（电力系统及其自动化专业论文）带串联补偿故障限流器的仿真和实验研究.pdf

机控制方案。论文从装置的结构入手，重正i 介绍了控制系统，f 要分为硬件和 软件两部分。艘件部分以实验中各部分的功能为线索，介绍了实现各个功能所 采用的芯片，包括芯片的功能和特点及其在实验中的具体应用。软件部分介绍 了程序流程以及些二 t 要的程序片断。实验结果表明，该限流器明i 限制了短 路电流的峰值，限流效果理想，同时，采用妒片机控制方案在技术上是可行的。 利用该限流器具仃町控串联补偿的功能，本文更进步采用了部分输出量 反馈最优控制理沦设计了一定的控制规律以提高系统的稳定性，仿真结果表明 该控制方案仃效减小了发电机功角振荡，改善了系统的性能。 关键词：故障限流器串联补偿g t o 单片机部分输出量反馈最优控相 四川大学硕士学位论文 s i m u l a t i o na n dt e s t s t u d y o ff a u l tc u r r e n tl i m i t e r w i t hs e r i e sc o m p e n s a t i o n m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n d i t sa u t o m a t i o n g r a d u a t e ：z e n gq i a d v i s o r ：l i x i n g y u a n t h eg r o w t ho fe l e c t r i c p o w e rc o n s u m p t i o nh a sr e s u l t e d i nac o r r e s p o n d i n g d e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，i na d d i t i o n ，t h er e q u i r e m e n tf o rt h es t a b i l i t yo f t h e l a r g es y s t e mh a si n c r e a s e d u t i l i t i e sa r ef a c e dw i t hf a u l tc u r r e n tw h i c hc a l le x c e e d t h er a t e dc a p a c i t yo ft h ei n s t a l l e dc i r c u i tb r e a k e r sa n do t h e re q u i p m e n t s t oc o r r e c t t h i sp r o b l e m ，af a u l tc u r r e n tl i m i t e r ( f c l ) i sa v a i l a b l e w i t ht h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , s o l i d s w i t c hd u et oi t s q u i c k n e s s ，p e r m i t i n gm a n yt i m e so fo p e r a t i o n ，s i m p l ec o n t r o l ，l o wc o s ta n ds m a l l s i z ei sc o n s i d e r e dt ob ea p r a c t i c a lp r o t e c t i o nd e v i c ef o rp o w e rs y s t e m si nt h ef u t u r e b a s e do nt h ea d v a n t a g eo f t h e s o l i d s w i t c h m a n yf c l s w i t l ls o l i d s t a t es w i t c hh a v e b e e np r o p o s e d f c lw i t hs e r i e sc o m p e n s a t i o nw h i c hc o u l dl i m i tt h ef a u l tc u r r e n t a n da l s om a k e c o m p e n s a t i o ni sm o r ef l e x i b l ea n dp r a c t i c a lw h e nc o m p a r e dt ot h e o t h e r s i nt h i s p a p e r , at y p eo ff a u l t c u r r e n tl i m i t e rw i t l ls e r i e s c o m p e n s a t i o ni s s t u d i e d i ti sc o m p o s e do far e a c t o ra n di ns e r i e sw i t hac o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r , w h i c hi s p a r a l l e l e dw i t hab y - p a s sr e a c t o rc o n t r o l l e db yag t op a i r t h ef c l o p e r a t e si nt w om o d e s ，i nn o r m a lc o n d i t i o n s ，i ti su s e da sac o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r ； i nf a u l tc o n d i t i o n s ，t h eg t o p a i rq u i c k l ys w i t c h e so n t og e tt h eb y p a s sr e a c t o ri n o p e r a t i o nt ol i m i tt h ec u r r e n t f i r s t ，t h et o p o l o g yo ft h ef c l i sp r o p o s e dt o g e t h e r w i t ht h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft h ef c l ，s e c o n d ，t h ed e s i g nm e t h o do f f c l sp a r a m e t e r si nt h e l i g h to f s h o r t c u r r e n ti sp r e s e n t e d t ot e s tt h ep e r f o r m a n c e 四川大学硕士学位论文 o f t h e f c l ，af e e d e rf a u l ti ss i m u l a t e db ym a t l a b ，r e s u l t ss h o wt h ef c l i se f f e c t i v e i nl i m i t i n gt h ef a u l tc u r r e n t f o rt h el o wc o s ta n dc o n v e n i e n tm a i n t e n a n c eo fs c m ，al a b o r a t o r ys e t u pi n w h i c ht h eg t o p a i ri sc o n t r o l l e db ys c m i st e s t e d a sak e y p a r to f t h es e t u p ，t h e c o n t r o ls y s t e mi n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei si l l u s t r a t e di nd e t a i l i nt h ep a r t o fh a r d w a r e ，e a c hc h i pi si n t r o d u c e d ，i nt h es o f t w a r ep a r t ，p r o c e s sf l o wa n ds o m e p r o g r a ma r ep r e s e n t e d r e s u l t ss h o wt h ef c lm o d ei ss u c c e s s f u li nl a b o r a t o r y t e s t i n ga n d t h ep r o j e c tw i t hs c mi sf e a s i b l e t o i m p r o v et h es t a b i l i t y o ft h e s y s t e m ，o p t i m a l c o n t r o lo fp a r t i a l o u t r i u t f e e d b a c ki su s e d ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ec o n t r o l o b j e c t i v e c a nb em e t s u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：f a u l t c u r r e n tl i m i t e r ( f c l ) ，s e r i e sc o m p e n s a t i o n , g t o ，o p t i m a lc o n t r o l 四川大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景 随着人们生产生活对电力需求的日益增加，电力系统的规模逐步扩大，与 此同时，对远距离、大容量的系统的运行稳定性的要求也相应提高。而另一方 面，系统容量的扩大将直接导致短路容量增加，这对电网原有的和新投运的开 关设备的开断能力是一个严峻的考验。 不仅如此，电压降落通常由配电系统中故障电流引起，故障期间的电压决 定于故障点与用户之间的电气距离，而电压下降的持续时间决定于保护的故障 切除时间。就辐射状的配电系统而言，从一条母线发出多条馈线，如果在母线 连接端以及每条馈线上都安装限流器，由短路引起的母线电压降落就会受到限 制。因此，只要限流器的动作足够快，非故障馈线上的负荷就不会明显受到 电压降落的影响。 当今社会，电子技术和自动化设备已经渗透到人们生活的各个领域，困扰 用户的主要因素也是电压降落。为了避免电压降落产生的负面影响，具有高灵 敏度的计算机、控制处理设备和电力电子装备不得不配备不间断电源；用户电 子装备如个人电脑、电子报警器、录像机和微电子装置也会因为电压的个微 小变化而受到影响；工业流程的控制系统同样对电压降落敏感，连续过程中的 暂时中断不仅带来利润损失而且可能导致更严重的后果。 为了限制短路电流水平，减小短路引起的电压降落，常规限制短路电流水 平的措施主要从电网结构、系统运行方式和设备3 个方面考虑”1 。( 1 ) 电网结 构方面，往往采取高一级电压或采用直流联网等均可控制系统短路电流水平； ( 2 ) 系统运行方式方面：对具有大容量机组的发电厂采用单元接线。对环行供 电网络可以在环网中穿越功率最小处开环运行。对具有双回线路在负荷允许 条件下可以按单回路运行。在降压变电所中可采用多母线分列运行或母线分段 运行：( 3 ) 在设备上采取措施：相应的增大断路器等设备的容量等。 通过改造电网结构限制短路电流水平的费用极其昂贵；两通过改变系统运 行方式来限制短路电流水平将降低系统运行的可靠性；一味提高断路器的开断 能力无论在技术方面还是在经济方面都很困难。即使断路器能切断故障线路， 仍将使电机、电缆和开关等受到巨大的热和机械应力而有损坏的危险：此外， 传统的机械断路器响应速度慢，切断短路电流通常需要两个或两个以上的周期， 四川大学硕士学位论文 而且体积大、价格昂贵，由于产生的电弧易烧损电触头，需要经常维修或更换， 因此，近年来国内外都致力于研制现代化的故障限流器( f a u l tc u r r e n t l i m i t e r f c l ) 以限制短路电流。快速故障限流器和断路器的配合使用能够缩短故障 切除时间，并将短路容量控制在断路器的瞬时容量和切断容量以内，从而延长 了断路器和变压器的使用寿命，为用户带来显著的经济效益。 正因如此，f c l 被认为是2 1 世纪电力系统主要研究方向之一。1 ，电力研究 院( e p r j ) 更是在1 9 7 4 年其成立不久就前瞻性的将故障限流器的研究与应用 作为研究和发展( r & d ) 的首要项目之。无独有偶，七十年代以来，美国许 多大系统的连网，使电力系统向更高电压和更大发电机组的方向发展，虽然已 证明这些互连网系统是可靠而经济的，但是，从运行方法来看，也遇到了一些 问题，并增加了维持系统稳定的困难“1 。针对这些问题，n e p c ( n e we n g l a n d p l a n i n gc o m m i t t e e ) 的s d t f ( s y s t e md e s i g n t a s kf o r c e ) 组建了s e w o ( s t a b i l i t y e q u i p m e n tw o r k i n gg r o u p ) 以寻求维持并提高系统稳定性的可行而实用的新方 法，其中就有采用短路电流限制器以期能替换系统负荷，在故障期间增加发电 机的功率输出，提高系统稳定性。 实际上，电力系统稳定性的提高和控制常常从两方面来考虑，方面是电 力系统的结构及其设备或元件的接线方式和参数的选择，另一方面是根据不同 的系统结构和运行要求采取附加的调节和控制措施或设备，如采用串联电容补 偿装置，同步调相机和静止补偿器等附加设各以提高系统的稳定性。 串联电容补偿用于缩短输电线路的电气距离，提高电力网络的功率传输能 力已有很长时问的历史，其作用已得了公认，近年来又出现了可控硅控制的可 控串联补偿。可控串联电容补偿器作为柔性交流输电系统( f a c t s ) 元件的一种， 以高速控制的可控硅开关代替原有的机械式高压开关，其电抗可以在一定范围 内快速连续的变化，因而在处理系统动态问题的能力上有了一个质的飞跃。可 控串联补偿不但可以用来补偿线路电抗，提高传输能力，还可以用于抑制低频 振荡和次同步谐振，提高系统的静态和暂态稳定性，同时，与传统的串联电容 补偿相比，可控串联补偿具有以下明显的优点例： ( 】) 由于采用屯子式的开关操作，理论上可以无限次操作而没有机械磨损 ( 2 ) 可达到非常快速的控制( 毫秒级) ( 3 ) 串联补偿程度可断续也可连续的调节 2 四川大学硕士学位论文 可控串联补偿的上述特征，使系统控制的灵活性和可靠性大为提高。因此， e p r i 已将可控串联补偿器作为硬件开发列入f a c t s 研究计划。目前，国外已 有一些可控串联电容补偿装置投入或即将投入运行。例如，美国已有三套2 3 0 k v 一5 0 0 k v 的可控串联补偿装置投入运行，用以控制潮流、提高输电能力和抑制 阻尼振荡。 伴随电力电子技术的迅速发展，具有自关断能力的门极可关断晶闸管 g t 0 ( g a t et u r no f f t h y r i s t o r ) 的优越性逐渐受到人们的重视，因其能够快速开断， 杂散损耗较小，所以有研究者选用g t o 代替普通晶闸管作为开关以控制电容 补偿，同时，尝试将限流与可控串联补偿两种功能相结合，研究带串联补偿的 故障限流器。该故障限流器在线路发生故障时，进行限流；在正常情况下，对 线路进行串联补偿。它能够根据实际情况改变限流程度，又具有串联补偿功能， 可以改善电能质量和提高系统的稳定性，进一步提高了性价比。随着电力电子 技术的进一步发展和电力电子组件价格的不断下降，该限流器在电力系统中将 有着广阔的工业前景。 1 2 国内外研究动态 7 0 年代以来，国际上就有人提出短路电流限制器的概念。8 0 年代初期，不 断有人对此进行研究，提出了不同原理和类型的限流器。这可视为f c l 发展的 第一阶段，这一阶段f c l 的特点是使用机械开关，其主要技术是针对灭弧问题， 但由于这些装置几乎都存在技术或经济性能的缺陷，如成本高、速度慢、难以 限制短路电流峰值等，因而未能在电力系统中得到实际应用。 但是这一阶段的研究工作积累了大量的理论经验，使人们对短路电流限制 器的设计要求有了具体而清晰的设计要求“3 ： ( t )正常运行时对系统无不良影响且损耗小； ( 2 ) 高速响应，故障时能在1 - - 2 m s 内动作，可限制短路电流峰值及稳态值到 安全水平； ( 3 ) 动作时不造成过电压和过电流，谐波小； ( 4 ) 故障后自动复位； ( 5 ) 不影响继电保护的工作，所限制的系统短路电流不要超过后面保护设备 的瞬时或切断等级； 四川大学硕士学位论文 ( 6 ) 能够进行多次操作，使用寿命较长； ( 7 ) 成本较低，能为电力部门所接受。 为了达到以上要求，8 0 年代中后期，由于原有技术的发展及新技术的出现， 研究者又提出了一系列新型的f c l ，e p r i 对它们进行调查后，将这一阶段的f c l 主要分为两大类：一类是一次性设备( s i n g l e s h o td e v i c e s ) ，如限流熔断器 等；另一类是可重复操作的设备( m u l t i o p e r a t i o nd e v i c e s ) ，如真空、半导体、 超导体类的限流器和采用非线性元件在故障发生时增加阻抗以限流的限流器 等。实际上，根据这些限流器所采用的技术，它们可以细分为以下四类： ( 1 ) 自愈合熔丝( r e h e a l i n gf u s e ) ( 2 ) 串联电弧设备( s e r i e sa r c ) ( 3 ) 高温超导设备 ( 4 ) 固态电流限制器( s o l i ds t a t ec u r r e n tl i m i t e r ) 基于对热处理进行的广泛的分析，研究者对自愈合熔丝进行了实验，用以 判定在短路期间，采用自愈合熔丝的限流方案时，设备是否可以经受住短路电 流的考验。实验证明，这种方案在限流方面是可行的，该限流器可以将短路电 流降至原来的4 0 以下，但是由于n a 气化所释放的等离子体具有腐蚀性，它 会严重腐蚀f c l 内部，因此装置的动作次数受到很大程度的限制，大概在5 一 1 5 次左右。因此，可以认为将该类f c l 投入实际使用尚需进一步的研究。1 。 采用串联电弧限制短路电流是使用低成本限流器的典范，目的是为了使限 流装置尽可能更经济。目前对串联电弧限流已进行了实验。实验的第一步是采 用低电压、大电流电容组和电感测试电路，对于每一个开关峰值为7 0 0 v 的弧电 压测得2 0 k a 的弧电流。基于以上结果，又进行了第二步实验。在第二步实验中， 测得2 0 k a 的短路电流被限制到1 5 k a 。实验结果表明，采用串联电弧限流是可 行的，但是，该限流方案仍然会受到动作次数的限制。 超导故障限流器接入电网中，当电力系统正常运行时，传输电流在临界电 流以下，超导体的电阻几乎为零，对电力系统运行无影响。一旦电网发生短路， 短路电流大于临界电流时，超导体瞬时失超而产生非线性高电阻，立刻把大的 短路电流限制在线路正常运行的范围内。但是，由于超导设备的低导电密度的 限制，它们很少用于高电压、大电流的电路中。经分析。3 ，为了满足正常导电 和短路限流的要求，超导体需要具备两个条件：第一，正常情况下，它的电阻 4 四川大学硕士学位论文 在1 0 欧左右：第二，在大于0 1 特斯拉的电磁场中导电能力达到一万安培。而 目前，超导体的导电密度为i o o a 平方厘米，与实际要求( 1 0 6 a 平方厘米) 相 差四个数量级，因此，虽然这种超导体有很大的发展前景，但是高温超导设备 技术目前离实用还有很大的差距。 固态电流限制器采用固态开关快速限制短路电流，具有动作速度快、允许 动作次数多、控制简便、成本低、体积小等优点，而固态开关中最适合用于限 流的是g t o 。g t o 可以关断正向和反向电压达到4 5 0 0 v 以上，能承载l l o o h 的电 流，可截断高达3 0 0 0 a 以上的连续电流峰值。将g t o 用于限流器后分析发现， 它完全可以满足限流器的诸多要求，因此在系统中有较高的实用价值，具有广 阔的应用前景。 1 3 本文所做的工作 论文从近年来出现的各种不同拓扑结构的故障限流器入手，分析了这些限 流器各自的特点和弊端，进而研究了一种带串联补偿功能的故障限流器。 首先，论文从该限流器的拓扑结构出发，对该限流器的各个元器件作了有 针对性的介绍，同时结合拓扑图，分析了该类限流器的工作原理和特点。其次， 论文从设计的角度，分析了该类限流器的参数选择和故障检测方法。为了验证 该限流器的工作性能，采用m a t l a b 仿真了馈线短路的情况下，f c l 安装在馈线 支路、发电机一主变压器支路和母线联络处时的短路电流和母线电压变化情况， 为将该限流器用于实验铺垫了理论基础。 论文的第三章详细介绍了采用单片机控制方案的限流器实验。本章从装置 的结构入手，重点介绍了控制系统，主要分为硬件和软件两部分。硬件部分以 实验中各部分的功能为线索，介绍了实现各个功能所采用的芯片，包括芯片的 功能和特点及其在实验中的具体应用。软件部分介绍了程序流程以及一些主要 的程序片断。实验结果用于和仿真分析的结果相比较，以判定该限流器的可行 性。 为了提高系统的稳定性，在论文的第四章，采用部分输出量反馈最优控制 理论设计了控制器，并进行了仿真以验证该控制器的有效性。 四j i i 大学硕十学位论文 2 带串联补偿f o l 的拓扑和仿真 2 1 不同拓扑结构的f c l 的比较 近几年来，由于电力电子技术的发展，研究者提出了各种不同拓扑结构的 采用固态开关( 主要是晶闸管和g t 0 ) 的故障限流器，本节对此进行讨论和比 较如下。 一晶闸管、电容和电感串联式”1 这种结构形式的f c l 的拓扑图如图2 1 。 三 图2 1 晶闸管和电容、电感串联图2 2 桥式故障限流器 在该结构的限流器中，晶闸管s c r i 和s c r 2 轮流导通半周，正常时容抗大 于感抗，装置相当于一个串联的电容补偿器，故障时改变晶闸管的触发角口， 从而改变f c l 的等效电抗，限制故障电流。 当晶闸管的触发角口= 0 时，f c l 的等效电抗为： | z | = 卜一去i q ” 当晶闸管的触发角口0 时，f c l 的等效电抗为： z 如i = 寺 ( 2 2 ) 上式中的k 血为阻抗因子，只要：k f a k l ，t 1 0 0 # s f l i p , k ， i k j 其中，k 。，k ：，s , 3 为闵值，t 为延时时间。 2 5 仿真分析 根据限流要求，故障限流器主要安装在如图2 1 6 所示的以下地点。：( i ) 馈电线路，用以限制各馈线支路的短路电流。可以保护用户侧低压地下电缆等 设备；( 2 ) 发电机一主变压器支路，保护发电机压母线。它能够使用更大容量 的变压器而不更换断路器，并能减少，2 f 对变压器的危害：( 3 ) 母线联络线，用 来限制2 个系统母线短路电流水平，并能维持母线电压。本节以一配电系统为 例，利用m a t l a b 仿真了在馈线短路的情况下，f c l 安装在以上三处位置时的限 流情况。 荷 图2 1 6 故障限流镊的安装地点豳2 1 7 仿真系统示意图 仿真系统示意图如图2 ，1 7 。系统电源等值为单机无穷大，3 5 k v 等级。线路 参数：x = 0 2 8 1 2 k m ，r = 0 0 2f 2 k m ，b = 4 8 0 4 , u s k m ，长度l = 5 0 k m ，变压器参数： 3 7 1 0 5 k v ，“。( ) = 7 5 ，l o ( ) = 0 8 ，空载损耗e o = 2 4 k w , 短路损耗只= 1 2 k w , & = 7 5 m v a 。 2 5 1 馈线安装f c l 假定m 处断开，母线b 正常运行，2 1 0 m s 时在用户馈线线路上发生了三相 短路故障，采用m a t l a b 分别仿真了馈线上没有安装f c l 和安装了f c l 时的 四川大学硕士学位论文 故障情况。馈线上没有安装f c l 时的仿真结果如图2 1 8 所示，由图可见，未 安装f c l 时馈线的短路电流峰值约为8 k a ，同时，短路故障造成的母线b 电压 降落明显。馈线上安装的f c l 的参数为：c = 8 7 6 9 ，l 1 = 5 3 m h ，l 2 = 1 2 8 m h ， 仿真结果如图2 1 9 所示。由图可见，在2 1 5 m s 时投入f c l 进行限流后，馈线 短路电流峰值降到l k a 左右，电流波形平滑，谐波分量较少，限流效果良好。 同时，母线b 电压降落减小。 ( a ) 故障电流( b ) 母线b 电压 图2 1 8 馈线上没有安装f c l 时的故障情况 ( a ) 故障电流( b ) 母线b 电压 图2 1 9 馈线上安装f c l 后的故障情况 2 5 2 发电机一主变压器支路安装f c l 故障情况同上，主变支路没有安装f c l 时的仿真结果如图2 2 0 所示，由 图可见，未安装f c l 时主变支路的短路电流峰值约为7 k a 。主变支路安装的 f c l 的参数为：c = 6 5 2 7 u f ，l 1 = 1 8 9 m h ，l 2 = 3 5 2 m h ，仿真结果如图2 2 1 所 示。由图可见，在2 1 5 m s 时投入f c l 进行限流后，主变支路短路电流峰值降到 1 6 k a 左右，限流效果良好。 四川大学硕士学位论文 图2 2 0 主变支路没有安装f c l 时的故障电流垦2 2 1 主变支路安装了f c l 时的故障电流 2 5 3 母线联络线安装f c l 系统正常运行时，母线联络线是穿越功率最小的地方，若某一侧母线发生 短路故障，母线联络线成为故障电流的主要通道，在此安装故障限流器不但可 以有效地限制短路电流，而且故障瞬时，因通过限流器的电流数值较大，可以 维持非故障母线的电压水平，有利于电力系统稳定运行“1 。 a 、b 母线同时运行，2 1 0 m s 时母线b 侧的用户馈线线路上发生了三相短路 故障，m 处没有安装f c l 时的仿真结果如图2 。2 2 。由图知，母联处短路电流峰 值约为7 k a ，受故障影响，母线a 的电压降落较大。安装在母线联络线上的f c l 参数为：c = 5 8 2 6 i 扩，l 1 = 3 2 8 m h ，l 2 = 5 6 9 m h ，仿真结果如图2 2 3 所示。由 图知，母联处电流峰值被降至2 k a 左右，母线a 电压降落幅度减小。 ( a ) 故障电流( b ) 母线 电压 图2 2 2 母联处未安装f c l 时的故障情况 四川大学硕士学位论文 ( a ) 故障电流( b ) 母线a 电压 圈2 ，2 3 母联处安装了f c l 后的故障情况 综合以上分析和仿真结果可知，该故障限流器有效限制了短路电流水平， 减少了电压降落幅度，限流效果理想；且电流波形平滑，谐波分量较少，在 电网中未激发附加振荡，限流性能良好。 四川大学硕士学位论文 3 带串联补偿f c l 的实验研究 3 1 装置结构 为了进一步验证该f c l 工作的可行性，采用单相电路对该f c l 进行了实验 研究。由于单片机具有电路设计调试简单，维护方便，成本低等优点，实验采 用单片机控制方案。为了简化，电压调压至1 1 0 v ，各器件参数为l s = 1 7 m h ， r s = 0 2 2 q ，l i = 1 2 m h ，l 2 = 4 2 m h ，c = 1 4 7u f ，l ，= 6 8 m h ，r ，= 5 0 q 。控制电路主要 由a d 转换器和单片机组成。实验结构图如图3 1 。 a d 总线 圈31 装置结构图 3 2 控制系统硬件部分 控制系统的基本工作流程是：r ，上的电压作为采样值代表电流控制信号， 该信号经放大器隔离后送入a d 转换器，根据采样电流值，判断其是否是短路 电 卜一数据处理 数据采集 i 及判断 图3 2控制系统流程图 3 2 。 四川大学硕士学位论文 由图可见，这是一个简单的控制系统，数据处理比较容易，但由于该系统 工作于强电流的环境下，因此必须保证有良好的抗干扰能力。 经过综合考虑，数据采集部分选用了a d l 6 7 4 。主c p u 采用一片d a l l a s 的 0 s c 8 0 c 3 2 0 单片杌，1 2 m 主频，完全与i n t e l s 0 3 1 兼容。另外，选用了一片p s d 9 3 4 作为程序存储器和数据存储器，并兼具锁存，译码等功能。 3 2 1 单片机 一单片机的历史、发展和应用 在计算机的家族中，除了人们所熟悉的p c 机，以及各种超级计算机外，还 有人们所不道的庞大的嵌入式计算机，它们广泛的应用在人类生产、生活的各 个方面，小到电视，冰箱，空调，各种掌上系统，各种医疗设备，大到航天飞 机，火箭，太空射电望远镜，都有各种嵌入式计算机在承担关键性的工作。而 在嵌入式计算机当中，单片机( 特别是i n t e l 8 0 5 1 系列) 是目前使用时间最长。 应用范围最广泛、开发人员最多的一种嵌入式计算机。 单片机，准确的名称应是单片微控制器( s i n g l ec h i pm i c r o e o n t r o l l e r ) 。早 期的单片机只要把c p u 和计算机外围芯片集成在一个芯片之中，故也可称之为 单片微计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) ，简称单片机。 单片机的突出优点是：( 1 ) 体积小、重量轻；( 2 ) 电源单一、功耗低；( 3 ) 功能强、价格低；( 4 ) 全部集成在一块芯片上，布线短、合理；( 5 ) 数据大都 在单片机内传送，运行速度快，抗干扰能力强，可靠性高。因此。单片机被广 泛地应用于测控系统、智能仪器仪表、机电一体化产品、智能接1 3 以及单片机 的多机系统等领域。 单片微计算机可分为专用型和通用型两大类。专用型单片机也叫专用微控 制器，它是各种形态的智能单元、工业测控模块或微控制系统的集成化产品。 例如。录音机芯控制器、打印机控制器等。通用型单片机把可开发资源( 如r o m 、 i 0 口等) 全部提供给使用者，这也是我们通常所说的单片机。 在采用单片机的小型控制系统中，i n t e l 公司的8 0 5 1 单片机已经成了事实 上的标准。8 0 年代中期，i n t e l 公司把8 0 5 1 的内核使用权以专利交换或出售的 形式转让给世界上许多著名的厂商，如p h i l i p s ，a m d ，n e c ，d a l l a s 等，这样8 0 5 1 就变成有众多厂商支持的，发展出上百个品种的大家族。到目前为止，其他任 四川大学硕士学位论文 何一个单片机系列都没有发展到如此规模，因此，在小型控制系统中，首选8 0 5 1 系列的单片机。通过综合考虑，在本系统中，采用了d a l l a s 公司8 0 5 1 系列 的啦片机8 0 c 3 2 0 。 二8 0 5 1 单片机 1 8 0 5 1 系列的基本结构 ( 1 ) 一个8 位算术逻辑单元； ( 2 ) 3 2 个l ，o 口4 组8 位端口可单独寻址： ( 3 ) 两个1 6 位定h , j - 1 4 数器； ( 4 ) 全双工串行通信： ( 5 ) 6 1 - 中断源两个中断优先级： ( 6 ) 1 2 8 字节内置r a m ； ( 7 ) 独立的6 4 k 字节可寻址数据和代码区； 2 存储区结构 8 0 5 1 结构提供给用户3 个不同的存储空间，每个存储空间包括从o n 最大存 储范围的连续的字节地址空间，通过利用特定地址的寻址指令，解决了地址重 叠的问题。 ( 1 ) c o d e 区 第一个存储空间是代码段，用来存放可执行代码，空间可达6 4 k 。代码段是 只读。除了可执行代码，还可在代码段中存储查寻表，为达此目的，8 0 5 1 提供 了通过数据指针d p t r 或程序计数器加上由累加器提供的偏移量进行寻址的指 令，这样就可以把表头地址装入d p t r 中，把表中要寻址的元素的偏移量装入 累加器中，8 0 5 1 在执行指令时把这两者相加，由此节省指令周期。 ( 2 ) d a t a 区 第二个存储区是8 0 5 1 内1 2 8 字节的内部r a m ，或8 0 5 2 的前1 2 8 字节内部 r a m 。这部分主要是作为数据段，称为d a t a 区。指令用一个或两个周期来访 问数据段。访问d a t a 区比访问x d a t a 区要快，因为它采用直接寻址方式，而 访问x d a t a 须采用间接寻址。通常我们把使用比较频繁的变量或局部变量存储 在d a t a 段中，但是必须节省使用d a t a 段，因为它的空间毕竟有限。 另外一个子段叫做位寻址段( b d a t a ) ，包括1 6 个字节，共1 2 8 位。每一 位都可单独寻址。8 0 5 1 有好几条位操作指令，这使程序控制非常方便。 四川大学硕士学位论文 ( 3 ) 特殊功能寄存器 中断系统和外部功能控制寄存器位于从地址8 0 h 开始的内部r a m 中，这些 寄存器被称做特殊功能寄存器简称s f r ，其中很多寄存器都可位寻址，可通过 名字进行引用。 ( 4 ) i d a t a 区 8 0 5 1 系列的一些单片 j l 女, n 8 0 5 2 有附加的1 2 8 字节的内部r a m ，位于从8 0 h 开始的地址空间中被称为i d a t a 。 ( 5 ) x d a t a 区 8 0 5 1 的撮后一个存储空问为6 4 k ，和c o d e 区一样采用1 6 位地址寻址，称 作外部数据区，简称x d a t a 区。这个区通常包括一些r a m ( 如s r a m ) 或一些 需要通过总线接口的外围器件。 3 处理器状态 处理器的状态保存在状态寄存器p s w 中，状态字中包括进位位，用于b c d 码处理的辅助进位位，奇偶标志位，溢出标志位，还有用于寄存器组选择的r s 0 和r s l 。 4 电源控制 8 0 5 1 的c h m o s 版本( 如本系统用的8 0 c 3 2 0 ) 可通过软件设置两种节电方 式，空闲模式和低功耗模式设置电源。控制寄存器p c o n 的相应位来进入节电 方式。置位i d l e 进入空闲模式，空闲模式将停止程序执行，r a m 中的数据仍然 保持，晶振继续工作，但与c p u 断开，定时器和串行口继续工作。发生中断将 退出中断模式。执行完中断程序后将从程序停止的地方继续指令的执行。 通过置位p d w n 位来进入低功耗模式，低功耗模式中晶振将停止工作，因 此定时器和串行口都将停止工作，至少有两伏的电压加在芯片上，因此r a m 中 的数据仍将保存。退出低功耗模式只有两种方式，上电或复位。 s m o d 位可控制串行通信的波特率。 5 中断系统 标准的8 0 5 1 支持6 个中断源，两个外部中断，两个定时，计数器中断，个 串行e l 输入，输出中断。中断发生后，处理器将转到五个中断入口处之一，执行 中断处理程序。中断向量位于代码段的最低地址处。串行口输入输出中断共用 一个中断向量，一个中断服务程序。8 0 5 1 支持两个中断优先级有标准的中断机 四川火学硕士学位论文 制，低优先级的中断只能被高优先级的中断所中断，而高优先级的中断不能被 中断。 ( 1 ) 中断优先级寄存器 每个中断源都可通过设置中断优先级寄存器i p 来单独设置中断优先级。如 果每个中断源的相应位被置位，则该中断源的优先级为高，如果相应的位被复 位，则该中断源的优先级为低。 ( 2 ) 中断使能寄存器 通过设置中断使能寄存器i e 的e a 位，使能所有中断，每个中断源都有单独 的使能位。可通过软件设置i e 中相应的使能位使其在任何时候使能或禁能中断。 ( 3 ) 中断向量 上电复位0 0 0 0 h 外部中断00 0 0 3 h 定时器0 溢出0 0 0 b h 外部中断10 0 1 3 h 定时器l 溢出0 0 1 b h 串行口中断0 0 2 3 h 定时器2 溢出0 0 2 b h 中断服务程序从向量地址开始执行，一直到返回指令为止： ( 4 ) 外部中断信号 8 0 5 1 支持两个外部中断信号，这使外部器件能请求中断从而得到相应的服 务。外部中断由外部中断引脚( 外部中断0 为p 3 2 ，外部中断1 为p 3 3 ) 电平为 低或电平由高到低跳变时引起，寄存器t g o n 的i t x 位决定是电平触发还是跳变 触发。 6 内置定时，计数器 标准的8 0 5 1 有两个定时，计数器，每个定时器有1 6 位。定时，计数器既可用 作定时器( 对机器周期计数) ，也可用作对相应的| ，o 口( t o 、t 1 ) 上从高到 低的跳变脉冲计数。当用作计数器时，脉冲频率不应高于指令的执行频率的1 ，2 ， 因为每周期检测一次引脚电平，而判断一次脉冲跳变需要两个指令周期。如果 需要的话，当脉冲计数溢出时，可以产生一个中断。 ( 1 ) 特殊功能寄存器 四j i l 大学硕士学位论文 t c o n 特殊功能寄存器t i m e rc o n t r o l l e r 用来控制定时器的工作起停和溢出 标志位。通过改变定时器运行位t r 0 和t r i 来启动和停止定时器的工作。t c o n 中还包括了定时器t 0 和t 1 的溢出中断标志位。当定时器溢出时，相应的标志位 被置位，当程序检测到标志位从o n l 的跳变时，如果中断是使能的，将产生一 个中断。中断标志位可在任何时候置位和清除，因此可通过软件产生和阻止定 时器中断。定时器控制寄存器t c o n 可位寻址。 ( 2 ) 定时器 = 作模式寄存器 定时器的工作方式由特殊功能寄存器t m o d 来设置。通过改变t m o d ，软 件可控制两个定时器的工作方式和时钟源( 是i 0 h 的触发电平还是处理器的时 钟脉冲) i - m o d 的高四位控制定时器1 ，低四位控制定时器0 。 ( 3 ) 定时器工作方式 1 ) 定时器工作方式0 和方式1 定时器通过软件控制有四种工作方式。方式o 为十三位定时，计数器方式， 定时器溢出时置位t f o 或t f l ，并产生中断。方式1 将以十六位定时，计数器方式 工作，除此之# i - 署h 方式o 一样。 2 ) 定时器工作方式2 方式2 为8 位自动重装工作方式。定时器的低8 位( t l 0 或t l l ) 用来计数， 高8 位( t h 0 或t h l ) 用来存放重装数值。当定时器溢出时，t h 中的数值被装 入t l 中。定时器o 和定时器1 在方式2 时是同样的，定时器1 常用此方式来产生波 特率。 3 ) 定时器工作方式3 方式3 时定时器0 成为两个8 位定时，计数器，t h 0 对应于t m o d 中定时器0 的 控制位，而t l 0 占据了t m o d 中定时器l 的控制位，这样定时器l 将不能产生溢 出中断了，但可用于其它不需产生中断的场合，如作为波特率发生器或作为定 时计数器被软件查询。 7 内置u a r t 8 0 5 1 有一个可通过软件控制的内置全双工串行通讯接口由寄存器s c o n 来进行设置。由于本系统没有用到串行通讯接口，在此不作详细介绍。在本控 制系统中采用y 8 0 5 1 的延伸产品d a l l a s 公司的8 0 c 3 2 0 。其基本功能与8 0 5 l 样，主要增加了电源管理和看门狗功能。 些型查兰堡主堂垡堡苎 3 2 2 a d 转换器 一逐次型a d 转换器 把模拟信号转换为数值信号的转换器称为模数转换器，即a d 转换器，或 者简写为a d c 。模数转换器主要有两种类型，本系统采用的是逐次比较型a d 转换器。 逐次比较型a d 转换器在精度、速度、价格上都比较适中，是最常用的 a d 转换器，它是通过最高位( d n 1 ) 至最低位( d o ) 的逐次检测来逼进被转换的 输入电压。一个n 位的逐次逼近a d 转换器的原理图如图3 3 所示。 出 图3 3 逐次比较型a d 转换器结构图 逐次型a d 转换器是以d a 转换为基础，加上比较器，n 位逐次逼近寄存 器，置数控制逻辑电路及时钟等组成。其转换原理如下： 在启动控制信号控制下，置数逻辑电路置n 位寄存器的最高位( d n - - 1 ) 为l ， 其余位清0 ，n 位寄存器的内容经过d a 转换后得到量程一半的模拟电压v n ， 与输入电压v x 比较。若v x = v n 时则保留d r l _ l 为1 ；否则d n 一1 清零。然 后，控制逻辑使寄存器的下一位置l ，与上次的结果一起在d a 转换后与v x 比较，重复上述过程，直到判别出最低位d 0 取l 还是0 。这时，a d 转换器会 四川大学硕士学位论文 发出- 个d o n e 信号来表示转换结束。这样，经过n 次比较后，n 为寄存器的 状态就是转换后的数字量数据，经输出缓冲器读出。其转换速率由时钟频率决 定，一般在几脚到上百筇之间。 二a d l 6 7 4 根据本系统的要求，选用了a d 公司出品的1 2 位逐次比较型模数转换器 a d l 6 7 4 ，它的主要特征如下： 1 具有采样保持放大器( s h a ) ，内部参考电压和内部时钟，输出带有三态输出 缓冲器，芯片上的三态输出缓冲器和逻辑接口可以与微处理器直接连接，因此 使用方便； 2 与工业上通用的标准a d 5