（电气工程专业论文）基于线圈电流波形识别的真空永磁断路器智能控制器的研究与设计.pdf

中文摘要 摘要：本文首先对双稳态永磁操动机构的原理、静态、动态特性及控制系统 进行研究分析。建立了相应的数学模型，并对动态过程进行了分析。通过动态特 性的计算，获得永磁操动机构线圈电流随时间变化的曲线。以此理论为基础，本 文研究了一种根据永磁机构驱动线圈电流波形来判断触头状念的控制方法，通过 对驱动线圈的电流波形检测作为分合闸是否到位的依据，避免了因为位置开关故 障导致的可靠性问题。 本文设计和实现了基于线圈电流波形识别的智能控制器，该控制器采用 c 8 0 5 1 f 0 0 5 微处理器，采用分合闸线圈电流波形作为分合闸控制依据。除此之外， 本文设计的控制器还具有自动巡检功能和完善的报警功能。本文将嵌入式实时操 作系统pc o s - i i 引入到了智能控制器的软件系统中，i lc o s - i i 的多任务机制有 效地提高系统的资源利用率。通过引入实时操作系统i jc o s - i i ，不仅提高了系统 的实时性和可靠性，也使得软件设计更加模块化，提高了开发效率也便于软件后 期维护和修改。 本文还设计了相应的p c 端监控软件，该软件为控制器的监控提供了一个直观 的人机界面，控制器上传的状念信息、电流波形信息、模块故障信息状态、驱动 能源状态信息等在控制界面上实时直观地显示出来。通过该软件亦能对断路器发 出分合闸命令、进行远程的参数设置和数据索取。 关键词：永磁操动机构，智能控制器，波形识别，嵌入式实时操作系统，p c o s i i j 丘塞銮堑厶堂亟堂位i 金塞旦s 至至 a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h i st h e s i sf i r s ta n a l y z et h ep r i n c i p l e s ，t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s a n dc o n t r o ls y s t e mo fb i - s t a b l ep e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r t h e nis e tu pa m a t h e m a t i c a lm o d e la n dm a k eaa n a l y s i so fd y n a m i cp r o c e s s t h r o u g ht h ec a l c u l a t i o n o fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ， ig e tac u r v ea b o u tt h ep e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o rc o i l c u r r e n tw h i c hc h a n g e so v e r - t i m e b a s e do nt h i st h e o r y ，t h i st h e s i sr e s e a r c hac o n t r o l m e t h o dw h i c hd e p e n do np e r m a n e n tm a g n e td r i v ec o i lc u r r e n tw a v e f o r l nt od e t e r m i n e t h es t a t u so ft h ec o n t a c t ，t h r o u g ht h ed e t e c t i o no ft h ed r i v ec o i lc u r r e n tw a v e f o r n la s t h ee v i d e n c eo f s u b s w i t c hw h e t h e ro rn o ti np l a c e ，f i n a l l ya v o i dt h er e l i a b i l i t yp r o b l e m s w h i c hc a u s e db yt h ef a i l u r eo f p o s i t i o ns e n s o r t h ed e s i g na n di m p l e m e n to ft h i st h e s i si sb a s e do nt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ro fc o i l c u r r e n tw a v e f o r mr e c o g n i t i o n t h i sc o n t r o l l e ru s et h ec 8 0 51f 0 0 5m i c r o p r o c e s s o ra n d a l s ou s et h es u b s w i t c hc o i lc u r r e n tw a v e f o r ma st h ee v i d e n c eo ft h es u b s w i t c hc o n t r 0 1 i na d d i t i o n ，t h ec o n t r o l l e rw h i c hi sd e s i g n e di n t h i st h e s i sa l s oh a st h ea u t o m a t i c i n s p e c t i o nf u n c t i o na n dt h ei m p r o v e da l a r mf u n c t i o n t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ee m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m “c o s - i ii n t ot h e i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rs o f t w a r es y s t e m ，t h em u l t i t a s k i n gm e c h a n i s mo ft h e1 t c | o s - i i c a l li m p r o v e st h es y s t e mr e s o u r c eu t i l i z a t i o nm o r ee f f e c t i v e t h ei n t r o d u c t i o no f r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e mpc o s i in o to n l yi m p r o v et h es y s t e m sr e a l - t i m e p e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y ， b u ta l s om a k et h ed e s i g n i n go fs o f t w a r em o r em o d u l a r ， f i n a l l yi m p r o v e st h ed e v e l o p i n ge f f i c i e n c yo ft h es o f t w a r ew h i ri sf a c i l i t a t e dt ot h e l a t t e rm a i n t e n a n c ea n dm o d i f i c a t i o n k e y w o r d s ：p e r m a n e n tm a g n e t i c a c t u a t o r ， i n t e l l i g e n t c o n t r o l l e r ，w a v e f o r i l l r e c o g n i t i o n ， e m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，1 t c | o s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 7 签字日期：7 年月叩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期： 口彳年月l 严日 签字日期： 呷年6 月7 日 致谢 值此论文即将完成之际，我的研究生生涯也将要画上一个句号。回首往事， 感慨良多：老师们循循善诱的教诲，同学们真挚的友谊，无不成为我今生永难忘却 的回忆! 衷心感谢我的导师王毅教授。作为我的指导教师，王老师孜孜不倦的求学精 神和踏实严谨的治学态度对我的成长影响殊深。在整个课题的研究和论文的撰写 过程中，我自始至终得到了王老师的悉心指导和帮助。不仅如此，在生活中王老 师如慈父般呵护和关心我，让我深受感动。两年多来，与王老师的相处过程中， 我不仅在专业知识学习上和动手实践上收获很多，而且在如何面对挑战、如何做 人等方面受益匪浅。老师的教诲和培育将伴我一生! 在研究生的学习生活期间，感谢实验室常广，罗礼，张祥龙全三位博士师兄 和柏泽龙、王佳曦、汤文等同学的大力支持，在此表示真诚的感谢! 最后，衷心感谢我的父母，二十几年来，我的每一步都离不开他们在身后的 支持和关爱，养育之恩，终生难报谨以此文献给他们，祝他们永远健康、平安、 幸福! 再次向所有关心、支持和帮助过的亲人、师长和朋友们表示衷心的感谢，并 致以最崇高的敬意! 作者：马力 2 0 0 9 5 5 绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，社会对电力的需求越来越大， 而电力法的公布和执行，更要求电力供电部门提供安全、经济、可靠和高质量的 电力。随着电力系统提高供电质量的要求，对电力系统的可靠性及自动化程度要 求越来越高，无论是发电、输电、配电等，都提出了对电气设备监测、控制、保 护等方面的自动化和智能化的要求。电力系统的自动化和智能化取决于基础元件 的智能化，而断路器是电力系统中最重要的基础元件，它的任务是关、合电流及 开断短路故障电流，因此智能化的断路器是电力系统高可靠性和智能化的先决条 件。 研究断路器智能控制技术对于保证供电的可靠性、稳定性，改善供电质量， 切实提高企业的经济效益和工作效率具有重要意义。随着微处理器技术、电力电 子技术和智能控制理论的迅速发展及其在电力系统领域的广泛应用，智能化成为 工业装置的发展趋势。在断路器领域，智能化断路器发展迅速，其动力首先来肾 电力系统越来越高的可靠性要求及其越来越高的自动化程度。现代配电和用电系 统都要求在监测、控制及保护等方面完全自动化和智能化，断路器作为最重要的 电力系统控制元件，其智能化则是上述自动化与智能化的基础。为满足电力系统。 同益提高的可靠性要求，电力设备的状态检修技术得到了飞速发展，这一技术要 求设备能自诊断、运行状态可控、能及时发现故障的前兆，这与断路器智能化的 基本要求是一致的。因此，开发与研制智能断路器具有及其重要的意义。 真空断路器是利用真空作为灭弧介质和绝缘介质，动、静触头被密封在真空 泡内。它的特点是丌断短路电流能力强，体积小，无污染，操作方便，易维护， 适用于频繁操作的场合，如补偿电容器。在中压领域，特别是配网自动化中f 得 到越来越广泛的应用。 早期设计的真空断路器操动机构为电磁操动机构或弹簧操动机构。电磁操动 机构较弹簧操动机构具有结构简单、制造成本低等优点，但其缺点是合闸线圈消 耗的功率太大、合闸时间较长、电压波动对合闸速度的影响较大，同时电磁机构 带有机械锁扣装置，机械附件较多；弹簧操动机构与电磁操动机构有很大不同。 弹簧操动机构的关键部件为合闸弹簧和分闸弹簧。它将电机的机械功在短时问内 储存在合闸弹簧中，然后将合闸弹簧中的能量释放进行合闸，同时，分闸弹簧储 能。缺点是完全依靠机械传动，零部件多，故障率较高，对零件的制造工艺、加 工精度要求高。 近年来，一种用于真空断路器的电子控制、永磁保持的电磁操动机构( 简称永 磁操动机构) 备受关注。永磁机构通过将电磁机构与永久磁铁的特殊结合来实现传 统断路器操动机构的全部功能，其最大特点在于它无需传统的脱扣和锁扣装置即 可实现机构终端位置的保持功能。永磁机构动作部件少，中间转换和连接机构也 很少，这大大减小了动作时间的分散性和不可控性，并且机构的所有动作都可电 控。因此永磁机构为断路器实现自身的智能控制提供了可靠的操动机构，为开发 智能化断路器提供了条件。f 1 】1 2 5 1 1 2 断路器控制器的国内外发展状况 传统意义上的断路器是一个被动执行开断和关合线路的装置，其操作指令来 自于人工命令或继电保护单元，断路器本身无检测、判断电力系统故障和监视自 身状态的能力。随着现代电子技术的发展，利用徽电子技术和计算机技术不但可 以使断路器通过测量某些参数和监测自身的状态来及时发现故障隐患，而且可以 对电力系统参数进行自动采集、处理和故障识别，并根据预先确定的程序自动切 除故障。除此之外，还可实现断路器与中央控制计算机的双向通信，构成智能化 监控、保护、信息网络系统，使断路器从基本的保护单元发展到能够实现数据监 控、处理、联网和远程控制的智能保护单元。【3 】 目前，有关真空断路器的智能控制技术有了长足的发展。自1 9 8 5 年出现第一 台以微处理器为基础的智能型断路器以来，法国梅兰日兰( m g ) 公司、日本寺崎公 司、美国西屋公司、瑞士a b b 公司等相继开发了带微处理器的智能断路器。九十 年代，国外许多公司又相继开发出智能断路器的集中控制和检测系统，包括有多 种平台和相应软件支持的中央计算机控制系统、智能化断路器的对话模块、低压 配电装置的监控系统等 国内在微机保护和监控系统的研制方面起步较晚，主要从引进技术和自行开 发两个方面进行，产品的主要性能跟国外相比还存在较大的差距。且研究主要集 中在变电站综合自动化系统，而以断路器为控制对象的智能化产品则很少，直到 1 9 9 6 年才有针对单个断路器的测控单元出现，且其功能还有待完善和提高。目前， 我国正致力于开发国产第四代断路器一智能化、可通信断路器，其主要特征是在 智能化的基础上具备现场总线的可通信特点，这一特点使得断路器可以和中央控 制设备，包括中央控制计算机和可编程逻辑控制器实现双向数据通信，以达到遥 控( 断路器合、分闸) 、遥测、遥调和遥讯的“四遥”功能，从而实现网络管理。 4 1 1 6 绪论 1 3 本文研究目的及意义 目前的真空永磁断路器都是利用位置开关来判别断路器触头位置的。随着遥 测、遥控技术的提高，利用位置传感器作为判别断路器是否正常运行是不够的。 一旦位置传感器由于自身的故障，就会造成断路器的可靠性降低，甚至造成拒分、 拒合的事故。尽管能够通过设定固定分、合闸时间来控制分、合闸操作勉强处理 此问题，但还是不日- - 匕。- , 判断出断路器所处的位置( 由于位置开关已坏) ，因此不能从 根本上解决该类问题。为了更好解决这一问题，本文将研究用于双稳态永磁操动 机构的基于驱动线圈的电流波形检测的分合闸控制技术。 由于断路器分闸和合闸过程中的负载特性是不同的，要求的速度特性也不同。 单稳态永磁机构中只有单独一个线圈，匝数一定，难以很好地实现分闸和合闸操 作，并且励磁电流在分闸和合闸时方向不同，使得控制回路的设计比较复杂，因 此采用双稳态的永磁操动机构方案。操动机构分的合闸驱动线圈的电流波形检测 控制的设计实现是整个方案中的核心，通过对驱动线圈的电流波形检测作为控制 信号，实现断路器的可靠合分闸。通过分析可知，当一台断路器机械结构固定后， 分闸和合闸所需的能量就相对固定，线圈电流波形也相对固定。本项目中以电流 波形特征为依据，对驱动线圈进行控制，实现分合闸的双重保险控制。基于驱动 线圈的电流波形检测有着传统基于位置开关的控制方式所无法比拟的优点，并且 根本上地解决了由位置开关故障导致的可靠性问题。 本文研究的智能控制器采用基于驱动线圈的电流波形检测的分合闸控制策 略，这种创新的控制方式的研究目前正在起步阶段，在国内外的应用几乎是空白， 因此对其的研究有着重要的意义。 同时，为了实现断路器的高智能化，本文研究的智能控制器还应有较强的逻 辑判断，分析能力，可以实现检测，判断，动作，通信，显示和报警功能，保证 了系统工作的可靠性和稳定性；具有自动巡检功能，能对电源电压、驱动机构线 圈、大功率管i g b t 以及断路器触头位置进行检测，当发现异常时能立即报警，并 指示具体故障部位。记录故障类型，用户可以根据指示故障部位查找故障原因； 具有良好人机对话功能，能通过标准通信接口可以方便实现对断路器的远程计算 机控制；具有完善的报警系统，当控制器出现故障和电压异常时，能提供声光报 警指示，并记录下故障类型，用户可根据指示查出故障部位和原因；具有良好抗 干扰能力。 本文采用了基于嵌入式实时操作系统pc o s i i 的软件设计方案。由于引入了 操作系统，使得各个任务得以独立开来，由操作系统进行调度，因此大大降低了 控制器软件设计的复杂程度，使得软件功能更多，更可靠。这对提高控制器的智 1 7 能化水平有着重要的作用，随着今后永磁真空断路器智能化水平的不断提高，嵌 入式实时操作系统将是智能控制器软件发展的必然方向。 本文研究的智能控制器结合了全新的基于驱动线圈的电流波形检测的分合闸 控制策略和基于嵌入式操作系统的软件结构，从而使控制系统更加的智能化。因 此，操动机构整体上可靠性进一步得到提高，可实现真正的免维护运行，并能提 高开关装置的智能化水平。 1 4 作者所做的主要工作及论文内容安排 本文研究工作的主要内容是研究双稳态永磁操动机构的智能控制器单元，研 究重点是智能控制器的硬件和软件设计，主要完成如下工作： ( 1 ) 研究t x 2 稳态永磁操动机构的结构组成、工作原理和机理特性。并且对其 进行了动态建模分析。 ( 2 ) 学习了嵌入式实时操作系统pc 0 s i i 的基本原理，完成了该系统向c 8 0 5 1 单片机的移植。 ( 3 ) 根据智能控制器的功能要求和技术指标，完成断路器智能控制器的总体设 计。 ( 4 ) 根据总体设计完成了智能控制器硬件原理图的设计和印刷电路板( p c b ) 的 设计制作。 ( 5 ) 完成了智能控制器基于| lc o s i i 操作系统的数据采集、和通信的驱动程 序，以及各功能任务程序的设计，并最终完成整个控制器软件的组装和调试。 ( 6 ) 完成上位机的监控软件设计。 根据本文所做的主要工作，论文各章内容安排如下： 第一章为绪论，介绍课题的背景及意义、断路器智能控制器的的发展现状及 发展趋势，本文研究的控制器的大致设计方案以及作者所做的主要工作。 第二章详细分析了双线圈双稳态永磁操动机构的结构组成、工作原理和机理 特性。并且对双稳态永磁机构进行了动念建模分析，得到其驱动线圈电流特性。 第三章详细介绍了智能控制器的硬件设计。 第四章阐述了嵌入式实时操作系统uc o s i i 的基本原理构成以及操作系统 的移植。 第五章详细介绍智能控制器基于pc o s i i 的软件设计以及上位机的软件设 计。 第六章进行工作的总结与展望 双稳态永磁操动机构的机理特性分析 第二章双稳态永磁操动机构的机理特性分析 2 1 双稳态永磁操动机构的基本原理及其特性分析 2 1 1 双稳态永磁操动机构的基本结构 永磁机构及其实质而言，是用永磁体实现合闸保持合分闸保持的一种新型的 电磁操动机构。双稳态永磁机构的合闸于分闸都采用电磁操动。其基本结构如图 2 1 ： 1 静铁心2 动铁心3 、4 永磁体5 分闸线圈6 - 合闸线圈7 驱动杆 图2 1 永磁机构剖面简图 f i g 2 1p r o f i l e so fp e r m a n e n tm a g n e t i ca c t u a t o r 永磁机构共由七个主要零件组成：l 静铁心，为机构提供磁路通道，对于方形 结构一般采用硅钢片叠形结构，圆形结构则采用电工纯铁或低碳钢；2 动铁心，是 整个机构中最主要的运动部件，一般采用电工纯铁或低碳钢结构；3 、4 为永久磁 体，为机构提供保持时所需要的动力；5 、6 为分闸线圈和合闸线圈：7 为驱动杆， 是操动机构与断路器传动机构之间的连接纽带。当断路器处于合闸或分闸位置时， 线圈中无电流通过，永久磁铁利用动静铁心提供的低磁阻抗通道将动铁心保持在 上、下极限位置，而不需要任何机械连锁。当有动作信号时，合闸或分闸线圈中 的电流产生磁动势，动、静铁心中的磁场由线圈产生的磁场与永磁体产生的磁场 迭加合成，动铁心连同固定在上面的驱动杆，在合成磁场力的作用下，在规定的 1 9 定，分合闸时间的分散性可以控制在l m s 之内。 ( 3 ) 永磁机构可以配用现代化的电子控制装置，适应配电自动化的要求。电子 控制系统不仅可以完成分、合闸控制，而且还可以完成某些继电保护功能、通信 功能、遥控、在线检测等。电子控制还可以精确发出分合闸信号，为同步开关创 造条件。【8 】 2 1 2 磁路原理分析 双稳态永磁机构的原理图如图2 3 所示。图2 3 是其磁路图，这是永磁机构的 一种典型磁路。磁路中的磁动势及磁阻组成钕铁硼永磁体的等效磁路，由 于钕铁硼材料的去磁曲线基本上是一直线，因此与如取常数，其中i 为线圈 电流，n m 为线圈匝数。磁路中两个控制线圈的安匝数设为加l 和n 2 ，两个工作 气隙的磁阻r l ，i 也均可表示为：【9 】 i o 】【l l 】【1 2 】 r = 万l o s ( 2 1 ) 式中，t o 为空气磁导率；s 为磁极面积，6 为空气隙长度，当动铁心位两 个极端位置时，空气隙的磁阻为r o 及r 万 r o = 6 0 l o s ( 2 2 ) r 8 = 万小z o s ( 2 3 ) 式中，万。为最小气隙长度，赢为最大气隙长度，函 5 4 1 分闸控制与合闸控制任务 合闸控制任务与分闸控制任务功能结构基本一致，为了防止误动作，他们的 任务结构采用运行完自我删除的结构： v o i dy o u r t a s k ( v o i d 木p d a t a ) 木用户代码幸 o s t a s k d e i ( o s _ p r i o _ s e l f ) ；* 删除任务 ) 当接到分闸命令( 合闸命令) 时分闸任务( 合闸任务) 将被创建，当任务运 行完后将删除任务本身。 智能控制器软件设计与实现 5 4 1 1 分闸控制任务 图5 8 是分闸控制任务的程序流程图： 一y 删除f e 务! 1 一一 ，i 一 图5 - 8 分闸控制任务的样序流样图 f i g 5 8p r o g r a mf l o wc h a r to ft r i p i n gc o n t r o l l i n gt a s k 当接到分闸命令时，程序便会创建分闸控制任务。在分闸控制任务首先会检 测电源电压，若超出允许范围便拒绝动作并报警。然后便驱动导通分闸线圈控制 i g b t ，给分闸线圈通电，并启动a d 转换。之后分闸任务就进入延时等待( 等待时 间为设置的分闸线圈导通时间) ，当延时时间到之后，任务被唤醒，唤醒后的任务 首先关断分闸线圈控制i g b t ，然后停止a d 转换。接下来便是电流波形的识别，如 果电流波形为正常的分闸电流，则说明分闸操作成功；如果电流波形不正常，则 6 7 一一一一一|羹删一 应该立刻重新分闸，若重新分闸依然不成功，就停止分闸操作并且报警。完成所 有操作后任务便自我删除，结束任务。 另外，若是接到分闸命令的时候显示是在分闸位置，任务会先报警，然后继 续分闸操作，直到确认是触头在分闸位置再停止操作，并且提示命令错误。 5 4 1 2 合闸控制任务 图5 - 9 为合闸控制任务程序流程图： y v 一一 i 断开分闸线t t 图5 9 合闸控制任务程序流程图 f i g 5 9p r o g r a mf l o wc h a r to fc l o s i n gc o n t r o l l i n gt a s k 智能控制器软件设计与实现 合闸控制流程与分闸控制流程基本相同，因此就不具体阐述，在这里就说明 一点区别：当合闸电流波形不正常时并不是直接重合闸，而是需要马上分闸，然 后可以延时一段时间( 该时间由用户设黄) ，延时之后再进行重合闸操作。 5 4 1 3 分合闸电流波形识别的实现 前面已经对永磁机构的特性进行了建模与分析，当一台断路器机械结构固定 后，分闸和合闸所需的能量就相对固定，线圈电流波形也相对固定。分闸线圈与 合闸线圈由于参数不同，因此分闸线圈电流会稍大一些，但是两者特性是一致的。 下面以分闸电流为例来介绍基于线圈电流波形的识别原理。当触头在合闸位 置时接通分闸线圈，直至触头移动至分闸位置并且到位，然后断开分闸线圈。这 个过程中分闸线圈的电流波形如图5 1 0 ( a ) 所示，即是正常分闸电流波形。当触头 本来就在分闸位置时给分闸线圈通电一段时间后断开分闸线圈，分闸线圈的电流 波形就图5 - 1 0 ( b ) 所示，既是在分闸位置分闸电流波形。 本设计中的电流波形识别算法，主要是通过找采样波形的极点来进行波形的 比对。显然，一个正常的分闸电流波形包含一个极大值点与一个极小值点，根据 第二章的分析可知，电流的极大值点实际上表明动触头开始运动，而当触头停止 运动之后电流达到极小值点，然后开始上升。 01 0 2 03 0 4 0 5 06 07 0 01 02 03 04 05 06 0t 0 ( a )( b ) 正常分闸电流在分闸位置分闸电流 图5 1 0 分闸电流波形( 图中横轴单位为m s ，纵轴单位为a ) f i g 5 - 10c u r r e n tw a v eo ft r i p i n gc o i l 针对此波形，需要关心的是这几个特征： 电流极大值点i m a x 电流极大值点对应的时间t m a x 墙 d 扣 坩 0 电流极小值点h n i n 电流极大值点对应的时间t m i n 显然，当操作电压与断路器永磁操动机构的结构确定后，以上几个参数也就 确定了下来，因此电流波形识别程序主要工作就是找采样数据中的极值点，并且 与试验测得的数据进行对比。只要根据波形极值点的情况，首先可以判别波形的 大致形状，能够判断其是分闸电流波形还是分闸位置分闸电流波形，是合闸电流 波形还是合闸位置合闸电流波形。通过进一步判断极值点的大小与时间是否与机 构本身特性一致，便可以确定触头运动是否到位，从而判断分合闸闸操作是否成 功。同时为了保证波形识别的可靠性，软件上需要进行滤波，确保被分析波形的 可靠性。 下面是波形识别程序中的一部分代码，这段代码的功能就是找出波形的极点， 并且具有简单的滤波功能，通过设置门槛值h 来忽略电流值在+ - h 范围内的抖动。 数组a d c h e c k l 中存放的便是待识别的电流数据，a d c h e c k 3 是一个2 维数组，旱面 存放的是找到的极点的电流值以及其时间坐标。 w h i l e ( i t ) w h i l e ( ( a d c h e e k1 【j 卜a d c h e c k1 【i 】 h a d c h e c ki i 卜a d c h e c ki j 】 h ) 盎j 2 0 ) a d c h e c k 3 【i i 】【0 】= j j ；a d c h e c k 3 i i 】【1 = t e m p ：i i + + ： a d c h e c k 3 i i 】【0 】= j 一1 ： a d c h e c k 3 i i 】 1 = a d c h e c k i j - 1 ： i i + + ： 】 r a i s e = l ： e l s e i f ( r a i s e = = 1 ) i f ( j - j j 2 0 ) a d c h e c k 3 【i i 】【0 】= j j ：a d c h e c k 3 【i i 】 1 = t e m p ：i i + + ： a d c h e c k 3 i i 】 0 = j 一1 ： a d c h e c k 3 i i 】 1 = a d c h e c k l j - i ： i i + + ： l r a i s e = o ： t e m p = a d c h e c kl j 】： j 】 ：j ： i = j ： l 5 4 2 通信数据处理任务 本控制器从串口接收的所有数据均是由通信数据处理任务来处理的，其程序 流程图为图5 - 1 1 所示： 任务一直处于等待接收信号量的状态，当驱动程序发出接收信号量时任务被 7 0 智能控制器软件设计与实现 激活，并从接收缓冲区取出一帧数据，然后进行校验，若校验正确就根据帧的类 型进行操作( 如创建分、合闸控制任务，参数设置等) ，执行完操作便更新接收 缓冲区指针* r x i n b u f 以表明数据被处理。若校验失败则丢弃该帧，直接更新接收 缓冲区指针* r x i n b u f ，不进行任何操作。之后任务继续等待接收信号量，以此往 复。 图5 一1 1 通信数据处理任务程序流程图 f i g 5 - 11p r o g r a mf l o wc h a r to f c o m m u n i c a t i o nd a t ap r o c e s s i n gt a s k 5 4 3 状态巡检任务 状态巡检任务的功能是定期对控制器进行机器自检，以实现对设备状态的在 线监测。其检测的对象包括：合闸控制i g b t ，分闸控制i g b t ，备用分闸控制i g b t ， 驱动电源，位置传感器的检测。图5 12 为其程序流程图 7 l i 皇! ! ? 鼍竺翌f 分闸i g b t 检测 f 备用分闸i g b t 检测l i 一一 ， 电源检测 p 传：蛔 t l 兰新各模块状态】 r _ 一一，瞩 故障报警 僦，| _ 一9 2 0 s n , t 2 0 s 二一h 图5 一1 2 状态巡检任务程序流程图 f i g 5 1 2p r o g r a mf l o wc h a r to f s e l f - c h e c k i n gt a s k 输入命令扫描任务与状态发送任务结构主要功能分别是定期检测外部输入信 号( 如分、合闸按钮触发的信号) 与定期发送控制器各模块状态。其程序功能比 较简单，这里就不再详细阐述。 5 5 控制器与p c 间通信协议的设计 控制器与上位机通信的物理层协议采用的是r s 2 3 2 串口通信协议，该协议是 面向字节进行传输的。控制器与p c 上位机之间需要传输电流数据，故障数据，各 种命令和相关参数等数据。为了实现这些数据的传输，必须要进行更上层的通信 协议的设计，通过将字节封装成帧，再指定帧的格式以及一些特殊标识，这样才 能够将各种数据分开传送不至于混淆。同时还应该有校验机制，以保证传输数据 的正确性。 考虑到本设计的数据量不是很大，组帧采用固定帧长度的方式，每帧长度为 l l 字节，图5 1 3 为帧的结构示意图： 智能控制器软件没计与实现 图5 - 1 3 帧结构图 f i g 5 - 13s t r u c t u r eo ft h ef r a m e 由于是固定长度的组帧，因此只需要用帧尾作为帧界定标志，本设计中帧尾 占3 字节，为o of ff f 。本协议在设计上也会保证这样的字节组合不会出现在帧 前面的8 字节中，以免出现帧界定错误的情况。 为了节省处理器资源，帧的校验采用的是简单的加和校验，既是将第o 至6 字节相加，然后除以2 5 5 求余，将得到的余数作为校验和放在第7 字节。接收到 帧后，对前面7 个字节做同样运算并且比对求的的校验和是否与接收到的检验和 相等，若相等则认为接收到的帧是正确的，否则认为该帧错误，直接丢弃。 前面已经提到过，本控制器从串口接收的数据帧是由通信数据处理任务来处 理的，串口驱动程序负责识别帧尾标志并通知通信数据处理任务取出帧来处理。 通信数据处理任务首先进行帧校验，若错误则不做处理，若正确便根据帧类型字 节的值来确定此帧的类别，然后进入相应处理流程。若控制器需要发送数据，也 需要按照本协议规定的格式封装成帧，然后发送至p c 上位机，p c 端程序中也有