基于CAN总线的智能断路器控制系统设计与开发

论文摘要

低压断路器是保护电气配电网络和工业设备免受过载、短路和漏电等故障危害的重要电气元件,控制器是其实现测量和保护等功能的核心控制单元。本文在分析传统断路器的缺陷和不足基础上,致力于低压断路器新型智能控制器的研制工作,开发出一种基于CAN总线的断路器新型智能控制器。（1）通过分析断路器的研究现状和发展趋势,指出了传统断路器功能的局限性,阐述了基于现场总线智能断路器在配电保护系统中应用的优势。并在此基础上研究了智能控制器的技术基础:电量参数的计量原理、电流的三段保护特性和CAN总线技术等。（2）根据国家标准GB14048.1～2和企业标准以及项目的功能要求,提出了基于CAN总线智能断路器控制系统的总体方案。设计实现了系统MCU主控模块、漏电保护模块、电源控制模块、拨码开关参数设定模块、CAN总线通信模块等硬件电路,并针对现有漏电方案的不足,设计实现了一种基于单片机采样的漏电方法。详细阐述了系统各模块电路的组成原理和实现方法,给出了整个电路系统的原理图,并制作了印刷电路板。（3）阐述了软件的总体设计思想,结合硬件电路,设计实现系统的底层程序,详细论述了系统自生电源模块PWM信号调节程序、电流三段保护程序以及CAN通信程序的实现方法,并给出了系统的软件设计流程及代码实现。（4）采用Freescale公司的ICS-08系列仿真器结合Freescale的开发软件CodeWarrior,对系统样机进行反复调试,给出了试验结果,验证了系统功能。最终的测试和运行结果表明,本文所设计的智能断路器能够稳定的实现三段电流保护、漏电功能,并且电流、时间的调节精度等技术指标均达到了预期的设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 低压智能断路器国内外研究现状及发展趋势
• 1.3 选题研究的目的与意义
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 智能控制器设计的技术基础
• 2.1 电量参数的计量原理
• 2.2 保护的原理及实现方法
• 2.2.1 保护的算法及分析
• 2.2.2 三段电流保护的实现原理
• 2.3 CAN 总线技术
• 2.3.1 CAN 的分层结构
• 2.3.2 报文传送及其帧结构
• 2.3.3 CAN 控制器SJA1000
• 第3章 基于CAN 总线智能控制器硬件设计与实现
• 3.1 设计要求与总体方案设计
• 3.1.1 设计要求
• 3.1.2 总体硬件结构原理
• 3.2 电流互感器特性
• 3.3 MCU 主控电路设计
• 3.4 信号调理单元
• 3.5 电源设计
• 3.5.1 自生电源设计
• 3.5.2 后备电源设计
• 3.5.3 电源隔离
• 3.6 拨码开关及参数设置
• 3.7 漏电单元设计
• 3.7.1 分立式漏电处理模块
• 3.7.2 基于单片机采样的漏电处理模块
• 3.8 CAN 节点的硬件实现
• 3.8.1 CAN 节点的结构框图
• 3.8.2 CAN 节点的硬件设计
• 3.9 硬件抗干扰措施
• 第4章 基于CAN 总线智能控制器软件设计与实现
• 4.1 软件总体流程
• 4.2 定时中断与信号采集
• 4.3 电源控制子程序
• 4.4 智能断路器的保护动作特性
• 4.4.1 过载长延时反时限保护算法的实现
• 4.4.2 短路短延时算法的实现
• 4.4.3 瞬时保护算法的实现
• 4.5 漏电模块软件设计
• 4.6 CAN 节点通信软件设计
• 4.6.1 CAN 节点的初始化
• 4.6.2 数据的接收和发送功能的实现
• 4.7 软件抗干扰措施
• 第5章 系统调试及测试
• 5.1 系统开发环境与调试工具
• 5.2 自生电源模块调试
• 5.3 三段保护功能验证
• 5.4 漏电功能验证
• 5.5 通信功能测试
• 5.6 误差分析
• 5.6.1 硬件误差分析
• 5.6.2 软件误差分析
• 总结与展望
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间发表的论文
• 附录B 攻读学位期间参加的科研项目
• 附录C 系统原理图
• 附录D 部分程序代码
• 附录E 延时特性测试台
• 附录F 基于 CAN 总线智能断路器控制器 PCB 板
• 致谢