STYLEREF"標(biāo)題1"一種新型接地開關(guān)電動(dòng)控制器裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——3研發(fā)過程3.1設(shè)計(jì)構(gòu)想傳統(tǒng)的接地開關(guān)一般是通過人力利用搖桿控制接地開關(guān)的分、合閘，必須人為手動(dòng)操作，控制呆板且效率低下，個(gè)別產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)操作，但是配套的操動(dòng)機(jī)構(gòu)總是各類問題不斷，常常出現(xiàn)操動(dòng)機(jī)構(gòu)反應(yīng)不靈敏、彈簧松動(dòng)、機(jī)構(gòu)元器件已損壞等情況。為了適應(yīng)現(xiàn)代化綜合智能變電站對高壓開關(guān)柜接地開關(guān)自動(dòng)化操作的廣泛要求，提高開關(guān)柜接地開關(guān)運(yùn)行操作的靈敏性、可靠性與安全性，從而保證電力系統(tǒng)各環(huán)節(jié)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了一套具有電源轉(zhuǎn)換、電動(dòng)操控、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、轉(zhuǎn)速通信及交互調(diào)控全面功能的接地開關(guān)電動(dòng)控制器設(shè)備。高壓開關(guān)柜接地開關(guān)電動(dòng)控制器的總體結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖3.1高壓開關(guān)柜接地開關(guān)電動(dòng)控制器的總體結(jié)構(gòu)本文將高壓開關(guān)柜接地開關(guān)的電動(dòng)操控——即接地開關(guān)刀閘的分、合閘動(dòng)作——落腳于對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向的調(diào)控。利用PWM技術(shù)通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)直流電機(jī)電樞端電壓大小，進(jìn)而控制其轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)向，利用直流電機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力控制接地開關(guān)道閘動(dòng)作，以達(dá)到遠(yuǎn)程操控高壓開關(guān)柜接地開關(guān)的目的。該設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心CPU構(gòu)成單片機(jī)電路，其包含單片機(jī)最小系統(tǒng)、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測量、顯示、控制電路，配合電源電路、直流電機(jī)（前級/后級）驅(qū)動(dòng)電路、堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路、轉(zhuǎn)速通信及交互調(diào)控電路，以及電動(dòng)控制器啟停軟件程序、堵轉(zhuǎn)電流保護(hù)軟件程序，共同完成各項(xiàng)功能，該設(shè)計(jì)功能全面、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠，具有一定的可實(shí)踐性。3.2功能配置該設(shè)計(jì)所需功能有：直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量（通過HUOER元器件及施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)）、顯示（通過非反轉(zhuǎn)透明鎖存器及四位數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)）及控制（包括啟停、加減速、正反轉(zhuǎn)，通過雙D型正沿觸發(fā)器、A/D轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)CPU實(shí)現(xiàn)）功能，以及電源轉(zhuǎn)換與整流功能（通過整流橋、濾波電容及5V直流電轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)）、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)控功能（通過TGBT模塊調(diào)節(jié)PWM脈沖波占空比實(shí)現(xiàn)）、堵轉(zhuǎn)監(jiān)測與保護(hù)功能（通過電流采樣電路、運(yùn)算放大器及A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)）、信息通信與人機(jī)交互交互功能。同時(shí)為了保證該控制器足夠安全，還需要在原有保護(hù)電路的基礎(chǔ)上加設(shè)“智能五防”保護(hù)系統(tǒng)。且電力系統(tǒng)的“五防閉鎖”要求防止帶負(fù)荷/帶接地線合閘、防止帶負(fù)荷拉刀閘、防止帶電合接地線、防止誤入帶電隔間，該部分保護(hù)系統(tǒng)未在本文電路圖中表現(xiàn)，僅在實(shí)物控制器加設(shè)。本設(shè)計(jì)還配置了電動(dòng)控制器啟停軟件程序、電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)軟件程序，具有接地開關(guān)分、合閘操控功能與急停功能。3.3直流電機(jī)的選擇GB1985—1989《交流高壓隔離開關(guān)和接地開關(guān)》（以下簡稱《開關(guān)》）4.14條規(guī)定：對于戶外產(chǎn)品而言，人力操動(dòng)所需要的額定最大操作力矩為300N·m；對于額定電流小于等于1250A的室內(nèi)產(chǎn)品而言，額定最大操作力矩為200N·m。由于其他標(biāo)準(zhǔn)或資料中暫時(shí)沒有關(guān)于操作力矩的相關(guān)規(guī)定條款，而此條規(guī)定中對于室內(nèi)產(chǎn)品特意強(qiáng)調(diào)了額定電流大小范圍，故而可以將其理解為“隔離開關(guān)的操作力矩最大不超過200N·m”。經(jīng)查閱，在《開關(guān)》中沒有針對操作力矩的范圍規(guī)定，但是對于最大人力操作力有相關(guān)規(guī)定，如5.105.2條規(guī)定：一轉(zhuǎn)以內(nèi)操作隔離開關(guān)或接地開關(guān)所需要的力應(yīng)小于等于250N；同時(shí)《開關(guān)》5.18條規(guī)定：戶內(nèi)人力操動(dòng)機(jī)構(gòu)的手動(dòng)操作元部件（手柄或單臂杠桿）尺寸長度應(yīng)小于等于500mm。由此可以推算出高壓開關(guān)柜柜內(nèi)接地開關(guān)所適用的人工操作力矩應(yīng)為125N·m。為了保證電動(dòng)控制器的可靠性，需要兼顧以上兩種標(biāo)準(zhǔn)，所以按照高壓開關(guān)柜接地開關(guān)最大操作力矩為200N·m進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。經(jīng)查閱，對于高壓開關(guān)柜接地開關(guān)的操作時(shí)間，目前暫無相關(guān)文件規(guī)定。在實(shí)際工作中，當(dāng)對110kV組合電器進(jìn)行檢修時(shí)，需要單獨(dú)檢修接地開關(guān)的操作時(shí)間是否符合要求，一般要求該操作時(shí)間小于等于6s，為了方便后續(xù)計(jì)算，本設(shè)計(jì)設(shè)定該電動(dòng)控制器的分、合閘操作時(shí)間為4s，計(jì)算可得接地開關(guān)主軸的角速度ε=π/8=0.405，進(jìn)一步計(jì)算可得到接地開關(guān)操作主軸接收到的功率P=N×ε=200×0.405=81W。在本設(shè)計(jì)中，操動(dòng)結(jié)構(gòu)與接地開關(guān)之間采用圓錐齒輪傳動(dòng)的方式，操動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩級圓柱齒輪傳動(dòng)的方式，同時(shí)在操動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部選擇無油軸承來代替滾珠軸承，由于無油軸承轉(zhuǎn)速不高，所以圓錐齒輪傳動(dòng)和兩級圓柱齒輪傳動(dòng)的效率值取中間值，經(jīng)查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》計(jì)算可得傳動(dòng)效率η=0.945×0.945×0.93=0.83。若要保證完整電動(dòng)控制器的動(dòng)作幅度可靠性，直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩必須大于操動(dòng)機(jī)構(gòu)的所需轉(zhuǎn)矩，由于直流電機(jī)具有短時(shí)工作制，有發(fā)熱少且散熱時(shí)間長的缺點(diǎn)，因此安全系數(shù)k可取1.2，計(jì)算可得電機(jī)的輸出功率為P1=k×P/η=1.2×81/0.83=117.1W，為了方便后續(xù)計(jì)算，電機(jī)輸出功率可取為120W。經(jīng)查閱可知，一般接地開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比n1=2.4545，操動(dòng)機(jī)構(gòu)和接地開關(guān)之間的圓錐齒輪的傳動(dòng)比n2=2，計(jì)算可得直流電機(jī)輸出軸的角速度ε1=ε×2×2.4545=1.998，直流電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速n=60×ε1/(2×3.14)=18.99(轉(zhuǎn)/分)。選擇直流電機(jī)時(shí)對于輸出力矩的要求為定值，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速越大功率越大，為了保證功率大小滿足后續(xù)可能的設(shè)備升級，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速可取18轉(zhuǎn)/分。經(jīng)過以上分析計(jì)算可以確定，該電動(dòng)控制器需要選擇具有本機(jī)減速裝置的輸出功率為120W，輸出轉(zhuǎn)速小于等于18轉(zhuǎn)/分的直流電機(jī)。同時(shí)因?yàn)橹绷麟姍C(jī)具有較為穩(wěn)定的工作電流，工作過程中，在遇到較大阻力矩時(shí)，可通過對電機(jī)電流進(jìn)行整定來保證操動(dòng)機(jī)構(gòu)的故障不會(huì)對電機(jī)造成損耗傷害，（由于熱繼電器的反應(yīng)時(shí)間較長，故在本設(shè)計(jì)中不宜采用此元器件作為電機(jī)保護(hù)元器件)，在極端情況下，例如操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分、合閘動(dòng)作剛剛到位，變電站突發(fā)意外斷電，此時(shí)傳動(dòng)元器件尚未復(fù)位，需要人為手動(dòng)操動(dòng)，因此還要求電機(jī)在不帶電時(shí)的手動(dòng)操動(dòng)阻力矩小于等于10N·m。3.4芯片元器件功能介紹3.4.1STC89C52介紹（1）概述STC89C52（以下簡稱U001）是一個(gè)低電壓，高性能的CMOS8位單片機(jī)芯片，片內(nèi)含8kbytes的Flash只讀程序存儲(chǔ)器（可反復(fù)擦寫）和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），芯片內(nèi)置一個(gè)通用8位單片機(jī)CPU中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元。U001結(jié)合晶振電路、復(fù)位電路和電源電路三個(gè)部分可以組成單片機(jī)最小系統(tǒng)。U001有40個(gè)管腳，包括兩個(gè)主電源管腳、兩個(gè)外接晶體或外部振蕩器管腳、四個(gè)控制信號(hào)線管腳以及四組三十二個(gè)多功能I/O端口管腳。（2）管腳功能U001的外部管腳排列如下圖3.2所示：圖3.2U001的外部管腳排列其中，各管腳的功能如下:兩個(gè)主電源管腳：VCC（40號(hào)管腳），接＋5V電源正端；GND（20號(hào)管腳），接＋5V電源地端。兩個(gè)外接晶體或外部振蕩器管腳XTAL1（19號(hào)管腳），接外部晶振其中一個(gè)管腳。在單片機(jī)內(nèi)部作為一個(gè)反相放大器的輸入端。若使用外部振蕩器，此管腳應(yīng)接地。XTAL2（18號(hào)管腳），接外部晶振另一個(gè)管腳。在單片機(jī)內(nèi)部作為一個(gè)反相放大器的輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘電路的輸入端。若使用外部振蕩器，此管腳應(yīng)接外部振蕩器的輸出端。四個(gè)控制信號(hào)線管腳RST（9號(hào)管腳），復(fù)位信號(hào)輸入端，復(fù)位/掉電時(shí)作為內(nèi)部RAM備用電源的輸入端。檢測到大于兩個(gè)機(jī)器周期的高電平脈沖波信號(hào)時(shí)，單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位操作。PSEN（29號(hào)管腳），外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)端，輸入低電平有效，可從外部程序寄存器讀取并執(zhí)行程序。ALE（30號(hào)管腳），地址鎖存允許/編程脈沖輸入端，可將從P0口輸出的低8位地址進(jìn)行鎖存。在對單片機(jī)內(nèi)部做EPROM編程時(shí)作為編程脈沖的輸入端。EA（31號(hào)管腳）,訪問外部存儲(chǔ)器允許/編程電壓輸入端，做訪問外部存儲(chǔ)器允許端時(shí)作為輸出端，單片機(jī)需要訪問外部程序存儲(chǔ)區(qū)時(shí)，該管腳置低；單片機(jī)只需要訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)區(qū)時(shí)，該管腳置高。輸出脈沖波信號(hào)表示對存儲(chǔ)區(qū)低8位地址進(jìn)行鎖存。也可作為FLASH編程脈沖輸入端。四組三十二個(gè)多功能I/O端口管腳有4個(gè)雙向I/O端口（P0、P1、P2、P3），每一組的八個(gè)I/O端口線都可以獨(dú)立作為輸入或輸出端，其中：P0口（32～39號(hào)管腳）為雙向口（三態(tài)），可作為輸入/輸出端口，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL門電路。在實(shí)際應(yīng)用中常作為分時(shí)使用的地址/數(shù)據(jù)總線端口，在對外部程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址時(shí)，低8位地址與數(shù)據(jù)總線分時(shí)使用P0口，即先將低8位地址信號(hào)送到P0口，地址信號(hào)被地址鎖存信號(hào)ALE的下降沿鎖存到地址鎖存器，之后P0口再作為數(shù)據(jù)總線的端口線將數(shù)據(jù)輸入或輸出。P1口（1～8號(hào)管腳）為準(zhǔn)雙向口（三態(tài)），可作為輸入端，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL門電路。在實(shí)際應(yīng)用中作為輸入端時(shí)，端口鎖存器必須由單片機(jī)先寫入“1”，每個(gè)管腳都可作為編程的輸入或輸出端。P2口（21～28號(hào)管腳）為準(zhǔn)雙向口（三態(tài)），可作為輸入/輸出端，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL門電路。在實(shí)際應(yīng)用中常作為地址總線的高8位。P2口與P0口共同組成16位的完整地址總線，可對外部存儲(chǔ)器的接口電路進(jìn)行尋址。P3口（10～17號(hào)管腳）為準(zhǔn)雙向口（三態(tài)），作為雙功能口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL門電路。當(dāng)其作為第一功能使用時(shí)，P3口與P1口的功能完全一樣，可作為輸入端；作為第二功能使用時(shí)，其每一位管腳都有特定用途，P3口八管腳第二功能表如下表3.1所示：表3.1P3口八管腳第二功能表端口管腳第二功能注釋P3.0RXD串行口數(shù)據(jù)接收端P3.1TXD串行口數(shù)據(jù)發(fā)送端P3.2INT0外中斷請求0P3.3INT1外中斷請求1P3.4T0定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部計(jì)數(shù)信號(hào)輸入P3.5T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部計(jì)數(shù)信號(hào)輸入P3.6WR外部RAM寫選通信號(hào)輸出P3.7RD外部RAM讀選通信號(hào)輸出3.4.2ADC0809介紹（1）概述ADC0809A/D轉(zhuǎn)換器（以下簡稱U002）是采用CMOS工藝的8通道、8位逐次逼近式的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。U002內(nèi)部裝設(shè)了一個(gè)8通道多路模擬開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼被鎖存譯碼后的信號(hào)，在8路模擬輸入信號(hào)中選通其中一路進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，配合8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、地址鎖存與譯碼器、比較器、邏輯控制和定時(shí)電路共同完成工作。U002的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130μs（時(shí)鐘為500kHz時(shí)），具有高效率低功耗（約15mW）的特點(diǎn)。U002有28個(gè)管腳，包括兩個(gè)主電源管腳、兩個(gè)外接晶體或外部振蕩器管腳、四個(gè)控制信號(hào)線管腳以及四組三十二個(gè)多功能I/O端口管腳（2）管腳功能U002的外部管腳排列如下圖3.3所示：圖3.3U002的外部管腳排列其中，各管腳的功能如下:兩個(gè)主電源管腳：VCC（11號(hào)管腳），接＋5V電源正端；GND（13號(hào)管腳），接＋5V電源地端。兩個(gè)基準(zhǔn)電壓管腳：REF（+）（12號(hào)管腳）；REF（-）（16號(hào)管腳）。IN0～I(xiàn)N7（1～5，26～28號(hào)管腳）：8路模擬量輸入端。D0～D7（8，14～15，17～21號(hào)管腳）：8路數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC（25，24，23號(hào)管腳）：3位地址輸入端，可以對8路模擬輸入中的其中一路進(jìn)行選通。ALE（22號(hào)管腳）：地址鎖存允許信號(hào)端，輸入端，輸入高電平有效。START（6號(hào)管腳）：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)端，脈沖輸入端，輸入一個(gè)至少100ns寬的正脈沖即可使其啟動(dòng)，脈沖的上升沿可使U002復(fù)位，下降沿可使U002進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換）。EOC（7號(hào)管腳）：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)端，輸出端，A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行期間該端口一直為低電平，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)該端口輸出一個(gè)高電平信號(hào)。OE（9號(hào)管腳）：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)端，輸入端，輸入高電平有效。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)該端口會(huì)輸入一個(gè)高電平以打開輸出三態(tài)門，即可輸出數(shù)字量，其余時(shí)間該端口一直為低電平。CLOCK（10號(hào)管腳）：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。3.4.374LS74介紹（1）概述74LS74雙D型正沿觸發(fā)器（以下簡稱U003）是一個(gè)雙D觸發(fā)器，功能較多，可用作振蕩器、單穩(wěn)態(tài)分頻計(jì)數(shù)器、寄存器、移位寄存器等功能。U003有6個(gè)管腳,-SD、-RD輸入低電平時(shí)可使輸出預(yù)置或清除，其它輸入端電平無法影響其結(jié)果，-SD（2）管腳功能U003的外部管腳排列如下圖3.4所示：圖3.4U003的外部管腳排列其中，各管腳的功能如下:-SD-RDCP：時(shí)鐘輸入端，輸入時(shí)鐘脈沖。D：數(shù)據(jù)輸入端，輸入數(shù)據(jù)。Q和-Q：數(shù)據(jù)輸出和數(shù)據(jù)輸出反端。U003的功能表如下表3.2所示：表3.274LS74功能表輸入輸出SRCPDQ?Q00XX1010XX0100XXφφ11↑11011↑00111↓XQQ3.4.474HC14介紹（1）概述74HC146使六反相施密特觸發(fā)器（以下簡稱U004）是一個(gè)兼容TTL器件管腳的高速CMOS器件，它可以將緩慢變化的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成清晰且無抖動(dòng)的輸出信號(hào)，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)10個(gè)LSTTL門電路。U004耗電低、速度快，一般用作波形、脈沖型信號(hào)波整形器、非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器、單穩(wěn)多諧振蕩器等。（2）管腳功能U004的外部管腳排列如下圖3.5所示：圖3.5U004的外部管腳排列其中，各管腳的功能如下:兩個(gè)主電源管腳：VCC（14號(hào)管腳），接＋5V電源正端；GND（7號(hào)管腳），接＋5V電源地端。IN1～I(xiàn)N6（1～6號(hào)管腳）：6路輸入端。OUT1～OUT6（8～13號(hào)管腳）：6路輸出端。3.4.5A3144介紹（1）概述A3144HUOER傳感器（以下簡稱U005）是應(yīng)用HUOER效應(yīng)原理，采用半導(dǎo)體集成技術(shù)制造的一種磁敏電路元器件，它是由HUOER電壓發(fā)生器、差分放大器、施密特觸發(fā)器、電壓調(diào)整器、集電極開路的輸出級和溫度補(bǔ)償電路共同組成的磁敏傳感電路，輸入端可輸入磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出端可輸出表示電壓值大小的數(shù)字信號(hào)。U005體積小、精確度高、可靠性高、靈敏度高、反應(yīng)速度快、溫度適應(yīng)性強(qiáng)，一般用于無觸點(diǎn)開關(guān)、剎車電路、直流電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測與控制、安全報(bào)警裝置等。（2）管腳功能U005的外部管腳排列如下圖3.6所示：圖3.6U005的外部管腳排列其中，各管腳的功能如下:兩個(gè)主電源管腳：VCC（1號(hào)管腳），接＋5V電源正端；GND（2號(hào)管腳），接＋5V電源地端。OUT（3號(hào)管腳）：輸出電壓波形。3.4.674HC573介紹（1）概述74HC573非反轉(zhuǎn)透明鎖存器（以下簡稱U006）是一個(gè)由八個(gè)透明D型鎖存器組成的，包含8路3態(tài)輸出的高性能硅柵CMOS器件，它的輸入端口與標(biāo)準(zhǔn)CMOS的輸出端口兼容，配合上拉電阻后它們可以和LS/ALSTTL的輸出端口兼容。當(dāng)LE鎖存使能端輸入高電平時(shí)，U006的鎖存對于數(shù)據(jù)透明，即數(shù)據(jù)的輸出與輸入同步；當(dāng)鎖存使能端輸入低電平時(shí)，建立時(shí)間和保持時(shí)間符合邏輯要求的數(shù)據(jù)會(huì)被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平上。這樣U006的輸出控制不會(huì)影響自身內(nèi)部工作，即老數(shù)據(jù)可以持續(xù)保持，輸出被關(guān)閉時(shí)新數(shù)據(jù)也可以不斷置入，這種電路不需要外接口，可以驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載和大電容，也可以直接與系統(tǒng)總線接口并聯(lián)用來驅(qū)動(dòng)總線。U006非常適合用作緩沖寄存器、工作寄存器或雙向總線驅(qū)動(dòng)器。（2）管腳功能U006的外部管腳排列如下圖3.7所示：圖3.7U006的外部管腳排列其中，各管腳的功能如下:兩個(gè)主電源管腳：VCC（20號(hào)管腳），接＋5V電源正端；GND（10號(hào)管腳），接＋5V電源地端。OE（1號(hào)管腳）：三態(tài)輸出使能輸入端，輸入低電平有效。LE（11號(hào)管腳）：鎖存使能輸入端，輸入高電平時(shí)無作用，輸入低電平時(shí)鎖存滿足邏輯要求的數(shù)據(jù)。D0～D7（2～9號(hào)管腳）：數(shù)據(jù)輸入端。Q0～Q7（12～19號(hào)管腳）：3態(tài)鎖存輸出端。U006的功能表如下表3.3所示：表3.374HC573功能表輸入輸出OELEDQLHHHLHLLLLX不變HXXZ3.4.7四位一體數(shù)碼管介紹（1）概述數(shù)碼管分為共陰極和共陽極兩種，他們的區(qū)別在于，將數(shù)碼管公共端接地，其他端接電源，共陰極數(shù)碼管各段測試能亮而共陽極數(shù)碼管不能；將數(shù)碼管公共端接電源，其他端接地，共陽極數(shù)碼管各段測試能亮而共陰極數(shù)碼管不能。（2）管腳功能四位一體數(shù)碼管管腳分布圖4位一體數(shù)碼管，其內(nèi)部段已連接好，其外部管腳中，a（11號(hào)管腳）、b（7號(hào)管腳）、c（4號(hào)管腳）、d（2號(hào)管腳）、e（1號(hào)管腳）、f（10號(hào)管腳）、g（5號(hào)管腳）、dP（3號(hào)管腳）為數(shù)碼管的LED字段管腳，G1（12號(hào)管腳）、G2（9號(hào)管腳）、G3（8號(hào)管腳）、G4（6號(hào)管腳）為四個(gè)數(shù)碼管的位選管腳。數(shù)碼管的外部管腳排列如下圖3.8所示：圖3.8數(shù)碼管的外部管腳排列4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1硬件設(shè)計(jì)電動(dòng)控制器的硬件電路主要包括STC89C52單片機(jī)電路、電源電路、直流電機(jī)（前級/后級）驅(qū)動(dòng)電路、堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路、轉(zhuǎn)速通信及交互調(diào)控電路。由STC89C52芯片作為CPU組成的STC89C52單片機(jī)電路為軟件控制核心電路，是電動(dòng)控制器的主要部分。電源電路接入220V交流電，通過整流橋及濾波電路輸出直流電，為電動(dòng)控制器中其他電路進(jìn)行供電。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用占空比可調(diào)的PWM脈沖波實(shí)現(xiàn)對永磁直流電機(jī)的接地開關(guān)分閘、合閘操控及軟啟、軟停的電動(dòng)控制。堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路將HUOER電流傳感器采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后，將其與堵轉(zhuǎn)所設(shè)定的保護(hù)閾值進(jìn)行比較，判斷是否出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。轉(zhuǎn)速通信及交互調(diào)控電路通過RS-232使運(yùn)行數(shù)據(jù)在LCD液晶屏上實(shí)時(shí)顯示并通過RS-485通信接口實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速通信與調(diào)控的信息交互。硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖4.1所示：圖4.1硬件結(jié)構(gòu)框圖4.1.1直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路通過將控制信號(hào)經(jīng)光電耦合器隔離由5V放大到12V后驅(qū)動(dòng)IGBT模塊，從而改變直流電機(jī)的供電電壓，使電機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向得到控制。在電機(jī)前級驅(qū)動(dòng)電路中，光電耦合器P181做電氣隔離模塊，可實(shí)現(xiàn)電力電子電路和控制電路的電氣隔離，推挽放大電路做電路放大模塊（電路放大模塊有多種方式，也可采用其他電路作為電路放大模塊，該電動(dòng)控制器選用推挽放大電路進(jìn)行設(shè)計(jì)），將5V的PWM脈沖波放大為12V的PWM脈沖波，即可產(chǎn)生滿足驅(qū)動(dòng)要求的柵級觸發(fā)脈沖（產(chǎn)生供給IGBT的正向柵極電壓或反向門極電壓）。電路中5V的PWM脈沖波由單片機(jī)CPU（U001，STC89C52）的10（P3.0）管腳引入，該管腳為轉(zhuǎn)速控制位，12V的PWM脈沖波引出至IGBT模塊。在電機(jī)后級驅(qū)動(dòng)電路中，IGBT接收到12V的具有高低電平的PWM脈沖波信號(hào)（電壓脈沖波信號(hào)），高電平信號(hào)持續(xù)時(shí)IGBT導(dǎo)通，可為直流電機(jī)電路提供電壓信號(hào)，低電平信號(hào)持續(xù)時(shí)IGBT斷開，直流電機(jī)電路失去電壓信號(hào)，如此依據(jù)脈沖波信號(hào)的不同PWM脈沖波占空比可調(diào)節(jié)供給直流電機(jī)的電樞端平均電壓，即可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)控。同時(shí)由繼電器K001等元器件構(gòu)成的電機(jī)轉(zhuǎn)向控制模塊可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向控制，K001不僅可以避免電機(jī)產(chǎn)生的干擾引起裝置誤動(dòng)，同時(shí)可以提供控制IGBT導(dǎo)通的脈沖波信號(hào)并有效縮短其開斷時(shí)間；由C001、R008和D002構(gòu)成的RCD保護(hù)電路，吸收二極管D002可以有效抑制IGBT關(guān)斷時(shí)的過電壓，并解決IGBT上正向電壓上升時(shí)功率過大的問題，有效減小IGBT的關(guān)斷損耗；在IGBT的柵極與地之間并聯(lián)TVS二極管D001支路，這樣可以抑制浪涌過電壓和開關(guān)過電壓；同時(shí)將由R009、C002組成的RC濾波電路模塊和由R010、D003組成的快恢復(fù)電路模塊并聯(lián)并聯(lián)，然后接在CT1與K001之間，可在IGBT關(guān)斷時(shí)為直流電機(jī)中產(chǎn)生的磁場能量提供瀉放回路，同時(shí)也可在電機(jī)緊急停機(jī)時(shí)利用剎車電阻進(jìn)行緊急制動(dòng)防止意外發(fā)生。其中IGBT發(fā)射極引出與濾波電容R007、R008共同接地，繼電器K001的2管腳通過晶體管Q004及電阻R020接入單片機(jī)CPU（U001，STC89C52）的21（P2.0）管腳，該管腳為轉(zhuǎn)向控制位。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖如下圖4.2所示：圖4.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖4.1.2電源電路電源電路中，整流橋及電容C007、C008構(gòu)成整流濾波模塊，將220V交流電輸入到整流橋中，經(jīng)單相橋式全控整流電路整流可得到輸出為315V的直流電，由電容C007、C008分別過濾高頻紋波和低頻紋波，過濾后的315V直流電流經(jīng)直流電源轉(zhuǎn)換模塊CT1，由CT1進(jìn)行轉(zhuǎn)換及濾波即可得到穩(wěn)定的5V直流電，則CT1可做5V直流電源使用。同時(shí)在交流電源與整流橋之間接入由壓敏電阻R011、電容C009、電阻R012構(gòu)成的電源保護(hù)模塊及由繼電器K002等元器件構(gòu)成的電源總開關(guān)模塊。其中繼電器K002的4管腳通過晶體管Q005及電阻R021接入單片機(jī)CPU（U001，STC89C52）的22（P2.1）管腳，該管腳為啟?？刂莆?；CT1的3（IOUT）管腳引出做5V直流電源，1（OV）管腳與接地點(diǎn)之間引出導(dǎo)線連接至CTOUT電流采樣模塊。電源電路圖如下圖4.3所示：圖4.3電源電路圖4.1.3堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路在直流電機(jī)運(yùn)行過程中，接地開關(guān)本身可能出現(xiàn)機(jī)械故障從而造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)，引發(fā)繞組電流快速上升產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)電流（堵轉(zhuǎn)電流一般為電機(jī)額定電流的1.2倍左右），堵轉(zhuǎn)電流產(chǎn)生時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致絕緣材料溫度升高產(chǎn)生不必要的損耗。所以可通過檢測運(yùn)行電流是否高于閥值電流來判斷是否發(fā)生堵轉(zhuǎn)。堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路是通過HUOER電流傳感器（U005，A3144）對電動(dòng)控制器分閘、合閘操控過程中的電機(jī)電流信號(hào)進(jìn)行采集，其原理是經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換為對電壓信號(hào)的測量與采集。最終采集到的電流信號(hào)通過由R013、C011構(gòu)成的濾波模塊進(jìn)行濾波處理將電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的干擾雜波濾除，然后由5v直流電源供電的運(yùn)算放大器（U1A，LM358）構(gòu)成的電路放大模塊進(jìn)行放大處理，計(jì)算可知該模塊可將５V電壓的直流電放大2.4倍產(chǎn)生12V電壓的直流電。U1A輸出的電壓信號(hào)輸入A/D轉(zhuǎn)換器（U002，ADC0809），電壓信號(hào)經(jīng)由U002轉(zhuǎn)化為數(shù)模信號(hào)與設(shè)定的堵轉(zhuǎn)保護(hù)閾值進(jìn)行比較，判斷有無堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并由單片機(jī)CPU決定是否啟動(dòng)運(yùn)行直流電機(jī)故障處理模塊。其中電阻R013接電源電路中直流電源轉(zhuǎn)換模塊的1（OV）管腳引出端進(jìn)行CTOUT電流采樣，電阻R017引出接U002的5（IN-7）管腳向U002傳輸電壓信號(hào)（實(shí)質(zhì)為用電壓反應(yīng)的電流信號(hào)）。堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路圖如下圖4.4所示：圖4.4堵轉(zhuǎn)保護(hù)電路圖4.1.4單片機(jī)轉(zhuǎn)速測量電路HUOER傳感器是利用HUOER效應(yīng)工作的，其核心元器件是根據(jù)HUOER效應(yīng)原理制成的HUOER元器件。本次設(shè)計(jì)采用開關(guān)型HUOER傳感器A3144對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量，在進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量時(shí)，使HUOER傳感器內(nèi)部的非磁性轉(zhuǎn)盤的輸入軸與直流電機(jī)轉(zhuǎn)軸相連，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)盤也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的HUOER傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖波信號(hào)，只要測出單位時(shí)間的脈沖波信號(hào)數(shù)，即可測得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)速測量模塊電路中，U005輸出管腳經(jīng)上拉電阻通過施密特觸發(fā)器（U004，74HC14）與單片機(jī)CPU的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器14（P3.4）管腳相連，U004的作用是對U005的輸出波形進(jìn)行整形，U004的1（IN1）管腳與U005的3（OUT）管腳相連，U004的13（OUT1）管腳與U001的14（P3.4）管腳相連。有來自U005的觸發(fā)時(shí)，U004的13（OUT1）管腳輸出高電平，無觸發(fā)時(shí)，則輸出低電平，由高電平到低電平的下降沿可觸發(fā)單片機(jī)CPU的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器14（P3.4）管腳進(jìn)行計(jì)數(shù)，每輸入一個(gè)脈沖，計(jì)數(shù)器加1，通過控制計(jì)數(shù)的時(shí)間即可計(jì)算出對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速值。根據(jù)完整電路圖的硬件設(shè)計(jì)可知，單片機(jī)CPU的14（P3.4）管腳工作在計(jì)數(shù)模式下，以便于對直流電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)；15（P3.5）管腳工作在定時(shí)模式、中斷模式下，以便于控制計(jì)數(shù)時(shí)間（采樣時(shí)間）。如此就可以通過公式計(jì)算得出轉(zhuǎn)速值大小,公式如下：n＝N/（mT）注：n——轉(zhuǎn)速，單位：轉(zhuǎn)/分鐘；N——采樣時(shí)間內(nèi)脈沖，N＝256＊TH0＋TL0；T——采樣時(shí)間，單位：分鐘；m——每轉(zhuǎn)動(dòng)一周所產(chǎn)生的脈沖數(shù)。4.1.5單片機(jī)轉(zhuǎn)速顯示電路轉(zhuǎn)速顯示模塊采用4位共陰極數(shù)碼管，用兩片74HC573（U006和U007）非反轉(zhuǎn)透明鎖存器分別驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的字段線和位選線，兩片74HC573的2-9（D0－D7）輸入管腳經(jīng)總線接在單片機(jī)CPU的32－39（D7－D0）管腳，U007的12—19（Q7-Q0）輸出管腳接數(shù)碼管的字段線管腳，11（LE）鎖存使能端管腳接單片機(jī)CPU的25（P2.4）管腳，U006的16—19（K4-K1）輸出管腳接數(shù)碼管的位選線管腳，11（LE）鎖存使能端管腳接單片機(jī)CPU的24（P2.3）管腳。單片機(jī)CPU將轉(zhuǎn)速值分解為4位輸出字符可便于數(shù)碼管顯示，通過控制CPU的25（P2.4）管腳和24（P2.3）管腳輸出0或1即可控制送字段碼還是位選碼。這樣可以節(jié)約單片機(jī)I/O管腳，同時(shí)可以在不增加使用I/O口的情況下將其擴(kuò)展到8位數(shù)碼管顯示。排阻RN1連通上拉+5V電源，又經(jīng)總線與U007、U006相連，這是因?yàn)閁001的P0端口是漏極開路輸出，需要在P0口接一個(gè)10K排阻RN1，才能將P0端口作為普通I/O輸入/輸出端口使用，這里將P0端口做數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)端口使用。4.1.6單片機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路轉(zhuǎn)速控制模塊將單片機(jī)CPU產(chǎn)生的PWM脈沖波通過雙D型正沿觸發(fā)器（U003，74LS74）進(jìn)行二分頻后，由A/D轉(zhuǎn)換器（U002，ADC0809）配合電位器RP1進(jìn)行脈寬調(diào)節(jié)，最后通過單片機(jī)CPU輸入到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。利用電位器RP1來模擬調(diào)速旋鈕調(diào)節(jié)U002產(chǎn)生的PWM脈沖波的頻率/周期，將調(diào)速信號(hào)從U002的26（IN0）管腳輸入，同時(shí)將U002的11（VCC）、12（ref+）管腳接+5V電源，將23-25（ADDC，ADDB，ADDA）、13（GND）、16（ref-）管腳全部接地，將U002的8，14，15，17-21（D0-D7）輸出管腳經(jīng)總線與單片機(jī)CPU的1-8（P1.0-P1.7）輸入管腳相連，U002的22和6（ALE，START）管腳與單片機(jī)CPU的26（P2.5）管腳相連，U002的9（OE）管腳與單片機(jī)CPU的28（P2.7）相連，U002的7（EOC）管腳與單片機(jī)CPU的27（P2.6）管腳相連。U002的10（CLOCK）管腳經(jīng)U003與單片機(jī)CPU的30（ALE）管腳相連，U003將單片機(jī)CPU的30（ALE）管腳輸出的ALE信號(hào)進(jìn)行二分頻后輸入到U002的10（CLK）管腳，因?yàn)?0（ALE）管腳的輸出頻率為晶振電路X1頻率的1/6，若X1頻率為6MHZ，30（ALE）管腳輸出1MHZ的脈沖波信號(hào)，而U002在接受頻率為500KHZ時(shí)轉(zhuǎn)換效果最好，計(jì)算可得此時(shí)X1需要設(shè)定的頻率為3000MHZ，則X1頻率為3000MHZ時(shí)，由U01產(chǎn)生的脈沖波信號(hào)波經(jīng)U002轉(zhuǎn)換后形成的5V電壓的PWM脈沖波，通過單片機(jī)CPU的10（P3.0）管腳輸出至電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的電氣隔離模塊處。4.1.7單片機(jī)復(fù)位和晶振電路復(fù)位電路和晶振電路與單片機(jī)CPU共同構(gòu)成了單片機(jī)最小系統(tǒng)，使之可以完成各項(xiàng)基本功能。復(fù)位電路使用S00１按鍵開關(guān)操作，S001與C016并聯(lián)過R018接地，同時(shí)引出線路接單片機(jī)CPU的9（RST）管腳，該管腳為復(fù)位控制位，+5V電源通電時(shí)會(huì)對C016進(jìn)行充電，C016保存電荷后呈現(xiàn)電池性態(tài)可產(chǎn)生一個(gè)高頻電流，為單片機(jī)CPU的9（RST）管腳輸入高電平，CPU即可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位，在系統(tǒng)正常工作時(shí)按下S001，+5V電源通過S1開關(guān)直接接地，C016會(huì)瞬間放電，產(chǎn)生的高頻電流可直接為單片機(jī)CPU的9（RST）管腳輸入高電平，即可達(dá)到手動(dòng)復(fù)位的目的。晶振電路可以為單片機(jī)提供合格的時(shí)鐘信號(hào)流，時(shí)鐘信號(hào)流作為觸發(fā)脈沖可觸發(fā)門電路執(zhí)行指令。采用10MHZ晶振，晶振X1兩端連接兩個(gè)電容C017、C018，它們可以對晶振進(jìn)行濾波和濾峰（過濾尖峰），保護(hù)晶振始終出于正常工作狀態(tài)，晶振與電容并聯(lián)后接到單片機(jī)CPU的18（XTAL2）管腳和19（XTAL1）管腳，晶振為單片機(jī)CPU工作提供振蕩源。4.1.8機(jī)械按鍵電路在本設(shè)計(jì)中，若要對系統(tǒng)進(jìn)行具體的人為控制操作，需要使用復(fù)位按鍵S001開關(guān)及5個(gè)獨(dú)立機(jī)械按鍵，分別為S002、S003、S004、S005、S006（對應(yīng)直流電機(jī)的加速、減速、正向運(yùn)轉(zhuǎn)、反向運(yùn)轉(zhuǎn)、啟動(dòng)和停止的控制），S002-S006這五個(gè)按鍵右側(cè)分別連接到單片機(jī)CPU的11-13，16-17（P3.1-P3.3，P3.6-P3.7）管腳，同時(shí)通過上拉電阻（R022－R025）連接到+5電源，左側(cè)均接地。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，單片機(jī)主程序通過對鍵盤進(jìn)行掃描來判斷S002－S006的狀態(tài)，如果單片機(jī)CPU通過鍵盤掃描函數(shù)檢測到單片機(jī)CPU與按鍵相連的管腳為低電平，則說明該按鍵被按下，CPU立即進(jìn)入處理程序發(fā)出相應(yīng)指令，即可對直流電機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對接地開關(guān)的電動(dòng)操控。結(jié)合機(jī)械按鍵電路，該程序的具體執(zhí)行思路是:主程序不間斷執(zhí)行鍵盤掃描子程序?qū)︽I盤進(jìn)行掃描，如果S002－S006其中某個(gè)按鍵被按下，則程序進(jìn)入該按鍵對應(yīng)的子程序，根據(jù)按鍵子程序指令執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作，動(dòng)作執(zhí)行完成后程序重新回到主程序中，繼續(xù)不間斷對鍵盤進(jìn)行掃描；如果沒有任何按鍵被按下，則程序不會(huì)進(jìn)入按鍵子程序，而是一直執(zhí)行主程序或者鍵盤掃描子程序，由于單片機(jī)CPU會(huì)不間斷的對鍵盤進(jìn)行掃描，即使沒有按下任何按鍵，主程序每執(zhí)行一次還是會(huì)執(zhí)行鍵盤掃描子程序?qū)︽I盤狀態(tài)進(jìn)行判斷。以上無五小結(jié)共同構(gòu)成單片機(jī)硬件電路圖，如下圖4.5所示：圖4.5單片機(jī)硬件電路圖4.2軟件設(shè)計(jì)電動(dòng)控制器運(yùn)行時(shí)，先對接收到的來自本地或遠(yuǎn)程的操作指令進(jìn)行判斷，若有指令發(fā)送過來則先判斷指令是否滿足“五防”閉鎖條件，若不滿足則需要判斷指令是否滿足操作條件，若滿足則進(jìn)一步判斷指令是否滿足開入量的輸入條件，若不滿足則不執(zhí)行指令并啟動(dòng)警報(bào)提示模塊，若滿足則開始執(zhí)行操作指令。執(zhí)行指令時(shí)由計(jì)算機(jī)通過轉(zhuǎn)速通信及交互調(diào)控模塊將操作指令（接地開關(guān)閉合、接地開關(guān)開斷）轉(zhuǎn)換為對接地開關(guān)閘刀轉(zhuǎn)向的調(diào)控，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為單片機(jī)CPU對直流電機(jī)轉(zhuǎn)向（正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）及轉(zhuǎn)速的調(diào)控，啟動(dòng)單片機(jī)CPU的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，使之控制直流電機(jī)執(zhí)行指令進(jìn)行所需要的相關(guān)動(dòng)作（啟動(dòng)、停止、加速、減速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)）。指令執(zhí)行過程中直流電機(jī)首先啟動(dòng)并加速，電機(jī)速度達(dá)到減速閥值后進(jìn)行減速，電機(jī)加速過程中需要通過單片機(jī)電路中的作定時(shí)器使用的U004判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到減速閥值，若達(dá)到則通過CPU控制電機(jī)進(jìn)行減速；若未達(dá)到則通過做實(shí)時(shí)監(jiān)測作用的HUOER電流傳感器測得的電流值判斷電機(jī)是否發(fā)生堵轉(zhuǎn)，若發(fā)生堵轉(zhuǎn)則立即啟動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障處理模塊，結(jié)束正在執(zhí)行的操作指令，以便于及時(shí)切斷控制回路堵轉(zhuǎn)故障，這樣可以有效防止電機(jī)損壞，電機(jī)加速過程中CPU需要等待到位信號(hào)，若檢測到到位信號(hào)，則由計(jì)算機(jī)啟動(dòng)電機(jī)應(yīng)力釋放模塊，接地開關(guān)閘刀開始轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，隨著電機(jī)加速至減速閥值后進(jìn)行減速，接地開關(guān)閘刀動(dòng)作趨于停止，則操作指令順利完成。操作指令執(zhí)行流程圖如下圖4.6所示：圖4.6操作指令執(zhí)行流程圖4.2.1電動(dòng)控制器啟停軟件設(shè)計(jì)電動(dòng)控制器采用斜坡式升壓方式來實(shí)現(xiàn)軟件程序啟動(dòng)，啟動(dòng)直流電機(jī)供電電源后，由硬件電路調(diào)節(jié)PWM脈沖波占空比由最小值逐漸增大，即可控制直流電機(jī)的電樞端電壓由零開始逐步升高，進(jìn)一步控制電機(jī)加速，電機(jī)不斷加速帶來的不斷增大的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力使得接地開關(guān)閘刀自動(dòng)作起點(diǎn)由靜止開始動(dòng)作并加速動(dòng)作。一段時(shí)間后，隨著PWM脈沖波占空比逐漸增大到直流電機(jī)正常運(yùn)行額定值后穩(wěn)定下來，接地開關(guān)閘刀可保持勻速動(dòng)作。電動(dòng)控制器軟件程序啟動(dòng)后，閘刀運(yùn)行速度較高，當(dāng)閘刀即將到達(dá)動(dòng)作終點(diǎn)時(shí)（閘刀處于特定的減速位置時(shí)），電動(dòng)控制器同樣采用斜坡式降壓方式來實(shí)現(xiàn)軟件程序停止，只需要控制硬件電路調(diào)節(jié)PWM脈沖波占空比由額定值逐漸減小，即可控制直流電機(jī)的電樞端電壓由額定值逐步降低，進(jìn)一步控制電機(jī)減速，電機(jī)不斷減速帶來的不斷減小的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力使得接地開關(guān)閘刀自減速位置開始減速動(dòng)作。一段時(shí)間后，隨著PWM脈沖波占空比逐漸減小到最小值后，接地開關(guān)閘刀可動(dòng)作速度降為零后停止，此時(shí)還需要給直流電機(jī)施加一個(gè)短時(shí)間的反向電樞端電壓，使電機(jī)反轉(zhuǎn)以便于控制接地開關(guān)閘刀進(jìn)行準(zhǔn)確定位，這樣可以減少接地開關(guān)的整體應(yīng)力，防止其分、合閘動(dòng)作過猛導(dǎo)致的閘刀觸頭抱死等現(xiàn)象。電動(dòng)控制器的啟停軟件設(shè)計(jì)作為一個(gè)連貫的動(dòng)作執(zhí)行，其具有實(shí)現(xiàn)接地開關(guān)分閘與合閘兩種功能，區(qū)別在于執(zhí)行分閘或合閘的操作指令時(shí)，電動(dòng)控制器的軟件程序啟動(dòng)階段中直流電機(jī)通電后的旋轉(zhuǎn)方向不同。本設(shè)計(jì)設(shè)定為接地開關(guān)分閘時(shí)，電動(dòng)控制器的軟件程序啟動(dòng)階段中直流電機(jī)通電后正轉(zhuǎn)，電動(dòng)控制器的軟件程序停止階段中PWM脈沖波占空比減小到最小值后直流電機(jī)短暫反轉(zhuǎn)；接地開關(guān)合閘時(shí)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向與上述情況相反。電動(dòng)控制器啟停軟件設(shè)計(jì)流程圖如下圖4.7所示。圖4.7電動(dòng)控制器啟停軟件設(shè)計(jì)流程圖4.2.2堵轉(zhuǎn)電路保護(hù)軟件設(shè)計(jì)在電動(dòng)控制器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，接地開關(guān)閘刀可能會(huì)因?yàn)橐恍C(jī)械故障導(dǎo)致直流電動(dòng)機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，導(dǎo)致電機(jī)繞組電流快速升高以降低設(shè)備使用壽命甚至導(dǎo)致部分元器件損壞，所以要對電機(jī)進(jìn)行堵轉(zhuǎn)保護(hù)軟硬件的相關(guān)設(shè)計(jì)。電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)軟件需要首先判斷A/D轉(zhuǎn)換器U002經(jīng)采樣電路采樣后由電流值轉(zhuǎn)化的數(shù)模信號(hào)的大小，若其值大于保護(hù)閾值則表明電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)，CPU立即啟動(dòng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)故障處理模塊，關(guān)閉定時(shí)器U004并由U002向CPU發(fā)送此時(shí)電流值，CPU立即結(jié)束所有正在執(zhí)行的操作指令，緊接著釋放電機(jī)應(yīng)力并啟動(dòng)警報(bào)提示模塊。堵轉(zhuǎn)電流保護(hù)軟件設(shè)計(jì)流程圖如下圖4.8所示。圖4.8堵轉(zhuǎn)電流保護(hù)軟件設(shè)計(jì)流程圖5仿真運(yùn)行與實(shí)物測試5.1仿真運(yùn)行采用Proteus8與Keil4聯(lián)調(diào)并對該系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)行，可以通過Proteus8自帶的模擬示波器元器件觀察不同PWM脈沖波占空比下的ADC0809（U002）輸出的PWM脈沖波和輸入直流電機(jī)的PWM脈沖波，將二者進(jìn)行比較得到不同PWM脈沖波占空比下的輸入輸出波形圖。不同占空比下的輸入輸出波形圖如下圖5.1所示：圖5.1不同占空比下的輸入輸出波形圖5.1.1硬件仿真本設(shè)計(jì)硬件電路模塊較多，需要按照電路圖在Proteus8軟件中繪制仿真電路圖，繪制完成后需要對各模塊進(jìn)行接線檢查，判斷各模塊電路是否正確。硬件仿真還需要通過Proteus8自帶的萬用表元器件測量一些元器件的輸入輸出電壓等，硬件仿真完成后還需要進(jìn)行軟件仿真。硬件仿真電路圖見附錄A。5.1.2軟件仿真本設(shè)計(jì)軟件仿真主要為編寫并運(yùn)行相應(yīng)程序使該電動(dòng)控制器可以運(yùn)轉(zhuǎn)，手動(dòng)輸入接地開關(guān)的分、合閘操作指令或急停操作指令至計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)通過串口發(fā)送轉(zhuǎn)換后的單片機(jī)數(shù)據(jù)指令，遠(yuǎn)程操控單片機(jī)CPU完成指令執(zhí)行。該仿真操作需要設(shè)計(jì)人機(jī)交互調(diào)控指令轉(zhuǎn)換程序、電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控顯示程序、電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)程序。在電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控的程序設(shè)計(jì)中，PWM脈沖波調(diào)速的具體實(shí)現(xiàn)方法如下:設(shè)定一個(gè)固定的PWM脈沖波的周期值zq,本設(shè)計(jì)取zq=20,再設(shè)定一個(gè)PWM脈沖波占空比的初始狀態(tài)值counter,本設(shè)計(jì)取counter=10。然后對單片機(jī)STC89C52的定時(shí)器T0進(jìn)行設(shè)置(本設(shè)計(jì)使用T0作為PWM脈沖波信號(hào)發(fā)生時(shí)序，也可用T1)，定時(shí)器TO的初始值取15536(65536-5000=15536),TH0、TL0分別設(shè)置裝載初始值的高字節(jié)、低字節(jié)，其中高字節(jié)TH0=(65536-5000)/256,低字節(jié)TL0=（65536-0000)%256。以上設(shè)置完成后，定時(shí)器T0裝載初值15536，T0可從15536開始計(jì)數(shù)，T0每個(gè)機(jī)器周期計(jì)一個(gè)數(shù)(本設(shè)計(jì)設(shè)定的時(shí)鐘頻率為12MHZ,則一個(gè)機(jī)器周期=12個(gè)時(shí)鐘周期，即一個(gè)機(jī)器周期為1us)，T0計(jì)數(shù)了50000次后達(dá)到65536，此時(shí)發(fā)生定時(shí)器溢出中斷，中斷后T0再次由初值開始計(jì)數(shù)（溢出中斷一次的計(jì)數(shù)時(shí)間T=1/50000=50ms）。同時(shí)在T0的中斷函數(shù)段中進(jìn)行設(shè)置，每發(fā)生一次溢出中斷即對t進(jìn)行一次加1操作（設(shè)定t為T0溢出中斷次數(shù)，初值為0）。若沒有對控制按鍵進(jìn)行操作，即沒有進(jìn)行加、減速操作，counter值不變，單片機(jī)CPU不斷對t值與counter值進(jìn)行比較，當(dāng)t值小于counter值時(shí)，單片機(jī)10（P3.0）管腳輸出高電平PWM脈沖波信號(hào)，當(dāng)t值大于counter的值時(shí)，單片機(jī)10（P3.0）管腳輸出低電平PWM脈沖波信號(hào)。對t進(jìn)行反復(fù)操作即可形成具有高低電平的PWM脈沖波信號(hào)（電壓脈沖波信號(hào)）。最后通過按動(dòng)機(jī)械鍵盤電路上的獨(dú)立按鍵S004、S005可以調(diào)節(jié)counter值的大小，則PWM脈沖波信號(hào)的高電平寬度隨之變化。但是其周期值zq是通過程序設(shè)定得到的固定值（可以通過程序?qū)ζ渲匦略O(shè)定）。這就是本設(shè)計(jì)使用的定頻調(diào)寬PWM調(diào)速技術(shù)。由于該電動(dòng)控制器的完整程序設(shè)計(jì)難度及時(shí)間原因，無法設(shè)計(jì)出完整程序進(jìn)行仿真，僅設(shè)計(jì)出電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控顯示及電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)程序，該部分程序見附錄B。5.2實(shí)物測試由于該電動(dòng)控制器的整體設(shè)計(jì)難度及經(jīng)費(fèi)原因，無法制作出完整設(shè)備進(jìn)行測試，但是本文設(shè)計(jì)了該電動(dòng)控制器的整機(jī)測試構(gòu)想、啟停實(shí)驗(yàn)構(gòu)想及急停實(shí)驗(yàn)構(gòu)想，同時(shí)使用單片機(jī)開發(fā)板進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速演示來模擬接地開關(guān)分、合閘過程，為后續(xù)驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的完整性及電動(dòng)控制器操作的可靠性提供依據(jù)。整機(jī)測試構(gòu)想、啟停實(shí)驗(yàn)構(gòu)想及急停實(shí)驗(yàn)構(gòu)想詳見5.2.1～5.2.3，開發(fā)板直流電機(jī)調(diào)速演示詳見.2.1整機(jī)測試構(gòu)想在完整設(shè)備制造完成后可以在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對接地開關(guān)分、合閘電動(dòng)操作進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)（本設(shè)計(jì)構(gòu)想設(shè)定為分閘與合閘操作各100次）并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄整理成表格，可依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出該電動(dòng)控制器的動(dòng)作準(zhǔn)確率，即可反應(yīng)設(shè)備可靠性。需要注意的是，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，我們調(diào)整好接地開關(guān)后需要將其安裝到高壓開關(guān)柜上，通過高壓開關(guān)柜的液晶顯示屏進(jìn)行接地開關(guān)遠(yuǎn)程分、合閘指令操作。并且在遠(yuǎn)程操控接地開關(guān)執(zhí)行指令的過程中，我們還