USST_Arts_112330276断路器用嵌入式控制器小型测

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3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 890.48KB 69 页 15积分

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摘要

本文研究和设计的是断路器用嵌入式控制器小型测试装置，它用来检测断路

器控制器的基本保护功能，判断其技术指标是否符合低压电器相关标准以检验断

路器日常工作的可靠性。这种测试装置的主要功能是输出模拟套在断路器母排上

电流互感器和零序电流互感器感应输出的实际电压、电流信号到控制器，并根据

断路器控制器对该信号的动作反应来判断其工作是否正常。随着智能化万能式断

路器的应用越来越广泛，测试装置的发展也愈显重要。

文章首先引入了我国低压断路器的发展状况，论述了智能化万能式断路器工

作可靠的重要性。然后分析了目前断路器控制器用测试装置的分类及其国内外发

展状况，阐明了研究与设计小型测试装置的重要性。结合我国的发展状况明确了

本次研究的测试装置的功能及技术指标。

然后，经过整个系统的原理设计，并说明了其中关键的软件算法，通过位置

式PID 调节提高输出信号精度。文章从硬件和软件两大方面对所研究和设计的小

型测试装置进行详细说明。硬件方面，主要对测试装置各个模块的硬件原理电路

予以说明，包括模拟信号输出与自校正电路、参考电压电路与调零补偿电路、通

信模块、电源部分和人机界面。软件方面，对应硬件电路的各部分，分别阐述了

其软件设计原理和程序流程图。

最后，通过整机设计与硬件的组装，初步完成测试装置。再经过软、硬件的

系统调试，解决遇到的D/A 转换等问题，最终基本完成了小型测试装置的设计。

测试装置产生的模拟电压、电流信号精度以及其他基本功能都符合设计要求，达

到了预期的设计目标。

关键词：智能化万能式断路器控制器测试装置信号发生与校正

反馈 PID 校正

ABSTRACT

This thesis mainly talks about the research and design of small test instrument for

controller of intelligent air circuit breaker. It is used to test the basic protect function of

the controller of circuit breaker. It can judge whether the technical index is conform to

the correlative standard so that the circuit breaker is able to work normally in the daily

work. This test instrument’s main function is to generate voltage and current signal, and

put them to the controller to simulate the real bus bar current signal inducted from

current transformer in air circuit breaker. The test instrument judges whether the

controller is working in the right status rely on its movement reaction for the signal.

With the more and more widely application of the intelligent air circuit breaker, the test

instrument for its controller is more and more important.

Firstly, the thesis introduced the state of development of circuit breaker, and

discussed the significance of working reliability. Then the current classify of test

instrument for controller of air circuit breaker is discussed, and the current situation that

both in China and in abroad of it is analyzed, and clarified the significance of research

and design of small test instrument. Thinking about the current state of development of

the test instrument, we cleared the research function and technical index of it.

In addition, after principle design of the system, and declare the key algorithm of it,

for example, the output analog signal accuracy could be improved through the feedback

PID regulation, the paper describes the research and design of small test instrument in

detail from two main aspects: hardware part and software part. In hardware portion,

hardware principle circuits of various modules in small test instrument are illustrated,

include generate and self-correcting of analog signal circuit, reference voltage circuit

and zero compensation circuit, communication module circuit, power circuit module

and human-computer interface portion. In software portion, corresponding the hardware

circuit module, the paper illustrate the software design principle and flow diagram of

each module.

Finally, after the complete machine design and hardware assembling, we

completed the design task initially. And, through the system debug of both hardware and

software, and solve the problems which are found during the debug process, for

example, the D/A transition problem, the design of small test instrument was

fundamentally completed. Its precision of generated signal and basic function are all

accord with the design require, and achieve the expected design target.

Key words：intelligent air circuit breaker(ACB) ，controller，test

instrument，signal generate and correction，feedback，

PID rectify

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ....................................................... 1

1.1 背景和研究现状调查 ........................................... 1

1.1.1 低压电器 ................................................ 1

1.1.2 智能化万能式断路器控制器用测试装置及其分类 .............. 1

1.1.3 国内控制器用测试装置的发展 .............................. 2

1.1.4 国外控制器用测试装置的发展 .............................. 4

1.2 课题的研究目的与意义 ......................................... 5

1.3 本文所做的工作 ............................................... 6

第二章小型测试装置的功能及技术参数 ................................. 7

2.1 小型测试装置的主要功能 ....................................... 7

2.2 小型测试装置技术参数 ......................................... 8

2.3 拟测试流程 ................................................... 9

2.4 本章小结 .................................................... 10

第三章整体设计 .................................................... 11

3.1 系统原理方案概述 ............................................ 11

3.2 系统 PID 算法 ................................................ 12

3.3 机箱选用及内部布局 .......................................... 13

3.4 本章小结 .................................................... 14

第四章小型测试装置硬件研究 ........................................ 15

4.1 关键器件选用 ................................................ 15

4.2 硬件原理设计 ................................................ 16

4.2.1 模拟信号输出与自校正电路 ............................... 16

4.2.2 参考电压电路与调零补偿电路 ............................. 25

4.2.3 通信模块 ............................................... 26

4.2.4 电源模块 ............................................... 28

4.2.5 人机界面 ............................................... 29

4.3 本章小结 .................................................... 30

第五章软件设计 .................................................... 31

5.1 软件设计任务及主程序方案概述 ................................ 31

5.2 各模块的软件设计 ............................................ 33

5.2.1 模拟信号产生控制模块 .................................. 34

5.2.2 LCD 显示驱动模块 ...................................... 39

5.2.3 按键扫描处理模块 ...................................... 41

5.2.4 RS-485 通信模块 ....................................... 41

5.2.5 USB 通信模块 .......................................... 42

5.3 本章小结 .................................................... 43

第六章设计结果 .................................................... 44

6.1 遇到的问题及解决方案总结 .................................... 44

6.1.1 D/A 转换电路 ........................................... 44

6.1.2 模拟输出信号自动可调 ................................... 45

6.2 设计结果 .................................................... 45

6.2.1 小型测试装置整机设计结果 ............................... 45

6.2.2 试验结果 ............................................... 47

第七章总结与展望 .................................................. 48

附录 ............................................................. 50

附录 1：万能式断路器控制器的基本保护功能及其性能指标 ............ 50

附录 2：LCD 模块接口定义及其特性表 ............................... 52

附录 3：T6963C 控制指令码表 ...................................... 53

附录 4：电流反馈信号处理程序代码 ................................ 55

附录 5：电路图纸 ................................................ 57

参考文献 ........................................................... 62

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 65

致谢 ............................................................. 66

第一章绪论

1.1 背景和研究现状调查

1.1.1 低压电器

低压电器是一种能根据外界的信号和要求，手动或自动地接通、断开电路，

以实现对电路或非电对象的切换、控制、保护、检测、变换和调节的元件或设备。

控制电器按其工作电压的高低，以交流1200V、直流1500V 为界，可划分为高压

控制电器和低压控制电器两大类。总的来说，低压电器可以分为配电电器和控制

电器两大类，是成套电气设备的基本组成元件。在工业、农业、交通、国防以及

人们用电部门中，大多数采用低压供电，因此电器元件的质量将直接影响到低压

供电系统的可靠性。

低压电器的种类繁多，可分为刀开关、刀形转换开关、熔断器、低压断路器、

接触器、继电器、主令电器和自动开关等。其中低压断路器是一种不仅可以接通

和分断正常负荷电流和过负荷电流，还可以接通和分断短路电流的开关电器。低

压断路器在电路中除了起控制作用外，还具有一定的保护功能，如过负荷、短路、

欠压和漏电保护等。低压断路器广泛应用于低压配电系统各级馈出线，各种机械

设备的电源控制和用电终端的控制和保护。低压断路器又分为微型断路器

（Miniature Circuit Breaker，MCB）、塑壳断路器（Molded Case Circuit Breaker，

MCCB）和万能式断路器（Air Circuit Breaker，ACB，又称框架式断路器）。

统计资料显示，2011 年我国低压断路器行业市场规模为400 亿元。未来几年

随着我国新增发电量的不断增长以及下游其他行业的快速发展，国内市场对低压

断路器产品的需求仍将保持增长态势，因此我国低压断路器行业市场规模也将快

速增长，预计到2016 年我国低压断路器行业市场规模将接近800 亿元。低压断路

器量大、面广。据统计，所有发出的电能有80%以上通过低压电器分配、传输进

而消耗，低压断路器作为电力系统的基本配套设备，其需求量很大。因此，断路

器产品质量及其可靠性至关重要，一旦断路器出现故障，会导致整个线路瘫痪或

成套设备无法工作，甚至会造成设备损坏和人身伤害事故。低压断路器在国民经

济发展和人民日常生活中有着不可取代的地位[1~4]。

1.1.2 智能化万能式断路器控制器用测试装置及其分类

智能化万能式断路器是新一代的低压断路器，由断路器本体、脱扣单元和附

件组成。它适用于额定电压380V、660V，额定电流为200A-6300A 的配电网络中，

主要用来分配电能和保护线路及电源设备免受过载、欠压、短路、单相接地等故

上海理工大学硕士学位论文

障的危害。它一般具有多种智能保护功能，可做到选择性保护，动作精确，避免

不必要的停电，提高了供电可靠性。

智能化万能式断路器的脱扣单元为智能电子脱扣器，可以理解为万能式断路

器的嵌入式控制器。该控制器是以微处理器为核心的电子装置，它的主要功能是

采集断路器所在回路中的电流、电压参数，从而判断回路是否发生故障。当发生

过载、短路等故障时，能及时控制保持机构并使断路器自动断开。其基本保护功

能有过载长延时保护、短路短延时保护、短路瞬时保护和接地保护四项。智能控

制器相当于智能化万能式断路器的“大脑”。

随着电力的发展及智能电网的建设和推进，对断路器可靠性的要求越来越高。

因此，出厂前断路器产品性能的检测非常必要，对控制器的检测是检测项目的重

要组成部分；其次，随着智能化万能式断路器的应用越来越广，其控制器定期现

场检测的需求也日益增多。这就要求有相应的控制器检测设备对其进行测试，测

试的结果应符合相关标准，如GB/T 22710-2008[5]、GB/T 14048.2-2008[6]。智能化

万能式断路器控制器用测试装置（以下简称控制器用测试装置）应运而生，它用

来检测控制器的各项功能，包括基本保护功能、附加保护功能、通信等，从而保

证断路器正常运行[7]。

控制器用测试装置有大型的和小型的之分。大型测试装置功能齐全但是体积

庞大，一般固定安装在需要检测的地方，如生产线检测上，其功能虽然很强，但

不便于现场应用。小型测试装置又包含多个种类，包括手提箱式检测器、台式检

测器和手持式检测器。小型测试装置体积小、重量轻，便携性强，可满足现场检

测的需要。图1-1 所示的是控制器用测试装置分类。

图1-1 控制器用测试装置分类

1.1.3 国内控制器用测试装置的发展

国内的万能式断路器生产企业有正泰电器、上海人民电器厂、常熟开关厂等

100 多家。鉴于断路器产品型号及其规格多、产量多，在短时间内需要对大量产品

的性能指标进行全面、准确测试，这对测试方法、测试系统软硬件的兼容性、可

持续开发性、易维护管理性等提出了挑战。传统的测试方法是使用各种仪器包括

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摘要本文研究和设计的是断路器用嵌入式控制器小型测试装置，它用来检测断路器控制器的基本保护功能，判断其技术指标是否符合低压电器相关标准以检验断路器日常工作的可靠性。这种测试装置的主要功能是输出模拟套在断路器母排上电流互感器和零序电流互感器感应输出的实际电压、电流信号到控制器，并根据断路器控制器对该信号的动作反应来判断其工作是否正常。随着智能化万能式断路器的应用越来越广泛，测试装置的发展也愈显重要。文章首先引入了我国低压断路器的发展状况，论述了智能化万能式断路器工作可靠的重要性。然后分析了目前断路器控制器用测试装置的分类及其国内外发展状况，阐明了研究与设计小型测试装置的重要性。结合我国的发展状况明...

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