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直流电流互感器二次激励电源研究 研究生签字： 党另) 指导教师签字：- l 也 摘要 l i l l ii 1 11u i i ll ( i i y 17 5 0181 目前，高压直流输电已经成为电能传输的发展趋势，用来测量高压直流输电母线上电 流大小的高压直流电流互感器也成为研究的热点。在高压直流电流互感器生产制造过程 中，由于直流电流互感器二次装置中的激励电源输出电压受输电母线电流大小以及一次线 圈非线性等众多因素的影响，一致性较差。为了提高高压直流电流互感器的测量精度，高 压直流电流互感器二次装置中的激励电源输出电压需在系统总装完成后，系统校准时现场 调整和设定。设计一种能够精确调整输出电压的高精度数字化交流稳压电源，将为高压直 流电流互感器的配套生产提供极大的便利。 论文设计了一种采用d s p 技术和步进电机控制技术构成的高精度直流电流互感器二 次装置激励电源，同时采用小信号直流电流传感器及a d 转换电路实现了二次激励电源 输出电压的非线性补偿，该二次激励电源输入电压为交流2 2 0 v ，输出电压可在1 0 0 5 0 0 v 之间任意设定，额定输出电流为2 a ，输出电压稳定度为o 5 。此电源装置可通过按键 设定输出电压大小，由d s p 控制步进电机，步进电机驱动与其同轴连接的自耦变压器， 进行输出电压的升降调整。通过a d 转换电路采集二次激励电源的输出电压和二次装置 中的采样电流信号，实现自动稳压功能和非线性补偿功能。系统操作界面由l c d 液晶屏 进行显示。 实验证明，该数字化交流稳压电源设计合理、工作稳定、操作方便，既可以作为高压 直流电流互感器二次装置中的激励电源，也可广泛应用于对交流电压稳定性要求高的场 合。 关键词：高压直流输电；直流电流互感器；d s p ；步进电机；电流传感器 s t u d yo nd i r e c tc u r r e n t t r a n s f o r m e r ss e c o n d a r yi n c e n t i v ep o w e r d i s c i p l i n e ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g s t u d e n ts i g n a t u r e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 删再k w 倘了k a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ed e v e l o p m e n to fh i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o nh a s b e c o m et h e m 2 l i n 缸i l d so fe l e c t r i ce n e r g yt r a n s m i s s i o n h i g hv o l t a g ed i r e c tc u r r e n tt r a n s f o r m e rh a s a l s o b e c o r n ear e s e a r c hh o ts p o t ，w h i c hi su s e dt om e 鹊u r et h ee l e c t r i cc u r r e n ti nh i g hv o l t a g ed i r e c t c u n e n t 仃a n s m i s s i o nb u sb a r h o w e v e r , i nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fh v d ct r a n s f o r m e r , d u e t ot h ec 峨n to ft h e 啪s m i s s i o nb u sa n dt h en o n - l i n e a r i n go f ac o i la sw e l la so t h e rf a c t o r s ，t 1 1 e c o n s i s t e n c yo ft h ei n c e n t i v ep o w e ro u t p u tv o l t a g ei n t h es e c o n d a r yd e v i c eo fd cc u r r e n t t r a n s r r m e ri sp o o r i no r d e rt oi m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c yo f h v d ct r a n s f o r m e r , a f t e r c o m p l e t i n gf i n a la s s e m b l yo ft h es y s t e m ，t h ei n c e n t i v ep o w e r s u p p l yo u t p u tv o l t a g eo f h v d c n 鼍n s f o n n e rs h o u l db ea d j u s t e da n de s t a b l i s h e do nt h es p o tw h e n t h es y s t e mi sc a l i b r a t e d i tw i l l b ee n o r m o u s l yc o n v e n i e n tf o rm a t c h - p r o d u c t i o no f h v d ct r a n s f o r m e rt od e s l g nh 1 9 h p r e c i s i o nd i g i t a la cp o w e rs u p p l yt h a ta d j u s tt h eo u t p u tv o l t a g ep r e c i s e l y t h i sp a p e rd e s i g n sd i r e c tc u r r e n tt r a n s f o r m e r ss e c o n d a r yi n c e n t i v ep o w e rw i t hh i g i l a c e u r a c yb y t h eu s eo ft h ed s pt e c h n o l o g y a n dt h e s t e p p i n g m o t o rc o n _ n d l t e c h n o l o g y s i m u l t a n e o u s l y , t h em i s a l i g n m e n tc o m p e n s a t i o n o ft h eo u t p u tv o l t a g eo ft h e s e c o n d a r yi n c e n t i v ep o w e ri ss o l v e db yt h eu s eo ft h es m a l ls i g r l a ld i r e c t c u r r e n ts e n s o ra n d d c o n v e r t i n gc i r c u i t t h ei n p u tv o l t a g eo ft h es e c o n d a r yi n c e n t i v ep o w e ri sa c 2 2 0 v , t h eo u t p u t v o i t a g ec a nb ea r b i t r a r i l y s e tb e t w e e n10 0 va n d5 0 0 v , r a t e do u t p u tc u r r e n t i s2 a ，a n dt n e s t a b i l i t 、ro ft h ev o l t a g ei s 士o 5 t h eo u t p u tv o l t a g eo ft h ep o w e rs u p p l yc a nb e s e tb yt h e k e y t h es t e p p i n gm o t o ri s c o n t r o l l e db yd s p , a n dd r i v ea u t o t r a n s f o r m e rw h i c hi s c o a x l a l c o n n e c t i o nw i t hs t e p p i n gm o t o rt oa d j u s tt h eo u t p u tv o l t a g e t h ep o w e rs u p p l yc o l l e c t st h e o u t p u tv o l t a g es i g n a lo ft h es e c o n d a r yi n c e n t i v ep o w e ra n dt h es a m p l i n gc u r r e n ts i g n a lm t h e s e c o n dd e v i c eb ym e a n so fa dc o n v e r t i n gc i r c u i t ，a n dr e a l i z e st h e f u n c t i o n so fa u t o m a t i c v o l t a g er e g u l a t i o na n dn o n l i n e a rc o m p e n s a t i o n d i s p l a y e di nl c dl i q u i dc r y s t a ls c r e e n t h eo p e r a t i o nc o n t a c ts u r f a c eo ft h es y s t e mi s e x p e r i m e n t ss h o wt h a td i g i t a la c p o w e rs u p p l yw a sd e s i g n e dr e a s o n a b l y , w o r k e ds t a b l y , a n dc a r lb e o p e r a t e de a s i l y i tc a nn o to n l yb eu s e da st h es e c o n d a r yd e v i c e so fh v d c t r a n s f o r m e r , b u ta l s ob ew i d e l ya p p l i e dt ot h eo c c a s i o n sw h e r eh i g hs t a b i l i t yo ft h ea cv o l t a g e i sn e e d e d k e yw o r d s ：h v d c ；d i r e c tc u r r e n tt r a n s f o r m e r ；d s p ；s t e p p i n gm o t o r ；c u r r e n ts e n s o r 目录 1 绪论1 1 1 直流输电发展概况1 1 1 1 直流输电在我国的应用现状l 1 1 2 高压直流输电系统的特性一2 1 2 研究现状3 1 3 课题研究背景3 1 4 选题意义4 1 5 论文研究主要内容5 2 系统方案设计6 2 1 系统组成结构6 2 2 系统工作原理7 2 3 本章小结8 3 系统硬件电路设计9 3 1d s p 最小系统设计9 3 1 1 芯片的选型9 3 1 2 供电单元及系统复位电路1 l 3 1 3 时钟电路1 4 3 1 4j t a g 接口1 4 3 2 信号采集电路设计1 5 3 2 1 电压信号采集电路1 6 3 2 2 电流信号采集电路1 7 3 3 步进电机驱动电路设计18 3 4 步进电机和自耦变压器18 3 5 键盘接口电路设计2 0 3 6 液晶显示单元设计2 1 3 6 1 液晶显示器功能特点2 2 3 6 2 液晶显示模块与d s p 接口硬件电路设计2 3 3 7 印刷电路板设计2 5 3 7 1 编辑原理图2 5 3 7 2 生成网络表2 5 3 7 3p c b 板布局2 6 3 7 4p c b 板布线2 6 3 8 本章小结2 6 4 系统软件设计2 8 4 1 软件开发环境c c s 2 8 4 2d s p 软件程序流程及配置3 0 4 2 1d s p 软件程序流程3 0 4 2 2d s p 存储单元配置31 4 2 3 看门狗定时器设置3 2 4 3 各模块程序流程图及其程序设计3 3 4 3 1 主程序流程图3 3 4 3 2a d 转换程序设计3 4 4 - 3 3 步进电机驱动程序设计3 6 4 3 4 键盘接口程序设计4 0 4 3 5 液晶显示程序设计4 1 4 4d s p 芯片的初始化4 2 1 绪论 1 1 直流输电发展概况 1 绪论 电力工业是一个国家重要的基础和支柱产业，在国民经济与社会发展中具有举足轻重 的作用，充足、可靠和优质的电力供应已经成为现代文明社会的基础及重要标志之一。电 力技术的发展是从直流电开始的，早期的直流输电是不需要经过换流的直流输电，即发电、 输电和用电均为直流电。如1 8 8 2 年在德国建成的5 7 k m 向慕尼黑国际展览会送电的直流 输电线路( 2 k v ，5 k w ) ；1 8 8 9 年在法国将直流发电机串联而得到高电压，从毛梯埃斯 ( m o u t i e r s ) 到里昂( l y o n ) 的2 3 0 k i n 直流输电线路( 1 2 5 k v ，2 0 m w ) ；1 9 9 7 年加拿大 的纳尔逊河直流输电线路8 9 0 k m 等，均为此种类型。历史上，直流输电最发达地区首推 北美，美国有1 4 个直流输电工程，总容量( 含背靠背) 1 0 1 8 g w ，输电距离为5 8 0 3k m ，其 中背靠背工程8 个，容量为1 9 g w ：加拿大有1 0 个，总容量是8 1 1 g w ，输电距离2 8 1 4k m ， 其中背靠背工程4 个，容量为1 8 2g w 。随着三相交流发电机，感应电动机以及变压器的一 迅速发展，交流电很快取代了发电和用电领域。同时变压器又可以方便地改变交流电压， 从而使交流输电和交流电网得到迅速的发展，并很快占据了统治地位。但在输电领域，直 流具有交流输电所不能取代之处，如远距离海底电缆或地下电缆输电，不同频率电网之间二 的联网或送电等。 直流输电经历了汞弧阀换流时期、晶闸管阀换流时期、新型半导体换流设备的应用时 期三个时期。特别是6 0 年代出现了可控硅元件，为换流器设备开辟了新的途径，同时也， 为高压直流输电带来了新的发展前景。从此以后，直流输电进入了一个高速发展阶段，各 个国家都积极从事直流输电技术的研究和工程建设，迅速将直流输电技术发展起来。随着 可控硅元件不断提高的制造水平以及不断降低的成本，直流输电工程的发展速度更加迅 速，工程规模也显得越来越大。近三十年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制理论 技术的迅猛发展，使得高压直流输电技术的发展也日趋完善起来，直流输电的运行能耗和 建设费用也在不断降低，同时可靠性得到了逐步地提高，直流输电的重要性越来越凸显出 来。目前在海底电缆、大功率远距离输电和交流系统间异步联接等方面都得到了广泛的应 用1 1 。 1 1 1 直流输电在我国的应用现状 我国自2 0 世纪5 0 年代末就开始了对直流输电技术的研究，6 0 年代在电力科学研究 院建立起汞弧阀模拟装置。7 0 年代在上海，在依靠国内技术力量的条件下，利用报废的 交流电缆线路，建立起3 1 k v 直流试验输电线路，开始了直流输电技术在我国的运用。但 是我国的直流输电发展经历曲折并且缓慢，并且从设计、运行及制造等方面来看，与世界 西安工业大学硕士学位论文 先进水平还有很大的差距。目前，我国已经有多个高压直流输电工程投入运行。 1 ) 舟山直流输电工程。我国自己制造的第一项跨海直流输电试验工程，额定电压 1 0 0 k v ，功率5 0 m w 。1 9 8 7 年1 2 月投入试运行，主要用于向舟山群岛供电。 2 ) 葛上( 葛洲坝一上海) 直流输电工程是我国第一项大型直流输电工程。该工程的 设计、设备制造由瑞士a b b 公司和德国西门子公司承包。1 9 8 7 年底建成单极5 0 0 k v ，输 送电力6 0 0 m w ；1 9 9 8 年建成双极5 0 0 k v ，输送电力1 2 0 0 m w 。 3 ) 天广( 天生桥一广州) 直流输电工程额定直流电压5 0 0 k v ，额定输送功率18 0 0 m w 。 天广直流输电工程的建成，使南方电网成为我国第一个交直流并联输电系统。天广线采用 的直流输电新技术有直流有源滤波器、直流电流光检测元件、脉冲回声检测装置，以准确 定位故障位置、实时多处理控制保护系统( 西门子公司的s i n s d y n d 系统) 、局域网控 制系统、运行人员操作工作站和g p s 技术。 4 ) 嵊泗直流输电工程，是我国自己制造的另一项小功率跨海直流输电试验工程。该 工程采用双极海水回路，额定直流电压5 0 k v ，额定输送功率双极6 0 m w 。2 0 0 3 年正式 投入运行，主要用于向嵊泗岛宝钢矿石码头供电。 5 ) 三常( 三峡一常州) 直流输电工程，是我国在建的输电容量最大的直流工程之一。 该工程从2 0 0 0 年开始建设，2 0 0 2 年底已建成单极5 0 0 k v ，输送电力1 5 0 0 m w ；2 0 0 3 年5 月建成双极5 0 0 k v ，输送电力3 0 0 0 m w ，输电线路全长8 9 0 k m 。采用的新技术有实时多 处理控制保护系统( 瑞典a b b 公司的m s r c h 2 系统) 、光纤通信、运行人员操作工作站 的g p s 技术。 6 ) 三广( 三峡一广东) 直流输电工程。从2 0 0 1 年开始建设，2 0 0 4 年上半年建成双极 _ 5 0 0 k v ，输送电力3 0 0 0 m w ，是华中南方两大电网联络线。也采用了a b b 的 m s r c h 2 实时多处理器控制保护系统、光纤通信和检测、g p s 等多项新技术。 7 ) 贵广( 贵州一广东) 直流输电工程。从2 0 0 1 年开始建设，2 0 0 4 年建成单极5 0 0 k v ， 输送电力1 5 0 0 m w ；2 0 0 5 年建成双极5 0 0 l ( v ，输送电力3 0 0 0 m w ，输电线路全长9 0 0 k m ， 是南方电网西电东送的第2 条直流线路。采用了西门子公司的s i n a d y n d 实时多处理器 控制保系统、g p s 直流电流光检测元件和光纤通信等新技术。 8 ) 灵宝背靠背直流输电工程。将西北与华中联网。从2 0 0 3 年开始建设，双极1 2 0 k v ， 输送电力3 6 0 m w ，该直流工程设备完全国产化口3 。 j 1 1 2 高压直流输电系统的特性 1 ) 直流输电技术特别适合于大功率、远距离输电。当输电距离超过6 0 0 9 0 0 k m 这个 等价距离后，采用直流输电比采用交流输电要经济得多。我国的西电东输工程，其输电距 离超过1 0 0 0 k m ，输送容量达1 亿k w ，采用直流输电是最经济且合理的方案和选择。 2 ) 输送相同功率时，线路造价低。 3 ) 线路有功损耗小。由于直流线路没有感抗和容抗，在线路上也就没有无功损耗。 4 ) 直流线路的短路电流较小，直流联网后，短路容量基本没有增大，不会对被联网 2 1 绪论 的交流系统的短路电流水平产生影响，所以直流输电可以限制系统的短路电流。 5 ) 线路在稳态运行时没有电容电流，沿线电压分布比较平稳，线路部分不需要无功 补偿。 6 ) 调节速度快，运行可靠。直流输电通过晶闸管阀换流器能够快速、方便的调节直 流线路电流和功率，可实现各种调节和控制，不仅可以保证正常运行时稳定地输出功率， 也可以在事故情况下，提高系统运行的可靠性口3 。 1 2 研究现状 近年来，我国的高压直流输电工程已经得到长足的发展和日益广泛的应用，用于高压 直流电流测量的直流电流互感器随之也进入了实用化阶段。直流输电时，用直流电流互感 器测量直流电流是直流输电不可缺少的重要设备，在线路起着电流测量和继电保护作用。 我国直流输电虽然发展缓慢，但是直流输电线路及换流站的数量及发展速度在世界上处于 领先地位，高压直流电流互感器技术，也取得了长足发展，有光电式直流电流互感器、电 子式直流电流互感器以及普通直流电流互感器等多种形式。光电式直流电流互感器和电子 式直流电流互感器都解决了互感器高压侧与低压侧的电气隔离问题，绝缘性能好，但是其茹 装置工艺复杂，稳定性不易控制，并且其造价都比较高。普通的直流电流互感器成本低， 且应用比较广泛，但是作为直流电网电量监测及保护的重要设备，直流电流互感器却存在 许多问题，故障率很高。尤其是二次装置中的电源模块问题，给高压端提供一个可靠、稳一 定的电源是保证电流互感器正常工作的关键，也是一个技术难题。 从研究资料看，目前，为直流电流互感器提供电源的设计方案主要有三种：由母线 电流的电磁感应产生，即通过一个小型的电流互感器从电网直接获取能量，再经整流、滤： 波和稳压提供给电路使用。光供电方式。在低压区用半导体激光器将电能转换为光能， 然后通过光纤将能量传输到高压侧，再经过高压侧的光电池将光能变为电能，同时通过 d c d c 变换成稳定的供电电源，供给高压侧电路使用。其他如太阳能、风能等供电方 式，目前以实验研究应用为主，还未进行正式应用。在这三种方案中，光供电方式并没有 完全成熟和完善，并且受目前光电池转换效率、造价、激光器寿命等各种因素影响，限制 了其应用。电磁感应供电方式的电能直接取自被测高压母线，解决了互感器高压侧电路长 期运行的问题从而得到更广泛重视。但电磁感应供电方式同时也存在着明显的缺陷，一是 在断电状态下高压侧有源器件无法工作，二是数安培以下的小电流时难于使互感器实现高 精度测量。使用太阳能装置来提供电源方案，存在着受天气影响，在超、特高压作用下发 生电晕放电、影响整体布局等问题h 1 。因此很有必要解决普通直流电流互感器的二次装置 中的电源模块问题。 1 3 课题研究背景 由于高压直流输电具有输电损耗小的优点，所以高压直流输电将成为输电行业发展的 西安工业大学硕十学位论文 必然趋势，直流输电用直流电流互感器是直流输电不可缺少的重要设备，它用来测量高压 直流输电母线上电流大小，并起着继电保护的作用，因此直流电流互感器成为研究的热点。 直流电流互感器采用饱和电抗器原理研制，s f 6 气体绝缘，该线路由自饱和电抗器组合而 成，自饱和电抗器控制特性的右半部分具有放大作用，而左半部分有近似安匝平衡特性， 其工作原理线图见图1 1 所示，它由两个一次线圈以及二次装置构成。图中，虚线框内为 直流互感器的二次装置，p 卜p 2 为一次端子；s l s 4 为二次端子；t a 、t b 为电流互感器 二次绕组；t 为辅助变压器，根据需要可以输出1 2 0 - - 一1 6 0 v 电压，频率为1 5 0 3 0 0 w ； b l b 5 为整流二极管，2 c z 型，5 0 0 v 5 a ；i h 为无感电阻，1 0q 1 0 0 w ；r f 为辅助电阻， 1 0 0q 1 0 0 w ；u f 为二次装置辅助电压；u 2 为二次装置输出电压；i p 为一次电流；i 。为二 次电流。 图1 1 直流电流互感器工作原理图 直流电流互感器中的一次线圈在二次装置中的交流变压器t 输出电压产生的交流电 流与输电母线上直流电流的共同作用下，使得采样电阻r h 上的输出电压v h 与输电母线 电流i 。成正比关系。直流互感器二次装置中的激励电源变压器输出电压u f ，由于受输电 母线直流高电压大小及一次线圈非线性等众多因素的影响，在直流互感器生产制造过程 中，需要根据输出电压与i h 上电流的非线性关系，以及系统参数反复测试后最终确定变 压器的输出电压，因此设计一种能够精确调整输出电压的数字化交流稳压电源是一个急待 解决的问题，围绕这个问题，本论文在查阅并学习了大量国内外相关资料的基础上，设计 了一套以d s p 处理器为核心的电源装置系统。 1 4 选题意义 直流电流互感器由高压一次线圈和二次装置以及信号采集三部分组成，其整个系统的 测量精度除一次线圈及信号采集两部分外，二次装置中激励电源的性能也起着重要的作 用。由于一次线圈的非线性，需要二次装置中的激励电源具有良好的稳压特性及非线性补 4 l 绪论 偿特性。因整个直流电流互感器系统对激励电源输出电压的精度要求高，可选用变压器种 类太多，使用起来不方便。为了提高直流电流互感器的测量精度，使得二次装置中的激励 电源具有良好的稳压特性及非线性补偿特性，非常有必要研究一种能根据采样电流大小可 以对激励电源输出电压进行调整的具有非线性补偿的交流稳压电源。 文中提出一种采用d s p 技术和步进电机控制技术构成的高精度直流电流互感器二次 激励电源，同时采用小信号直流电流传感器及a d 转换电路实现了二次激励电源的非线 性补偿问题。此电源装置能够精确调整输出电压，为直流电流互感器的配套生产提供了极 大的便利。与此同时，可以降低一次高压线圈的废品率；可以将直流电流互感器的测量精 度提高一个等级；方便于设备的现场安装和调试。 1 5 论文研究主要内容 论文主要分为六章： 第一章是绪论部分，主要介绍了直流输电的发展状况，直流电流互感器工作原理，研 究设计项目的研究背景，同时分析了国内直流电流互感器二次激励电源的研究现状。 第二章是系统方案设计，首先介绍了直流电流互感器二次激励电源装置的实现方法，i 选定了系统的设计方案，进而对系统的组成结构、系统方案的工作原理进行了详细阐述， 为后文硬件及软件的具体设计奠定了基础。 第三章是系统硬件电路设计，对系统中各单元电路进行了设计。各功能单元电路包、 括d s p 最小系统、信号采集电路、步进电机驱动电路、步进电机和自耦变压器、键盘接 口电路及液晶显示电路。同时对系统显控部分的控制电路，按键及l c d 液晶显示电路进 行了研究，讨论了慢速的液晶显示设备和d s p 的时序匹配问题，最后讲述了印刷电路板 的设计过程。 第四章是系统软件设计。主要做了以下工作：对软件开发环境c c s 及d s p 软件程 序流程进行了介绍，其次对d s p 存储单元进行配置，并对看门狗定时器进行设置。在 完成了系统的主流程图设计后，利用各个模块的流程图分析了其实现过程，包括a d 转 换软件设计，步进电机接口软件设计，按键接口软件设计及液晶显示接口软件设计。 对d s p 进行芯片的初始化，结合d s p 的特点，利用c 语言作为编程语言，进行各个模 块的软件设计。 ， 第五章是系统调试。对系统进行软硬件调试以及实验数据分析，完成了对直流电流互 感器二次激励电源的设计验证工作，从理论研究上升到实际工程的应用。 第六章是总结和展望，主要是对论文工作的总结，对现有的方法进行分析，预见不足， 同时展望更加优越的方法。 5 西安工业大学硕士学位论文 2 系统方案设计 直流电流互感器二次装置激励电源的实现共有三种方法。第一种方法就是采用传统的 变压器实现激励电源的供电方法，为了满足现场调试的需要，需在电源变压器的次级预留 许多抽头，抽头之间的电压相差5 , 、- , 1 0 v 不等。这种方法的优点是结构简单，但其致命的 缺点是输出电压无法连续调节，另外一个缺点是无法进行输出电压的非线性补偿。 第二种方法是利用单片机以及i g b t 电路构成一个输出电压可连续调整的交流稳压 电源。该方案可以完成输出电压的连续调节功能，实现了高精度要求，也可以根据电流进 行输出电压的非线性补偿。但其缺点是需要的电源功率大，因而电源的体积大；另外由于 单片机运行速度较低，补偿实时性较差，导致系统升级能力较差。 第三种方法是基于d s p 的直流电流互感器二次装置系统，该系统不仅具有单片机组 成系统的优点，而且也填补了单片机组成系统的所有缺点。本设计中选取第三种激励电源 的实现方法。 2 1 系统组成结构 直流电流互感器二次激励电源装置是利用d s p 技术及步进电机控制技术设计一个输 入电压为交流2 2 0 v ，能根据采样电流大小，使其输出电压在1 0 0 - 5 0 0 v 之间可以任意设 定，并能根据采样电流大小进行非线性补偿的高精度交流稳压电源。其由d s p 、a d 转 换电路、步进电机驱动电路、步进电机、自耦变压器、电压信号采集电路、电流信号采集 电路、按键及l c d 液晶显示九个部分组成。系统总体结构框图如图2 1 所示。其中，d s p 为主控芯片，电压信号采集电路采集图1 1 中激励电源输出电压u f ：电流信号采集电路使 2 系统方案设计 动电路接收d s p 发出的步进脉冲信号以及方向电平信号控制步进电机的旋转；步进电机 的旋转带动自耦变压器进行升压降压调整；a d 转换电路采集电压信号和电流信号，将模 拟量变为数字量，方便d s p 进行处理；按键用来完成模式的选择、输出电压的升降调整、 输出电压的设定即采样电流与输出电压对应关系的设定；l c d 液晶进行显示，完成整个 系统的人机交互功能。 2 2 系统工作原理 在系统设计中，直流电流互感器二次激励电源装置系统具有两种工作模式：即自动稳 压模式和非线性补偿模式。 当系统工作在自动稳压模式时，无论输入电压如何变化，系统的输出电压数值始终保 持设定的电压数值。其工作原理是：通过按键设定二次激励电源的输出电压，系统通过电 压信号采集电路采集激励电源的输出电压。当采集回的电压比设定的输出电压小时，d s p 就控制步进电机顺时针旋转，带动自耦变压器进行输出电压升压调节，直到激励电源输出 电压达到设定电压要求；当采集回的电压比设定的输出电压大时，d s p 就控制步进电机 逆时针旋转，进行输出电压降压调节，直到激励电源输出电压达到设定电压的要求。 、 当系统工作在非线性补偿模式时，激励电源输出电压会根据设定的采样电流与输出电 压的对应关系输出电压，并且输出电压不受输入电压的变化影响。其工作原理是：首先通 过键盘输入二次激励电源输出电压u f 与二次电流i 。的对应关系，设定好两者之间的非线一 性关系，其中1 0 0 v u 件 v e c s p a g e0 p v e c s ： ) p v e c s p a g e0 t e x t ： p r o g p a g e0 c i n i t ： ) p r o g p a g e0 b s s ： ) s a r a m p a g e1 c o n s t ： ) s a r a m p a g e1 s t a c k ： b 1p a g e1 ) 4 2 3 看门狗定时器设置 看门狗定时器( w d ) 模块用来监视软件和硬件的操作，在软件操作进入一个不正 常的循环或者c p u 工作出现暂时性异常时，w d 定时器溢出以产生一个系统复位4 1 。大 多数芯片的异常操作以及c p u 非正常工作的情况都能通过看门狗的功能清除和复位。 因此看门狗的监视功能可增强系统的工作可靠性，以确保系统安全、不间断地运行和稳 定。看门狗计数器( w d c n t r ) 是一个8 位的增值计数器，它的计数源由预定标器的输 出来提供。当系统正常工作时，在w d c n t r 溢出前，只要给复位关键字寄存器写入一 个正确值，即能去清除看门狗计数器，使它从0 开始计数而不会产生溢出及复位操作， 所使用的语句是： 3 2 4 系统软件设计 l d p# 0 0 e o h s p l k # 0 5 5 5 5 h ，w d k e y s p l k # 0 a a a a h ，w d k e y 只有写完5 5 h 后接着写a a h 至w d k e y 中才会清除w d c n t r 。 4 3 各模块程序流程图及其程序设计 4 3 1 主程序流程图 根据本系统装置所要实现的功能，软件采用模块化的设计方法，对各个模块进行与 硬件系统相应的软件编程。并利用c c s 开发环境，完成对软件的设计、编辑、编译、链 接、调试、仿真等整个开发流程。该系统主程序的工作流程如图4 3 所示。 在整个流程图中，系统先开始上电，再进行初始化，此处包括d s p 初始化、a d 转 换器初始化以及l c d 液晶显示初始化。然后选择工作模式，若选择工作模式一，即为 自动稳压模式，则设定输出电压数值，这时进入a d 转换的只是输出的电压；再将输出 电压值与设定电压值进行比较，若相符，则返回，若不相符，则立即进行电压调整，直 到两值相符。若选择工作模式二，即为非线性补偿模式，则设定采样电流与输出电压的 对应关系，并同时进入a d 转换，若满足已设定好的关系，则返回，若不满足对应关系， 则立即进行电压调整，直到符合已设定的对应关系。 图4 3 系统主程序 3 3 西安工业大学硕七学位论文 4 3 2a d 转换程序设计 这部分软件设计主要完成模拟通道的选择，信号的采集以及控制w d 转换过程并将 转换结果数据读到d s p 内的存储空间。在系统初始化工作结束后，就开始运行a d 转 换部分的程序。a d 转换部分主要包括采样通道数设置、同步采样控制、以及采样数据 读取三个主要的工作。 d s p 芯片l f 2 4 0 7 中模数转换( a d c ) 模块由s e q l 和s e q 2 两个8 状态排序器构成， 同时也可经过级联将这两个排序器作为个1 6 状态的排序器( s e q ) 使用。在这两种 不同的工作方式下，任意一个转换通道次序都可由a d c 模块进行排序转换；多路选择 器可用来对1 6 个通道的模拟输入通道进行选择。转换工作结束后，第1 通道的转换结 果可保存在r e s u l t 0 中，依此类推，相应的结果寄存器( r e s u l t n ) 口- 保存所选通道转换 后的数字量。进行采样时，也可以对同一通道进行“过采样 。同时应该注意到，由于 d s p 只有一个a d 转换器，所以此转换器由在双排序器工作模式下的( s e q l 和s e q 2 ) 两个排序器共享。 m a xc o n v n ( m a xc o n v 寄存器中的一个3 位段域或4 位段域) 控制一次转换排 序中的转换通道个数。转换一开始，其值被自动加载入自动排序状态寄存器 ( a u t os e qs r ) 中的排序计数器状态域( s e q c n t r 3 4 ) ) 。转换通道个数由m a x c o n v 域中0 - 1 5 的值对应起来，在双排序模式下为0 - - 7 的值。当排序器从状态c o n v 0 0 开 始依次进行转换时，s e qc n t r n 段域的值从装载值开始向下计数，直到s e qc n t r n 为 o ，一次自动排序中完成的转换数为m a xc o n v n + i 。 本系统中模拟通道选择a d c l n 0 0 和a d c i n 0 1 ，分别采样激励电源输出电压u f 以及 图1 1 中采样电流i 。同时状态排序器选择s e q 模式。 1 ) 模数转换模块的触发源 模数转换模块a d c 的每一个排序器都有一组能够被使能或禁止的触发源，见表4 1 所示。 表4 1s e q l 、s e q 2 、s e q 触发源 a 软件触发 由软件向a d c t r l 2 的位1 3 或位5 写1 可立即启动片内a ，d ；在双排序工作模式下 位1 3 启动s e q l ，位5 启动s e q 2 ；在级联工作模式下位1 3 启动s e q ，而s e q 2 的触发 3 4 4 系统软件设计 信号被忽略。 b 事件管理器e v a 触发 在e v a 中有多个a d 触发源，如定时器上溢、下溢、周期中断和比较中断事件。 事件管理模块e v a 有2 个通用定时器l 和2 ，其分别包括以下主要模块： ( 1 ) 一个1 6 位定时器比较寄存器t x c m p r ( x = l 、2 ) ； ( 2 ) 一个定时器周期寄存器t x p r ( x = l 、2 ) ： ( 3 ) 一个1 6 位定时器控制寄存器t x c o n ( x - 1 、2 ) ； ( 4 ) 全局控制寄存器g p t c o n a b ，对不同的定时器事件指定定时器采取的动作； ( 5 ) 一个1 6 位增减计数器t x c n t ( x = l 、2 ) 。 通用定时器的输出模块有启动a d c 的功能。 c 事件管理器e v b 触发 在e v b 中有多个事件源，与e v a 类似。 d 外部电平触发 在x i n t 2 a d c s o c 引脚出现电平跳变时，触发外部中断x i n t 2 ，同时也触发a d 转换。引脚x i n t 2 a d c s o c 作为a d 转换的触发源，通过设置外部中断2 控制寄存器 x i n t 2 c r 的位2 来选择上升沿( 位2 = 1 ) 或下降沿( = 0 ) 产生中断触发a d c 。 本系统使用外部电平触发a d c 。下面是一段用a d s o c 方法启动a d c 的部分程序， 利用x i n t 2 引脚上升沿产生中断，在中断服务子程序中判断a d 转换是否结束，从而。 读取数据。 m a i n ( ) * m a x c o n v = 0 x 0 0 0 0 ； 产转换一个通道 c h s e l s e ql = 0 x 0 0 0 2 ；产转换2 通道幸 * a d c t r l i = 0 x 4 0 0 0 ；* a d s o c 启动a d 必须先复位a d c * * a d c t r l i = 0 x 3 0 1 0 ； 产退出复位宰 * a d c t r l 2 = 0 x 0 0 8 4 ；* a d s o c 启动转换 x i n t 2 c r - _ 0 x 0 0 0 5 ：产x i n t 2 上升沿触发，高优先级中断+ w h i l e ( 1 ) ) 产等待采样+ v o i di n t e r r u p tx r n t 2 ( v o i d ) e o c _ _ f l a g ：0 x 1 0 0 0 ； w h i l e ( e o c _ f l a g = = 0 x l0 0 0 ) e o c _ f l a g = 幸a d c t r l 2 ； e o c _ f l a g = e o c _ f l a g & 0 x l0 0 0 ； ， t e m p = a d c i n t 2 6 ；