（电力系统及其自动化专业论文）智能电解水电源.pdf

北方交通大学9 9 缓硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t e l e c t r o l y t i cp o w e rs u p p l yi sas u b s y s t e mo ft h e e n e g y 8 t o r a g es y s t e mr e a l i z e db yw a t e r e l e c t r o l y s i n g - - h y d r o g e n s t o r a g e - - f u e lc e l l t h i sp a p e rp r e s e n t sal o wv o l t a g ea n d h i g hc u r r e n tp o w e ri n t e l l i g e n tc u r r e n ts t a b i l i z e ds u p p l y t h ew a t e re l e c t r o l y s i n gd cp o w e rs u p p l yd i s c u s s e di 鞋t h i s p a p e rl sr e q u i r e dt oh a v eh i g hc u r r e n ts t a b i l i z e dp r e c i s i o n a n df a s tr e s p o n s et i m e ，i ti s a l s or e q u i r e dt om o n i t o rt h e c o n d i t i o n so ft h ee l e c t r o b a t ha sw e l la s c o n t r o lt h e mw i t h i n o p t i m a ll i m i t s c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，d i s t i n c td i s p l a y ，h i g h w o r k i n gr e l i a b i l i t ya n df u l l p r o t e c t i o na b i l i t ya r en e e d e d t o o f i r s t l y ，t h em a i nc i r c u i ti sp u tf o r w a r db yc o m p a r i n g s e v e r a lk i n d so fh i g hp o w e rc i r c u i t s ，w h i c hi sc o n s i s t e do f t h r e ep h a s ev o l t a g er e g u l a t i o nb ys c r a n dd o u b l e r e v e r s e y c o n n e c t i o n r e c t i f yb y d i o d e s e c o n d l y t h e m e t h o do f l m p l e m e n t i n gt h ec o n t r o ls y s t e m b ym c ua n df p g ai s d e s c r i b e d t h e n s t r a t e g y o fe m c ，r e a c t i v e d o 、v e r c o m p e n 8 a t l o na n dh a r m o n i c sr e s t r a i ni sd i s c u s s e d 。f i n a l l y ， t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti sg i v e n 。 yw o r d s ：e n e r g ys t o r a g e ，w a t e r e l e c t r o l y s i n gp o w e r s u p p l y ，c u r r e n t s t a b i l i z i n g 乾方变连太学9 9 级联士研究生毕业沧文 第一章绪论 能源楚进抒现代化建设孝曩提褰人民生活水平颞必须豹霪要物 震蒸础，与国民缀滚发展剽享会邀步息慰棚关。同时，能源也是 一种战臻物资，燕全球政治和经济斗争的争夺对象。因诧艟源阏 怒为畿界备霞所关滚。我嚣是一个人翻众多的发展中餮家，熊源 资源榍辩不足 鞠螽闸管作为接流器拌 ( b ) 用二极管作为攘流器件 篷2 一l 傻用霹控硅俸为稳簌器件豹嚣种鸯路形式 警艉电解水电漂 争 北方交通大学9 9 级硕士研究生毕业论文 l c ， 【f l闽圈 ( a ) 三相按式奄藏 ( b ) 六摆半波鸯路 ( e ) 双爱最形电路 黼2 - 2 ，l 种常用的大功翠整漉龟路 表2 - 1 几种大功率整流电路的特性比较( 电阻性负载) i 相桥式六相毕波 双反基型 输出电压平均值 u du du d 输出嘏压峰值 1 0 5 u d1 0 5 u d 1 0 5 u d 器件承受最大反莲 l 。e 5 u d2 0 9 u d2 4 2 u l 辕出电压纹波 4 2 4 ，2 4 2 输出电流平均值 i di di d 每个器件电流平均值 i j 3i d 6i d 6 每个耱件奄流有效值 0 5 7 7 i d0 4 0 8 1 d0 2 9 3 i d 每个爨终邀波峰值 1 0 5 1 4l 。0 5 1 d0 5 2 5 l d 主变匿器豹戮逸二极管整流耄路瞧鸯多种选择方案，鲤三耀耩 式整流电路、六褶半波整流电路、救爱星形婺流港貉等。图2 2 箍示了这几种电路的掰扑图，表2 i 燕这几种电路的住能比较。 这三种方式使用的= 檄管数鬣相阊，输出电压的平均值、有效值、 峰值以及纹波都相同，也就是说输出特性完全相嗣。三相桥式电 路器件承受的反压最小，双反星型电路爨 串承受的反压最大，但 是对手嘏勰电源来说，器馋承受熬反囊邀蹑非常低，嚣嚣选择瞧 智耱电解承电源l o j 方突递大学9 9 级硕士研究生毕业论文 鼹方案不应从耐压的方面考虑。相威由于输出电流很大，所以器 l 牛通过的电流的大小非常重要。假糟三种电路输出的直流平均电 流媚阉郝为i d ，则三楣挢式整流电路、六相半波熬流电路、双反 rfr 星型蹩流电路流过每个元件的平均电流分别为等、等、警，流过 jod 每个元件的电流有效僚分掰为o 5 8 、o 4 1 、0 2 9 ，流过每个元件静 峰值电流分剐为1 0 5 、1 0 5 、o 5 3 。从上面的数据可醣看出选择双 反星狴电路能够大大降低器件的电流等级，变压器不存在直流磁 化的阅题，利用率相对较高，而且输出电压只承受一个= 极管的 导通难隧，邂嚣整流装置的效率也较高。 智能电解水电源 4 鸯空通大学9 9 缓残士硪究生鳟业论文 第二节主电路工作情况分析 图2 - 3 是完整豹主电路强理圈， 豳2 - 3 主电路原理躅 2 。2 1 双反星形毫路熬互佟特点 从原理圈中可以看出，双反星形的整流电路实际上是融两缀 三相半波整流电路并联而成，每组只供给憩负载电流的一半。它 与三糖半波电路稽比，输毫奄滚爵壤犬髂。交遂器= 次侧禚锭 蓑为1 8 04 的秀个极性楣反的绕组应绕在阕铁蕊上，以她游赊变 繁携毫解承电漂 袭方交通大学9 9 疑硕士研究生毕盈论文 基器中魏裘渡淼势。 l 是平波电抗器，电感式滤波器的负载能力较好，电流越大， 输爨纹滚越小，熬濂器伴和交蘧器绕缱串峰值电流夸，近织于戆 形波，故变压器利用系数高。若使用电容滤波，则在负载电流增 大时，电氆调整率交蓑，纹波增大，同时整流器件和变舔器绕缀 中峰值电流较大，变压器剽用系数低。 因为熙有在两个直流电源的输出情况完全一样的时候( 平均 毽髑瓣封馕均完念粳等) ，嚣个毫源才戆著联运霞，誉裂会产生缀 大的环流。在双反星形电路中，虽然两组整流电压平均值ud l 和 ud 2 是穗等煞，毽是它靛的交溅分垂稳麓6 g4 ，它弼的瞬辩僮ud l 和ud 2 是不同的。因此在该并联线路中，两个星形的中点间接有 平衡电抗器l p ，使负载电流平均分配。 2 2 。2 平衡电抗器的作用分析 在圈2 - 4 豹懿路中，不接警簿惫抗器熬半餐彀抗器艇鼹) ， 如果两组电流均镣，则每组承担负载电流的5 0 。但是考虑到有 t 环流ip ，那么每缀承担的电流分别为妄id jp 由于二极管的筚 二 1 相鼯电性，环流麓多等于id ，此时成为单组运行。即一般的六 z 相半波整流电路。任何瞬间只可能有一组三相半波电路在工作， 英审毽稷鸯一个二援警簿电，葵余五令二辍管麴承受反秘瞧篷瑟 疆麟。每镣最大舱导通角为6 0 。每繁豹乎均电滚为 e 半波整流电路因篡极管静电时阋短，变篮器利用率低。 id 。六程 接入平衡 智靛电解水电瓣 北寿交蛭大学9 拿缓礤研究生率监论文 电揍器嚣，嚣孚缀电菝嚣承受t 溪缝三攘半波整流瞧终秀零线耀 的电位差。从而使两组三相半波整流电路有可能同时导电。 匿2 - 4 平衡奄抗箍及环流的俸豫 接入了平衡电抗器盾，a 、b 间的电位差加在平衡电抗嚣的两 甥，也裁怒说，蠢了乎餐电菝器螽，它於嫠t 娃b t 及ua 熬毫垃差， 使得ub ，和ua 相的二极傺能同时导电。如图2 - 4 所示。假设在( j t1 麓藤ub + 电压簸离，：极警d2 导逶，诧宅滚在澈经b 辩，平 i 囊魄抗爨豹一半绕组( o ol 撼) 裁饕感应一毫势妄毡，宅熬方 囱怒要阻也电流增长( 鄹o 端为_ 芷，ol 端必受) 。缀为乎赞电菰 器的另一半绕组( 0 一o2 端) 怒与绕嫩( o 一0l 端) 绕在同一铁 芯上，显缀数穗镣，绕囱是一致戆，鬓潋在绕缀( 0 o2 端) 上 1 也要感应出电势妄up 乘，它的方肉是o2 端必燕，o 端为负e 缀 二 显然，o o l 绕缎上的魄势与ub ，的方向是楣反的，褥0 一o2 端 智能电解水电潍1 4 北方交通大学9 9 级硕士# 冤裳毕业论文 绕组上的电势与ua 的方向是一致的。西此平衡电抗器感应的电势 11 up 等于ub ，与ua 的蓦德。掰ub 寺醢p = u8 + 妄up 。ud ，= 极管d i zz 奠d 6 将翘对导瞧。照着对闽攫延至hb 等ua 豹交点耐，囊予ub 一 娃。，两缀继续导惫，此时up = 0 。之压ua t lb t ，萎g 滚经ub 褶豹 电流要减少，键平衡窀抗器裔陲丘诧电流减少静作稻，所l 刍在英 上要感应一与原先极性褶反的电势。平衡融抗器仍起平衡的作用， 使得d6 继续导电，直到uc ub ，电流才从d 6 挟至d 2 。此时改 成d l 与d 2 同时导电。每隔6 0o 商一个= 极管换流。每一组中的每 一个二极管仍按三楣半波的导电规律两备轮漉导电1 2 0 。这样以 平镱电拨器孛点挥为整滚电丞输如熬一爆( 受端) ，其输蹬熬整浚 电压瓣嚣幸值为两缀兰榻半波整流灌瑶湃辩僵豹平均篷。 警晶阐箭豹您发角a = o 。时，刚稆警子磊闻管被短路，各处的 波形如图2 - 5 所示。 籁鬻簿 、￥毽m 珏。钆v ， ，一、，“、，“、t 、，“，r | 、， ， ，十+ 、- 十 、_ ，_ ， 、 八八 、 vv v矗 t 强2 - 5 输出逛暴平海建u d 每平，鸯壤抗嚣土静奄压u p 智舱瑰解水电源 北方交遗大学9 9 缎硕士研究耋蜂娅诡文 2 2 3 晶闲管交流调压的分析 当触发是a 不为0 度时，三褶交流调遥褥到豹毫篷波形鸟触发 角8 、受载功率觳数角审都有关系，使褥电路的分析交褥缀复杂 在由n 拜孛，出予电流是连续静，茹阐管也将不起作用。当0 。 由 i d 。i 。时，特性如曲线1 所示，外特性向下倾斜是考虑了变压器的 漏感、纛阻以及二极警的管凰降等的影确。当id i d m i n 孵，特性按 馥线2 变纯。这榉靛舞特性在馕爱串寂尽纛避开，不使受载电流 小于攘定翡最小值。 现 t 3 骈2 l * i y u m o 圈2 - 6 双反崖形整流电路外特性 2 。3 4 乎波电抗器的计算 整流装嚣的输出电压w 分解成一个懂定直流分量与一个交流 分量的迭加，选择合适的平波电抗器，可以使电压的交流分董基 本上降落在电抗器上，从两电解池两端能够得到比较平壹的电压 与电流。 由于瑷f 氐频率的交流电流分量的幅值k = 器，定义等为 智能电解水电源 托方交暹大学9 9 缀碟士磷笋生毕韭论文 整流器输出电舔脉动系数，s 寺为簧求的允许惫流弥动系数t 在该样撬串燕5 ，胃以得翔平波奄撬器的计算式； 堡也 铲南静s i 2 露f | 五一一输出魄嚣纹波兹最低频率 双反星形婺溅电路蝓出电愿的最大脉动出现在q = 9 0 。时，此 时奄雒脉动系数鲁= o 4 6 ，掰五。3 0 0 h z ，霹班算出岛；4 3 雄， 墩惫感鹣额定魄浚为6 0 0 0 a 。 2 。3 5 晶闷管极其保护电路的计算 一次侧晶闸管承受的最大电压为u t = 矗x 3 8 0 = 5 3 7 v ，流进赭箭 繁嬲电流有效僮为扭= 6 7 3 a ，7 m ；e i 7 5 _ _ 7 3 3 = 4 2 。9 a 考虑安全掇量， 选箱l l o a 1 2 0 0 v 的晶阐管模块。 为了吸收揆流：过奄鹾及电撬土舞率，磊鬻管必须其备瓣态撺 粼电黪，如墼2 - 7 艨忝： 图2 - 7 瞬态赭制电路 智能电解水电潭2 t 北方交通大学鲫级硕士研究生毕业论文 戳容蔽牧隧路主要是秘糟奄容两端电压不能突变豹特性来嘏 收尖峰状的过电压，保护晶闸管。考虑弼避免在r c 电路中产生 较大的功攀损耗，电容c 的数值不寅取德太大，应兼顾过电压和 电承上升率的抑制。瞧阻r 哥以阻层l c 毫路豹摄荡，黪止因援 荡产生过毫鹾；另外w 以减少电容c 的教彀电濂，扶蕊减，j 、晶阐 管的辨通损耗。 流邀鑫阑管的泡滚i t 为6 7 3 a ，可以得到r 、e 豹经验傻； r = 3 5qc = 0 2 2 越f 电阻的功率：乓；f c 吃 式中，厂晶闸管抉流的频霉。因为照闸管为双反并联，电源频 率为5 0 h z ，f = 1 0 0 h z ：为电容上电压最大毽，魄= 碍，所 以： 足= 1 0 0 o 。2 2 x 1 0 ( 2 3 8 0 ) 2 = 6 4 w 出乎电路中往往述宥其他一些瓣素弓 起电隧功率消耗，所 ； 选用1 0 w 的电阻。电容韵辩簸与晶闸管的褶同，取1 2 0 0 v 。 阻容电路吸收过电压的能力是有限的。当出现嚣击簿原因薯l 起电爨上产生堡寒酌电压，或者过电压鲍持续慰翘比较长，罴朗 管上的过电疆锯会超过允许值。嚣忿在晶翔管掰端瘦褥并接援敏 电阻，藤敏墩随的舔称电压取7 6 0 v ，额定通流窑惫取5 1 0 k a 。 阉瓣述嶷在晶阑管之蓦蓼串联快速熔断嚣，快速熔凝器豹额定电流 选择1 0 0 a 。 智能瘫解承窀漾 北方变通大学9 9 级烦士研究垡毕业论文 第三章控制系统的设计 该电源对控制系统提出了如下的要求：稳流精度为4 - 5 ，维 持电解波中的基力淹3 0 令大气爨，湿度为1 2 0 0 。羼避嚣要键夔 输入各个控错参量，液晶鼹示各释狄态参数。 禳据戳上要求，系统的原琏框图如下： 圈3 1 系统原理框图 控制电路采集的信号有可控硅的电流信号、蹩流器输出豹电压 电流馈号、魄解浊豹湿度、压力、渡位信号。控割器校撂反馈僖 号薅电解宅嚣、电瀛进行数字p i d 调节，实现稳逶或者稳流。宙 子电麓滟豹澈度变铯惯性较大，因而也需要对其迸行p i d 调节， 戳避免超调。对压力和液使输出开关藿进行控制使压力和液使保 持在预先设定的范围内。 智舱电解水电潭 托方交邂大学转缓疆士研究生擎韭谂文 第一节e d a 技术在控制系统中酶纛用 3 1 1 单片机系统硬件结构上存在的问鼷 在一般的单片梳控稍系统中，硬件的核心一基本篮控萃元几乎 都是围绕备类单片枫，加上外围l s i 釉一些通用i c 运三大块来设 计。 这邦分邀路竣诗粒豢要闯越是设诗鹣通翅性鄹霉霉利用性 差。另外，由于m p u 的速度、集成度愈来愈高，寻址能力越来越 强，数据慧线越来越宽，器燕上惫子产琵赛邃、祗功耗、蠢霹靠 性、小型化的发展趋势，导致贩来电予系统中的l s i 和通用i c 适 应不了这一技术上的要求。 而且传统的设计方法，在样机生产出来之兹，王程颊只能在 面包板上或临时电路板上作部分电路的测试和验证，随着系统复 杂羧度熬提毫，农实验援上徽燕个系绞瓣实骏菲零溺难巍费辩。 因此，传统方法一次设计需经多次修改和实骏甚至烙大的反复， 设计瘸簸长是不言褥虢麓。 3 1 。2 采耀酉编程逻辑器徉嚣对系统硬件鳇改造 进入9 0 年代以来，w 编程逻辑器传班其现场可绽捏、撼速、 高集成度的优势，成为电子系统中新的积木快，与m p u 、存储器 形残了三令可编稔戆赣豹蒋系缝槐，多誊威为奄子系缓虢貔设诗潮 流。 在荸冀撬系统中，可采焉一片现场可编裰逻辑器件来安现继 址锁存、译码、总线驱动与扩展，甚至实现把8 位存储器并入1 6 智能电解水电潍 北方交避太学9 9 级碗士研究生毕业论文 位处理器，或把1 6 位存储器并入6 4 位处理器的控带0 与字节装配 逻辑。璇大限度的减少了m p u 的外围芯片。在自控系统的大规模 麓速数据罴嶷与处理系统中，现场埘编程逻辑器传可以代蛰d s p 裹遮准确地完戏一些控铡算法。在总线接翅控制中，到耀现场颦 编稷逻辑器件豹在线编穗能力可敬傻单块递焉总线接日板的设计 成为可能。在数据通信控制领城内，莉用现场可编稷逻辑器件煎| j w 实现通信协议的动态转换和总线仲裁逻辑。 3 1 3 控制系统的方案 为了使该电源舆螽完蛋的控到功能、较裹的控制糖度彝较好 豹人枧交互戆力，控制系统中接耀了德姆纹器公镯在最邋攘出麴 1 6 接超低功耗荦鸶祝m s p 4 3 0 系掰串的f 1 4 9 ，该单片祝其有以下 一垡主要特点； ( 1 ) 舆有高度正交的指令结构，内棱功能强大并鼠非常受 活； ( 2 ) 1 6 位的精简指令系统，一个指令周期仅为1 2 5 纳秽； ( 3 ) 内置八黪1 2 经裹遴a d 转换器，完残一次a d 转换豹 对闯仪需3 微秒，不需婺c p u 酌额矫处毽开锖； ( 4 ) 粲成了许内1 6 位硬件乘法器，支持无符号数槠乘、有 符号数相乘以及无符号数乘加，该乘法操作不需要额外 的时钟周期； ( 5 )具有两个1 6 位片内定时器，毙分别输出7 路与3 路的 7 釉模式灼默冲宽度调剃镶号，特别逶舍予舞关电源豹 控剃譬电橇熬驱动； ( 6 ) 离置简多异步邋信接稻，能够实现串行异步通信协议 鬻能电解水电源 ” 北方交通大学9 9 缀硕士研鬣生事业论文 u a r t 毒举行乡 潮模块接口功能s p i ； ( 7 )具有9 个捕获比较寄存器，能够精确掌握外部攀件发 象的时阙，敷及输出耩确定时的信弩； ( 8 ) 具有六组8 位的可编程i o 端口； ( 9 )内部集成了6 0 k 的f l a s hr o m 与2 k 的r a m ，采用“冯一 擢曼”缨鞫，镶瘸同棂选皱数据总线； ( 1 0 )支持在线编程与程线调试，使犴发工作变的简便。 蠢瑟m s p 4 3 0 篆疑单茸税特鬟适合予完戒笈杂夔羧髑臻缝。 此外，系统中还使用了一片x i l i x 公司的现场研编程门阵列 ( f p g a ) 4 0 0 5 e - 3 p c 8 4 作为单片视的外豳芯片，完成总线驱韵、r a m 扩鼹、键盘扫攒等任务，使得系统结构更加紧凑、珂靠性更高以 及使用起来更加灵活。 f p g a 爨馋熬痰帮缝稳荚逻辑萃元醛列( 帮l e a l o g i cc e l l a r r a y ) 。以x c 4 0 0 0 e 系列的l c a 结构为例，它由三类可配爱单元 缍戒：周逑是i o b s ( 输入辕蠢模块一l n p u t o h t p u tb l o c k s ) ； 核心阵列是c l b s ( 可配置逻辑块一一c o n f i g u r a b l el o g i c b l o c k s ) ；以及置连资源。l o b s 为内部逻辑岛器件封装弓f 脚之闯 提供可编稷接口，c l b s 阵列实现用户糖定逻辑功能；互连资源在 模块之间传递信母。 x c 4 0 0 5 e 一3 p c 8 4 是x i l i n x 公司x c 4 0 0 0 e 蓉蘸产赫孛妻孽令援摸 芯片。该芯片具有8 4 个l o b s 端口，5 0 0 0 个可用逻辑门和串富的 内部连线资源。阏该系戮率鹄箕它产晶稻魄，除了螽有裁逐豹三 类聊配置单元外，它还典有一个存储禚已置程序的分布式存储器， 由密来控制和驱动前述的三类w 配置单元，从而大夫增强了芯片 豹逻舞动能。 智能电解水电源 北方交通大学9 9 级硕士研究生毕业论文 x c 4 0 0 5 e 一3 p c 8 4 还具有如下特点：其内部c l b s 模块不仅最多 可实现9 输入变量的组合逻辑，还可配置成快速双口r a m 阵列使 用；其l o b s 模块不仅可进行输出频率选择和高达1 2 m a 的输出驱 动能力，还有防静电保护功能和软启动功能；其内部连线资源有 更多的全局时钟线和宽位快速译码电路，从而提供更快更好的传 输性能；其输入时钟可高达i o o m h z ，使事件响应与处理时间大大 缩短等等。 第二节控制系统的设计 根据系统的控制要求，控制电路的核心器件是m s p 4 3 0 f 1 4 9 单 片机，由它来完成主要的控制任务。此外，还使用了一片f p g a 作 为c p u 的外围芯片，完成数据的存储、键盘扫描编码、显示缓存 及驱动等任务。 控制系统结构框图如图3 - 2 所示。 3 2 1 信号调理电路 由外部电压、电流传感器及温度、压力变送器输出的模拟测 量信号需要经过a d 转换变为数字量，才能输入c p u 进行处理。 而这些直接测量得到的信号往往幅度不符合a d 转换量程的要 求，或者信号中存在着各种频率成分的干扰，造成系统无法获取 智能电解水电潭 2 7 北方变通大学9 9 级硬士研究生毕业论文 囊实豹溅爨售号。这倭需要霹溯塞信驽在送入c p u 避牙a d 转换 之前预先进行处理，使之变成为a d 转换爨程可以接受的真实信 号。 图3 - 2 控制系统结构框图 3 。2 。2 单片瓿系统 经过出售号调理电路处理嚣褥到瓣测量信号，被送到单片机 智鸵电解水电源 藏方交迓丈学9 9 缀硕士酶梵生毕韭论艾 煞a d 转换逶遵p 6 ，0 p 6 。4 遴行a d 转换。转换 l 孽到豹嗽姆电悉 只作为显示量，电解电流、温度作为反馈量与给定爨比较，得到 豹误差送行数字p i d 运算，产鬟三窭攘潮耋，檄据魏控翻蠹瓣大小， 定时器t b 产生两路p w m 波输出，经：i 建低通滤波之滕，便可以去控 制被控对象。 低通滤波器采用了图3 - 3 所示的续构。 ( a ) 电路豳 ( b ) 幅频特性图 网3 - 3 二阶低通滤波嚣 智能电解水电源 北方交通大学9 9 级硕士研究生毕业论文 选择蜀：r ：，c l ；2 c ：，则该电路的截止角频率= 巫r c 。 对于压力的调节，单片机的输出特性如1 53 - 4 所示。当压力 小于设定的最小压力值时，单片机输出高电平控制压力筏关闭， 使压力增加，当压力大于设定的最大压力值时，单片机输出低电 平控制压力筏开启，使压力降低。 图3 - 4 压力控制的输出特性 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机内部只包含2 k b 的r a m ，外部需要扩展一 片r a m ，因此在f p g a 内部配置了4 k b 的r a m 阵列，从而不需外接 r a m ，使得系统结构更加紧凑，提高了工作时的可靠性。 f p g a 内部配置了一个键盘响应模块，用来处理键值，并传送 给c p u 。当键盘上有键按下时，该模块先进行消抖处理，然后根 据优先编码的原则，将键值编为四位二进制数据，高位补零，再 通过与单片机相连的r d 线向单片机发出键盘中断请求，单片机 接收到这一请求之后，从数据端口读取到键值，然后进行相应的 处理。 点阵式液晶模块是典型的慢速器件，一次只能处理一个由单 智能电解水电源 北方交通太学9 9 级硕士研究生毕业论文 片机邀来的显示数据，并融在对其读、写之前，都必须先判断液 晶的状态，只能等特在液晶处于不忙的状态时，才能对其进行下 一步操作。因此若使用单片机与液晶点接接口时，会占用c p u 的 大塞处理孵阉，影嬲控铡豹效荣。本蓉绞孛，在f p g a 凌部配鬟了 一块液晶显示缓存譬驱动模块，该模块胃戳耱黪接受并暂时存放 多条嚣示数据与指令，并蠢不断的奁游液晶的状态，在液磊空闲 时，按照先入先出的顺序逐条将数据发送给液晶。这样，c p u 只 需计算出显为专数据并传送给液晶，剩下的工作全部由f p g a 来完 成。 系统中使熙的渡晶显示模块是基于t 6 9 6 3 c 控制器鲍1 2 8 6 4 点薄戏液鑫。它霹以以图形方式、文本方式及图形_ 鹈文本会戏方 式迸行显示，戳及文本方式下豹特征漫汞。t 6 9 6 3 c 控麓舔内部自 带字符发生器c g r o m ，获有1 2 8 个字符。t 6 9 6 3 c 可管碟6 4 k 显示 缓冲区及t l 寇义的字符发生器c g r a m 。并允许m p u 随时访问驻示 缓冲区，或者进行位操作。 c d 是t 6 9 6 3 c 的通道选择信号，i 为指令通道，0 为数据通道 r d 、撑r 悬读、霉选递馈号，低电乎赛效，与f p g a 豹接臼瓣廖如 下： 1 ) i o n sl c d r i ) , w r 、扩 、。 d o i ) 7 5 0 a s ! 隧3 - 5t 6 9 6 3 c 与f p g a 的接朋对序 智能电解水电源3 l 北方交通大学9 9 级硕士研究生毕业论文 t 6 9 6 3 的指令可以带一个或两个参数，或无参数。每条指令的 执行都是先送入参数( 如果有的话) ，再送入指令代码每次操作 之前必须先进行状态字检测。t 6 9 6 3 c 的状态字如下所示： s t a o ：指令读写状态 1 ：准备好0 ；忙 s t a o ：数据读写状态1 ：准备好 0 ：忙 s t a o ：数据自动读状态l ：准备好0 ：忙 s t a o ：数据自动写状态1 ：准备好0 ：忙 s t a 4 ：未用 s t a 5 ：控制器运行检测可能性l ：可能0 ：不能 s t a 6 ：屏读拷贝出错状态i ：出错 o ：正确 s t a 7 ：闪烁状态检测i ：正常显示0 ：关显示 由于状态位作用不一样，因此执行不同的指令必须检测不同 的状态位。在c p u 一次读、写指令和数据的时候，s t a o 和s t a i 要同时有效，即处于准备好的状态。在c p u 读、写数组时，应判 断s t a 2 或s t a 3 的状态。屏读、屏拷贝时使用s t a 6 。s t a 5 和s t a 7 反映了t 6 9 6 3 c 的内部运行状态。 3 2 3 通信协议 作为单片机的外围模块，f p g a 与单片机通过1 6 位的数据线、 8 位的指令线和两根读写控制线相连，这种数据与指令并行的通 信方式大大节省了单片机花在通信方面的时间。 在单片机向显示控制器发送数据时，指令线向f p g a 发送显示 控制指令，1 6 位数据总线的高8 位向f p g a 发送显示参数第二字 节( 如果有的话) ，低8 位向f p g a 发送显示参数第一字节( 如果 有的话) 。 智能电解水电源 北方交通丈学9 9 缀硬士研咒黛毕业论卫 最示指令1l i o x x x x 和1 1 1 i x x x x 分别是屏读屏拷贝指令和位 操作指令，在本系统的设计中没有用到，因此使用这两条指令分 别馋为f p g a 片内r a m 的读、写控制指令。在读、写f p g a 的片内 r a m 射，指令总线黪低4 经为r a m 的鑫4 位地址，数据总线的裹8 位是r a m 的低8 谴遗垃，数据总线懿低8 经是要读写韵数据，这 样，等巯空间正好楚4 k b 。 在f p g a 向单片机发送键值编码时与单片机相连的r d 线首先 向单片机发出按键中断请求，单片机进入巾断子程序后，从数据 总线的低4 位读取键值，然后进行相应的按键处理。总结单片机 与f p g a 邋谖的指令与掺式如下： 表3 一i 单片机与f p g a 通讯的指令与格式 数据总线 指令总线功能描述 高8 位 低8 位 垂囊位置水平位置 0 0 1 0 0 0 0 l显示光标指针设置 缝致嵩字节建蟪低字节 0 0 1 0 0 1 0 0显示麓垃撂钟设鬟 地址离字节地址羝字节 0 i 0 0 0 0 0 0显示文本透善她垃 0 0 0 0 0 0 0 0每行字节数 0 1 0 0 0 0 0 l鼹示文本区宽度 地址高字节地址低字节 0 1 0 0 0 0 1 0显示图形区首地址 0 0 0 0 0 0 0 0每行字节数 o i 0 0 0 0 li鼗示图形区宽度 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 01 0 0 1 0 0 0 l显示光标涎烁开鑫 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 01 0 0 1 0 0 1 0龙撅显示开寤 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 文本显示开启 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 l1 0 0 0 雷形显示开启 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 0 l1 0 0 0 0 最示缓冲区舞动笃设置 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 0 i1 0 0 l o 蠡动缓冲嚣写结裘 0 0 0 0 0 0 0 0显示数据 l1 0 0 0 0 0 0 写显示数据，地址加l 0 0 0 0 0 0 0 0 显示数据 1 1 0 0 0 1 0 0 写显示数据，地址不变 地址低8 位r a m 数据 l i 】o x x x x读r a m ( x x x x 为壤址高4 位) 雉艟低8 位r a m 鼗据 l l l l x x x x 写r a w ( x x x x 药缝壤离4 位) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 键值 0 0 0 0 0 0 0 0 发送键氆( r d = o ) 智能电解水电源 j e 方交通大学9 9 缎磋士研究生毕韭论文 第三节控稍系统的实现 3 3 1 单片机软件的实现 单片梳在上嘏或复位之后，都必须经过软件设鬣才能藏常工 作。图3 - 6 是设置单片机工 乍状态的软件流穗图。单片枫农上电 或麓位之厢，首先设置猎门狗定时器，将它配置成为在定时器计 数苓潦零熬情援下，每l o m s 产生一次复整售芍。这撵爨 蒌了在荦 片机工作擀常时不会出现死循环 等 擎况。 t i 公词为了降低用户使用 m s p 4 3 0 单辟枫的成本以及减少控 铡魄鼹中的高频干扰，m s p 4 3 0 单 片机被设计成为外部只需接一个 3 2 。7 6 8 k h z 瓣手袋耀晶掇，瑟攀片 机内部有个数控振荡器( d c o ) ， 逶避设詈振荡嚣静电源酷及电 阻，可产生高至6 m h z 连续可调的 时钟信号供高速逡算使用。本系 统巾，设鐾单片极工 乍农4 m h z 鹣 时钟频率下。时钟设置的过程是 戳3 2 。7 6 8 k h z 懿终部信譬为基壤， 蹬3 - 6 单片枫拐始诧糕 通过计数器计量基准信号个时钟周期内，数控振荡器输出的脉 冲个数，计算数控振荡器输出频率，然后逐步调整数控振荡器， 反复诗算，直至产生所期望的时钟信号。 智能电解水电源3 4 裁方交通大学9 9 缎硬士研究生毕控论文 m s p 4 3 0 单片机的每个管脚都具有多种功能，既w 以作为普 通媳i o 端圈，同时又是菜一内部功能模块的输入或输出引脚。 因北慰每一个弱猁敬单片执警脚都要泛确设譬它的功能。这缒摆 设麓是逶蠲i o 蜀还是特殊功能模块管脚；缀蒜是逶用i o 翻， 是输出还楚输入，楚否需要响应中断，确应信譬的上虢交还楚下 跳变。应该根据硬件电路及系统的要求磁确设畿每一个管脚的工 作状态。t i 的用户学册中建议对予没有用到的管脚，_ 敝该设鬻为 通用i o 妇，并选择为输出管脚。 在上媳后，液晶显示模块中显示j i a m 中的内容是随机的，因 瑟屏慕上豹建客是杂惑无牵豹。嚣此，袁正骥爨示数搬之翦，应 该旨一个清群静步骤，帮将显录r a m 串豹萃元都写为0 0 h ，这一 过程用蓟了液晶晟示模块的自动骛指令。在清群之后，还应对液 晶显示模块的工作状态进行设鬣，这龟括设鬣显示文本区蓠地址、 文本区宽度、图形区首地址、图形区宽度等参数，歼启光标显示、 开妇文本显示、歼扁图形显示等命令。 系绞使用了p w m 信号来控制晶阕警豹触发以及温度的调节。p w m 信号由m s p 4 3 0 攀片极黪软传定时器t 8 采实现。在设鐾定露嚣t 8 辩，蓠先选择定对器计数孵镩为不经过分频翦系统辩镑。闵辩选 择计数器的计数模式为单向向上。选栉计数器的计数值决定了p w m 信号的分辨率( 可以把输出的p w m 信号番作d 转换信号) 与输 出频率。p w m 信号的分辨率会影响控制精度，分辨率越高，控制 精度也越嵩，输出频率决定了控制量的脉动程度，频率越糍，脉 动程度裁越，j 、，阕聪低通滤波电路瞧越容易实瑗。增大计数傻哥 戳提嵩p w m 信号靛分辨率，毽会降低输穗频率，困就：者炙能折 中考虑。本系统中，设鬣计数貉的计数值为3 f f f h ，舔d 转换 智能电解水电源3 s 北方交通大学9 9 缴硕士研究生毕业论文 具肖1 4 位的分辨率。而此时p w m 信号的频率为素蠡= 2 4 4 h z e 同 样，设置软件定时器t a 产生撩铺采样时锋，静每次t a 溢磁，鲻 产生中断，中断子程序感动a d 转换，著进行相应的控制。 设置片内a d 转换器的步骤是：莆先开扁a d 转换模块以及 基壤电压产生模块，按下j | 乏选择a d 转换模块戆工终霹镑为系统 时钟经过二分频殿得到的时钟倍号，即2 m h z ，并且歼启a d 转换 采榉定辩嚣，竣鬟采释辩阖力模块工作对锋瓣众令瓣麓。然螽选 择a d 转换的正电压基猴为+ 2 5 v ，负电压基准为g n d 。接着启动 需簧进行a d 转换的通道，设鬻成为按顺序转换。簸后开肩a i d 转换结束中断允许位，使单片机在a d 转换结束后能够及l l 寸徽相 应的处理。 最螽一步秘始他援萋是j 开痿c p u 串糕龛诲霞g i e 。 对温度和电流的调节采用了数字p i d 的方式进行调节，其框 鹜豁罄3 - 7 掰示。 图3 7p i d 控制樵图 下面是增量式p i d 控制算法公式以及算法流程圈。为了抑制 智能电解水电源 北方交通大学9 9 级硕士研究生毕业论文 饱和效应的发生，控制系统采用了积分分离式的p i d 控制算法。 扯槲，m 嗨+ 和等( _ ) 】 图3 - 8 数字p i d 控制算法流程图 采用数字p i d ，控制效果与其参数密切相关因此正确选择数字 p i d 的有关参数是提高控制效果的一项重要技术措施。数字p i d 的参数包括采样周期7 、比例系数k 。、积分时间五和微分时间乃。 数字p i d 控制算法与一般的模拟p i d 控制不同，他是一种准 连续控制，是建立在用计算机对连续p i d 控制进行数字模拟的基 智能电解水电源 北方交通大学9 9 级硕士研究生毕业论文 础上的控制。这种控制方式要求采样周期与系统时间常数相比充 分小。采样周期越小数字模拟越精确，控制效果就越接近于连续 控制。但受c p u 处理速度和器件执行情况等因素的限制，采样周 期不能无限小。 根据香农采样定理，采样周期只需满足r s _ ，f m a x 为 2 ，m a x 控制对象的最大波动频率。但实际工程中一般取r 五壬。由 1 u ，m a x 于整流器输出电流几乎是平直的，而晶闸管三相调压电路最快响 应时间是3 3 m s ，因此采样周期取4 m s 。 根据p z d 参数：比例系数足。、积分时间正和微分时间乃对系 统动、静态特性的影响，可直接对调节器的参数采取凑试法进行 整定，具体过程如下： 首先调整比例系数足，使k ，由小到大变化，直到得到反应快， 超调小的响应曲线。然后将积分时间z 设置为一较大的值，并将 比例系数k 。略微减小，调节积分时间由大到小，在保持系统响应 良好的情况下，使静差得到消除。接着再加入微分环节，改变微 分时间乃由零逐渐增大，在此过程中，反复调节比例系数足，和积 分时间z ，直到获得较为满意的系统响应。经实验，选定的p i d 参数分别为： k 。= 0 4 m s ，z = 4 1 7 m s ，乃= o t m s t a 中断服务子程序流程图如图3 - 9 所示。t a 用来产生控制采 样时钟，设置为每4 m s 溢出一次并产生中断，用于控制电解电流 和晶闸管过流的检测。而温度、压力以及电解电压等参数不用如 此频繁的调整或检测，将它们的采样周期设置为5 s 足以满足控制 智能电解水电源 j 方交避大学9 9 缀硬士研究生毕敦论文 要求。因而在程序中又设置了一个变量来控制温度、压力以及电 解电压等参数的采样。 胬3 - 9t a 中断菔务子程序流程胬如 图3 - 1 0 是a d 转换结束中断服务子程序，该予程序除了具铸 调节各种参数的功能之外，还具有对晶间管实施过流保护的功能。 由于照阐管具鸯瓣闼过载能力丈的特点，在鑫期繁发生过滋游， 不必毙鄂箨枧，霹以掇撂过载毫滚懿大夸，延辩一段对阂嚣荐捧 辊。筵露秘线如图3 - 1 l 掰示，窀流憨大延对越短。在延时期间， 电解装餮依然正常输出。箸在此辩闻，过流情况消失，控制系统 回到正常工作状态。 智能电辩水电源 北方交通大学9 9 龋硕士研究生毕业论文 赠3 - 1 0 d 转换臻束中斯服务予程序 智姥电解水电源 北方交通文学9 9 缎硕士磷究生毕业论文 嘲3 - 1 1 始闸管过流保护延时停机特性圈 3 3 。2f p g a 的配麓。 r a m 4 0 9 7 r a m 4 0 9 6 r a w i 4 0 9 5 r a m 4 0 9 4 嚣磊撼2 r a m l r a m o b i t 7b i t 6b i t o b i t 7b i t ob i t o b i t 7b i t 6b i t o b i t 7b i t 6b i t o b i t 7b i t 6b i t o b i t 7b i t 6b i t o b i t 7b i t ob i t o 图3 一1 2 键盘模块工作流穗图 圈3 1 3f p g a 内却r a w 组织结构困 智能电解水电源 4 1 j e 方变通大学辨缎硬士研究生毕韭论文 穗盎模块王撂懿流载蘩兹鬻3 一1 2 掰示，键盘模块每2 5 0 n s 慰 键盘扫描次，若有键按下，则先延时2 0 m s 以消除按键抖动，再 读取键傻，劳裉瓣所按下戆键谶行优先编码，这之籍，控稍r d 为 低电平，数据总线的低4 位为键值编粥，高1 2 位为0 ，这种状态 傈持2 0 s ，确使单片机读取到键值，然后r n 恢复劐高电平，爵 开始新的次扫按。 f p g a 内部的r a m 可以通过定义一个二维的数组信号来实现。 热翳3 一1 3 羧示，r a m 楚令4 0 9 8 8 鹣二缭数组，将数据篱入一 个地址实际上是给相应的r a m 的行向基赋值，从一个地址读数据 实舔上是读相应的r a m 的行惫蠢的毽；丽瑗，对指定位的搽作是 对特定数组元素的操作。 与上述r a m 的情况类似，摄示数据缓冲区可以通过定义一个n x 2 4 约二维数缀寒实现。籍是缓泞送鼹大奎，结合系统瓣爽骣德 况，n 取3 2 。但是显示数据缓冲区的读写规则与r a m 不同，需要 援裂一令蓠建琏攒赞和一个莲蟪蛙搔赞。每次写数撵辩离怒造疆 指针所指的单元筠数据，写完之后尾地址指钟+ l ；每次读数据是 读饕遗址指针所指的荜元内的数据，读完之精蕾蟪皱指针+ l 。因 此驻示数搬缓冲联实际上是一个先入党出寄移嚣 6 0 。) 或双零熬；串。 ( 3 ) 触发脉冲的幅值、触发脉冲的前沿陡度、触发脉冲的输 窭功率必须漭是使螽藤管霹靠簸发静要求。 ( 4 ) 触发脉冲应与与主电路电源电压相序一致，并且保持网 步。 ( 5 ) 触发脉；申麴移攘范盈威满足电源装置嬲要求。 智能电解水电源4 5 j 方交透太学9 9 缀颡士醑究生肇鼗论文 ( 6 ) 在触发电路中爨采取屏蔽等挽干扰措施以防止干扰与误 触发。 3 4 2c a 6 1 0 0 遭用触发窀路 国内赞绞的三据可控触发电路普遍采用小规模集成块k c 或k j 系列的模拟芯片来组成。这黉电路簿缀的触发脉冲舔蹩避过两 涉变压器送来的蔺步信号转亿为锯齿波信胥，褥与给定豹童流瞧 攫相比较来取褥移相信号豹。三摆褥遴波信号的斜率、占空比和 蠛度等筠分盘的每相元器件参数关系密切。比较信号中小的千扰 掰能造成较犬酌穰移误差。就矫，三程赫 串的辩称平衡亦敬决予 置个锯诲波斜率的调楚，至少娶调憋翅个以上豹电位器才能使这 种电鼹夔常王捧，电鼹媳霹纛性及蠡动乎键瞧力较差。在于挠严 熬或电位器接触不蹙造成严麓失衡时，触发信号甚至会造成圭髓 路元件的损坏。 由模拟芯冀缀戏的触发彀爨，慰不溺的耀途逐鬻攥簧燕凝设 计：不月相序的输入电源、间步变压器及触发脉冲所对应的可控 聩也褥要用示波器严掊奁对。此外，辩诸如缺相绦护、软起动替 附属毫路亦鬻努井设计电路解决，熬个电黯系统在设计和调试懿 攘当复杂。 c a 6 1 0 0 触发扳具商通用特性，用于控制可控硅的门援延遮触 发角，从1 珂实现移相控制。它在计算机、模拟或数字调节器与犬 功率主堍潞之滴形成了一令瞧好终缓冲赛甏，方錾，保证可靠 褥