基于STM32的小型断路器智能脱扣器设计

张 贤 迟长春

（上海电机学院电气学院，上海201306）

0 引言

传统的断路器很多都是采用所谓的“磁热”式设计模式，通过机械系统的动作来实现通断[1]。这种设计方式导致传统的断路器体积较大，也有很多其他不足的地方，比如产品一致性不好、保护精度不高等[2]。为了避免用电设备发生各种故障时影响到整条线路的正常运行，要求在以往断路器的起点之上，研制出高度集成、自动化、模块化的智能型断路器，使其可靠性大大提高[3]。

本文使用单片机控制小型电机带动断路器刀闸动作，实现断路器的自动分、合闸功能。根据需要采用STM32F100控制芯片，该芯片具有功耗低、处理速度快、自带A/D转换器等优点，能够满足现场使用的自然环境、电磁环境等要求。

1 总体设计思路

智能脱扣器总体设计框图如图1所示。

图1 总体设计框图

主线路中的电压与电流信号通过电压、电流互感器，转换成为可供测量的电信号，再通过整流滤波和放大，经过电平转换电路，将模拟信号转换成符合A/D输入要求的电平。A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号输入单片机，单片机经过运算和处理后对执行单元输入控制信号，控制断路器的分合闸。

2 信号转换电路

信号转换电路分为信号调理电路和电平转换电路。其中，信号调理部分通过高精度电源芯片及其外围电路对变压器处理过的高压信号进行变换，变换后的信号在12～15 V范围内；电平转换电路将调理后的信号转换成单片机工作时的电平。

2.1 信号调理电路

本设计采用ST公司的电源芯片VIPER06对高压部分进行处理，使调理后的电压在12～15 V范围内。

VIPER06内部通过两条线路供电，一种是从高压侧DRAIN通过变压器供电，一种是通过VDD供电。本设计在Vout与VDD间通过二极管相连，首先通过DRAIN启动后，内部MOSFET导通，Vout输出12～15 V电压；随后DRAIN供电线路断开，由Vout通过VDD进行内部供电，可以有效减小损耗，提高电路的可靠性。

2.2 电平转换电路

本电路采用稳压芯片LD33，该芯片输入12～15 V，输出VCC为3.3 V，满足单片机的供电要求，电路如图2所示。

图2 电平转换电路

3 电机驱动电路

本文采用L9110S电机驱动芯片控制电机的正反停转动。驱动电路如图3所示，IA控制电机正转，IB控制电机反转，能够直接控制电机的正反向运动和刹车。

图3 电平转换电路

4 软件设计

脱扣器智能化是通过单片机控制来实现的，而单片机的控制主要依赖于软件实现。小型断路器智能脱扣器主要是与断路器本体进行配合，通过控制电机的正反停来实现断路器对线路的保护以及智能化。

根据智能脱扣器要实现的功能，所设计的系统软件由短路判断子程序、中断服务子程序、延时子程序和主程序组成。程序的总体框图如图4所示。

图4 程序总体框图

5 实验分析

实验台使用泰克示波器、万用表以及0～300 V交流调压器。如图5所示，用示波器测出其在额定工作电压范围内分闸响应时间仅12.7 ms，大大提升了小型断路器的可靠性。图中3通道紫色曲线为短路线路电压信号，当短路信号出现后，被短路的负载电压变为0，经过12.7 ms断路器分闸分断电路，2通道电压信号变为0。

6 结语

本文采用STM32单片机作为控制核心，设计小型断路器智能脱扣器，使用小型电机作为执行元件，通过控制电机的正反停转动实现断路器本体的分合闸。实验表明该设计符合国家标准，对终端智能小型断路器的研究具有参考价值。