基于CAN總線協(xié)議的固態(tài)功率控制器的設(shè)計

　　摘要: 本文介紹了一款基于 CAN2. 0B 總線通訊協(xié)議、PIC 單片機和 N 溝道場效應(yīng)管器件的高壓直流輸出的固態(tài)功率控制器的設(shè)計方案和實現(xiàn)方法。該控制器具有過壓、欠壓、短路保護和反時限過流保護功能，能夠精確檢測負(fù)載電壓、電流和輸出開關(guān)狀態(tài)，并可與上位機實時進行高速通訊。

　　辛建平; 張國明; 魏慶; 劉金， 機電元件 發(fā)表時間：2021-08-25

　　關(guān)鍵詞: CAN2. 0 通訊協(xié)議; PIC 單片機; 固態(tài)功率控制器

　　1 引言

　　固態(tài)功率控制器( SSPC) 是集斷路器的保護功能和固體繼電器的開關(guān)轉(zhuǎn)換功能于一體的智能型開關(guān)裝置，它具有無觸點、無電弧、響應(yīng)快、壽命長、可靠性高以及便于計算機遠程控制等優(yōu)點。固態(tài)功率控制器主要用于接通或關(guān)斷用電設(shè)備的電源，具有過載保護功能和開關(guān)自檢功能，可以通過狀態(tài)信息實時向終端反饋負(fù)載是否已經(jīng)發(fā)生跳閘或出現(xiàn)故障，在高可靠控制領(lǐng)域，正在逐步取代常規(guī)系統(tǒng)中的機械開關(guān)、繼電器和熱斷路器，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的遠程自動化控制。本文介紹的是一款 270V 高壓直流固態(tài)功率控制器，輸出額定負(fù)載電流 30A，同時具備過壓、欠壓和過流保護、短路保護、狀態(tài)查詢等功能。

　　CAN 總線因具有實時性強、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高、抗干擾能力強、可靠的錯誤處理機檢錯機制等諸多優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)智能控制、精密儀器、車載通訊等高噪聲環(huán)境。本文設(shè)計的控制器是立足于固態(tài)繼電器的開關(guān)轉(zhuǎn)換功能，將微機智能控制、數(shù)字處理、CAN 總線通訊及斷路器的過壓、過流保護功能集成于一體的智能型功率繼電器，是目前固態(tài)繼電器的一種發(fā)展方向。本設(shè)計的固態(tài)功率控制器通過上位機軟件與 CAN 總線接口，可精確采集負(fù)載電壓、負(fù)載電流參數(shù)，并實時反饋輸出開關(guān)狀態(tài)。

　　2 總體設(shè)計概述

　　該控制器選取了具有 ECAN 模塊和 A/D 模塊的 8 位單片機、大功率 MOSFET 器件、總線收發(fā)器及高精度運算放大器作為核心元器件，以模塊化的設(shè)計思路進行系統(tǒng)設(shè)計，其邏輯框圖如圖 1 所示，單片機器為核心器件，一方面根據(jù)總線上 CAN 節(jié)點發(fā)送的控制或查詢指令實時控制大功率開關(guān)器件的通斷以及負(fù)載切換，同時將負(fù)載的實時工作電壓、電流及故障保護狀態(tài)等信息上傳至上位機主節(jié)點，實時監(jiān)控工作狀態(tài); 另一方面實時處理負(fù)載端的采樣數(shù)據(jù)，計算并判斷是否發(fā)生欠壓、過壓或過流故障，若發(fā)生故障則通過相應(yīng)端口及時發(fā)出控制指令切斷大功率開關(guān)器件以保護負(fù)載。

　　2. 1 開關(guān)及驅(qū)動電路設(shè)計

　　該控制器選用 N 溝道增強型場效應(yīng)管作為功率輸出器件，該器件具有封裝體積小、耐壓高、輸出電流大、導(dǎo)通電阻小的特點。在該產(chǎn)品中，采用雙管并聯(lián)輸出，可滿足該控制器切換 270Vd. c. 、30A 負(fù)載的要求。

　　由于場效應(yīng)管為電壓驅(qū)動型器件，加之為滿足響應(yīng)時間的要求，因此驅(qū)動采用驅(qū)動器。是一款雙通道高速場效應(yīng)管驅(qū)動器，4. 5V ～ 18V 的寬工作電壓范圍，驅(qū)動電流 1. 5A，輸出功率 727mW，響應(yīng)速率快，可滿足該產(chǎn)品輸出場效應(yīng)管的驅(qū)動控制，簡化了驅(qū)動電路。見圖 2。

　　2. 2 電壓檢測電路設(shè)計

　　如圖 3 所示，采用精密電阻對負(fù)載兩端的電壓進行采樣，當(dāng)負(fù)載端電壓出現(xiàn)過壓或欠壓時，控制器應(yīng)作出對應(yīng)的保護動作。當(dāng)負(fù)載電壓為 270V 時，通過電阻采樣到的電壓信號送入反向運算放大器的反向端，此時運算放大器輸出電壓為 1. 83V，該電壓信號被送至單片機的 I/O 口進行 A/D 轉(zhuǎn)換后，執(zhí)行相應(yīng)的程序進行運算和比較，此時控制器輸入端如果有接通指令，控制器輸出端正常接通。

　　當(dāng)負(fù)載端電壓低于 243V 時，運算放大器輸出電壓小于 1. 65V，此時單片機執(zhí)行欠壓保護程序，置功率驅(qū)動器輸入為低電平，驅(qū)動器無輸出，場效應(yīng)管關(guān)斷，同時單片機通過 CAN 總線向上位機發(fā)送欠壓保護信號，控制器處于欠壓保護狀態(tài)。當(dāng)輸出端電壓高于 297V 進行過壓保護，此時運算放大器輸出電壓大于 2V 時，單片機執(zhí)行過壓保護程序，置功率驅(qū)動器輸入為低電平，驅(qū)動器無輸出，場效應(yīng)管關(guān)斷，同時單片機通過 CAN 總線向上位機發(fā)送過壓保護信號，控制器處于過壓保護狀態(tài)。

　　2. 3 電流檢測和短路保護電路設(shè)計

　　目前電流檢測主要有電阻、電流互感器 CT、隔離放大器、霍爾電流傳感器幾種方法，各自有其優(yōu)缺點。由霍爾元件構(gòu)成的電流傳感器是目前常用的一種方法，因其測量結(jié)果的精度和線性度都較高，可測直流、交流和各種波形的電流。但該產(chǎn)品由于體積的限制，無法采用霍爾電流傳感器方式進行電流采樣，故采用合金電阻和運算放大器組成低端電流檢測電路。

　　為了滿足產(chǎn)品電流采樣精度要求，選用鎳銅合金精密檢測電阻進行電流檢測，該電阻額定功率 3W，溫度系數(shù) < 50ppm/℃，電阻值誤差 ± 1% 。運算放大器 U5 選用精密放大器，其失調(diào)電壓隨溫度漂移小于 3μV/℃。

　　圖 4 為電流檢測和短路保護電路，圖中 R18 和R19 為選取 1mΩ 的合金電阻并聯(lián)后串接在輸出回路中，通過采集檢測電阻兩端的電壓實現(xiàn)對輸出回路電流的檢測。由于在電阻兩端采樣到的電壓值較小，無法用于電路的運算和比較，因此采樣到的電壓信號需進行放大，采樣電阻兩端的電壓經(jīng)過放大后，分兩路分別送至單片機 I/O 口和短路保護電路。本設(shè)計中，采樣電阻將 0 ～ 100A 的負(fù)載電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后將該電壓信號放大 59 倍后分別送至單片機的 A/D 采樣端口進行邏輯分析運算，同時該電壓信號被送至短路保護電路部分，與設(shè)定的短路保護值進行比較。

　　若發(fā)生過流故障，單片機 I/O 向功率驅(qū)動器輸入發(fā)出關(guān)斷信號，功率驅(qū)動器無輸出，場效應(yīng)管被關(guān)斷以保護系統(tǒng)安全。若發(fā)生短路保護故障，此時負(fù)載電流大于短路保護電流設(shè)定值時，比較器電路的輸入電壓大于基準(zhǔn)電壓( 短路保護設(shè)定值) 時，比較器輸出高電平，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，可控硅的陽極連接功率驅(qū)動器的輸出端，功率驅(qū)動器輸出端迅速被拉低為低電平，從而快速切斷功率場效應(yīng)管。當(dāng)處理器接收到短路電信號，同時向單片機傳輸短路保護信號，處理器通過 CAN 總線向上位機發(fā)送短路保護狀態(tài)信號。

　　在短路或嚴(yán)重過載情況下，負(fù)載回路流過幾十甚至幾百安的電流，會對用戶的設(shè)備造成損壞，同時控制器內(nèi)部的場效應(yīng)管功率器件溫度快速上升，極易損壞。短路保護是在當(dāng)電路中流過的電流即將到達功率部分的器件所能允許的極限值時，為保護設(shè)備安全而采取的一種保護方式。發(fā)生短路故障時，快速關(guān)斷功率場效應(yīng)管，并維持功率場效應(yīng)管關(guān)斷狀態(tài)，直至上位機檢測到故障，發(fā)出關(guān)斷命令。該控制器在 100A 短路電流下的保護動作時間在 300 微秒左右，實現(xiàn)快速短路保護，滿足設(shè)計要求。

　　2. 4 反時限過流保護設(shè)計

　　反時限過流保護主要采用模擬電路和計算機軟件來實現(xiàn)，模擬電路因為無法實現(xiàn)較為復(fù)雜的關(guān)系曲線，主要用于早期的繼電保護系統(tǒng)。由于計算機技術(shù)的發(fā)展，采用軟件可以靈活的實現(xiàn)各種算法及復(fù)雜特性曲線的擬合。

　　本設(shè)計采用軟件來實現(xiàn)反時限保護，用極度反時限曲線來實現(xiàn)過流保護，其數(shù)學(xué)表達式為: t = 80Tp ( I/Ip ) 2 - 1 ( 1) t 為跳閘延時時間; Tp 為延時整定系數(shù); I 為負(fù)載電流; Ip 為整定電流值。當(dāng) I < Ip 時，t 小于零，不進入反時限保護，當(dāng) I > Ip 時，t 大于零，進入反時限保護。 ( 1) 式經(jīng)變化可轉(zhuǎn)化為下式: ( I 2 - I 2 p ) t = 80Tp I 2 p ( 2) 由于計算機只能離散數(shù)據(jù)，將( 2) 式離散化得: ∑M - 1 i = 0 ( I 2 i - I 2 p ) = 80Tp I 2 p Δt ( 3) △t 為兩次反時限求和的間隔時間，一般取計算的間隔時間。M 為累計求和次數(shù)。當(dāng)選定好反時限曲線后，Ip、Tp、△t 為常量，令: I 2 p = A， 80Tp I 2 p Δt = B 則( 3) 式簡化為: ∑M - 1 i = 0 ( I 2 i - A) = B ( 4) 當(dāng)積分和達到臨界值 B 時，反時限跳閘保護，反時限延時時間為 t = M△t。通過抽取數(shù)學(xué)模型，并通過軟件，實現(xiàn)反時限功能。

　　2. 5 CAN2. 0 通訊協(xié)議

　　該控制器采用 CAN2. 0B 標(biāo)準(zhǔn)幀格式，CAN 標(biāo)準(zhǔn)幀的 11 位標(biāo)識符( ID) 定義如下表 1:

　　當(dāng)數(shù)據(jù)類型為 C2H 時，控制器上傳給上位機的控制器的開關(guān)狀態(tài)的長度為 1 個字節(jié)，其各個位的定義如表 3 所示

　　固態(tài)功率控制器( SSPC) 每隔 1s 自動上傳節(jié)點地址、開關(guān)狀態(tài)( 即表 3 所述狀態(tài)) 、電流值、電壓值，電流值、電壓值各占兩個字節(jié)，電流值、電壓值均放大 10 倍。

　　3 軟件程序設(shè)計

　　該控制器在軟件開發(fā)設(shè)計時，程序采用 C 語言編寫。主程序主要分為以下幾個部分。

　　( 1) 開機初始化部分: 該段程序主要包含單片機 I/O 口功能定義，A/D 轉(zhuǎn)換功能定義，CAN 通信模塊等硬件信息定義以及程序變量定義及賦值、子函數(shù)定義等軟件信息的初始化。

　　( 2) 開機狀態(tài)檢測部分: 該段程序主要包含對產(chǎn)品輸出回路的電壓、電流狀態(tài)進行檢測，并對檢測信號進行處理判斷，同時將輸出回路負(fù)載狀態(tài)的信號發(fā)送給上位機。

　　( 3) 正常狀態(tài)部分: 該段程序主要包含對 CAN 總線發(fā)送的控制信號的檢測，調(diào)用 CAN 通信接收中斷子程，并根據(jù)控制信號來實現(xiàn)單片機對功率輸出部分的控制，對輸出負(fù)載的實時監(jiān)測和保護，檢測輸出負(fù)載回路的電流和電壓實時狀態(tài)信息，并通過 CAN 總線通信模塊傳輸至上位機。

　　4 試驗測試

　　4. 1 主要參數(shù)的測量和開關(guān)狀態(tài)監(jiān)控

　　根據(jù)系統(tǒng)要求，設(shè)計了上位機軟件，可實現(xiàn)控制器的自動控制測試，實時監(jiān)控負(fù)載的狀態(tài)。

　　在控制器輸出回路接入 270V 電源和額定負(fù)載后，在計算機上通過上位機軟件向控制器發(fā)送接通指令，控制器接通后可以檢測到控制器在線、開關(guān)狀態(tài)情況及負(fù)載電流、負(fù)載電壓參數(shù)，在上位機軟件上可實時顯示電流、電壓及開關(guān)狀態(tài)。

　　4. 2 反時限過流保護和短路保護

　　控制器的額定輸出電流為 30A，軟件設(shè)定當(dāng)負(fù)載電流≥50A，系統(tǒng)執(zhí)行反時限過流保護算法，系統(tǒng)要求在 20s 內(nèi)切斷負(fù)載，實際測試保護動作時間在 16s ～ 18s 之間; 當(dāng)負(fù)載電流大于 80A 時，系統(tǒng)執(zhí)行反時限過流保護算法，系統(tǒng)要求在 5s 內(nèi)切斷負(fù)載，實際測試保護動作時間在 3s ～ 4s 之間。

　　當(dāng)負(fù)載電流大于 100A 時，系統(tǒng)進入短路保護，測試電路保護時間在 300μs 左右。從試驗測試情況來看，測試參數(shù)指標(biāo)達到了設(shè)計目標(biāo)要求。

　　5 結(jié)束語

　　本文闡述了一種基于 CAN2. 0 總線的直流固態(tài)功率控制器的設(shè)計方案。該設(shè)計以 PIC 單片機和 CAN 總線收發(fā)器、功率場效應(yīng)管、運算放大器等器件為硬件基礎(chǔ)，CAN 總線通訊協(xié)議和 C 語言程序為軟件控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對負(fù)載的實時監(jiān)測、狀態(tài)查詢、故障復(fù)位、遠程控制等，產(chǎn)品可靠性高，性能穩(wěn)定，實現(xiàn)整機配電系統(tǒng)的遠程智能化控制。