基于CAN總線協議的固態功率控制器的設計

　　摘要: 本文介紹了一款基于 CAN2. 0B 總線通訊協議、PIC 單片機和 N 溝道場效應管器件的高壓直流輸出的固態功率控制器的設計方案和實現方法。該控制器具有過壓、欠壓、短路保護和反時限過流保護功能，能夠精確檢測負載電壓、電流和輸出開關狀態，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 發表時間：2021-08-25

　　關鍵詞: CAN2. 0 通訊協議; PIC 單片機; 固態功率控制器

　　1 引言

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

　　CAN 總線因具有實時性強、數據傳輸可靠性高、抗干擾能力強、可靠的錯誤處理機檢錯機制等諸多優點而被廣泛應用于工業智能控制、精密儀器、車載通訊等高噪聲環境。本文設計的控制器是立足于固態繼電器的開關轉換功能，將微機智能控制、數字處理、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，是目前固態繼電器的一種發展方向。本設計的固態功率控制器通過上位機軟件與 CAN 總線接口，可精確采集負載電壓、負載電流參數，并實時反饋輸出開關狀態。

　　2 總體設計概述

　　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、總線收發器及高精度運算放大器作為核心元器件，以模塊化的設計思路進行系統設計，其邏輯框圖如圖 1 所示，單片機器為核心器件，一方面根據總線上 CAN 節點發送的控制或查詢指令實時控制大功率開關器件的通斷以及負載切換，同時將負載的實時工作電壓、電流及故障保護狀態等信息上傳至上位機主節點，實時監控工作狀態; 另一方面實時處理負載端的采樣數據，計算并判斷是否發生欠壓、過壓或過流故障，若發生故障則通過相應端口及時發出控制指令切斷大功率開關器件以保護負載。

　　2. 1 開關及驅動電路設計

　　該控制器選用 N 溝道增強型場效應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、導通電阻小的特點。在該產品中，采用雙管并聯輸出，可滿足該控制器切換 270Vd. c. 、30A 負載的要求。

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

　　2. 2 電壓檢測電路設計

　　如圖 3 所示，采用精密電阻對負載兩端的電壓進行采樣，當負載端電壓出現過壓或欠壓時，控制器應作出對應的保護動作。當負載電壓為 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 轉換后，執行相應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。

　　當負載端電壓低于 243V 時，運算放大器輸出電壓小于 1. 65V，此時單片機執行欠壓保護程序，置功率驅動器輸入為低電平，驅動器無輸出，場效應管關斷，同時單片機通過 CAN 總線向上位機發送欠壓保護信號，控制器處于欠壓保護狀態。當輸出端電壓高于 297V 進行過壓保護，此時運算放大器輸出電壓大于 2V 時，單片機執行過壓保護程序，置功率驅動器輸入為低電平，驅動器無輸出，場效應管關斷，同時單片機通過 CAN 總線向上位機發送過壓保護信號，控制器處于過壓保護狀態。

　　2. 3 電流檢測和短路保護電路設計

　　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，各自有其優缺點。由霍爾元件構成的電流傳感器是目前常用的一種方法，因其測量結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 < 50ppm/℃，電阻值誤差 ± 1% 。運算放大器 U5 選用精密放大器，其失調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 的合金電阻并聯后串接在輸出回路中，通過采集檢測電阻兩端的電壓實現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。本設計中，采樣電阻將 0 ～ 100A 的負載電流轉化為電壓信號，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，與設定的短路保護值進行比較。

　　若發生過流故障，單片機 I/O 向功率驅動器輸入發出關斷信號，功率驅動器無輸出，場效應管被關斷以保護系統安全。若發生短路保護故障，此時負載電流大于短路保護電流設定值時，比較器電路的輸入電壓大于基準電壓( 短路保護設定值) 時，比較器輸出高電平，觸發可控硅導通，可控硅的陽極連接功率驅動器的輸出端，功率驅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管。當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 總線向上位機發送短路保護狀態信號。

　　在短路或嚴重過載情況下，負載回路流過幾十甚至幾百安的電流，會對用戶的設備造成損壞，同時控制器內部的場效應管功率器件溫度快速上升，極易損壞。短路保護是在當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，為保護設備安全而采取的一種保護方式。發生短路故障時，快速關斷功率場效應管，并維持功率場效應管關斷狀態，直至上位機檢測到故障，發出關斷命令。該控制器在 100A 短路電流下的保護動作時間在 300 微秒左右，實現快速短路保護，滿足設計要求。

　　2. 4 反時限過流保護設計

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

　　本設計采用軟件來實現反時限保護，用極度反時限曲線來實現過流保護，其數學表達式為: t = 80Tp ( I/Ip ) 2 - 1 ( 1) t 為跳閘延時時間; Tp 為延時整定系數; I 為負載電流; Ip 為整定電流值。當 I < Ip 時，t 小于零，不進入反時限保護，當 I > Ip 時，t 大于零，進入反時限保護。 ( 1) 式經變化可轉化為下式: ( I 2 - I 2 p ) t = 80Tp I 2 p ( 2) 由于計算機只能離散數據，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。當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。通過抽取數學模型，并通過軟件，實現反時限功能。

　　2. 5 CAN2. 0 通訊協議

　　該控制器采用 CAN2. 0B 標準幀格式，CAN 標準幀的 11 位標識符( ID) 定義如下表 1:

　　當數據類型為 C2H 時，控制器上傳給上位機的控制器的開關狀態的長度為 1 個字節，其各個位的定義如表 3 所示

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

　　3 軟件程序設計

　　該控制器在軟件開發設計時，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、子函數定義等軟件信息的初始化。

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

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

　　4 試驗測試

　　4. 1 主要參數的測量和開關狀態監控

　　根據系統要求，設計了上位機軟件，可實現控制器的自動控制測試，實時監控負載的狀態。

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

　　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，軟件設定當負載電流≥50A，系統執行反時限過流保護算法，系統要求在 20s 內切斷負載，實際測試保護動作時間在 16s ～ 18s 之間; 當負載電流大于 80A 時，系統執行反時限過流保護算法，系統要求在 5s 內切斷負載，實際測試保護動作時間在 3s ～ 4s 之間。

　　當負載電流大于 100A 時，系統進入短路保護，測試電路保護時間在 300μs 左右。從試驗測試情況來看，測試參數指標達到了設計目標要求。

　　5 結束語

　　本文闡述了一種基于 CAN2. 0 總線的直流固態功率控制器的設計方案。該設計以 PIC 單片機和 CAN 總線收發器、功率場效應管、運算放大器等器件為硬件基礎，CAN 總線通訊協議和 C 語言程序為軟件控制系統，實現對負載的實時監測、狀態查詢、故障復位、遠程控制等，產品可靠性高，性能穩定，實現整機配電系統的遠程智能化控制。