CAN總線電能質(zhì)量監(jiān)控器的電源設(shè)計(jì)

1、 可修改 歡迎下載 精品 Word 可修改 歡迎下載 精品 Word 可修改 歡迎下載 精品 WordCAN總線電能質(zhì)量監(jiān)控器的電源設(shè)計(jì)佟為明，袁帥哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程系, 黑龍江 哈爾濱 150001摘要：為滿足CAN總線電能質(zhì)量監(jiān)控器中各單元電路對多種等級(jí)電壓的需求，在給出了裝置的硬件結(jié)構(gòu)的根底上，設(shè)計(jì)了由開關(guān)電源、DC/DC電源模塊和穩(wěn)壓電源芯片組成的電源單元。為解決裝置中3.3V和5V器件互相傳輸信號(hào)的問題，設(shè)計(jì)了電平轉(zhuǎn)換電路。關(guān)鍵詞：電能質(zhì)量監(jiān)測； 多等級(jí)電壓；電源模塊；電平轉(zhuǎn)換Design of Power for Power quality monitoring device

2、 based on CAN busTONG Wei-ming，YUAN ShuaiHarbin Institute of Technology，Harbin 150001，ChinaAbstract: In order to satisfy the demand for multi-grade voltage of the element circuits in the Power quality monitoring device based on CAN bus, a power supply unit which consists of the switching power suppl

3、y, DC/DC power module and voltage-stabilized chips is designed on the foundation of the devices hardware. The switching circuit between 3.3V and 5V electrical levels is designed for transmitting signal each other. Keywords: power quality monitoring；multi-grade voltage；power module；level-translation引

4、言 現(xiàn)代社會(huì)中，電能是一種最為廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度是一個(gè)國家開展水平的主要標(biāo)志之一1。高質(zhì)量的電能對于保證電網(wǎng)和電氣設(shè)備平安、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高產(chǎn)品質(zhì)量和保障居民正常生活有著重要的意義。隨著時(shí)代進(jìn)步和科技的飛速開展，現(xiàn)代電網(wǎng)與負(fù)荷構(gòu)成出現(xiàn)新的變化趨勢，由此帶來的電能質(zhì)量問題越來越引起電力部門和電力用戶的高度重視。一方面，沖擊性負(fù)荷、非線性負(fù)荷使電網(wǎng)出現(xiàn)諸如諧波畸變、電壓凹陷、電壓閃變等較為嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題；另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的開展，以計(jì)算機(jī)和微處理器為核心的對電能質(zhì)量擾動(dòng)敏感的高自動(dòng)化和高智能化的電子設(shè)備和精密工業(yè)對電能質(zhì)量提出了越來越高的要求2,3，因此開發(fā)電能質(zhì)

5、量監(jiān)測裝置非常必要。電源系統(tǒng)是一個(gè)裝置中最重要的局部之一，它對于提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性至關(guān)重要。由于電能質(zhì)量監(jiān)測裝置集測量、計(jì)算、控制、通信等功能于一體，因此普遍存在多種等級(jí)電壓共存、電源之間需要隔離和電平轉(zhuǎn)換的問題?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)大多側(cè)重于介紹電能質(zhì)量監(jiān)測裝置的功能，對電源問題沒有詳細(xì)闡述4,5,6。本文重點(diǎn)分析了CAN總線電能質(zhì)量監(jiān)控器內(nèi)各單元電路對電源的需求，并從外圍電路芯片和元器件參數(shù)的選擇考慮，設(shè)計(jì)了由開關(guān)電源、DC/DC電源模塊和穩(wěn)壓電源芯片組成的電源系統(tǒng)。同時(shí)，為解決3.3V和5V器件之間的信號(hào)電平連接的問題，設(shè)計(jì)了電平轉(zhuǎn)換電路。實(shí)際運(yùn)行情況說明，該電源系統(tǒng)和電平轉(zhuǎn)換電路能保證各單

6、元電路穩(wěn)定、可靠的工作。1 裝置硬件結(jié)構(gòu)介紹本裝置是集測量、控制、通信和顯示為一體的智能儀表。其硬件主要由CPU單元、存儲(chǔ)器單元、信號(hào)采集單元、CAN通信單元、人機(jī)接口單元、遙信/遙控單元等6個(gè)單元組成。圖1所示為該裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖。 本電能質(zhì)量裝置采用雙CPU雙口RAM結(jié)構(gòu)。兩個(gè)CPU分別選擇DSPDigital Signal Processor和ARMAdvanced RISC Machines。DSP主要用于電力信號(hào)采集、根本電力參數(shù)計(jì)算、電能質(zhì)量參數(shù)計(jì)算與分析，此外還要實(shí)現(xiàn)事件記錄、故障報(bào)警、遙控/遙信等功能。ARM主要用于實(shí)現(xiàn)電力參數(shù)顯示、網(wǎng)絡(luò)通信CAN和RS-485、鍵盤操作等。

7、DSP芯片選用TI公司的TMS320F2812，利用其運(yùn)算速度快、擅長數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、計(jì)算，并在發(fā)生異常情況時(shí)進(jìn)行事件記錄和錄波。ARM選用Samsung公司的S3C44B0X，利用其豐富的內(nèi)部資源完成人機(jī)接口與通信功能。雙口RAM用于雙CPU間的高速數(shù)據(jù)交換，采用IDT公司的IDT70V9289L7。網(wǎng)絡(luò)化是智能儀表的開展方向，本裝置提供了CAN總線接口。通過CAN總線，該裝置從站可以向上位機(jī)主站實(shí)時(shí)地傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，同時(shí)也可接收上位機(jī)的配置信息和控制命令。CAN通信單元主要由獨(dú)立CAN控制器SJA1000和CAN收發(fā)器PCA82C250構(gòu)成。圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖2 電

8、源設(shè)計(jì)2.1 電源配置的分析 本CAN總線電能質(zhì)量監(jiān)控器的電源系統(tǒng)比較復(fù)雜，電源配置如圖2所示。本裝置需要為繼電器提供+24V電壓，為AD芯片和運(yùn)放芯片提供+12V和-12V電壓，為液晶模塊、CAN控制器和AD芯片提供+5V電壓，為大多數(shù)芯片提供+3.3V電壓，為DSP提供+1.8V電壓，為ARM提供+2.5V電壓，除此之外，還需為CAN接口和RS-485接口提供隔離的+5V電壓。因此，選用開關(guān)電源、DC/DC電源模塊和穩(wěn)壓電源芯片共同組成所需的電源單元。對于電源模塊的選擇應(yīng)從3個(gè)方面來考慮：1額定輸入電壓及輸入電壓范圍；2所需的額定輸出電壓；3輸出功率。在確定了電源模塊的輸入、輸出電壓后，計(jì)

9、算出額定負(fù)載時(shí)所需的功率，從可靠性的角度考慮，實(shí)際負(fù)載為額定負(fù)載的60%80%比較適宜。2.2 電源模塊的選型 首先是開關(guān)電源的選擇，根據(jù)實(shí)際情況，我們需要輸入電壓交流220V，輸出電壓直流24V和5V，并且24V和5V之間是隔離的開關(guān)電源模塊。根據(jù)測算，本裝置中彩色液晶模塊所需額定功率為4W左右，其它電路總共需要的功率約為2W。因此，我們選取了德創(chuàng)公司的BJ1002型開關(guān)電源模塊，它的最大功率為9.8W，輸出+24V和+5V。 此外，選用了深圳安時(shí)捷公司生產(chǎn)的隔離穩(wěn)壓輸出的DC/DC電源模塊HDW5-24D12和HDW3-24S05。通過HDW5-24D12將開關(guān)電源輸出的24V電壓轉(zhuǎn)換得到

10、+12V和-12V電壓，給AD芯片和運(yùn)放芯片供電；通過HDW3-24S05將24V電壓轉(zhuǎn)換得到+5V電壓，給CAN總線接口和RS-485接口供電。這個(gè)5V電源與開關(guān)電源提供的5V是隔離，這樣能有效的防止因總線上的電壓瞬變給其它單元電路造成的損害。 本裝置的大多數(shù)芯片工作在+3.3V電壓下，DSP芯片的內(nèi)核工作電壓為+1.8V，ARM芯片的內(nèi)核工作電壓為+2.5V。因此，選用了TI公司生產(chǎn)的低壓差穩(wěn)壓電源芯片TPS767D318和TPS767D325，它們能提供最大1A的電流，足以滿足所有單元電路的需求。其中TPS767D318電源芯片實(shí)現(xiàn)+5V電平到+3.3V和+1.8V電平的轉(zhuǎn)換；TPS76

11、7D325電源芯片實(shí)現(xiàn)+5V電平到+3.3V和+2.5V電平的轉(zhuǎn)換。該電源芯片與開關(guān)電源輸出的+5V是共地的。圖2 電源配置示意圖3 電平轉(zhuǎn)換電路 由于本電能質(zhì)量監(jiān)控器的硬件電路中，并不是所有芯片的工作電壓都是+3.3V，也有的芯片的工作電壓為+5V，不同邏輯標(biāo)準(zhǔn)的電平一般不能直接接口。而且即使3.3V器件具有5V容限，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定最好還是經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后再連接。因此，選用了雙電壓供電的電平轉(zhuǎn)換芯片SN74ALVC4245，它提供8路+3.3V和+5V的電平轉(zhuǎn)換，允許從低到高A到B或高到低B到A的轉(zhuǎn)換，能保證兩邊端口的輸出都能到達(dá)滿電源幅值，并且具有很好的噪聲抑制性能。電平轉(zhuǎn)換電路示意圖如圖3

12、所示。圖3 3.3V5V電平轉(zhuǎn)換電路示意圖4 結(jié)論 1在設(shè)計(jì)CAN總線電能質(zhì)量監(jiān)控器的電源單元時(shí)充分考慮了輸入電壓的范圍、輸出電壓的等級(jí)、所需的額定功率和哪些電源需要隔離，選用開關(guān)電源、DC/DC電源模塊和穩(wěn)壓電源芯片共同提供所需的電源。實(shí)際運(yùn)行情況說明，此設(shè)計(jì)對電源配置合理，而且所選擇的電源模塊能保證裝置穩(wěn)定工作。 2為解決裝置中3.3V和5V器件互相傳輸信號(hào)的問題，設(shè)計(jì)了電平轉(zhuǎn)換電路，能保證數(shù)字邏輯器件接口平安可靠。參考文獻(xiàn)：全國電壓電流等級(jí)和頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)電壓電流頻率和電能質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊M北京：中國電力出版社，2022McGranaghan, M Trends in power

13、 quality monitoringJIEEE Power Engineering Review， 2022，12110：3-9 林海雪現(xiàn)代電能質(zhì)量的根本問題J電網(wǎng)技術(shù)，2022，2510：5-12賀建閩，黃治清電能質(zhì)量遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)研究J鐵道學(xué)報(bào)，20*，254：41-45潘曉杰，劉滌塵，鄒江峰基于DSP的電能質(zhì)量在線監(jiān)測裝置J高電壓技術(shù)，20*，3112：73-75段成剛，歐陽森，宋政湘，等新型在線實(shí)時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計(jì)J 電網(wǎng)技術(shù)，20*，282：61-63作者簡介：佟為明1964，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量監(jiān)控技術(shù)、繼電保護(hù)與電磁兼容技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、配電網(wǎng)自動(dòng)化/變電站自動(dòng)化、永磁電器。哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系， ：0451-8