基于CAN总线协议的固态功率控制器的设计

　　摘要: 本文介绍了一款基于 CAN2. 0B 总线通讯协议、PIC 单片机和 N 沟道场效应管器件的高压直流输出的固态功率控制器的设计方案和实现方法。该控制器具有过压、欠压、短路保护和反时限过流保护功能，能够精确检测负载电压、电流和输出开关状态，并可与上位机实时进行高速通讯。

　　辛建平; 张国明; 魏庆; 刘金， 机电元件 发表时间：2021-08-25

　　关键词: CAN2. 0 通讯协议; PIC 单片机; 固态功率控制器

　　1 引言

　　固态功率控制器( SSPC) 是集断路器的保护功能和固体继电器的开关转换功能于一体的智能型开关装置，它具有无触点、无电弧、响应快、寿命长、可靠性高以及便于计算机远程控制等优点。固态功率控制器主要用于接通或关断用电设备的电源，具有过载保护功能和开关自检功能，可以通过状态信息实时向终端反馈负载是否已经发生跳闸或出现故障，在高可靠控制领域，正在逐步取代常规系统中的机械开关、继电器和热断路器，实现控制系统的远程自动化控制。本文介绍的是一款 270V 高压直流固态功率控制器，输出额定负载电流 30A，同时具备过压、欠压和过流保护、短路保护、状态查询等功能。

　　CAN 总线因具有实时性强、数据传输可靠性高、抗干扰能力强、可靠的错误处理机检错机制等诸多优点而被广泛应用于工业智能控制、精密仪器、车载通讯等高噪声环境。本文设计的控制器是立足于固态继电器的开关转换功能，将微机智能控制、数字处理、CAN 总线通讯及断路器的过压、过流保护功能集成于一体的智能型功率继电器，是目前固态继电器的一种发展方向。本设计的固态功率控制器通过上位机软件与 CAN 总线接口，可精确采集负载电压、负载电流参数，并实时反馈输出开关状态。

　　2 总体设计概述

　　该控制器选取了具有 ECAN 模块和 A/D 模块的 8 位单片机、大功率 MOSFET 器件、总线收发器及高精度运算放大器作为核心元器件，以模块化的设计思路进行系统设计，其逻辑框图如图 1 所示，单片机器为核心器件，一方面根据总线上 CAN 节点发送的控制或查询指令实时控制大功率开关器件的通断以及负载切换，同时将负载的实时工作电压、电流及故障保护状态等信息上传至上位机主节点，实时监控工作状态; 另一方面实时处理负载端的采样数据，计算并判断是否发生欠压、过压或过流故障，若发生故障则通过相应端口及时发出控制指令切断大功率开关器件以保护负载。

　　2. 1 开关及驱动电路设计

　　该控制器选用 N 沟道增强型场效应管作为功率输出器件，该器件具有封装体积小、耐压高、输出电流大、导通电阻小的特点。在该产品中，采用双管并联输出，可满足该控制器切换 270Vd. c. 、30A 负载的要求。

　　由于场效应管为电压驱动型器件，加之为满足响应时间的要求，因此驱动采用驱动器。是一款双通道高速场效应管驱动器，4. 5V ～ 18V 的宽工作电压范围，驱动电流 1. 5A，输出功率 727mW，响应速率快，可满足该产品输出场效应管的驱动控制，简化了驱动电路。见图 2。

　　2. 2 电压检测电路设计

　　如图 3 所示，采用精密电阻对负载两端的电压进行采样，当负载端电压出现过压或欠压时，控制器应作出对应的保护动作。当负载电压为 270V 时，通过电阻采样到的电压信号送入反向运算放大器的反向端，此时运算放大器输出电压为 1. 83V，该电压信号被送至单片机的 I/O 口进行 A/D 转换后，执行相应的程序进行运算和比较，此时控制器输入端如果有接通指令，控制器输出端正常接通。

　　当负载端电压低于 243V 时，运算放大器输出电压小于 1. 65V，此时单片机执行欠压保护程序，置功率驱动器输入为低电平，驱动器无输出，场效应管关断，同时单片机通过 CAN 总线向上位机发送欠压保护信号，控制器处于欠压保护状态。当输出端电压高于 297V 进行过压保护，此时运算放大器输出电压大于 2V 时，单片机执行过压保护程序，置功率驱动器输入为低电平，驱动器无输出，场效应管关断，同时单片机通过 CAN 总线向上位机发送过压保护信号，控制器处于过压保护状态。

　　2. 3 电流检测和短路保护电路设计

　　目前电流检测主要有电阻、电流互感器 CT、隔离放大器、霍尔电流传感器几种方法，各自有其优缺点。由霍尔元件构成的电流传感器是目前常用的一种方法，因其测量结果的精度和线性度都较高，可测直流、交流和各种波形的电流。但该产品由于体积的限制，无法采用霍尔电流传感器方式进行电流采样，故采用合金电阻和运算放大器组成低端电流检测电路。

　　为了满足产品电流采样精度要求，选用镍铜合金精密检测电阻进行电流检测，该电阻额定功率 3W，温度系数 < 50ppm/℃，电阻值误差 ± 1% 。运算放大器 U5 选用精密放大器，其失调电压随温度漂移小于 3μV/℃。

　　图 4 为电流检测和短路保护电路，图中 R18 和R19 为选取 1mΩ 的合金电阻并联后串接在输出回路中，通过采集检测电阻两端的电压实现对输出回路电流的检测。由于在电阻两端采样到的电压值较小，无法用于电路的运算和比较，因此采样到的电压信号需进行放大，采样电阻两端的电压经过放大后，分两路分别送至单片机 I/O 口和短路保护电路。本设计中，采样电阻将 0 ～ 100A 的负载电流转化为电压信号，然后将该电压信号放大 59 倍后分别送至单片机的 A/D 采样端口进行逻辑分析运算，同时该电压信号被送至短路保护电路部分，与设定的短路保护值进行比较。

　　若发生过流故障，单片机 I/O 向功率驱动器输入发出关断信号，功率驱动器无输出，场效应管被关断以保护系统安全。若发生短路保护故障，此时负载电流大于短路保护电流设定值时，比较器电路的输入电压大于基准电压( 短路保护设定值) 时，比较器输出高电平，触发可控硅导通，可控硅的阳极连接功率驱动器的输出端，功率驱动器输出端迅速被拉低为低电平，从而快速切断功率场效应管。当处理器接收到短路电信号，同时向单片机传输短路保护信号，处理器通过 CAN 总线向上位机发送短路保护状态信号。

　　在短路或严重过载情况下，负载回路流过几十甚至几百安的电流，会对用户的设备造成损坏，同时控制器内部的场效应管功率器件温度快速上升，极易损坏。短路保护是在当电路中流过的电流即将到达功率部分的器件所能允许的极限值时，为保护设备安全而采取的一种保护方式。发生短路故障时，快速关断功率场效应管，并维持功率场效应管关断状态，直至上位机检测到故障，发出关断命令。该控制器在 100A 短路电流下的保护动作时间在 300 微秒左右，实现快速短路保护，满足设计要求。

　　2. 4 反时限过流保护设计

　　反时限过流保护主要采用模拟电路和计算机软件来实现，模拟电路因为无法实现较为复杂的关系曲线，主要用于早期的继电保护系统。由于计算机技术的发展，采用软件可以灵活的实现各种算法及复杂特性曲线的拟合。

　　本设计采用软件来实现反时限保护，用极度反时限曲线来实现过流保护，其数学表达式为: t = 80Tp ( I/Ip ) 2 - 1 ( 1) t 为跳闸延时时间; Tp 为延时整定系数; I 为负载电流; Ip 为整定电流值。当 I < Ip 时，t 小于零，不进入反时限保护，当 I > Ip 时，t 大于零，进入反时限保护。 ( 1) 式经变化可转化为下式: ( I 2 - I 2 p ) t = 80Tp I 2 p ( 2) 由于计算机只能离散数据，将( 2) 式离散化得: ∑M - 1 i = 0 ( I 2 i - I 2 p ) = 80Tp I 2 p Δt ( 3) △t 为两次反时限求和的间隔时间，一般取计算的间隔时间。M 为累计求和次数。当选定好反时限曲线后，Ip、Tp、△t 为常量，令: I 2 p = A， 80Tp I 2 p Δt = B 则( 3) 式简化为: ∑M - 1 i = 0 ( I 2 i - A) = B ( 4) 当积分和达到临界值 B 时，反时限跳闸保护，反时限延时时间为 t = M△t。通过抽取数学模型，并通过软件，实现反时限功能。

　　2. 5 CAN2. 0 通讯协议

　　该控制器采用 CAN2. 0B 标准帧格式，CAN 标准帧的 11 位标识符( ID) 定义如下表 1:

　　当数据类型为 C2H 时，控制器上传给上位机的控制器的开关状态的长度为 1 个字节，其各个位的定义如表 3 所示

　　固态功率控制器( SSPC) 每隔 1s 自动上传节点地址、开关状态( 即表 3 所述状态) 、电流值、电压值，电流值、电压值各占两个字节，电流值、电压值均放大 10 倍。

　　3 软件程序设计

　　该控制器在软件开发设计时，程序采用 C 语言编写。主程序主要分为以下几个部分。

　　( 1) 开机初始化部分: 该段程序主要包含单片机 I/O 口功能定义，A/D 转换功能定义，CAN 通信模块等硬件信息定义以及程序变量定义及赋值、子函数定义等软件信息的初始化。

　　( 2) 开机状态检测部分: 该段程序主要包含对产品输出回路的电压、电流状态进行检测，并对检测信号进行处理判断，同时将输出回路负载状态的信号发送给上位机。

　　( 3) 正常状态部分: 该段程序主要包含对 CAN 总线发送的控制信号的检测，调用 CAN 通信接收中断子程，并根据控制信号来实现单片机对功率输出部分的控制，对输出负载的实时监测和保护，检测输出负载回路的电流和电压实时状态信息，并通过 CAN 总线通信模块传输至上位机。

　　4 试验测试

　　4. 1 主要参数的测量和开关状态监控

　　根据系统要求，设计了上位机软件，可实现控制器的自动控制测试，实时监控负载的状态。

　　在控制器输出回路接入 270V 电源和额定负载后，在计算机上通过上位机软件向控制器发送接通指令，控制器接通后可以检测到控制器在线、开关状态情况及负载电流、负载电压参数，在上位机软件上可实时显示电流、电压及开关状态。

　　4. 2 反时限过流保护和短路保护

　　控制器的额定输出电流为 30A，软件设定当负载电流≥50A，系统执行反时限过流保护算法，系统要求在 20s 内切断负载，实际测试保护动作时间在 16s ～ 18s 之间; 当负载电流大于 80A 时，系统执行反时限过流保护算法，系统要求在 5s 内切断负载，实际测试保护动作时间在 3s ～ 4s 之间。

　　当负载电流大于 100A 时，系统进入短路保护，测试电路保护时间在 300μs 左右。从试验测试情况来看，测试参数指标达到了设计目标要求。

　　5 结束语

　　本文阐述了一种基于 CAN2. 0 总线的直流固态功率控制器的设计方案。该设计以 PIC 单片机和 CAN 总线收发器、功率场效应管、运算放大器等器件为硬件基础，CAN 总线通讯协议和 C 语言程序为软件控制系统，实现对负载的实时监测、状态查询、故障复位、远程控制等，产品可靠性高，性能稳定，实现整机配电系统的远程智能化控制。