永磁機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)的智能控制設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u15160永磁機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)的智能控制設(shè)計(jì)案例 1154641.1智能識(shí)別控制算法 122921.2同步關(guān)合技術(shù) 2143131.2.1同步關(guān)合技術(shù)的意義 277861.2.2永磁機(jī)構(gòu)斷路器的同步關(guān)合技術(shù) 3156711.3軟件設(shè)計(jì) 1393631.3.1主程序模塊 14130951.3.2與上位機(jī)通信的程序設(shè)計(jì) 1618856a.數(shù)據(jù)發(fā)送部分的程序設(shè)計(jì) 1720188b.數(shù)據(jù)發(fā)送部分的程序設(shè)計(jì) 19304061.3.3軟件抗干擾設(shè)計(jì) 211.1智能識(shí)別控制算法智能識(shí)別模塊是智能控制裝置的核心，與數(shù)據(jù)采集裝置和調(diào)整裝置共同構(gòu)成智能控制裝置，運(yùn)行前根據(jù)各數(shù)據(jù)采集模塊采集的電網(wǎng)信息自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前時(shí)間。主控室操作信號(hào)斷路器動(dòng)作時(shí)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。并根據(jù)預(yù)先對(duì)斷路器的仿真分析結(jié)果，通過向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)送調(diào)整信息，使斷路器發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作。工作進(jìn)程為：以微控制器為核心的智能控制單元時(shí)刻采集電網(wǎng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和真空斷路器狀態(tài)數(shù)據(jù)。智能識(shí)別模塊根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。斷路器的狀態(tài)，從變電站主控室傳來的信息?？焖倥袛嚯娋W(wǎng)狀態(tài)，判斷電網(wǎng)和斷路器狀態(tài)，隨時(shí)隨地控制調(diào)節(jié)器。根據(jù)識(shí)別結(jié)果，發(fā)送時(shí)間和控制信號(hào)，使斷路器分、合閘，控制電網(wǎng)的正常運(yùn)行。采用同步動(dòng)作技術(shù)時(shí)，必須通過調(diào)節(jié)裝置改變動(dòng)作機(jī)構(gòu)的參數(shù)，使斷路器獲得與當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行條件相適應(yīng)的動(dòng)作特性。另外，斷路器的分合閘時(shí)間應(yīng)盡可能短，以防分閘故障，不能人為延長(zhǎng)斷路器的分合閘時(shí)間。智能操作。由于永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器是一種機(jī)械、電氣、磁結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置，分合閘同步，運(yùn)行狀態(tài)受多種因素影響，智能感知也受多種情況和條件的影響。例如，快速識(shí)別檢測(cè)到的電網(wǎng)信息和來自變電站主控室的信息和斷路器的狀態(tài)，判斷斷路器的同步分合閘時(shí)間是延遲還是提前。自動(dòng)調(diào)整：狀態(tài)優(yōu)化采用模糊專家控制，考慮斷路器同步分合閘過程中的大量不確定性和模糊信息，如根據(jù)各操作情況保持操作開關(guān)合閘程度的數(shù)據(jù)。最佳狀態(tài)。模糊專家控制具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力，能夠很好地模擬人類專家解決復(fù)雜控制問題的思維和決策方法。它主要由數(shù)據(jù)庫(kù)、推理機(jī)、自學(xué)機(jī)構(gòu)和知識(shí)組成。根據(jù)。自學(xué)習(xí)組織通過對(duì)控制系統(tǒng)的在線監(jiān)督和評(píng)估，學(xué)習(xí)控制對(duì)象的未知信息，有效地?cái)U(kuò)充和修改知識(shí)庫(kù)的內(nèi)容，逐步完善控制者的特性。1.2同步關(guān)合技術(shù)采用智能控制技術(shù)操作的永磁機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，可方便地配置為適合開關(guān)各極的永磁機(jī)構(gòu)，從而精確控制開關(guān)的三極運(yùn)動(dòng)。外觀上，同步合閘技術(shù)提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，使同步合閘技術(shù)在電力系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。1.2.1同步關(guān)合技術(shù)的意義所謂同步合閘技術(shù)，就是在控制系統(tǒng)的控制下，使開關(guān)斷路器的動(dòng)、靜觸頭在系統(tǒng)電壓波形的規(guī)定相位上合閘，使電容器、空載變壓器等電力設(shè)備，空載線路相互接觸，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，是電力系統(tǒng)中應(yīng)用的一種智能控制技術(shù)，同時(shí)將其最小化。當(dāng)電力系統(tǒng)中的斷路器分閘和合閘電力設(shè)備時(shí)，當(dāng)前系統(tǒng)電壓的初始相位角通常是隨機(jī)不確定的，從而導(dǎo)致過電壓。例如，當(dāng)電容器開啟時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生高振幅和高頻率的浪涌電流。同步合閘技術(shù)可以降低合閘運(yùn)行瞬態(tài)過程中的過電壓和過電流，提高電力設(shè)備的壽命和系統(tǒng)的可靠性。1)降低合閘動(dòng)作的涌流和過電壓。過大的浪涌電流會(huì)導(dǎo)致開關(guān)的觸點(diǎn)熔焊和燒毀。浪涌電流產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)會(huì)損壞其他組件。過大的涌流也會(huì)造成電流互感器和神聯(lián)電抗器的絕緣損壞。對(duì)于感性負(fù)載，大浪涌電流會(huì)損壞開關(guān)觸點(diǎn)，對(duì)變壓器繞組施加機(jī)械應(yīng)力，保護(hù)繼電器發(fā)生故障，過電壓會(huì)導(dǎo)致設(shè)備局部放電等損壞。同步開關(guān)降低了浪涌電流和電壓擾動(dòng)的幅度。2)提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)穩(wěn)定性。同步合閘技術(shù)可降低合閘負(fù)載時(shí)過流、過壓對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的影響，有效改善電能質(zhì)量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。3）采用同步合閘技術(shù)可以縮短系統(tǒng)的暫態(tài)過程，抑制高頻諧波，斷路器的同步分?jǐn)嗫梢源蟠筇岣叻謹(jǐn)嗄芰Α?）延長(zhǎng)電器的使用壽命和維修周期，降低成本。1.2.2永磁機(jī)構(gòu)斷路器的同步關(guān)合技術(shù)同步關(guān)合技術(shù)使開關(guān)的主觸點(diǎn)零電壓閉合，零電流斷開，大大改善了開關(guān)的通斷特性。同步合閘技術(shù)可以減少合閘運(yùn)行瞬態(tài)過程中的過電流和過電壓，從而提高電力設(shè)備的壽命和系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。同步合閘初始相位角的選擇與真空斷路器的預(yù)分?jǐn)嗵匦杂嘘P(guān)。同時(shí)，合閘速度直接影響斷路器的預(yù)分?jǐn)鄷r(shí)間，因此合閘速度是一個(gè)非常重要的參數(shù)。斷路兩端的合閘速度和電壓以及滅室塊兩端所能承受的電壓決定了斷路器同時(shí)合閘時(shí)的合閘相位。當(dāng)我們關(guān)閉電容器組時(shí)，我們假設(shè)斷路的電源側(cè)受系統(tǒng)正弦交流電壓的影響，并且電容器兩端的電壓為零。理想情況下，它會(huì)在此時(shí)電壓過零時(shí)關(guān)閉。但由于斷路器觸頭合閘過程中斷路器合閘時(shí)間的分散性，分?jǐn)嚅g隔必須承受一定的耐壓。它是在零殘壓下閉合電容器組時(shí)電壓結(jié)點(diǎn)兩端的系統(tǒng)電壓。破裂所能承受的電壓與合閘位移有關(guān)，只有合閘速度足夠高才能實(shí)現(xiàn)同步合閘。在真空斷路器的合閘過程中，動(dòng)觸頭與靜觸頭之間的距離越來越近，當(dāng)距離太小，達(dá)到一定的距離承受不了外加電壓時(shí)，真空間隙就會(huì)坍塌。此時(shí)，由于距離較窄，可以看作是場(chǎng)致發(fā)射故障。根據(jù)目前真空斷路器預(yù)擊穿實(shí)驗(yàn)研究，擊穿電壓與真空間隙的關(guān)系為：（U:擊穿電壓，S：真空間隙）近似表示。對(duì)于10kV的三相接地系統(tǒng)，當(dāng)瞬時(shí)合閘觸頭的合閘速度為0.17m/s以上時(shí)，觸頭間耐壓變化率大于變化率的10%。在過零點(diǎn)，系統(tǒng)電源電壓的.u=0.17m/s可視為臨界速度。對(duì)于三相不接地系統(tǒng)，臨界速度為u=0.29m/s。但瞬時(shí)真空斷路器的合閘速度通常在0.8m/s以上。因此，真空斷路器同時(shí)合閘10kV系統(tǒng)時(shí)，一般能滿足上述速度要求。對(duì)于35kV系統(tǒng)，當(dāng)電壓零結(jié)合閘時(shí)，沒有預(yù)先閉鎖，臨界速度u=0.98m/s，因此對(duì)真空斷路器的合閘速度必須有一定的要求。對(duì)于10kV系統(tǒng)和35kV系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都有一個(gè)臨界關(guān)閉率。如果合閘速率低于此速率，真空斷路器將在電壓零結(jié)合閘時(shí)預(yù)斷開。斷路器合閘電流點(diǎn)為：偏離預(yù)定點(diǎn)，閉合速度越低，偏離越大。如果斷路器的合閘速度大于臨界合閘速度，則真空斷路器在零電壓交叉點(diǎn)合閘不會(huì)發(fā)生預(yù)分?jǐn)啵瑪嗦菲骺梢栽诹汶妷航徊纥c(diǎn)合閘。真空斷路器同步合閘時(shí)，合閘時(shí)間的方差為1ms，對(duì)于10kV系統(tǒng)和35kV系統(tǒng)，合閘時(shí)涌流最小的最期望合閘點(diǎn)，斷路器合閘速度，電壓與系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)。同步合閘操作系統(tǒng)包括智能感應(yīng)裝置和快速執(zhí)行機(jī)構(gòu)。前者能及時(shí)檢測(cè)到閉鎖電路的電壓或電流過零時(shí)刻發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，后者能在接收到信號(hào)后迅速開啟和關(guān)閉。由于同步閉合控制需要高速和大量的浮點(diǎn)運(yùn)算，因此控制系統(tǒng)必須采用能夠進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），例如更高的TI的TMS320浮點(diǎn)DSP。運(yùn)行頻率高，計(jì)算速度快，特殊指令多，適合同步合閘技術(shù)要求。實(shí)現(xiàn)方案原理如圖5-1所示。圖1.1同步關(guān)合實(shí)現(xiàn)方案原理圖三相觸點(diǎn)間隙電壓電流波形、環(huán)境溫度和控制電壓通過A/D轉(zhuǎn)換送入DSP測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)不間斷采樣。在接收到手動(dòng)或遠(yuǎn)程關(guān)閉信號(hào)后，關(guān)閉信號(hào)會(huì)導(dǎo)致DSP系統(tǒng)關(guān)閉。電壓過零時(shí)間在中斷服務(wù)程序中計(jì)算，根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度、控制電壓和機(jī)械磨損和老化計(jì)算。斷路器的合閘時(shí)間決定了合閘啟動(dòng)信號(hào)何時(shí)發(fā)出。最新的傳感器技術(shù)使得交流零信號(hào)的拾取非?？煽亢头奖恪Ｍ瑯?，我們可以很容易地在交流電壓或電流的變化率（對(duì)應(yīng)于正弦信號(hào)的峰值）的零點(diǎn)處獲得信號(hào)。剩下的問題是控制信號(hào)是在電壓或電流的零點(diǎn)之前還是在變化率的零點(diǎn)之后傳輸。真空開關(guān)的同步開啟首先要實(shí)現(xiàn)分相操作，同時(shí)滿足以下條件：1）初始分?jǐn)嗦首銐蚋撸瑒?dòng)觸頭能在1-2ms內(nèi)達(dá)到能可靠滅弧的分?jǐn)嗑嚯x。2)觸點(diǎn)斷開時(shí)間必須在過零時(shí)間T之前，該時(shí)間對(duì)應(yīng)于原開關(guān)第一個(gè)斷開階段的最小電弧時(shí)間。3)過零檢測(cè)和可靠及時(shí)的觸發(fā)信號(hào)。當(dāng)短路電流中斷時(shí)，第一相斷開5ms后，其余兩相同時(shí)斷開（10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)）。步驟選擇和退出的要求類似。隨著電子操作的改進(jìn)和進(jìn)步，同步真空開關(guān)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)不遠(yuǎn)了。由于同步技術(shù)，未來的大容量真空開關(guān)將更小、更長(zhǎng)、成本更低。永磁致動(dòng)機(jī)構(gòu)防止脫扣器釋放后彈簧機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的不確定性和不可控性。同時(shí)，借助光電傳感器的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)字電路接口，控制精度在s量級(jí)，并能準(zhǔn)確執(zhí)行光電指令信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)全封閉。環(huán)形。在彈簧機(jī)構(gòu)的機(jī)械系統(tǒng)中難以實(shí)現(xiàn)控制。因此，近年來同步開關(guān)的研究和實(shí)踐取得了進(jìn)展。相關(guān)的寓意是開關(guān)可以完全控制，開發(fā)可以成為最典型的新概念開關(guān)電器。我們現(xiàn)在關(guān)注的是真空開關(guān)的同步潛力。隨著新一代操作機(jī)構(gòu)的開發(fā)，具有更高電壓等級(jí)的開關(guān)將找到自己的智能操作方式。電流傳感器——Rogowski線圈標(biāo)志滑雪線圈是一個(gè)環(huán)形螺線管線圈。傳導(dǎo)電流的導(dǎo)體通過環(huán)形線圈的中心。傳感器的輸出電壓u與流過環(huán)形線圈中心導(dǎo)體的電流i的導(dǎo)數(shù)成正比。(1.1)式中，L為線圈的電感，其值決定于線圈的幾何結(jié)構(gòu)（匝數(shù)等）。為測(cè)得電流i，還要經(jīng)過運(yùn)算，由式（1.1）得(1.2)這可以通過計(jì)算機(jī)操作或集成電路（模擬電路）來實(shí)現(xiàn)。線圈有很多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儧]有鐵芯。1）動(dòng)態(tài)范圍大，線性度好，控制保護(hù)和測(cè)量功能可同時(shí)實(shí)現(xiàn)，無需使用兩套變壓器。2）體積小，重量輕，充分利用開關(guān)柜的空間，可以方便地與其他配電設(shè)備組合使用。3）安全性好，電流互感器無開路問題。4）成本低，易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和應(yīng)用推廣。光纖電壓傳感器(OVT)光纖電壓傳感器有六種類型：無源OVT和有源OVT。目前最常用的是基于POCKELS光電效應(yīng)的透光無源OVT。這個(gè)效果如下：光在電場(chǎng)（或電壓）的作用下通過某種材料發(fā)生雙折射，雙折射光波之間的相位差與外加電壓或電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，相位差為檢測(cè)電壓或場(chǎng)強(qiáng)的大小。該光電電壓傳感器動(dòng)態(tài)范圍寬，響應(yīng)速度快，適用于電子測(cè)量，可集成保護(hù)和控制功能，體積小，重量輕，可靠性和電磁兼容性好，安全性好。采用最新的傳感器和微機(jī)一體化繼電保護(hù)裝置，信號(hào)全為數(shù)字信號(hào)，接口信號(hào)處理也方便，新一代智能成套裝置出現(xiàn)。a.輸入模擬信號(hào)調(diào)理電路16F877有8個(gè)A/D輸入通道，共享一個(gè)10位ADC模塊。ADC模塊完成10位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的最短時(shí)間為19.2。,兩次轉(zhuǎn)換之間至少為3.2.16F877提供16個(gè)A/D輸入通道的組合。引腳0-8可通過控制字ADCON1配置為模擬信號(hào)輸入通道。16F877還支持外部參考電壓以提高A/D轉(zhuǎn)換的分辨率。輸入模擬信號(hào)調(diào)理電路如圖1.2所示。輸入的模擬信號(hào)先進(jìn)行二次濾波，濾除高頻干擾信號(hào)，再通過ADC模塊進(jìn)行采樣。一旦收集到信號(hào)，它必須非常復(fù)雜。每個(gè)輸入通道每1.25ms采樣一次，一個(gè)輸入通道在工頻周期采樣16點(diǎn)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖1.2信號(hào)調(diào)理電路b.光電隔離電路在多種工業(yè)測(cè)量中，如自動(dòng)化傳感系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)等，往往需要將現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)采集到控制系統(tǒng)中。在采集過程中，各種干擾信號(hào)與被測(cè)信號(hào)一起進(jìn)入控制系統(tǒng)，當(dāng)這些信號(hào)疊加在有用的測(cè)量信號(hào)上時(shí)，測(cè)量精度下降，控制系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。被測(cè)電路和控制電路必須電氣隔離，以實(shí)現(xiàn)電平線性變換，不會(huì)將場(chǎng)電噪聲干擾引入控制系統(tǒng)。光電隔離法和隔離放大器法是兩種常用的模擬信號(hào)隔離辦法。隔離放大器與高性能輸入和輸出放大器、調(diào)制解調(diào)器、信號(hào)耦合變壓器和其他設(shè)備器件集成在一起。一般情況下，磁耦合用于使放大器輸出和輸入沒有電氣連接，從而隔離干擾源并抑制干擾。信號(hào)。信號(hào)放大。隔離放大器具有完全浮動(dòng)的輸入端和獨(dú)立隔離的輸出端，具有更好的線性度和穩(wěn)定性，以及更高的隔離電壓和共模抑制比。但是隔離放大器的成本比較高，只適用于更高的要求。光電隔離是一種常用、方便、有效的隔離方法，它以光為介質(zhì)，通過光電之間的相互轉(zhuǎn)換進(jìn)行信號(hào)傳輸，使測(cè)量系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)電絕緣。光電隔離可以減少場(chǎng)信號(hào)線和地線干擾對(duì)系統(tǒng)的影響，保證系統(tǒng)安全。另外，由于光耦的輸入阻抗小于干擾源的內(nèi)阻，疊加在被測(cè)信號(hào)上的干擾信號(hào)衰減很大，基本無法進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)，從而保證了測(cè)量的準(zhǔn)確性。光隔離分為數(shù)字光隔離和模擬光隔離兩種。數(shù)字光電隔離模擬信號(hào)價(jià)格低廉，但由于數(shù)字光電隔離的非線性和光電隔離器件之間的不匹配，這種隔離電路的線性度不高，只適用于要求不高的場(chǎng)合。模擬光隔離器的結(jié)構(gòu)比隔離放大器簡(jiǎn)單，價(jià)格也比隔離放大器低。所用光電器件的材料和工藝與數(shù)字光隔離器不同，線性度比數(shù)字光隔離器有明顯提高。該設(shè)計(jì)使用線性光耦合器HCNR200來分離模擬信號(hào)，如圖1.3所示。HCNR200是一款高精度線性光電耦合器，具有成本低、線性度高、穩(wěn)定性高、頻帶寬、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)點(diǎn)，可通過連接不同的分立器件實(shí)現(xiàn)各種光電隔離轉(zhuǎn)換電路。輸入信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路，通過線性光耦輸入單片機(jī)，使控制系統(tǒng)與強(qiáng)電流完全隔離，有效抑制強(qiáng)電流干擾對(duì)控制系統(tǒng)的影響，提高系統(tǒng)的安全性.手術(shù)。圖1.3輸入信號(hào)的光電隔離電路c.過零點(diǎn)檢測(cè)電路及過壓過流判斷電路輸入電壓和電流信號(hào)經(jīng)過濾波后，輸入電壓比較電路可以得到占空比為0.5，頻率為50HZ的方波信號(hào)。遲滯比較器用于防止輸出方波在輸入信號(hào)的零交叉點(diǎn)附近頻繁跳躍。比較器的輸出方波通過施密特觸發(fā)器74HC14引入單片機(jī)，增加了系統(tǒng)的可靠性。電路如圖1.4所示。圖1.4過零點(diǎn)檢測(cè)電路16F877RB端口的RB0和RB4-RB7具有復(fù)合功能，可用于檢測(cè)引腳上的電平變化。當(dāng)RB4-RB7設(shè)置為輸入引腳時(shí)，RB4-RB7的電平變化（上升沿和下降沿均有效）會(huì)在控制位RBIE設(shè)置為1時(shí)觸發(fā)中斷。這對(duì)于獲取零非常有用。交叉信號(hào)。但是，由于RB4-RB7共享同一個(gè)中斷標(biāo)志位RBIF，所有管腳的電平變化都會(huì)將RBIF置為1（該標(biāo)志位必須由軟件清0），因此無法確定哪個(gè)管腳有電平變化.根據(jù)開關(guān)動(dòng)作的時(shí)序，在任何給定時(shí)刻，只有RB4-RB7引腳之一被設(shè)置為輸入引腳，其他引腳被設(shè)置為輸出引腳。這樣您就可以在發(fā)生電平變化中斷時(shí)檢查電壓和電流。在系統(tǒng)出現(xiàn)過壓和過流情況時(shí)，能夠及時(shí)斷開同步開關(guān)至關(guān)重要。采用軟件操作控制，響應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng)，不能有效保護(hù)系統(tǒng)安全。使用16F877的外部中斷功能可顯著縮短響應(yīng)時(shí)間。16F877的外部中斷功能可以通過控制位來設(shè)置。當(dāng)INIE設(shè)置為1時(shí)，外部中斷功能使能?？刂莆籌NTEDG用于控制上升沿還是下降沿觸發(fā)外部中斷。如果INTEDG=0，則RB0的下降沿有效，如果INTEDG=1，則RB0的上升沿有效。為此，設(shè)計(jì)了圖1.5中的過壓過流判斷電路。、是參考電壓，可根據(jù)需要手動(dòng)調(diào)整。當(dāng)UA(或IA、IB、IC)某時(shí)刻的瞬時(shí)值大于U-REF1時(shí)，a點(diǎn)輸出高電平，對(duì)C20充電，若UA>U-REF1的持續(xù)時(shí)間大于一定值，使得b點(diǎn)的電平大于U-REF2，則輸出OVER-1(或OVER-2、OVER-3、OVER-4)變?yōu)楦唠娖健VER-1、OVER-2、OVER-3、OVER-4中任意一個(gè)為高電平，都會(huì)使得輸出信號(hào)DANGER(與RB0引腳相連)變?yōu)楦唠娖?。使用兩?jí)比較器可以避免瞬間干擾引起判斷錯(cuò)誤。當(dāng)出現(xiàn)過壓過流情況時(shí)，DANGER由低電平變?yōu)楦唠娖?，觸發(fā)16F877的外部中斷，迅速斷開開關(guān)。圖1.5過壓過流判斷電路d.功率因素角測(cè)量電路測(cè)量功率因數(shù)為了確定有多少電容進(jìn)入電網(wǎng)，控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)的功率因數(shù)。當(dāng)電網(wǎng)功率因數(shù)低于設(shè)定值時(shí)，必須向電網(wǎng)投入一定量的電容。如果電網(wǎng)的功率因數(shù)高于設(shè)定值，則需要部分電容。將其從電網(wǎng)中移除，以防止“過度補(bǔ)償”。為提高測(cè)量精度，本設(shè)計(jì)采用專用功率/能量芯片CS5460A進(jìn)行功率因數(shù)測(cè)量。下面簡(jiǎn)單介紹一下CS5460A芯片。CS5460A是美國(guó)CirrusLogic公司生產(chǎn)的CMOS單芯片功率測(cè)量設(shè)備，功能強(qiáng)大，自帶功率測(cè)量計(jì)算DSP引擎，可以完成大部分計(jì)算。CS5460A具有兩個(gè)模擬輸入通道、一個(gè)可編程放大器(PGA)和兩個(gè)24位-A/D轉(zhuǎn)換器、2個(gè)高通數(shù)字濾波器、校準(zhǔn)裝置、有效值計(jì)算模塊、1個(gè)SPI串行通訊端口。該芯片的性能主要優(yōu)于其他測(cè)量芯片如：1)可測(cè)量瞬時(shí)電流、瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)功率、RMS電流、RMS電壓、RMS功率、電能。2)具有片上看門狗定時(shí)器和內(nèi)部供電監(jiān)視器。3)雙向串行接口和內(nèi)部寄存器陣列，便于與微處理器連接。4)帶機(jī)械計(jì)數(shù)器/步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。5)片上2.5V參考電壓。6)外部時(shí)鐘最高頻率可達(dá)20MHz。7)電源方向輸出指示。8)提供外部復(fù)位引腳。在本設(shè)計(jì)中，其工作流程是先用互感器把電壓、電流轉(zhuǎn)換并送入CS5460A，CS5460A內(nèi)部有一個(gè)增益可編程的放大器，兩個(gè)Δ∑模數(shù)轉(zhuǎn)換器，兩個(gè)高速濾波器，具有系統(tǒng)校準(zhǔn)和功率計(jì)算功能，用以計(jì)算電能、電壓、電流功率及功率因數(shù)。其測(cè)量功率因數(shù)的原理為:利用其內(nèi)部的一個(gè)電量寄存器積累電能。根據(jù)電能與功率的關(guān)系W=Pt，在1s內(nèi)積累的電能數(shù)值上等于其有功功率P；再根據(jù)公式cos=P/(UI)算出功率因數(shù)值。CS5460A的測(cè)量結(jié)果通過串行口送入單片機(jī)。其與PIC單片機(jī)的連接電路見圖1.6。圖1.6CS5460A和PIC16F877接口電路e.環(huán)境溫度的測(cè)量環(huán)境溫度測(cè)量采用DS18B20測(cè)量溫度（見圖1.7）。DS18B20是美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司自DS1820以來推出的一款新型增強(qiáng)型智能溫度傳感器。與常規(guī)熱敏電阻相比，可直接讀取被測(cè)溫度，并可根據(jù)實(shí)際需要，通過簡(jiǎn)單編程實(shí)現(xiàn)9-12位數(shù)字值讀取方式。9位和12位數(shù)字量分別在93.75ms和750ms內(nèi)完成，從DS18B20讀取或?qū)懭胄畔⒅恍枰粋€(gè)端口（單線接口）和溫度轉(zhuǎn)換即可讀寫。從數(shù)據(jù)電源總線來看，總線本身也可以為連接的DS18B20供電，無需額外的電源。因此，DS18B20可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更穩(wěn)定。與DS1820相比，在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面都有很大的提升，為用戶提供了更方便的使用和更滿意的結(jié)果。它具有以下特點(diǎn)：1）獨(dú)特的單線接口方式：DS18B20與微處理器連接時(shí)，只需一個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。2)使用時(shí)無需外部零件。3）數(shù)據(jù)線及電壓范圍：+3.0~+1.5V可供電。4)溫度測(cè)量范圍：-55+125。固有溫度測(cè)量分辨率為0.5C。5）通過編程，可實(shí)現(xiàn)9-12位數(shù)字閱讀模式。6)用戶可設(shè)置非易失性報(bào)警上下限。7）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能單條三線可并聯(lián)多個(gè)DS18B20，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。8）負(fù)壓特性如果電源極性接反，溫度計(jì)不會(huì)被熱燒壞，但不能正常工作。圖1.7溫度測(cè)量電路DS18B20的溫度傳感器可以完成溫度測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值并存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中。溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包含高速臨時(shí)存儲(chǔ)器和電可擦除非易失性非易失性存儲(chǔ)器。保持后部冷熱觸發(fā)器TH、TL和救援電阻器。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)需要控制DS18B20分三步完成溫度轉(zhuǎn)換。DS18B20必須在讀寫前復(fù)位。如果復(fù)位成功，則發(fā)送ROM命令，最后發(fā)送RAM。發(fā)送命令以便可以安排DS18B20的運(yùn)行。復(fù)位需要主CPU將數(shù)據(jù)線拉低500s，下一個(gè)版本。DS18B20接收到信號(hào)后等待16到60。s，發(fā)送一個(gè)連續(xù)的低脈沖后，主CPU收到這個(gè)信號(hào)，表示復(fù)位成功。f.電源模塊圖1.8所示的電源模塊旨在避免對(duì)控制系統(tǒng)不利的電源耦合干擾。24V電源由外部供電，經(jīng)電容穩(wěn)壓后，可直接作為開關(guān)的開關(guān)線圈工作電源。12V電源由開關(guān)穩(wěn)壓器LM2576-12轉(zhuǎn)換后得到，為MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供高電平。LM2576-5用于產(chǎn)生5V電平。但是，該電平不應(yīng)直接用作控制電路的電源，因?yàn)殚_關(guān)穩(wěn)壓器不能隔離地線，并且可以通過地線將強(qiáng)電流部件的干擾耦合到控制電路中來影響它?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，否則燒毀。DC-DC轉(zhuǎn)換器將控制元件的電源與外部電源完全分離，通過電源耦合消除干擾。ICL7660用于創(chuàng)建-5V電源，為濾波器電路提供負(fù)電源。圖1.8電源模塊g.通信模塊單片機(jī)與上位機(jī)之間的全雙工通信可以通過單片機(jī)的串口來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用RS-232C串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-232C規(guī)定的邏輯電平不同于一般的微處理器和單片機(jī)。例如，RS-232中的邏輯“1”是-3到-。15V由單片機(jī)的邏輯“1”表示為+5V，但兩者完全不同。因此，單片機(jī)系統(tǒng)必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換才能與上位機(jī)的RS-232接口進(jìn)行通信。RS-232C通信標(biāo)準(zhǔn)有很多專用芯片用于發(fā)送和接收信號(hào)，本設(shè)計(jì)采用美國(guó)MAXIM公司的MAX232芯片。該設(shè)備運(yùn)行性能穩(wěn)定，外圍設(shè)備少，已廣泛用于RS232C通信標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)收發(fā)。PIC單片機(jī)與上位機(jī)的接口電路如圖1.9所示。圖中MAX232將PIC單片機(jī)SDO引腳輸出的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為RS-232C電平，輸入上位機(jī)，對(duì)上位機(jī)輸出的RS-232C電平信號(hào)進(jìn)行如下轉(zhuǎn)換。輸出到TTL電平和PIC單片機(jī).SDI引腳。PIC16F877單片機(jī)的SDO和SDI引腳分別是串口的發(fā)送器和接收器。要實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和上位機(jī)之間的通信，單片機(jī)和上位機(jī)必須使用相同的數(shù)據(jù)傳輸格式。圖1.9PIC單片機(jī)與上位機(jī)串口通信電路圖1.3軟件設(shè)計(jì)永磁機(jī)構(gòu)智能控制器軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想。由于單片機(jī)軟件通常與硬件結(jié)合完成特定的控制任務(wù)，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求比較高，這是單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在此系統(tǒng)上完成所需的軟件功能是：1）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能：系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)電壓電流數(shù)據(jù)。由于需要測(cè)量高電壓，通常經(jīng)過PT和CT后降到100V/5A，再由電壓電流轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的量程，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送到CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。2）實(shí)時(shí)計(jì)算功能：系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。這包括計(jì)算電壓和電流值的有效值并將它們與設(shè)定值進(jìn)行比較。3）實(shí)時(shí)控制功能：系統(tǒng)通過采集各種數(shù)據(jù)，發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。包括開關(guān)機(jī)和采取保護(hù)措施。4）錯(cuò)誤處理功能：可以相應(yīng)地處理可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。在軟件設(shè)計(jì)中，電氣參數(shù)的形狀有很大的不同，比如電力系統(tǒng)短路時(shí)的電氣參數(shù)的形狀，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行是會(huì)發(fā)生變化的。在各種情況下都會(huì)采取對(duì)策來防止故障。1.3.1主程序模塊智能同步開關(guān)控制系統(tǒng)是一種常見的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，它必須保證在運(yùn)行過程中及時(shí)、有序、高效地完成采樣、計(jì)算、控制、通訊等多項(xiàng)操作。因此，在程序設(shè)計(jì)中，采用C語言和匯編語言進(jìn)行混合編程，采用C語言構(gòu)建整個(gè)軟件系統(tǒng)框架，中斷處理和定時(shí)器采用匯編語言實(shí)現(xiàn)。只有這樣才能保證整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。圖1.10主程序流程圖系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將所有功能分為主模塊和功能模塊。具體實(shí)現(xiàn)采用中斷和查詢相結(jié)合的方式，采用任務(wù)調(diào)度的設(shè)計(jì)思想。高優(yōu)先級(jí)任務(wù)通過中斷來實(shí)現(xiàn)，低優(yōu)先級(jí)任務(wù)通過設(shè)置調(diào)用各種功能模塊。和查詢標(biāo)志。整個(gè)系統(tǒng)軟件由主程序、過零檢測(cè)處理程序、鍵盤中斷服務(wù)程序、數(shù)據(jù)采集處理子程序、顯示程序、開關(guān)控制程序和通訊程序等模塊組成。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、設(shè)備自檢、查詢等工作。主程序流程圖如圖1.10所示。圖1.11數(shù)據(jù)采集流程圖數(shù)據(jù)采集程序主要對(duì)電網(wǎng)的電流電壓進(jìn)行采樣和濾波處理。每個(gè)周期利用上一個(gè)周期的采樣點(diǎn)計(jì)算電壓、電流數(shù)字量和有功、無功的有效值，每16個(gè)周期后，數(shù)字的有效值經(jīng)過濾波處理取平均值。要計(jì)算的電壓和電流量輸出并刷新實(shí)際值，每32個(gè)周期對(duì)有功和無功數(shù)字量進(jìn)行平均濾波和刷新。數(shù)據(jù)采集程序如圖1.11所示。1.3.2與上位機(jī)通信的程序設(shè)計(jì)PIC單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的程序流程框圖如圖1.12所示。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)的程序流程框圖如圖1.13所示。圖1.12單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖圖1.13上位機(jī)接收數(shù)據(jù)流程圖a.數(shù)據(jù)發(fā)送部分的程序設(shè)計(jì)LISTP=16F877

＃includeP16F877.INC

CBLOCK0X24；保留三個(gè)字節(jié)作為顯示用

COUNT；作計(jì)數(shù)器或暫存器用

ENDC

ORG0X0000；程序復(fù)位入口

NOP

STARTGOTOMAIN

ORG0X20

MAINMOVLW0X30 ；以下將RAM內(nèi)容初始化

MOVWFFSR ；從30H單元開始

MOVLW0X30 ；將值30H賦給單元30H

MOVWFCOUNT

INTRAMMOVFCOUNT，0；將30H～7FH賦給單元30H～7FH

MOVWFINDF

INCFCOUNT，1

INCFFSR，1

BTFSSCOUNT，7

GOTOINTRAM

BSFSTATUS，RP0；將SCI部件初始化

MOVLW0X19；將傳輸?shù)牟ㄌ芈试O(shè)為約9600bps

MOVWFSPBRG

MOVLW0X04；選擇異步高速方式傳輸8位數(shù)據(jù)

MOVWFTXSTA

BCFSTATUS，RP0

MOVLW0X80；允許同步串行口工作

MOVWFRCSTA

BSFSTATUS，RP0

BSFTRISC，7；將RC6、RC7設(shè)置為輸入方式，斷絕與外接電路的連接

BSFTRISC，6

BCFSTATUS，RP0

MOVLW0X30；30H作為同步字符發(fā)送

MOVWFFSR

MOVFINDF，0

MOVWFTXREG；將待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖器TXREG

BSFSTATUS，RP0

BSFTXSTA，TXEN；發(fā)送允許

BCFSTATUS，RP0

BSFRCSTA，CREN；接收數(shù)據(jù)允許

LOOPTXBTFSSPIR1，RCIF；等待PIC2的響應(yīng)字節(jié)

GOTOLOOPTX

MOVFRCREG，0；讀響應(yīng)字節(jié)，清RCIF

LOOPTX1BTFSSPIR1，TXIF；發(fā)送下一字節(jié)

GOTOLOOPTX1

INCFFSR

MOVFINDF，0

MOVWFTXREG

BTFSSFSR，7；30H~7FH單元的內(nèi)容是否發(fā)送完？

GOTOLOOPTX；沒有，繼續(xù)下一字節(jié)的發(fā)送

BSFSTATUS，RP0；如果是，則停止發(fā)送

BCFTXSTA，TXEN

BCFSTATUS，RP0；數(shù)據(jù)發(fā)送完畢

CALLLED；調(diào)用顯示子程序，將發(fā)送的數(shù)據(jù)顯示出來

END；程序完b.數(shù)據(jù)發(fā)送部分的程序設(shè)計(jì)LISTP=16F877

＃includeP16F877.INC

CBLOCK0X24

COUNT

ENDC

ORG0X0000

NOP

STARTGOTOMAIN

MAINBSFSTATUS，RP0；初始化程序同發(fā)送子程序

MOVLW0X19；波特率設(shè)置與PIC1相同

MOVWFSPBRG

MOVLW0X04；異步高速傳輸

MOVWFTXSTA

BCFSTATUS，RP0

MOVLW0X80；串行口工作使能

MOVWFRCSTA

BSFSTATUS，RP0

BSFTRISC，7；與外接電路隔離

BSFTRISC，6

BCFSTATUS，RP0

MOVLW0X30；從30H單元開始存放發(fā)送來的數(shù)據(jù)

MOVWFFSR

BSFRCSTA，CREN；接收允許

BSFSTATUS，RP0

BSFTXSTA，TXEN