基于ARM的大功率智能配电箱设计

摘要：为了满足现代化工业用电设备的用电功率大、用电频率高、用电时间长、用电负载特性复杂等用电需求，针对典型的380 V 交流配电系统，设计了一种大功率交流智能配电箱，介绍了该配电箱的控制电路设计实现、功率输出控制方法、输出故障保护机制以及系统状态显示。通过实物样机验证，证实了该大功率配电箱在多种负载情况下的配电可靠性。

关键词：工业用电；交流配电；智能配电

中图分类号：TM642+.2 文献标识码：A

0 引言

随着科技的发展和现代化工业设备的升级换代，工业机器人、车辆、船舶现代化工业用电设备呈现多样化、多电化、智能化等特点，这对供配电设备也提出了更高的要求。传统的机械式配电方式和小功率的配电设备已无法满足现代化工业用电需求。为了满足现代化工业用电设备用电功率大、用电频率高、用电时间长、用电负载特性复杂等用电需求，本文针对工业中使用的380 V 交流用电系统，设计了一种大功率交流智能配电箱，围绕配电箱的控制电路设计实现、功率输出控制方法、输出故障保护机制等开展研究工作[1]。

1 系统设计

本文设计的100 kW 大功率配电箱主要用于大功率用电系统的电源转换及电源管理，将三相三线380×（1±10%）V/（50 ± 3）Hz 交流供电输入，经供电状态监控、保护、分配管理后，输出4 路三相三线380×（1±10%）V/（50 ± 3）Hz 至后级用电设备使用。其中，第1 路输出供用电设备1 使用，输出功率不小于40 kW；第2 路输出供用电设备2 使用，输出功率不小于27.5 kW；第3 路输出供用电设备3 使用，输出功率不小于27.5 kW；第4 路输出供用电设备4 使用，输出功率不小于3 kW。同时，该智能配电箱还具备1 路串口通信以及1 路以太网通信，智能配电箱可通过该串口通信或以太网通信向上位机上报供电监控信息，上位机也可通过该串口通信或以太网通信向智能配电箱下发控制指令，实现远程控制功能，大功率智能配电箱系统功能框图如图1 所示。

1.1 硬件设计

配电箱系统主要由控制单元、功率单元、通信单元和显示单元组成。由控制单元通过通信单元接收上位机下发的控制指令，控制功率单元输入/ 输出（input/output，I/O）开关的接通关断，完成配电箱的供配电功能。同时利用显示单元、通信单元分别显示和上传监测功率单元的各状态信息。

（1）控制单元主要实现对功率单元的输出配电开关控制、功率单元电压电流采集以及外部开关信号采集等功能。该设计选用基于高性能的ARM® CortexTM-M4 32 位精简指令集计算机（reduced instruction set computer，RISC） 内核的QJ32F407ZGT6 微控制器作为核心处理器，其与外围电源电路、电源复位监测电路和晶振电路等组成单片机最小系统。通过最小系统和外部三极管放大接触器驱动电路、电压电流采集电路和开关按钮采集电路，进而组成完整的配电箱控制单元。

（2）功率单元通过三相交流接触器将三相三线380×（1±10%）V/（50 ±3）Hz 交流供电输入至配电箱内部汇流条母线，再从汇流条母线分别经4 只三相交流接触器分配为4 路三相三线380×（1±10%）V/（50 ±3）Hz 交流电输出，每路输出在接触器后端串接1 只空气开关，实现过载保护功能。

（3）通信单元主要实现配电箱的远程控制和数据上传[2-3]，其通过上位机向配电箱下发远程控制指令或向上位机上报配电箱供电监控信息。通过QJ32F407ZGT6 微控制器的通用异步收发器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）外设接口辅以RS422 收发器组成完成的RS422 通信单元。以太网通信由QJ32F407ZGT6 微控制器的简化媒体独立接口（reduced media independentinterface，RMII）控制器与外部百兆以太网端口物理层（port physical layer，PHY）芯片组成。

（4）显示单元主要由液晶显示屏、指示灯和蜂鸣器组成，液晶显示屏负责对功率单元三相交流电的电压、电流、频率和I/O 功率进行显示，指示灯负责指示输出开关状态，蜂鸣器负责各种故障告警指示。大功率智能配电箱控制部分硬件原理框图如图2 所示。

1.1.1 ARM 微控制器最小系统硬件电路设计

进阶精简指令集机器（advanced RISC machines，ARM）的最小系统由ARM 微控制器、供电电源电路、外部晶振电路以及复位电路组成。该系统复位电路使用专用电源复位芯片U3，保证上电复位的复位时间满足ARM 的要求时间，并且可以对ARM的电源电压进行监控，当电源出现掉电时能保证ARM 可靠复位。

1.1.2 RS422 通信硬件电路设计

该智能配电箱采用了隔离式RS422 收发器，将外部总线和内部控制系统完全电气隔离，提高了系统的抗干扰能力和可靠性。该收发器芯片内部集成DC-DC 电源，输出端无须外部供电，降低了电路设计的复杂程度。在总线端的外部端口增加瞬态电压抑制（transient voltage suppressor，TVS）二极管，吸收总线上的尖峰干扰脉冲，保证了内部系统的安全[4-5]。

1.1.3 以太网通信硬件电路设计

该智能配电箱采用JDP83848 型单端口10/100 Mb/s 以太网物理层收发芯片作为收发器，通过RMII 接口与QJ32F407ZGT6 处理器实现数据自适应收发[6-7]。对外通信接口通过网口变压器进行隔离输出，将控制部分与外部强干扰部分进行电气隔离，防止外部高压部分的干扰信号对物理层收发芯片以及处理器部分电路造成干扰，从而提高产品的抗干扰能力和电磁兼容能力。

1.1.4 接触器驱动和状态回采硬件电路设计

由于该智能配电箱输出主接触器线圈启动电流大，为了保证接触器安全启动，采用达林顿三极管将控制信号进行功率放大以驱动接触器线圈。同时，为了保证控制端不被接触器线圈的反电动势引起的尖峰电压干扰，本文采用光耦作为隔离器件，将处理器与接触器线圈端进行光电隔离，并且在接触器线圈两端并联二极管，为线圈产生的反向电动势提供续流回路，防止反向尖峰电压烧毁达林顿三极管。

为了实时监控输出接触器的接通关断状态，将接触器辅助触点作为状态回采点，将辅助触点一端接28 V 电源，另一端经稳压管稳压后驱动光耦输入。在接触器主触点接通后，辅助触点同时接通，ARM 在光耦输出端采集对应的低电平电压，从而判断接触器为接通状态。

1.1.5 主功率硬件电路设计

在主功率硬件电路中，三相三线380 V 交流电经过输入接触器开关后分配至4 只交流接触器，使用4 只交流接触器作为4 路输出的配电开关，控制每路输出的开通与关断。QJ32F407ZGT6 处理器负责输出I/O 信号，该信号经过驱动电路后直接驱动I/O 接触器，每路输出再分别经空气开关后输出，空气开关可以实现输出短路保护功能。

1.2 软件设计

该智能配电箱系统软件采用模块化设计，根据该智能配电箱系统任务要求拟定整机软件系统功能，再通过软件系统功能来确定软件功能模块的组成。该智能配电箱软件主要由程序初始化模块、参数配置模块、开关信号回采模块、RS422 通信模块、以太网通信模块、执行器件控制模块、模拟信号采集模块、过流保护模块、过欠压保护模块、显示模块和故障复位模块组成。

2 样机验证

通过实物样机对该智能配电箱进行验证，主要验证其是否具备配电功能、带载能力、过载保护功能、过压保护功能、欠压保护功能、相序保护功能、漏电保护功能以及缺相保护功能等。验证结果显示，该智能配电箱样机能正常完成配电分配，带载能力可以满足总输出功率大于100 kW 的要求，当出现过载、过压、欠压、相序错误、漏电流过大以及缺相时，智能配电箱能够及时断开输出，并将对应的故障信息上传至测试计算机，同时蜂鸣器报警，故障指示灯点亮。当故障恢复后，按下故障复位按钮，通过测试计算机或本地按钮开关下发接通控制指令，该智能配电箱能够正常将I/O 接通，从而实现配电功能。综上，该智能配电箱样机能够满足设计要求。

3 结语

本文设计的基于ARM 的大功率交流智能配电箱实现了大功率交流负载的用电分配，具备输入漏电流监测和保护、过压保护、欠压保护以及输出过流保护功能，能够实时监测电压、电流、功率等信息，满足了现代化工业用电设备的用电功率大、用电频次高、用电时间长、用电负载特性复杂等用电需求。

参考文献

[1] 何炬良，吴旦，熊智明，等. 低压智能配电箱的研究与设计[J]. 制造业自动化，2023，45（4）：67-70.

[2] 黄道峰. 基于物联网技术的智能配电箱设计[J]. 电子技术，2023，52（8）：388-389.

[3] 姚刚. 电力物联网在智能配电网状态监测中的应用[J]. 电子技术，2021，50（9）：88-89.

[4] 崔海涛，于曦. 复杂电磁环境下RS422 接口保护电路的实现[J]. 航空计算技术，2011，41（6）：119-120，124.

[5] 高晶，孙继银，赵星阳，等. 电磁脉冲作用下RS232接口受损特性分析[J]. 微电子学与计算机，2009，26（4）：252-254，259.

[6] 霍卫涛，王宏亮，金鹏飞. 以太网PHY 芯片中百兆收发电路设计与实现[J]. 信息通信，2018（11）：70-72.

[7] 石广治，刘波，姜秀杰，等. 基于ARM 的嵌入式系统以太网通讯设计[J]. 微计算机信息，2010，26（32）：80-82.