單周期化，從而有利于提高CPU執(zhí)行指令的速度，確保數(shù)據(jù)的安全性。

(2)精簡(jiǎn)指令集(RISC)技術(shù)。指令系統(tǒng)只有35條指令，容易學(xué)習(xí)、記憶、理解，也給程序的編寫、閱讀、調(diào)試、修改、交流帶來(lái)極大的便利，可謂“易學(xué)好用”。

(3)尋址方式簡(jiǎn)單。只有寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址4種尋址方式，比較容易理解和掌握。

(4)PIC12F675芯片具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)模塊、模擬比較器模塊等，并有外接電路簡(jiǎn)潔、開(kāi)發(fā)方便、可用嵌入式C語(yǔ)言編程、可實(shí)現(xiàn)在線串行編程(ICSPTM)、程序保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。

當(dāng)固體功率控制器過(guò)載或短路時(shí)，通過(guò)取樣和信號(hào)處理電路，輸出一個(gè)與負(fù)載電流成正比的模擬電壓信號(hào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)將采樣到的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)預(yù)先編制的軟件程序?qū)崿F(xiàn)在不同過(guò)載或短路電流下，不同跳閘時(shí)間的判斷，控制功率輸出管的驅(qū)動(dòng)電路，達(dá)到關(guān)斷輸出的目的。

4軟件設(shè)計(jì)

固體功率控制器的過(guò)載跳閘時(shí)間控制根據(jù)過(guò)載電流大小進(jìn)行時(shí)間控制，即過(guò)載電流越大，跳閘時(shí)間越短，也就是反時(shí)限過(guò)流保護(hù)。一般來(lái)說(shuō)，I2t形狀的跳閘曲線是保護(hù)系統(tǒng)的最佳選擇。這是因?yàn)榫€路的功率損耗等于線阻與負(fù)載電流平方的乘積，而線路的溫度是由線耗時(shí)間長(zhǎng)短決定的，這樣在相同時(shí)間內(nèi)線路的溫度與電流的平方成正比。

軟件流程包括初始化程序、延時(shí)子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序和數(shù)據(jù)處理子程序等。軟件流程圖如圖4所示。

圖4　軟件流程

在軟件設(shè)計(jì)方面，設(shè)置了門檻對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波。由于A/D轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)需考慮一定的延時(shí)。

5結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，固體功率繼電器的邏輯控制正確，負(fù)載過(guò)流短路保護(hù)響應(yīng)速度快，并能長(zhǎng)時(shí)間保持運(yùn)行可靠。

基于PIC單片機(jī)的固體功率繼電器的研制，突破了傳統(tǒng)的配電模式，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載的自動(dòng)管理和遠(yuǎn)程控制，大大提高了配電系統(tǒng)的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]張明峰.PIC單片機(jī)入門與實(shí)踐.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[2]Microchip Technology Inc. PIC12F629/675.www.microchip.com.DS41190C.

[3]劉超等.KGG-1M型固體功率控制器.機(jī)電元件，2011.2.

A Design of Solid State Power Controller Based on

PIC Monolithic Computer

Ling Chuang

(The 40th Institute of CETC)

Abstract：Presented is a new solid state power controller that is based on PIC monolithic computer. Described are operating principle and functions of the controller, also, designs are provided for its hardware and software.

Keywords：solid state power controller, design, PIC monolithic computer

中圖分類號(hào)：TN784

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6133(2015)03-0009-03

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.03.003

收稿日期：2015-04-20