摘要PAGEPAGEI基于DSP的均壓均流測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要電力機(jī)車一般都采用交流制供電，交流電從主變壓器的牽引繞組經(jīng)過(guò)硅機(jī)組整流后，向牽引電動(dòng)機(jī)集中供應(yīng)直流電，使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)機(jī)車動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。整流柜的性能將直接影響電力機(jī)車的運(yùn)行能力，而整流柜主整流組件很容易出現(xiàn)擊穿、燒損、放炮等故障，從而導(dǎo)致硅整流裝置出現(xiàn)短路，斷路等故障。作者對(duì)對(duì)上述問(wèn)題作了較詳細(xì)的研究和探討，并設(shè)計(jì)了一種基于DSP的采用脈沖方式對(duì)電力機(jī)車整流柜進(jìn)行均壓均流測(cè)試的系統(tǒng)。首先對(duì)整流柜的結(jié)構(gòu)功能、工作特性和產(chǎn)生故障的原因進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了對(duì)整流柜進(jìn)行均壓均流測(cè)試的脈沖測(cè)試電路、脈沖觸發(fā)電路、通道信號(hào)處理電路、信號(hào)采集電路以及DSP的接口電路等諸多硬件電路，并且開(kāi)發(fā)了一套以ADC程序和串口通信程序?yàn)橹鞯腄SP軟件，詳細(xì)分析了上述軟硬件的功能、原理和流程圖。最后對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)，肯定了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞：電力機(jī)車，DSP，整流柜，均壓均流測(cè)試AbstractPAGEPAGE59THEDESIGNOFCURRENTSHAREANDVOLTAGETESTSYSTEMBASEONDSPAbstractLocomotivegeneraladoptalternatingcurrenttopower-up,thealternatingcurrentcomefromthedragwindingofmainconverterwascommutatedbytherectifier,thensupplydirectcurrenttothedragelectricmotortomakethedragelectricmotorgeneratetorquedrivelocomotiveturning.Thebehaviorofrectifiereffectthelocomotive’sabilityofrunningdirectly,butthecommutatecomponentofrectifieroccurbrokethrough,burndownblastingbreakdownandsooneasily,therebyleadtherectifiertoshortcircuitorblock.Thewriteraimattheissuediddetailresearchandexploration,designedakindofimpulsefashiontestsystemofthelocomotiverectifiercurrentshareandvoltagesharebasedonDSPFirstlyanalyzedtheframeworkfunction,workingcharacteristicsandthereasonofbreakdown,Onthisfoundationdesignedthecurrentshareandvoltagesharetestimpulsecircuit,impulseflip-flopcircuit,accesssignalprocessingcircuit,signalcollectcircuitandtheinterfacecircuitandsoonhardwarecircuit,anddevelopedasetofDSPsoftwaremainofADCsubprogramandserialinterfacecommunicationsubprogram,analyzedthefunctionprincipleandflowsheetofhardwareandsoftware.Finallymadeasummaoftheexcogitationofthetestsystem,affirmedtheexcogitationofthesystem.KeyWords:Locomotive,DSP,rectifier,currentshareandvoltagesharetest目錄PAGEPAGE59目錄TOC\o"1-3"\h\z主要符號(hào)說(shuō)明 1第一章緒論 21.1前言 21.2整流柜的均壓與均流 21.2.1電力電子器件串聯(lián)時(shí)的均壓 21.2.2電力電子器件并聯(lián)時(shí)的均流 31.3均壓和均流測(cè)試 31.3.1低壓電流測(cè)試(均流測(cè)試) 31.3.2輕載電壓測(cè)試(均壓測(cè)試) 31.4試驗(yàn)裝置及其目的與意義 41.4.1本試驗(yàn)裝置的基本特點(diǎn) 41.4.2本試驗(yàn)裝置的基本原理 41.4.3試驗(yàn)裝置的目的與意義 4第二章整流柜及其均壓均流測(cè)試 72.1整流柜的結(jié)構(gòu) 72.2整流柜的功能和原理 82.2.1整流裝置均流功能分析 92.2.2整流裝置均壓功能分析 102.2.3整流裝置過(guò)電壓保護(hù)功能分析 102.2.4整流裝置過(guò)電流保護(hù)功能分析 112.2.5晶閘管的di/dt保護(hù) 112.3被測(cè)組件特性 112.4硅機(jī)組均壓均流試驗(yàn)的現(xiàn)狀和本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 132.4.1.國(guó)內(nèi)電力機(jī)務(wù)段機(jī)車硅機(jī)組均壓均流試驗(yàn)的現(xiàn)狀 132.4.2新型硅機(jī)組均壓均流試驗(yàn)裝置的特點(diǎn) 13第三章均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì) 153.1總體方案的設(shè)計(jì) 153.1.1試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試方案 153.1.2均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)的組成 153.2電源單元的設(shè)計(jì) 173.2.1硅機(jī)組的均流測(cè)試 183.2.2硅機(jī)組的均壓測(cè)試 19目錄PAGEPAGE593.3觸發(fā)電路的設(shè)計(jì) 203.3.1被測(cè)可控硅的觸發(fā)電路 203.3.2脈沖電源觸發(fā)電路 213.4信號(hào)采樣與轉(zhuǎn)換 223.5霍爾傳感器 223.5.1霍爾電壓電流傳感器概述 223.5.2霍爾傳感器工作原理 233.5.3霍爾傳感器接線圖 24第四章基于DSP的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 284.1DSP芯片概述 284.1.1DSP芯片的分類 284.1.2DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程 294.2TMS320LF240x芯片的特點(diǎn) 314.2.1TMS320系列DSP芯片的概況 314.2.2TMS320C2000系列DSP芯片的基本結(jié)構(gòu) 324.2.3TMS320LF240x系列DSP芯片的概述 344.3以TMS320LF2407A為核心的信號(hào)采集與傳輸系統(tǒng) 354.3.1TMS320LF2407A芯片的ADC模塊 354.3.2TMS320LF2407ADSP的SCI模塊 37第五章信號(hào)采集、處理與傳輸軟件設(shè)計(jì) 385.1DSP軟件開(kāi)發(fā)工具概述 385.2系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā) 405.2.1C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言的混合編程 405.3ADC部分的設(shè)計(jì) 415.3.1ADC模塊的電平匹配 415.3.2ADC模塊的初始化 425.3.3采樣值轉(zhuǎn)換為有效值 435.3.4ADC模塊的軟件設(shè)計(jì) 445.4DSP與PC機(jī)間串行通信部分的設(shè)計(jì) 455.4.1設(shè)置串行通信口 455.4.2邏輯電平轉(zhuǎn)換 455.4.3串口波特率的匹配 465.4.4串行通信的軟件設(shè)計(jì) 465.4.5串口的設(shè)置 485.4.6小結(jié) 48目錄PAGEPAGE595.5測(cè)試運(yùn)行結(jié)果 48第六章總結(jié) 516.1主要工作回顧 516.2本課題今后需進(jìn)一步研究的地方 51致謝 52參考文獻(xiàn) 53附錄A源程序 55個(gè)人簡(jiǎn)歷在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 60主要符號(hào)說(shuō)明PAGEPAGE59主要符號(hào)說(shuō)明U 電壓；I 電流；B 磁感應(yīng)強(qiáng)度；Ki 并聯(lián)橋臂均流系數(shù)； 各并聯(lián)支路的電流之和；IM 通過(guò)最大電流支路的電流。Ku 串聯(lián)支路均壓系數(shù)； 支路串聯(lián)組件的電壓(V)；UM 承受最大電壓組件的電壓(V)；URRM反向重復(fù)峰值電壓；IRRM 反向重復(fù)峰值電流；UFM 正向通態(tài)電壓；IFM 正向通態(tài)電流；EH 霍爾電勢(shì)；KH 霍爾組件靈敏度； 采樣/保持器的捕捉時(shí)間； 采樣/保持器的設(shè)定時(shí)間； A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間；FFT 快速傅立葉變換。第一章緒論P(yáng)AGEPAGE59第一章緒論1.1前言電力機(jī)車的牽引動(dòng)力是電能，但與內(nèi)燃機(jī)車不同，電力機(jī)車本身沒(méi)有原動(dòng)力，是依靠外部供電系統(tǒng)供應(yīng)電力，并通過(guò)機(jī)車上的整流柜將受電弓從接觸網(wǎng)上取得的交流的電轉(zhuǎn)換成直流，由牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)列車前進(jìn)。由電力機(jī)車實(shí)施的牽引運(yùn)行稱為電力牽引，電力牽引具有功率大、效率高、過(guò)載能力強(qiáng)、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低、司機(jī)勞動(dòng)條件好、不污染環(huán)境等一系列優(yōu)點(diǎn)。電力機(jī)車主要由車體、車底架、走行部、車鉤緩沖裝置制動(dòng)裝置和一整套電氣設(shè)備等組成。除電氣設(shè)備外，其余部分都同交——直流電力傳動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車相似。電力機(jī)車的硅整流裝置是電力機(jī)車上的關(guān)鍵部件之一。由大功率整流二極管和晶閘管及其附件組成橋式整流電路。其功能是把來(lái)自牽引變壓器副邊繞組的交流電整流為直流電，供給牽引電動(dòng)機(jī)使用，同時(shí)兼有調(diào)壓開(kāi)關(guān)級(jí)間平滑調(diào)壓的作用。機(jī)車在滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)候，整流裝置處于高電壓、大電流的狀態(tài)之下，整流柜主整流組件很容易出現(xiàn)擊穿、燒損、放炮等故障，從而導(dǎo)致硅整流裝置出現(xiàn)短路，斷路等故障，進(jìn)而將直接導(dǎo)致機(jī)車故障而中斷運(yùn)輸，這不僅干擾了正常的運(yùn)輸秩序，影響運(yùn)用機(jī)車運(yùn)輸，給運(yùn)輸安全也帶來(lái)了隱患，而且由于大量更換組件使檢修成本上升，造成了經(jīng)濟(jì)損失。大功率晶閘管和硅整流管是構(gòu)成硅整流裝置即硅機(jī)組的基本組件，而大功率晶閘管和硅整流管組件的性能又決定了整流柜的性能。因此，測(cè)試它們的基本特性，合理地選配組件，將有助于提高機(jī)車運(yùn)行的可靠性。所以我國(guó)電力機(jī)務(wù)段對(duì)電力機(jī)車上的硅機(jī)組(硅整流裝置)在進(jìn)行段修后，需按檢修規(guī)程要求，進(jìn)行均壓和均流試驗(yàn)，以檢查硅機(jī)組的均壓和均流情況是否符合規(guī)程的要求。[3,4]1.2整流柜的均壓與均流1.2.1電力電子器件串聯(lián)時(shí)的均壓對(duì)于電力機(jī)車的整流柜,為了提高整流柜的電壓等級(jí),電力半導(dǎo)體器件(二極管、晶閘管)的串并聯(lián)是很常見(jiàn)的。多個(gè)串聯(lián)的電力半導(dǎo)體器件由于其反向特性存在差異,當(dāng)加上正向或反向電壓時(shí),各個(gè)管子所承受的正、反向電壓也就不同。對(duì)于整流二極管而言,承受正向電壓就會(huì)導(dǎo)通；但在承受反壓時(shí),承受過(guò)大反向電壓的管子有可能被擊穿,而其它管子的電壓則利用不充分。而對(duì)于串聯(lián)工作的晶閘管來(lái)說(shuō),由于正向阻斷特性的差異,在加上正向電壓但沒(méi)有給門極觸發(fā)脈沖時(shí),第一章緒論P(yáng)AGEPAGE59串聯(lián)的晶閘管之間所承受的正向電壓也是不同的。過(guò)大的正向電壓有可能使對(duì)應(yīng)的晶閘管正向?qū)ɑ蛘邠p壞,這是電路中所不能允許的。為了使串聯(lián)的電力半導(dǎo)體器件承受的電壓分配均勻,必須對(duì)其進(jìn)行均壓。按照電力機(jī)車的檢修規(guī)程，必須保證硅機(jī)組的均壓系數(shù)在0.95以上。1.2.2電力電子器件并聯(lián)時(shí)的均流對(duì)于電力機(jī)車整流柜,通常用并聯(lián)多個(gè)電力電子器件的方法來(lái)提高整流柜的電流等級(jí)。多個(gè)電力電子器件并聯(lián)時(shí),由于受并聯(lián)支路阻抗差異的影響及器件通態(tài)伏安特性(可控器件還有觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間的差異)的影響,因而會(huì)造成穩(wěn)態(tài)及瞬間電流的分配不均和開(kāi)通過(guò)程中電流上升率的不同。所以,對(duì)并聯(lián)的電力電子器件,必須采取均流措施。對(duì)于大容量的變流裝置而言,最常用的均流方法是在電力電子開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)一個(gè)均流電抗器。按照電力機(jī)車的檢修規(guī)程，必須保證硅機(jī)組的均壓系數(shù)在0.85以上。在電力機(jī)車整流柜,通常只需采用將器件按其正向通態(tài)特性分組,一般可以滿足均流系數(shù)大于0.85的技術(shù)要求。1.3均壓和均流測(cè)試1.3.1低壓電流測(cè)試(均流測(cè)試)在直流輸出端短接或接一個(gè)低值電阻負(fù)載，交流端施加一個(gè)可以提供整流裝置額定輸出電壓12V的低電壓最大電流額定電流為4800A情況下進(jìn)行試驗(yàn)。整流裝置通電時(shí)測(cè)量各橋臂支路的電流、按下式計(jì)算均流系數(shù)不小于0.85。即：(1-1)式中——并聯(lián)橋臂均流系數(shù)；——各并聯(lián)支路的電流之和(A)；——并聯(lián)支路數(shù)；——通過(guò)最大電流支路的電流(A)。K值越大，說(shuō)明牽引整流裝置的均流效果越好，在正常運(yùn)行的情況下整流組件的可靠性高。1.3.2輕載電壓測(cè)試(均壓測(cè)試)輕載電壓試驗(yàn)是整流裝置在很小的負(fù)載下，施加額定交流電壓，檢查整流裝置電路的聯(lián)接是否正確以及靜態(tài)特性是否滿足要求，并測(cè)量串聯(lián)支路組件的均壓系數(shù)。本整流裝置均壓試驗(yàn)測(cè)量橋臂支路串聯(lián)組件的電壓按下式計(jì)算出均壓系數(shù)K不小于0.95。即：第一章緒論P(yáng)AGEPAGE59(1-2)式中——串聯(lián)支路均壓系數(shù)；——支路串聯(lián)組件的電壓(V)；——串聯(lián)支路數(shù)；——承受最大電壓組件的電壓(V)。K值越大，說(shuō)明牽引整流裝置的均壓效果越好，在正常運(yùn)行的情況下整流組件的可靠性越高。[5]1.4試驗(yàn)裝置及其目的與意義1.4.1本試驗(yàn)裝置的基本特點(diǎn)用脈沖方式測(cè)量組件特性的儀器和設(shè)備，國(guó)內(nèi)已有不少單位早已研制和開(kāi)發(fā)，并已經(jīng)形成正式產(chǎn)品。用DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)展已相當(dāng)成熟，在國(guó)內(nèi)也早已在很多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。所以本試驗(yàn)裝置采用間隙式脈沖高壓、大電流測(cè)試硅機(jī)組均流均壓系數(shù)的技術(shù)，以DSP為核心的數(shù)據(jù)采集及相應(yīng)的處理軟件和硬件，構(gòu)成了一套完整的硅機(jī)組均壓均流試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性。1.4.2本試驗(yàn)裝置的基本原理采用脈沖電源測(cè)量，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，向被試硅機(jī)組輸出一個(gè)正弦半波電壓，這與整流組件在正常工作時(shí)的導(dǎo)通條件相同。采用高精度霍爾電流傳感器和電壓傳感器作為電流檢測(cè)組件和電壓檢測(cè)組件，使用以DSP為核心的數(shù)據(jù)采集板及相應(yīng)的處理軟件，可自動(dòng)計(jì)算和輸出每個(gè)被測(cè)硅機(jī)組的均流系數(shù)和均壓系數(shù)，并實(shí)時(shí)輸出檢測(cè)結(jié)果。使檢修人員更快更準(zhǔn)確地知道整流柜各支路的均流系數(shù)和均壓系數(shù)，并可以對(duì)各測(cè)量出的值進(jìn)行相關(guān)判斷，從而得出被測(cè)試的整流柜是否合格。在建立了較為完善的段內(nèi)硅機(jī)組檢修數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，可根據(jù)每次段修積累的資料，觀察組件參數(shù)的變化，參照有關(guān)的電力半導(dǎo)體器件的失效判據(jù)，了解和判定各組件的技術(shù)狀態(tài)。使機(jī)務(wù)段能隨時(shí)查看硅機(jī)組的技術(shù)狀態(tài)，為預(yù)防故障狀態(tài)修創(chuàng)造了條件。[6]1.4.3試驗(yàn)裝置的目的與意義整流裝置的設(shè)計(jì)要求整流橋任何橋臂上的并聯(lián)第一章緒論P(yáng)AGEPAGE59支路的電流要基本相等，這樣就不致因某一臂并聯(lián)支路硅組件承擔(dān)過(guò)大的電流而燒損或長(zhǎng)期工作在大電流狀態(tài)下而過(guò)早地使組件降級(jí)老化而燒損。因此設(shè)計(jì)上要求任何橋臂的均流系數(shù)應(yīng)在0.85以上，各晶閘管兩端的電壓的均壓系數(shù)就在0.95以上，這樣才能保證整流裝置的安全使用。生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)調(diào)試過(guò)程中是通過(guò)對(duì)硅組件的特性進(jìn)行測(cè)試，將硅組件特性基本一致的搭配成組形成一個(gè)橋臂來(lái)實(shí)現(xiàn)0.85以上的均流系數(shù)和0.95以上的均壓系數(shù)。但整流裝置經(jīng)過(guò)一段較長(zhǎng)時(shí)間的使用后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)可能發(fā)現(xiàn)其各方面性能均發(fā)生了不同程度的變化，使得均壓系數(shù)或均流系數(shù)不能達(dá)到保證整流裝置安全使用的標(biāo)準(zhǔn)。這就必然出現(xiàn)因某一臂并聯(lián)支路硅組件承擔(dān)過(guò)大的電流而燒損或長(zhǎng)期工作在大電流狀態(tài)下而過(guò)早地使組件降級(jí)老化而燒損的情況，從而導(dǎo)致電力機(jī)車中斷運(yùn)輸。整流柜性能的變化主要表現(xiàn)在如下幾點(diǎn):(1)硅元件特性發(fā)生變化，硅元件降級(jí)老化，正向壓降偏離原始出廠參數(shù)。(2)不同金屬材料間的接觸導(dǎo)致金屬反應(yīng)產(chǎn)生電腐蝕現(xiàn)象是至關(guān)重要的問(wèn)題:整流裝置硅元件的散熱器為鋁質(zhì)材料，而與其相聯(lián)結(jié)的銅排和硅元件管殼為銅質(zhì)材料，這兩種不同金屬的材料相互聯(lián)結(jié)在一起，長(zhǎng)時(shí)間工作在大電流的狀態(tài)下不可避免地產(chǎn)生金屬間的反應(yīng)，致使兩種不同金屬材料間的接觸面產(chǎn)生電腐蝕，使接觸面產(chǎn)生麻坑，即在硅元件的接線端和硅元件的管殼與散熱器的接觸面產(chǎn)生麻坑，最終導(dǎo)致整個(gè)硅元件管芯與散熱器的接觸電阻增大，硅元件的引出端與元件間的聯(lián)結(jié)銅排間的電阻增大，使硅元件的招體電阻增大。這樣必然產(chǎn)生兩種現(xiàn)象:一種現(xiàn)象是因硅元件的整體電阻增大，通過(guò)大電流時(shí)產(chǎn)生損耗發(fā)熱導(dǎo)致元件燒損;另一種是因硅元件有的已產(chǎn)生電腐蝕有的未產(chǎn)生電腐蝕，在一個(gè)橋臂并聯(lián)支路某一支路中的電阻發(fā)生變化，在相同的輸入電壓下，必然造成電流不一致，最后因某一支路承擔(dān)超負(fù)荷的電流而燒損。(3)硅元件間的聯(lián)接是通過(guò)聯(lián)接銅排進(jìn)行聯(lián)接的，聯(lián)接螺栓會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間通過(guò)大電流而發(fā)熱及電磁力的作用和機(jī)車的振動(dòng)等影響，緊固力發(fā)生變化，使硅元件的聯(lián)接處的接觸電阻發(fā)生變化，最終也因橋臂并聯(lián)支路的電阻不同，而導(dǎo)致橋臂支路間的電流大小不同，支路電流大的硅元件將燒損。從以上三點(diǎn)看出硅元件特性變化必然造成均流系數(shù)的變化；硅元件散熱器與元件管殼之間電腐蝕及硅元件散熱器引出端電腐蝕，均造成硅元件的整體電阻增大，正向壓降自然也因此而增大，實(shí)質(zhì)上等效于硅元件特性發(fā)生變化，不可避免地造成均流系數(shù)發(fā)生變化，破壞了原出廠調(diào)試好的均流系數(shù)，使均流系數(shù)降低到0.85以下，有甚者均流系數(shù)可降低到0.33，從而導(dǎo)致某個(gè)橋臂的支路的電流過(guò)大而燒損硅元件。根據(jù)中修修程對(duì)整流裝置均流系數(shù)的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)許多整流裝置某個(gè)橋臂或多個(gè)橋臂其均流系數(shù)極差，僅在0.4與0.7之間，據(jù)此可計(jì)算出機(jī)車運(yùn)行在大坡道區(qū)段時(shí)的段橋整流臂最大支路電流(以SS3B為例):在大坡道區(qū)段機(jī)車電機(jī)電流經(jīng)常以600A的大電流持續(xù)運(yùn)行，當(dāng)整流裝置的均流系數(shù)在0.4時(shí)，其最大支路的電流為A=6I/(3*KIM)=3*600/(3*0.4)=1500A,當(dāng)均流系數(shù)在0.7時(shí)同樣可算出其最大支路的電流在857.14A。而整流裝置的整流管的型號(hào)為ZP800-30，其額定工作電流為800A第一章緒論P(yáng)AGEPAGE59，因此可以看出在均流系數(shù)降低的情況下，段橋整流臂上最大電流支路的整流元件實(shí)實(shí)在在地承擔(dān)著超過(guò)其額定電流很多的電流，這樣整流元件自然就容易發(fā)生燒損和降級(jí)老化等故障現(xiàn)象。而某一支路的1個(gè)硅元件燒損，便發(fā)生惡性循環(huán)，有可能造成整個(gè)橋臂支路燒損等事故。從上述可見(jiàn)，電力機(jī)車的整流裝置在裝車前或是進(jìn)行檢修時(shí)進(jìn)行均壓均流試驗(yàn)是多么的重要和必需，對(duì)整流裝置的各支路的均流試驗(yàn)和各串聯(lián)晶閘管(機(jī)車檢修需要時(shí))的均壓試驗(yàn)是否準(zhǔn)確可靠，直接關(guān)系到機(jī)車的安全運(yùn)行和國(guó)家人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。對(duì)這項(xiàng)試驗(yàn)的檢修是否方便快捷也是關(guān)系到測(cè)試人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，因此本論文針對(duì)這些實(shí)際的情況詳細(xì)設(shè)計(jì)了基于DSP的均壓均流測(cè)試系統(tǒng)以滿足機(jī)車整流裝置檢修的需求。所以本文以介紹SS—3B電力機(jī)車硅機(jī)組為對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種基于DSP的采用間隙式脈沖高壓、大電流測(cè)試硅機(jī)組均流均壓系數(shù)的技術(shù)，進(jìn)行均壓均流測(cè)試的系統(tǒng)，還可根據(jù)硅機(jī)組型號(hào)的不同對(duì)系統(tǒng)稍加改進(jìn)。與各種該系統(tǒng)能夠較準(zhǔn)確地對(duì)整流柜的整體性能及有關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，使整流柜硅元件達(dá)到最佳匹配狀態(tài)，保證了機(jī)車正常運(yùn)行。該產(chǎn)品具有DSP自動(dòng)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，為整流柜的檢修提供重要的參數(shù)。該產(chǎn)品的推廣使用，將為電力機(jī)務(wù)段檢修整流柜提供先進(jìn)可靠的手段，降低整流柜故障的返修率，同時(shí)必將帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。第二章整流柜及其均壓均流測(cè)試PAGEPAGE59第二章整流柜及其均壓均流測(cè)試2.1整流柜的結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)各種電力機(jī)車上的整流柜的結(jié)構(gòu)不太相同，但由于機(jī)車的發(fā)展是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，所以其結(jié)構(gòu)都具有相似性，只是根據(jù)具體的電力機(jī)車的主要用途和功能所以其整流裝置存在差異。以韶山3型4000系電力機(jī)車(簡(jiǎn)稱韶山3B型)為例，韶山3B型電力機(jī)車采用大功率硅整流管和晶閘管組成的橋式全波整流電路的TGZ11型整流裝置，每臺(tái)機(jī)車的整流裝置由=1\*ROMANI端整流柜和=2\*ROMANII端整流柜組成。每個(gè)整流柜組成一個(gè)獨(dú)立的三段不等分半控橋，向1個(gè)轉(zhuǎn)向架3臺(tái)并聯(lián)工作的牽引電動(dòng)機(jī)供電。但是=1\*ROMANI端整流柜要比=2\*ROMANII端整流柜多二個(gè)可控橋臂，作為電阻制動(dòng)時(shí)供給兩個(gè)轉(zhuǎn)向架6臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流。除此以外，兩個(gè)整流柜的外形尺寸和安裝位置都是相同的。半導(dǎo)體組件在柜內(nèi)的布置和接線如圖2-1所示：圖2-1韶山3B型機(jī)車整流柜原理圖Fig.2-1locomotiverectifierschematicofShaoshan3BTGZ11型整流裝置由晶閘管、整流管、觸發(fā)脈沖輸出部分、快速熔斷器、RC保護(hù)、安裝構(gòu)架、匯流母排和控制導(dǎo)線等組成。整流裝置主電路接線原理圖見(jiàn)圖2—2。它由兩個(gè)串聯(lián)橋組成單相半控橋式整流電路，向3臺(tái)并聯(lián)工作的牽引電動(dòng)機(jī)供電。全車共有這樣獨(dú)立的兩套系統(tǒng)。串聯(lián)橋的第一個(gè)半控橋由四個(gè)橋臂組成，T11、T12是可控管，D11、D12是不可控臂。每個(gè)橋臂均由2串3并半導(dǎo)體組件組成，第二個(gè)橋由八個(gè)橋臂組成。D13、D14是不可控臂，由整流管2串3并組成，其余都是可控橋臂。其中T15、T16橋臂承受的電壓最高，由2串3第二章整流柜及其均壓均流測(cè)試PAGEPAGE59并晶閘管組成。T13、T14橋臂承受的電壓為前者的1/2，因此它由晶閘管1串3并組成。T17、T18橋臂是供給電阻制動(dòng)勵(lì)磁電流的。制動(dòng)時(shí)各牽引電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組相互間接成串聯(lián)，供給它的勵(lì)磁電源電壓為牽引工況橋臂的1/3，所以它僅由1個(gè)晶閘管組成，但是牽引時(shí)它承受的反向電壓又比T13、T14高，為T15、T16的2/3。為了安全起見(jiàn)，在橋臂晶閘管上串聯(lián)1只整流管來(lái)分擔(dān)其承受的反向電壓。圖2-2整流裝置主電路原理圖Fig.2-2rectifierschematicofmaincircuit2.2整流柜的功能和原理TGzll型是供韶山3B型電力機(jī)車使用的整流裝置，它由大功率整流二極管和晶閘管及其附件所組成，具有以下功能：1.把交流電變?yōu)橹绷麟姽┙o牽引電動(dòng)機(jī)；2.進(jìn)行平滑調(diào)壓；3.供給制動(dòng)勵(lì)磁電流，并可平滑調(diào)節(jié)該電流。其它類型電力機(jī)車的整流柜也具有同樣的功能第二章整流柜及其均壓均流測(cè)試PAGEPAGE59TGzll型車整流裝置有下述優(yōu)點(diǎn)：1.采用不等分三段順控橋，可實(shí)現(xiàn)整流和無(wú)級(jí)相控調(diào)壓，持續(xù)工況運(yùn)行它具有多段橋的優(yōu)點(diǎn)，有利提高功率因子，減少諧波成分。2.觸發(fā)脈沖部分采用韶山6型電力機(jī)車用的脈沖輸出模塊，技術(shù)指針先進(jìn)，工作可靠。2.2.1整流裝置均流功能分析整流裝置的主橋臂由三個(gè)并聯(lián)支路組成，通過(guò)各并聯(lián)支路的電流不會(huì)完全一樣。流過(guò)大電流支路的半導(dǎo)體組件有可能過(guò)載而損壞，電流小的支路則組件沒(méi)有充分利用。最理想的是讓所有并聯(lián)支路通過(guò)的電流都一樣，即所謂均流。實(shí)際上這是不可能的，因?yàn)橛性S多因素影響電流的均勻分配。例如：半導(dǎo)體組件正向特性的差異，匯流母排的影響，串聯(lián)組件之間連接導(dǎo)線的影響，快速熔斷器之間電阻值的差異，接觸電阻的影響，以及冷卻風(fēng)分布不均勻相上下層之間冷卻風(fēng)溫度不同的影響等。這許多影響因素中，最主要的是半導(dǎo)體組件的正向特性。因此，為使各并聯(lián)支路的電流分配趨向一致，最簡(jiǎn)單的方法就是在工廠組裝時(shí)，各并聯(lián)支路按整流管的正向壓降或晶閘管的通態(tài)電壓進(jìn)行編組。這樣做了以后，出廠試驗(yàn)時(shí)只需稍許調(diào)整，一般均可達(dá)到技術(shù)要求的均流系數(shù)0.85。對(duì)于并聯(lián)工作的晶閘管，還要考慮它們的動(dòng)態(tài)均流問(wèn)題。所謂動(dòng)態(tài)均沈就是并聯(lián)晶閘管在開(kāi)通過(guò)程中的均流。由于晶閘管開(kāi)通時(shí)間的不同，首先導(dǎo)通的組件，不僅要承受橋臂的全部電流，而且自身并聯(lián)的電容器以及其它未導(dǎo)通晶閘管并聯(lián)的電容器也會(huì)瞬間向它放電，使其承受一個(gè)迅速增長(zhǎng)的di/dt，造成半導(dǎo)體組件內(nèi)局部過(guò)熱而損壞，如圖2-3所示。圖2-3一個(gè)晶閘管先導(dǎo)通時(shí)，流過(guò)的放電電流示意圖Fig.2-3thesketchmapofcurrentthroughthethyristorwhichisfirston為了動(dòng)態(tài)均流，對(duì)于只串聯(lián)一個(gè)晶閘管的T13、T14橋臂，在每個(gè)晶閘管支路串聯(lián)一只由第二章整流柜及其均壓均流測(cè)試PAGEPAGE59磁環(huán)構(gòu)成的均流電抗器。在某支路電流迅速增長(zhǎng)的瞬間，該支路電抗器上將會(huì)感應(yīng)出一個(gè)反電勢(shì)，阻止電流的增長(zhǎng)，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)均流的作用。但是，當(dāng)電流增長(zhǎng)到一定數(shù)值以后，磁芯飽和，電抗器也就不起作用了。2.2.2整流裝置均壓功能分析串聯(lián)工作的半導(dǎo)體組件，由于它們的反向特性有差異，當(dāng)加上反向電壓時(shí)，各串聯(lián)組件所承受的反向電壓就不同。承受過(guò)大反向電壓的組件有可能被反向擊穿，而其它組件的電壓利用也不充分。此外，串聯(lián)工作的晶閘管由于正向阻斷特性的差異，在加上正向電壓，但沒(méi)有門板觸發(fā)脈沖信號(hào)時(shí)，串聯(lián)組件之間承受的正向阻斷電壓也是不相同的。過(guò)大的正向電壓有可能使晶閘管正向轉(zhuǎn)折而導(dǎo)通，這是電路中不能允許的，同時(shí)這種不正常的轉(zhuǎn)折導(dǎo)通多來(lái)幾次，晶閘管的正向阻斷特性有可能喪失而成為整流二極管了。為使串聯(lián)組件承受的電壓分配均勻，即所謂均壓，通常在每個(gè)串聯(lián)組件的兩端并聯(lián)均壓電阻。選取的均壓電阻值，一般要比半導(dǎo)體組件的反向電阻值小得多，而且在工廠組裝時(shí)要對(duì)每只均壓電阻進(jìn)行阻值測(cè)量并分組，使每個(gè)串聯(lián)支路的各均壓電阻值基本相等，這樣支路串聯(lián)組件之間的電壓分配就可以按并聯(lián)均壓電阻值進(jìn)行分配而趨向一致了。這里選取均壓電阻為30kQ、30w的線繞電阻，并聯(lián)均壓電阻以后，在最高工作電壓下，各串聯(lián)支路的均壓系數(shù)可以達(dá)到0.95以上。半導(dǎo)體組件在正向?qū)ńY(jié)束加上反向電壓時(shí)，由于載流子積蓄效應(yīng)，存在著反向恢復(fù)電荷。組件需要經(jīng)過(guò)幾微秒到幾十微秒之后才能恢復(fù)反向阻斷能力，在恢復(fù)反向阻斷能力的瞬間，對(duì)組件將產(chǎn)生一個(gè)所謂換相過(guò)電壓。由于各組件的反向恢復(fù)電荷不盡相同，串聯(lián)工作時(shí)，各組件產(chǎn)生的換相過(guò)電壓也不同，組件之間特產(chǎn)生一個(gè)動(dòng)態(tài)不平衡電壓ΔU。反向恢復(fù)電荷最少的組件，最先恢復(fù)反向阻斷能力，將承受支路的全部反向電壓。為使串聯(lián)組件動(dòng)態(tài)均壓，可借助在半導(dǎo)體組件兩端并聯(lián)電容和電阻、并盡量減少串聯(lián)組件之間的反向恢復(fù)電荷差異來(lái)達(dá)到。本裝置在每只整流管和晶閘管兩端并聯(lián)1uF的電容器、22Ω電阻作為動(dòng)態(tài)均壓用。同時(shí)要求串聯(lián)工作的整流管和晶閘管之間反向恢復(fù)電荷之差不大于400μc。2.2.3整流裝置過(guò)電壓保護(hù)功能分析晶閘管和整流管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)換到截止而承受反向電壓時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)峰值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常工作電壓的換相過(guò)電壓，如不采取措施將會(huì)導(dǎo)致組件損壞。通常在半導(dǎo)體組件兩端并聯(lián)電容器和電阻器進(jìn)行保護(hù)如圖2－4所示。前述瞬態(tài)均壓用的1μF電容和22Ω電阻支路也起著過(guò)電壓保護(hù)的作用。電阻可在晶閘管導(dǎo)通的瞬間，限制電容器向晶閘管放電的di/dt，并對(duì)換相過(guò)電壓產(chǎn)生的振蕩有阻尼作用。第二章整流柜及其均壓均流測(cè)試PAGEPAGE59圖2-4過(guò)電壓保護(hù)電阻、電容Fig.2-4overvoltageprotectiveresistance、capacitance對(duì)于裝置以外侵入的過(guò)電壓，則由機(jī)車主電路設(shè)置在變壓器次邊的RC回路進(jìn)行保護(hù)，要求把過(guò)電壓抑制在變壓器次邊電壓的2倍以下。2.2.4整流裝置過(guò)電流保護(hù)功能分析整流裝置本身不帶短路保護(hù)，遇有牽引電動(dòng)機(jī)接地、環(huán)火或半導(dǎo)體組件文路擊穿而引起的短路，由機(jī)車主斷路器跳閘分?jǐn)嘀麟娐愤M(jìn)行保護(hù)。為使整流裝置內(nèi)流過(guò)短路電流的其它半導(dǎo)體組件不致?lián)p壞，受半導(dǎo)體組件過(guò)載能力的限制，要求主斷路器的動(dòng)作時(shí)間在3個(gè)周波即0.06s以內(nèi)。對(duì)于T13、T14橋劈和勵(lì)磁橋劈，為更加可靠起見(jiàn)，每只晶閘管都串聯(lián)有1個(gè)NGT3—630/380型快速熔斷器加以保護(hù)，該快速熔斷器的額定電流(有效值)為630A。2.2.5晶閘管的di/dt保護(hù)我們知道，晶閘管具有正向阻斷特性，就是加上正向電壓，門極不給觸發(fā)脈沖時(shí)它是不會(huì)自行導(dǎo)通的。一旦給出門極觸發(fā)脈沖，晶閘管就開(kāi)始導(dǎo)通。導(dǎo)通過(guò)程首先從門極開(kāi)始，逐漸向門極周圍的陰極而擴(kuò)展而達(dá)到全面導(dǎo)通。如果導(dǎo)通過(guò)程電流增長(zhǎng)過(guò)快，即di/dt過(guò)大，而導(dǎo)通擴(kuò)展的面積還不夠大時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生局部電流密度過(guò)高把半導(dǎo)體組件燒壞。為此，對(duì)于只有1個(gè)組件串聯(lián)的T13、T14橋臂，在每個(gè)晶閘管上串聯(lián)1個(gè)均流電抗器來(lái)限制過(guò)快增長(zhǎng)的di/dt。如前所述，該電抗器還具有橋臂支路動(dòng)態(tài)均流的作用。從對(duì)整流柜的功能分析可以看出，雖然就其最初的設(shè)計(jì)而言是為了達(dá)到理想的均壓均流的功能，但由于器件本身的原因和制造安裝時(shí)的原因使得整流裝置不能達(dá)到比較理想的狀態(tài)，所以對(duì)電力機(jī)車的整流裝置在裝車前有必要對(duì)其進(jìn)行均壓、均流測(cè)試，均壓均流測(cè)試系統(tǒng)的研制的意義就在于此。2.3被測(cè)組件特性硅整流管的伏安特性曲線，如圖2-5所示。對(duì)應(yīng)于B第二章整流柜及其均壓均流測(cè)試PAGEPAGE59點(diǎn)電流叫正向平均電流，它是半個(gè)周期里流過(guò)硅整流管的電流，在一個(gè)周期內(nèi)的平均電流值。此時(shí)電壓大約0.45～0.55V左右。UF為正向平均電壓(正向壓降)，是正半周電壓降在一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即實(shí)際電壓的一半左右。URRM為反向重復(fù)峰值電壓，對(duì)應(yīng)的電流IRRM為反向重復(fù)峰值電流(也稱漏電流)。圖2-5整流管伏安特性曲線Fig.2-5rectifyingtubevolt-amperecharacteristiscurve晶閘管的伏安特性曲線，如圖2-6所示。其反向特性與硅整流管一樣。正向特性則為：正向電壓在一定限度內(nèi)，門極電流IG等于0時(shí)，晶閘管與硅整流管的反向特性相似，呈現(xiàn)阻斷狀態(tài)(OA段)，當(dāng)正向電壓超過(guò)一定限度(A點(diǎn))時(shí)，漏電流增大，晶閘管突然變?yōu)閷?dǎo)通，此時(shí)電壓叫做正向轉(zhuǎn)折電壓UBO。正常工作時(shí)，IG達(dá)到規(guī)定的電流使晶閘管導(dǎo)通，UT點(diǎn)為正向通態(tài)平均電流時(shí)的正向平均通態(tài)電壓。圖2-6晶閘管伏安特性曲線Fig.2-6thyristorvolt-amperecharacteristiscurve其中，根據(jù)機(jī)車實(shí)際要求，試驗(yàn)臺(tái)的主要測(cè)試點(diǎn)為以下4個(gè)參數(shù)：(1)反向重復(fù)峰值電壓URRM，0～3000V；(2)反向重復(fù)峰值電流IRRM，0～60mA；(3)正向通態(tài)電壓UFM(UT)，0～5V；(4)正向通態(tài)電流IFM(IT)，0～2500A。第二章整流柜及其均壓均流測(cè)試PAGEPAGE592.4硅機(jī)組均壓均流試驗(yàn)的現(xiàn)狀和本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)2.4.1.國(guó)內(nèi)電力機(jī)務(wù)段機(jī)車硅機(jī)組均壓均流試驗(yàn)的現(xiàn)狀我國(guó)電力機(jī)務(wù)段對(duì)電力機(jī)車上的硅機(jī)組(硅整流裝置)在進(jìn)行段修后，按檢修規(guī)程要求，需進(jìn)行均壓和均流試驗(yàn)，用以檢查硅機(jī)組的均壓和均流情況是否符合規(guī)程的要求。均壓試驗(yàn)由于試驗(yàn)設(shè)備容量小，測(cè)試較方便，大多能正常進(jìn)行；而均流試驗(yàn)則存在一些困難和問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：=1\*GB3①試驗(yàn)沒(méi)備容量大，試驗(yàn)耗電大按現(xiàn)有段修規(guī)程(SS3型機(jī)車)要求，均流試驗(yàn)時(shí)，需給被試硅機(jī)組通以3300安(最大4800安)的大電流，15分鐘后，在熱狀態(tài)下進(jìn)行各支路電流的測(cè)量：現(xiàn)有的均流試驗(yàn)設(shè)備多半是從段內(nèi)的配電變壓器取電，通過(guò)試驗(yàn)裝置中的感應(yīng)調(diào)壓器和低壓大電流變壓器給被試硅機(jī)組提供單相工頻可調(diào)的大電流，調(diào)壓器的容量大多在36～100KVA左右，一些機(jī)務(wù)段的配電變壓器常難以滿足要求。=2\*GB3②試驗(yàn)工作難度大，工作條件差連結(jié)導(dǎo)線需要采用大截面的銅排，連結(jié)處要求接觸良好，以避免通過(guò)大電流時(shí)發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象，給接線工作增加了難度；較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)大電流，在試驗(yàn)變壓器、連結(jié)銅排和硅機(jī)組中產(chǎn)生大量的熱量，使試驗(yàn)場(chǎng)所溫度升高，持續(xù)的大電流還產(chǎn)生電磁噪音，惡化了工作條件和測(cè)試的準(zhǔn)確度。=3\*GB3③更換組件時(shí)，缺少足夠的資料依據(jù)來(lái)選擇替換的組件當(dāng)被試硅機(jī)組的均流系數(shù)不符合要求，需要更換組件時(shí)，選擇被更換的組件和替換組件，都缺少足夠的較為科學(xué)的資料依據(jù)，使組件的更換帶有一定程度的盲目性，而延長(zhǎng)了檢修時(shí)間。2.4.2新型硅機(jī)組均壓均流試驗(yàn)裝置的特點(diǎn)=1\*GB3①采用脈沖工作方式，試驗(yàn)變壓器容量小，試驗(yàn)耗電大為減少。本試驗(yàn)裝置在試驗(yàn)時(shí)，向被試硅機(jī)組輸出一個(gè)正弦半波電壓，與整流組件在正常工作時(shí)導(dǎo)通條件相同。一臺(tái)機(jī)車(SS3型)2臺(tái)硅機(jī)組的均流試驗(yàn)，總計(jì)通電時(shí)間僅需3秒左右，耗電和發(fā)熱將大大減小，由于每次通電時(shí)間極短對(duì)配電系統(tǒng)的影響甚微。=2\*GB3②利用DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)試自動(dòng)化程度較高，測(cè)試資料的實(shí)時(shí)性較好，測(cè)試精度得以提高，測(cè)試速度快，耗時(shí)少。=3\*GB3③采用DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和輸出，可自動(dòng)計(jì)算和輸出被測(cè)硅機(jī)組的均壓均流系數(shù)：在積累了一定的測(cè)試資料后，還可給出更換組件的提示(包括更換的組件號(hào)和對(duì)均流、均壓系數(shù)不符合要求的支路組件參數(shù))。=4\*GB3④可為更換組件提供需要的參數(shù)均流試驗(yàn)中，在測(cè)量支路電流時(shí)，可同時(shí)測(cè)量該支路各組件的通態(tài)第二章整流柜及其均壓均流測(cè)試PAGEPAGE59壓降，并利用計(jì)算機(jī)對(duì)硅機(jī)組的組件網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障診斷分析，為更換組件提供必要的參數(shù)依據(jù)。=5\*GB3⑤為電力機(jī)務(wù)段機(jī)車維修的微機(jī)管理和硅機(jī)組的狀態(tài)修創(chuàng)造了條件可方便地建立硅機(jī)組檢修數(shù)據(jù)文件，便于與機(jī)務(wù)段的微機(jī)管理系統(tǒng)銜接。在建立了較為完善的段內(nèi)硅機(jī)組檢修數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，可根據(jù)每次段修積累的資料，觀察組件參數(shù)的變化，參照有關(guān)的電力半導(dǎo)體器件的失效判據(jù)，了解和判定各組件的技術(shù)狀態(tài)。使機(jī)務(wù)段能隨時(shí)查看硅機(jī)組的技術(shù)狀態(tài)，為預(yù)防故障狀態(tài)修創(chuàng)造了條件。=6\*GB3⑥還可根據(jù)用戶要求，增設(shè)功能。由于本設(shè)備具有上述諸多的優(yōu)點(diǎn)，因此使用新型均壓、均流試驗(yàn)裝置無(wú)疑是給機(jī)務(wù)段提供了一套便捷而又經(jīng)濟(jì)的測(cè)試設(shè)備，隨著本設(shè)備的使用，各機(jī)務(wù)段必將在硅機(jī)組的檢修和運(yùn)用方面提高一個(gè)檔次，大量節(jié)省人力和物力資源，完善測(cè)試手段，縮短檢修時(shí)間，減少元器件的損耗，同時(shí)降低了硅機(jī)組的故障率。[5]第三章均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)PAGEPAGE59第三章均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)3.1總體方案的設(shè)計(jì)3.1.1試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試方案按照傳統(tǒng)的方法為了建立均壓、均流測(cè)試環(huán)境，需要在整流器內(nèi)部通過(guò)上千安培的電流，并且有上千伏的電壓，如果按照機(jī)車實(shí)際，直接給牽引電機(jī)供電，則需要幾千瓦的能量，這是不切實(shí)際的，既耗費(fèi)人力能量，又不可能提供如此大的負(fù)載，還增加不安全因素。在國(guó)際上，前蘇聯(lián)在1983年在變電所的變流機(jī)組的均流、均壓狀態(tài)檢測(cè)中，采用了新型脈沖供電方式，但提供的脈沖大電流不是工頻正弦電流，因此，使硅機(jī)組在試驗(yàn)過(guò)程和使用過(guò)程中的導(dǎo)通情形大相徑庭，參數(shù)采用峰值電壓表。1991年前蘇聯(lián)又相繼在機(jī)車整流裝置的檢測(cè)中采用了脈沖方式電源，但它主要是為了檢測(cè)硅元件的反向漏電流，用于元件的故障診斷和失效預(yù)測(cè)。而用脈沖方式測(cè)量元件特性的儀器和設(shè)備，國(guó)內(nèi)已有不少單位早已研制和開(kāi)發(fā)，并已經(jīng)形成正式產(chǎn)品。用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)發(fā)展已相當(dāng)成熟，在國(guó)內(nèi)也早已在很多領(lǐng)域中得到應(yīng)用。因此,本系統(tǒng)的均壓、均流測(cè)試裝置采用脈沖電源、基于DSP的均壓、均流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件。構(gòu)成了一套完整的硅機(jī)組均壓、均流試驗(yàn)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性。我們采用脈沖工作方式，以降低試驗(yàn)變壓器容量，減少試驗(yàn)耗電量。即在試驗(yàn)時(shí)，向被試驗(yàn)硅機(jī)組輸出一個(gè)正弦半波電壓，與整流組件在正常工作時(shí)的導(dǎo)通條件相同。一臺(tái)機(jī)車(SS3B型)2臺(tái)硅機(jī)組的均流試驗(yàn)，總計(jì)通電時(shí)間僅需3秒左右，耗電和發(fā)熱將大大減小，每次通電時(shí)間極短(10ms)對(duì)配電系統(tǒng)的影響甚微。采用基于DSP的均壓、均流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有利于提高數(shù)據(jù)采集的精度和實(shí)時(shí)性。[6]3.1.2均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)的組成試驗(yàn)系統(tǒng)主要由電源單元（包括均流電源和均壓電源）、觸發(fā)控制單元、霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、顯示器及打印機(jī)組成?；究驁D，如圖3-1所示。第三章均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)PAGEPAGE59圖3-1測(cè)試系統(tǒng)原理框圖Fig.3-1principleschematicoftestsystem一、電源單元均流電源的輸入輸出特性如下：(1)輸入：電壓(交流50Hz)380V最大電流(交流50Hz)200A(2)輸出：最大輸出電流(峰值)4800A空載電壓(脈沖)21V額定輸出電壓(脈沖)12V均壓電源的輸入輸出特性如下：(1)輸入：電壓(交流50Hz)380V最大電流(交流50Hz)3A(2)輸出：最大輸出電壓(峰值)3300V最大輸出電流(峰值)200mA二、觸發(fā)控制單元(1)電源電壓(工頻)220V(2)脈沖輸出單元輸出合格脈沖信號(hào)三、信號(hào)采集與轉(zhuǎn)換單元(采用電流傳感器和電壓傳感器采集)第三章均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)PAGEPAGE59(1)電流信號(hào)信道4路(可根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì))最大量程1000A／路(2)電壓信號(hào)信道2路(可根據(jù)用戶要求設(shè)計(jì))最大量程1000V／路四、DSP信號(hào)處理系統(tǒng)(1)數(shù)據(jù)采集處理子模塊(2)串行通信子模塊(3)接口電路3.2電源單元的設(shè)計(jì)由于本測(cè)試系統(tǒng)是采用間隙式脈沖高壓、大電流測(cè)試硅機(jī)組均流均壓系數(shù)的技術(shù)進(jìn)行均壓、均流測(cè)試，即要求在進(jìn)行均壓測(cè)試時(shí)向被測(cè)支路輸入間隔為3秒鐘的高壓半正弦波，即要求在進(jìn)行均流測(cè)試時(shí)向被測(cè)支路輸入間隔為3秒鐘的大電流半正弦波，所以為了能夠?qū)崿F(xiàn)每隔3秒鐘向被試硅機(jī)組輸出一個(gè)如圖3－2所示的半正弦波的目的，可以利用555定時(shí)器設(shè)計(jì)專門的觸發(fā)電路，對(duì)均壓電源和均流電源的可控硅進(jìn)行適當(dāng)控制，具體的觸發(fā)電路將在后文中作詳細(xì)說(shuō)明。圖3-2延時(shí)三秒輸出脈沖Fig.3-2delay3secondoutputimpulse為了能夠方便地進(jìn)行均壓測(cè)試和均流測(cè)試，在本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分設(shè)計(jì)了如圖3－3所示的均壓、均流主電路。具體功能為：當(dāng)按下均壓測(cè)試開(kāi)關(guān)QA1時(shí)，均壓電路導(dǎo)通并使相應(yīng)的指示燈亮，而且可以通過(guò)ZJ1接到的蜂鳴器發(fā)出聲音，此時(shí)可以進(jìn)行硅機(jī)組的均壓測(cè)試，與此同時(shí)均流測(cè)試的開(kāi)關(guān)QA2將失去作用并使均流電路保持?jǐn)嗦?，給均壓電路中的晶閘管輸入觸發(fā)脈沖后，通過(guò)分壓電阻將均壓測(cè)試電源電壓調(diào)節(jié)在適合作均壓測(cè)試的位置，即保證有電壓為3300V電流為200mA的高電壓小電流的均壓電源輸出；同樣當(dāng)按下均流測(cè)試開(kāi)關(guān)QA2時(shí)，均流電路導(dǎo)通并使相應(yīng)的指示燈亮，而且可以通過(guò)ZJ2接到的蜂鳴器發(fā)出聲音，此時(shí)可以進(jìn)行硅機(jī)組的均流測(cè)試，與此同QA1將失去作用并使均壓電路保持?jǐn)嗦返谌戮鶋骸⒕髟囼?yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)PAGEPAGE59，給均流電路中的晶閘管輸入觸發(fā)脈沖后，通過(guò)限流電阻將均流測(cè)試電源電流調(diào)節(jié)在適合作均流測(cè)試的位置，即保證有電壓為12V最大電流為4800A低電壓大電流的均流電源輸出。圖3-3主電路圖Fig.3-3maincircuitschematic3.2.1硅機(jī)組的均流測(cè)試本測(cè)試系統(tǒng)以SS3B三段順控橋車型的為測(cè)試對(duì)象，由于一個(gè)整流柜就是一個(gè)三段順控橋，所以一般可以將這些車的變流裝置直接按照橋式整流接線，只要將三段順控橋的輸出短接即可。測(cè)試電路如圖3-4所示:第三章均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)PAGEPAGE59圖3－4SS3B型機(jī)車均流試驗(yàn)接線圖Fig.3-4SS3Blocomotiverectifiercurrentsharetestconnectgraph在測(cè)試時(shí)可以把大電流變壓器輸出端接在al-xl端，測(cè)量Dl,D2,T1,T2各管的均流情況，這時(shí)，由于三段順控橋的輸出短接(1,3或2,4號(hào)線短接)。進(jìn)行上述測(cè)量時(shí)，D3,D4管將達(dá)到續(xù)流的作用。再改接到a2-x2端，測(cè)量D3,D4,T3,T4各管的均流情況，這時(shí)Dl,D2管將起到續(xù)流的作用。在上述接線下進(jìn)行SS3B型機(jī)車試驗(yàn)時(shí)，總電流額定值為1650A(2400A),單管電流額定值為250A,警戒值為300A。進(jìn)行SS3B型機(jī)車試驗(yàn)時(shí)，一次可以測(cè)量4個(gè)橋臂的12條支路均流情況(將1~12號(hào)測(cè)試傳感器分別夾在待測(cè)的支路上)，一個(gè)柜子共有10個(gè)橋臂，需要測(cè)量3次(即前兩次每次測(cè)量4個(gè)橋臂，最后一次測(cè)量2個(gè)橋臂，且最后一次測(cè)量只用到1-s號(hào)測(cè)試傳感器)。在實(shí)際工作中，主要關(guān)注支路中最大電流是否超標(biāo)，所以我們一般按照式3-1進(jìn)行計(jì)算，即以最大電流支路計(jì)算的均流系數(shù)為準(zhǔn)。(3-1)式中——并聯(lián)橋臂均流系數(shù)；——各并聯(lián)支路的電流之和(A)；——并聯(lián)支路數(shù)；——通過(guò)最大電流支路的電流(A)。3.2.2硅機(jī)組的均壓測(cè)試對(duì)于電力機(jī)車的整流柜,為了提高整流柜的電壓等級(jí),電力半導(dǎo)體器件(二極管、晶閘管)常常進(jìn)行串聯(lián)，對(duì)于這種具有晶閘管和整流管串聯(lián)的裝置為了使串聯(lián)的電力半導(dǎo)體器件承受的電壓分配均勻,必須對(duì)其進(jìn)行均壓，所以應(yīng)該測(cè)量管子之間的均壓系數(shù)。例如在進(jìn)行SS3B型機(jī)車的試驗(yàn)時(shí)，一般需要將一個(gè)柜的兩個(gè)橋臂接成對(duì)接方式，然后把高壓交流電源加在兩個(gè)橋臂的尾部，即可分別測(cè)量?jī)蓚€(gè)橋臂的均壓。如圖3-5所示：第三章均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)PAGEPAGE59圖3-5SS3B型機(jī)車整流柜均壓試驗(yàn)接線圖Fig.3-5SS3Blocomotiverectifiervoltagesharetestconnectgraph在此測(cè)試系統(tǒng)的電壓檢測(cè)當(dāng)中，設(shè)計(jì)為一次可以測(cè)試多個(gè)晶閘管兩端的電壓，比如根據(jù)需要可以一次只測(cè)2個(gè)或4個(gè)或6個(gè)晶閘管兩端的電壓。在實(shí)際工作中，主要關(guān)注支路中最大電壓是否超標(biāo)，所以我們一般按照式3-2進(jìn)行計(jì)算，即以最大電流支路計(jì)算的均壓系數(shù)為準(zhǔn)。即：(3-2)式中——串聯(lián)支路均壓系數(shù)；——支路串聯(lián)組件的電壓(V)；——串聯(lián)支路數(shù)；——承受最大電壓組件的電壓(V)。K值越大，說(shuō)明牽引整流裝置的均壓效果越好，在正常運(yùn)行的情況下整流組件的可靠性越高。3.3觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)3.3.1被測(cè)可控硅的觸發(fā)電路可控硅的是一種能在高電壓、大電流條件下工作，具有耐壓高、容量大、體積小等優(yōu)點(diǎn)，它是大功率開(kāi)關(guān)型半導(dǎo)體器件。只有當(dāng)可控硅陽(yáng)極A與陰極K之間加有正向電壓，同時(shí)控制極G與陰極間加上所需的正向觸發(fā)電壓時(shí)，方可被觸發(fā)導(dǎo)通。此第三章均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)PAGEPAGE59時(shí)A、K間呈低阻導(dǎo)通狀態(tài)，陽(yáng)極A與陰極K間壓降約1V。單向可控硅導(dǎo)通后，控制器G即使失去觸發(fā)電壓，只要陽(yáng)極A和陰極K之間仍保持正向電壓，單向可控硅繼續(xù)處于低阻導(dǎo)通狀態(tài)。只有把陽(yáng)極A電壓拆除或陽(yáng)極A、陰極K間電壓極性發(fā)生改變（交流過(guò)零）時(shí)，單向可控硅才由低阻導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為高阻截止?fàn)顟B(tài)。單向可控硅一旦截止，即使陽(yáng)極A和陰極K間又重新加上正向電壓，仍需在控制極G和陰極K間有重新加上正向觸發(fā)電壓方可導(dǎo)通。單向可控硅的導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)相當(dāng)于開(kāi)關(guān)的閉合與斷開(kāi)狀態(tài)，用它可制成無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)。所以必須通過(guò)合適的觸發(fā)脈沖的觸發(fā)才能對(duì)可控硅進(jìn)行測(cè)試，為此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如圖3-6所示的單脈沖觸發(fā)電路觸發(fā)被測(cè)可控硅，以滿足測(cè)試需要。圖3-6被測(cè)可控硅觸發(fā)電路Fig.3-6thetestedthyristorflip-flopcircuitgraph3.3.2脈沖電源觸發(fā)電路根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電路具體的觸發(fā)要求以及如上所述的可控硅的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了脈沖電源觸發(fā)電路原理圖如圖3-7所示。在此原理圖中采用555定時(shí)器每間隔3秒產(chǎn)生一個(gè)固定的脈沖來(lái)定時(shí)觸發(fā)圖中的主電路中的可控硅，從而使得脈沖變壓器導(dǎo)通從而實(shí)現(xiàn)均壓、均流試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試時(shí)晶閘管的導(dǎo)通與關(guān)斷，使其每隔3秒能夠輸出半工頻脈沖，以滿足對(duì)整流柜的測(cè)試需要。第三章均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)PAGEPAGE59圖3-7脈沖電源觸發(fā)電路Fig.3-7impulsepowersupplyflip-flopcircuitgraph3.4信號(hào)采樣與轉(zhuǎn)換由于本試驗(yàn)采用的是半工頻脈沖，頻率是50Hz,周期為0.02s，因?yàn)槭前牍ゎl脈沖，其周期為10ms，若在10ms采樣100點(diǎn)，則采樣頻率為10kHz，如果對(duì)四路均流信號(hào)進(jìn)行采樣，就要在10ms內(nèi)采400個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)的采樣間隔為25us，若是對(duì)兩路均壓信號(hào)進(jìn)行采樣對(duì)速度的要求更低，所以通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)所采用的TMS320LF2407A芯片的事件管理器模塊（EVA或EVB）中的相應(yīng)定時(shí)器的周期寄存器的設(shè)置，確定采樣頻率，模擬信號(hào)經(jīng)處理后送入DSP內(nèi)部的ADC模塊，其采樣頻率為10kHz，TMS320LF2407A芯片的性能完全能夠在采樣頻率上滿足被測(cè)試對(duì)象在速度上的要求。3.5霍爾傳感器3.5.1霍爾電壓電流傳感器概述霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻柶骷曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。按照霍爾傳感器的功能可將它們分為：第三章均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)PAGEPAGE59霍爾線性器件和霍爾開(kāi)關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按照霍爾傳感器應(yīng)用大致分為：直接應(yīng)用和間接應(yīng)用?；魻杺鞲衅骶哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高（可達(dá)1MHZ），耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕。

霍爾線性傳感器的精度高、線性度好；霍爾開(kāi)關(guān)傳感器無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高（可達(dá)μm級(jí)）。其中取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施的霍爾器件的工作溫度范圍可以很寬，可達(dá)－55℃～150℃。直接應(yīng)用是直接檢測(cè)出受檢測(cè)對(duì)象本身的磁場(chǎng)或磁特性，其中最具特色的當(dāng)推是霍爾電流、電壓類傳感器/變送器，它們已成為當(dāng)今電子測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用最多的傳感器件之一，是測(cè)量控制電流、電壓的新一代工業(yè)用電量傳感器，是一種新型的高性能電氣隔離檢測(cè)組件，被廣泛用于電力、電子、交流變頻調(diào)速、逆變裝置、電子測(cè)量和開(kāi)關(guān)電源等諸多領(lǐng)域以及逆變焊機(jī)，發(fā)電及輸變電設(shè)備，電氣傳動(dòng)，數(shù)控機(jī)床等工業(yè)產(chǎn)品上，它正在逐步替代傳統(tǒng)的互感器和分流器，并具有精度高、線性好、頻帶寬、響應(yīng)快、過(guò)載能力強(qiáng)和不損失測(cè)量電路能量等優(yōu)點(diǎn)。間接應(yīng)用是檢測(cè)受檢對(duì)象上人為設(shè)置的磁場(chǎng)，用這個(gè)磁場(chǎng)來(lái)做被檢測(cè)的信息的載體，通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。[7]3.5.2霍爾傳感器工作原理普通的電流傳感器在體積上和電參數(shù)上都不適合作DSP檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器檢測(cè)組件。由于霍爾組件具有體積小、靈敏度高、溫漂小等特點(diǎn)，是理想的電流傳感組件。由其制成的霍爾電流傳感器具有很好的電隔離性能和抗震動(dòng)沖擊性能，并且具有響應(yīng)速度快、頻率范圍寬、測(cè)量范圍廣、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量直流、交流、脈沖電流以及各種不規(guī)則波形的電流。霍爾傳感器是利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的一種傳感器。將一塊半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，如果在它相對(duì)的兩邊通以控制電流，且磁場(chǎng)方向與電流方向正交，則在半導(dǎo)體的另外兩邊將產(chǎn)生一個(gè)與控制電流和磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度乘積成正比的電勢(shì)，這一現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)?；魻杺鞲衅髦饕苫魻柦M件、恒流源、線性放大器組成?；魻柦M件是一種半導(dǎo)體四端薄片，將霍爾組件置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)方向垂直于薄片，當(dāng)垂直于磁場(chǎng)方向的電流流過(guò)薄片時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，可表示為：EH=KHIB(4-1)式中EH——霍爾電勢(shì)；KH——霍爾組件靈敏度；I——激勵(lì)電流；B——磁感應(yīng)強(qiáng)度。第三章均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)PAGEPAGE59當(dāng)激勵(lì)電流由恒流源控制時(shí)，I為常數(shù)，霍爾組件感受到被測(cè)電流引起的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的變化，從而引起霍爾電勢(shì)的變化，霍爾電勢(shì)經(jīng)放大器放大輸出作為檢測(cè)信號(hào)輸入DSP。電壓傳感器與電流傳感器具有同樣的工作原理,主要區(qū)別在于電壓傳感器的一次側(cè)繞組與限流電阻串聯(lián)后與被測(cè)電壓并聯(lián)。[8]3.5.3霍爾傳感器接線圖當(dāng)進(jìn)行均壓測(cè)試時(shí)的電壓傳感器接線圖，根據(jù)所測(cè)電壓大小的不同,用戶可根據(jù)需要在被測(cè)電壓一端串接一個(gè)電阻R后再接到傳感器的原邊,串接電阻R的大小由下式?jīng)Q定：R=VP/IIN-RIN式中R為串聯(lián)電阻,Vp為被測(cè)電壓,IIN為額定輸入電流,RIN為傳感器的原邊內(nèi)阻。串接電阻功率大小由W=Vp*IIN確定。電壓傳感器的輸出端的應(yīng)用接線方法與磁平衡式電流傳感器相同,電壓傳感器的接線方法如圖3-8所示。圖3-8電壓傳感器接線圖Fig.3-8voltagesensorconnectgraph電壓傳感器一般有5個(gè)接線端子,其中“+HT”、“-HT”為原邊分別接被測(cè)電壓輸入端的正極和負(fù)極。另外4個(gè)端子為負(fù)邊端子,“+”端接+15V電源,“-”端接-15V電源，“OUT”端為信號(hào)輸出端，公共端接地。[9][10]在本測(cè)試系統(tǒng)中各支路的電壓通過(guò)電壓傳感器按照如圖3－9的接線方法，將模擬的電壓量傳送出。而OUT端出來(lái)的信號(hào)是5V的，高于DSP3.3V的工作電壓，所以應(yīng)該先將電壓降低，再接入DSP芯片的ADCIN引腳，從而完成模擬電壓量的采集，通過(guò)DSP的ADC模塊將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，并通過(guò)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件進(jìn)行均壓系數(shù)的計(jì)算。第三章均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)PAGEPAGE59圖3-9均壓測(cè)試時(shí)電壓傳感器接線圖Fig.3-9voltagesharetestvoltagesensorconnectgraph在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)直接從傳感器信號(hào)端出來(lái)的正向電壓和反向電壓信號(hào)并不是理想的半正弦波，為了能夠使輸出信號(hào)變成易于處理的半正弦波，設(shè)計(jì)了正向、反向電壓處理電路接到電壓傳感器的輸出端。由于正向電壓信號(hào)處理電路和反向電壓信號(hào)處理電路是相同的，只是處理對(duì)象不同，在此僅列出正向電壓信號(hào)處理電路，如圖3-10所示。圖3-10正向電壓信號(hào)處理電路Fig.3-10forwardvoltagesignalprocessingcircuitgraph當(dāng)進(jìn)行均流測(cè)試時(shí)的電流傳感器接線圖電流傳感器的接線方法如圖3－7所示。電流傳感器一般有4個(gè)接線端子,其中“+”端接+15V電源,“-”端接-15V電源，“OUT”端為信號(hào)輸出端，“GND”端接地。IX為穿心輸入的被測(cè)電流。第三章均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)PAGEPAGE59圖3－11電流傳感器接線圖Fig.3-11currentsensorconnectgraph在本測(cè)試系統(tǒng)中各支路的電流通過(guò)電流傳感器按照如圖3-12所示的接線方法，將模擬的電流量傳送出去，經(jīng)放大器放大后，接入DSP芯片的ADCIN引腳，從而完成模擬電流量的采集，通過(guò)DSP的ADC模塊將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，并通過(guò)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件進(jìn)行均流系數(shù)的計(jì)算。[11]圖3-12電流傳感器接線圖Fig.3-12currentsensorconnectgraph與均壓測(cè)試過(guò)程一樣，在測(cè)試過(guò)程中直接從電流傳感器信號(hào)端出來(lái)的信號(hào)并不是理想的半正弦波，為了能夠使輸出信號(hào)變成易于處理的半正弦波，設(shè)計(jì)了一個(gè)通道電流處理電路接到電流傳感器的輸出端，如圖3-13所示圖3-13通道電流信號(hào)處理電路第三章均壓、均流試驗(yàn)系統(tǒng)主電路的設(shè)計(jì)PAGEPAGE59Fig.3-13accesscurrentsignalprocessingcircuit第四章基于DSP的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)PAGEPAGE59第四章基于DSP的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本測(cè)試系統(tǒng)以TI公司的TMS320LF2407A芯片為核心，輔以相應(yīng)的外部電路，完成電壓信號(hào)、電流信號(hào)的采集和處理，并通過(guò)SCI模塊將處理結(jié)果輸出。包括DSP芯片及其外圍器件，電壓電流模擬量輸入，均壓均流系數(shù)輸出和顯示等部分。下面將具體說(shuō)明基于DSP的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)各部分的構(gòu)成。4.1DSP芯片概述DSP芯片，即數(shù)字信號(hào)處理芯片，也稱數(shù)字信號(hào)處理器，是一種特別適合于進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的微處理器，其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。根據(jù)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片除了具有接口方便、穩(wěn)定性好、編程方便、精度高、可重復(fù)性好、集成方便等特性外，與一般單片機(jī)相比，還有以下特點(diǎn)：1.在一個(gè)指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法；2.程序和數(shù)據(jù)空間分開(kāi)，可以同時(shí)訪問(wèn)指令和數(shù)據(jù)；3.片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時(shí)訪問(wèn)；4.具有低開(kāi)銷或無(wú)開(kāi)銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持；5.快速的中斷處理和硬件I/O支持；6.具有在單周期內(nèi)操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；7.可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；8.支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以并行執(zhí)行。與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對(duì)較弱些，比如單片機(jī)和DSP相比各有特點(diǎn)，前者控制功能強(qiáng)，后者數(shù)字信號(hào)處理能力強(qiáng)。但是，近年來(lái)新推出的DSP芯片已經(jīng)將通用微處理器的一些功能集成在芯片中，DSP芯片已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)普通微處理器的功能。[11]因?yàn)镈SP有強(qiáng)大的運(yùn)算功能和高速的傳輸數(shù)據(jù)能力，能方便地處理以運(yùn)算為主的實(shí)時(shí)信號(hào)，所以DSP對(duì)于數(shù)字信號(hào)的數(shù)字濾波、FFT/DFT、相關(guān)運(yùn)算、譜分析、卷積等預(yù)算的針對(duì)性應(yīng)用能力，使得在下列領(lǐng)域都有極優(yōu)秀的表現(xiàn)：1.語(yǔ)音處理：語(yǔ)音信箱、語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)音鑒別、語(yǔ)音合成、文字變聲音、語(yǔ)音矢量編碼等。2.通訊：高速調(diào)制解調(diào)器、編\譯碼器、傳真、蜂窩移動(dòng)電話、數(shù)字留言機(jī)、語(yǔ)音信箱、回音消除、噪音對(duì)消、電視會(huì)議、擴(kuò)頻通信等。3.儀器儀表與測(cè)量：數(shù)據(jù)采集、暫臺(tái)分析、模態(tài)分析、譜分析。4.工業(yè)控制：電機(jī)控制、發(fā)電機(jī)控制、電梯控制、航海、交通控制、硬盤驅(qū)動(dòng)器伺服控制系統(tǒng)、振動(dòng)分析等。5.醫(yī)用電子：心電圖/腦電圖、核磁共振、血液分析、X－射線斷層掃描等、助聽(tīng)器。6.增強(qiáng)、動(dòng)畫、電子地圖。桌面出版系統(tǒng)。高清晰電視等。[12]4.1.1DSP芯片的分類DSP芯片可以按照下列三種方式進(jìn)行分類。第四章基于DSP的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)PAGEPAGE591.按基礎(chǔ)特性分這是根據(jù)DSP芯片的工作時(shí)鐘和指令類型來(lái)分類的。如果在某時(shí)鐘頻率范圍內(nèi)的任何時(shí)鐘頻率上，DSP芯片都能正常工作，除計(jì)算速度有變化外，沒(méi)有性能的下降，這類DSP芯片一般稱為靜態(tài)DSP芯片。例如，日本OKI

電氣公司的DSP芯片、TI公司的TMS320C2XX系列芯片屬于這一類。如果有兩種或兩種以上的DSP芯片，它們的指令集和相應(yīng)的機(jī)器代碼機(jī)管腳結(jié)構(gòu)相互兼容，則這類DSP芯片稱為一致性DSP芯片。例如，美國(guó)TI公司的TMS320C54X就屬于這一類。

2.按數(shù)據(jù)格式分這是根據(jù)DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來(lái)分類的。數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱為定點(diǎn)DSP芯片，如TI公司的TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X、TMS320C54X/C62XX系列，AD公司的ADSP21XX系列，AT&T公司的DSP16/16A，Motorola公司的MC56000等。以浮點(diǎn)格式工作的稱為浮點(diǎn)DSP芯片，如TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X，AD公司的ADSP21XXX系列，AT&T公司的DSP32/32C，Motorola公司的MC96002等。

不同浮點(diǎn)DSP芯片所采用的浮點(diǎn)格式不完全一樣，有的DSP芯片采用自定義的浮點(diǎn)格式，如TMS320C3X，而有的DSP芯片則采用IEEE的標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)格式，如Motorola公司的MC96002、FUJITSU公司的MB86232和ZORAN公司的ZR35325等。

3.按用途分按照DSP的用途來(lái)分，可分為通用型DSP芯片和專用型DSP芯片。通用型DSP芯片適合普通的DSP應(yīng)用，如TI公司的一系列DSP芯片屬于通用型DSP芯片。專用DSP芯片是為特定的DSP運(yùn)算而設(shè)計(jì)的，更適合特殊的運(yùn)算，如數(shù)字濾波、卷積和FFT，如Motorola公司的DSP56200，Zoran公司的ZR34881，Inmos公司的IMSA100等就屬于專用型DSP芯片。4.1.2DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程總的來(lái)說(shuō)，DSP芯片有非常好的正規(guī)設(shè)計(jì)方法。圖4-1是DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般過(guò)程。從流程圖可知，在設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)時(shí)首先必須根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的目標(biāo)確定系統(tǒng)的性能指標(biāo)。其次是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)算量的大小、對(duì)運(yùn)算精度的要求、系統(tǒng)成本限制以及體積功耗等要求選擇合適的DSP芯片。第四章基于DSP的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)PAGEPAGE59圖4-1DSP系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖Fig.4-1DSPsystemdevelopflowsheet選擇DSP芯片是DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。只有選定了DSP芯片才能進(jìn)一步設(shè)計(jì)其外圍電路及系統(tǒng)的其它電路。DSP芯片的選擇應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)需要而確定。不同的DSP應(yīng)用系統(tǒng)由于應(yīng)用場(chǎng)合、應(yīng)用目的等不盡相同，對(duì)DSP芯片的選擇也是不同的。一般而言，選擇DSP芯片時(shí)應(yīng)考慮如下諸多因素。系統(tǒng)中DSP的選用在對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用和需求有了全面的了解之后,開(kāi)始選擇器件,這將對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期的各個(gè)方面帶來(lái)很大的影響。根據(jù)具體需要考慮不同DSP芯片的性能指標(biāo),主要包括以下幾個(gè)方面。1.DSP芯片的運(yùn)算速度。運(yùn)算速度是DSP芯片的一個(gè)最重要的性能指標(biāo)，也是選擇DSP芯片時(shí)所需要考慮的一個(gè)主要因素。DSP芯片的運(yùn)算速度可以由以下各個(gè)指標(biāo)來(lái)確定。指令周期:即執(zhí)行1條指令所需的時(shí)間,通常以ns為單位；MAC時(shí)間:即1次乘法加上1次加法的時(shí)間。大部分DSP芯片可在1個(gè)指令周期內(nèi)完成一次乘法和加法操作；FFT執(zhí)行時(shí)間:即運(yùn)行1個(gè)N點(diǎn)FFT程序所需的時(shí)間。由于FFT運(yùn)算涉及的運(yùn)算在數(shù)字信號(hào)處理中很有代表性,因此FFT運(yùn)算時(shí)間常作為衡量DSP芯片運(yùn)算能力的一個(gè)指標(biāo)；MIPS:即每秒執(zhí)行百萬(wàn)條指令；MOPS:即每秒執(zhí)行百萬(wàn)次操作；MFLOPS:即每秒執(zhí)行百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作；第四章基于DSP的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)PAGEPAGE59BOPS:即每秒執(zhí)行十億次操作。2.DSP芯片的運(yùn)算精度。一般的定點(diǎn)DSP芯片的字長(zhǎng)為16位,如TMS320系列。浮點(diǎn)芯片的字長(zhǎng)一般為32位,累加器為40位。浮點(diǎn)處理器能夠以數(shù)字值處理龐大的變量而依然提供極其精確的結(jié)果,且C語(yǔ)言編程調(diào)試方便,但是價(jià)錢較貴。定點(diǎn)處理器價(jià)格便宜,功耗低,占用硅資源比較少,但動(dòng)態(tài)變化范圍比較小。3.DSP芯片的硬件資源。不同的DSP芯片所提供的硬件資源是不相同的,如片內(nèi)RAM、ROM的數(shù)量,外部可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)空間、總線接口以及I/O接口等。即使是同一系列的DSP芯片,不同DSP芯片也具有不同的內(nèi)部硬件資源,可以適應(yīng)不同的需要。4.DSP芯片的開(kāi)發(fā)工具。在DSP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)工具是必不可少的。如果沒(méi)有開(kāi)發(fā)工具的支持，要想開(kāi)發(fā)DSP系統(tǒng)幾乎是不可能的。如果有功能強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具的支持，如C語(yǔ)言支持，則開(kāi)發(fā)的時(shí)間大大縮短。浮點(diǎn)型DSP比定點(diǎn)型DSP較易實(shí)現(xiàn)編程,在進(jìn)行產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí),如果產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期很短,在選擇芯片時(shí)浮點(diǎn)型優(yōu)于定點(diǎn)型。所以，在選擇DSP芯片的同時(shí)必須注意其開(kāi)發(fā)工具的支持情況，包括軟件和硬件的開(kāi)發(fā)工具。5.DSP芯片的價(jià)格。DSP芯片的價(jià)格也是選擇DSP芯片所需考慮的一個(gè)重要因素。如果采用價(jià)格昂貴的DSP芯片，即使性能再高,其應(yīng)用范圍肯定會(huì)受到一定的限制。因此根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的應(yīng)用情況,需確定一個(gè)價(jià)格適中的DSP芯片。當(dāng)然，由于DSP芯片的發(fā)展迅速，DSP芯片的價(jià)格往往下降較快，因此在開(kāi)發(fā)階段選用某種價(jià)格稍貴的DSP芯片，等到系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完畢，其價(jià)格可能已經(jīng)下降很多了。6.DSP芯片的功耗。在某些DSP應(yīng)用場(chǎng)合，功耗也是一個(gè)需要特別注意的問(wèn)題。除了上述因素外,選擇DSP芯片還應(yīng)考慮到封裝的形式、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、供貨情況、生產(chǎn)周期等。[14]在完成上述兩步操作之后，接下來(lái)就可以設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)DSP系統(tǒng)了，DSP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。硬件設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)DSP芯片的外圍電路及其它電路；軟件設(shè)計(jì)和編程主要根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的DSP芯片編寫相應(yīng)的DSP程序。DSP硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，就需要進(jìn)行硬件和軟件的調(diào)試。軟件的調(diào)試一般借助于DSP開(kāi)發(fā)工具，如軟件模擬器、DSP開(kāi)發(fā)系統(tǒng)或仿真器等。調(diào)試DSP算法時(shí)一般采用對(duì)實(shí)時(shí)結(jié)果和模擬結(jié)果進(jìn)行比較的方法，如果實(shí)時(shí)程序和模擬程序的輸入相同，則兩者的輸出應(yīng)該一致。系統(tǒng)其他軟件的調(diào)試可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行。硬件調(diào)試一般采用硬件仿真器進(jìn)行，如果沒(méi)有相應(yīng)的硬件仿真器，且硬件系統(tǒng)不是十分復(fù)雜，也可以借助一般的工具進(jìn)行調(diào)試。系統(tǒng)的軟件和硬件分別調(diào)試完成后，就可以將軟件脫離開(kāi)發(fā)系統(tǒng)而直接在應(yīng)用系統(tǒng)上運(yùn)行。當(dāng)然，DSP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，特別是軟件的開(kāi)發(fā)是一般需要反復(fù)進(jìn)行的過(guò)程，雖然通過(guò)算法模擬基本上可以知道實(shí)時(shí)系統(tǒng)的性能，但時(shí)間上模擬環(huán)境不可能做到與實(shí)時(shí)系統(tǒng)環(huán)境完全一致，而且將模擬算法移植到實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)必須考慮算法是否能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)行的問(wèn)題。如果算法運(yùn)算量太大不能在硬件上實(shí)時(shí)運(yùn)行，則必須重新修改或簡(jiǎn)化算法。[15]4.2TMS320LF240x芯片的特點(diǎn)4.2.1TMS320系列DSP芯片的概況第四章基于DSP的信號(hào)采集與處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)PAGEPAGE59TMS320系列包括：定點(diǎn)、浮點(diǎn)、多處理器數(shù)字信號(hào)處理器和定點(diǎn)DSP控制器。TMS320系列DSP的體系結(jié)構(gòu)專為實(shí)時(shí)信號(hào)處理而設(shè)計(jì)，該系列DSP控制器將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案。以下特性使得TMS320系列芯片成為很多信號(hào)處理及控制應(yīng)用的理想選擇：(1)靈活的指令集；(2)內(nèi)部操作靈活性；(3)高速的運(yùn)算能力；(4)改進(jìn)的并行結(jié)構(gòu)；(5)有效的成本；目前TI公司主推的DSP有：TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000等三大系列,TI也稱之為三個(gè)平臺(tái)（Platform）。TMS320系列同一產(chǎn)品系列中的器件具有相同的CPU結(jié)構(gòu)，但片內(nèi)存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置不同。派生的器件集成了新的片內(nèi)存儲(chǔ)器和外設(shè)，以滿足不同的需求。通過(guò)將存儲(chǔ)器和外設(shè)集成到控制器內(nèi)部，TMS320器件降低了系統(tǒng)成本，節(jié)省了電路板空間，提高了系統(tǒng)的可靠性。TMS320C2000平臺(tái)，包含16位C24xx和32位C28xx的定點(diǎn)DSP。C2000針對(duì)控制領(lǐng)域做了優(yōu)化配置，集成了了眾多的外設(shè)，適合逆變器、馬達(dá)、機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、電力等應(yīng)用領(lǐng)域。TMS320C5000平臺(tái)，包含代碼兼容的定點(diǎn)C54x和C55x。其提供性能、外圍設(shè)備、小型封裝和電源效率的優(yōu)化組合，適合便攜式上網(wǎng)、語(yǔ)音處理及對(duì)功耗有嚴(yán)格要求的地方。TMS320C6000平臺(tái)，包含定點(diǎn)C62x和C64x以及浮點(diǎn)C67x。其追求的是至高性能，適合寬帶網(wǎng)絡(luò)、圖像、影像、雷達(dá)等處理應(yīng)用。由于C2000定位在控制領(lǐng)域，其包含了大量片內(nèi)外設(shè)，如IO、SCI、SPI、CAN、A/D等等。這樣C2000既能作為快速微控制器（單片機(jī)）來(lái)控制對(duì)象，也能作為DSP來(lái)完成高速數(shù)字信號(hào)處理，DSP的高性能與通用微控制器的方便性緊密結(jié)合在一起，所以C2000也常被稱為DSP控制器?？梢?jiàn)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用C2000系列是能夠滿足設(shè)計(jì)要求的。4.2.2TMS320C2000系列DSP芯片的基本結(jié)構(gòu)一、哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮·偌依曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是將程序和資料存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序內(nèi)存和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)相互獨(dú)立的內(nèi)存，每個(gè)內(nèi)存獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問(wèn)。與兩個(gè)內(nèi)存相對(duì)應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，減輕了程序運(yùn)行時(shí)的訪存瓶頸，使資料吞吐率提高了一倍。例如最常見(jiàn)的卷積運(yùn)算中,一條指令同時(shí)