基于CPLD编解码措施的断路器触发可靠性设计毕业论文.doc

摘 要 真空断路器是电力系统中压开关领域的主流产品 其操动机构的可靠性已经引起 人们的高度重视 永磁操动机构因体积小 零部件少 结构简单 使操动机构发生故 障的概率大大降低 它的出现为提高断路器的可靠性 进而实现操作控制提供了条件 本文着重研究了真空断路器的可靠性控制 首先 分析了真空断路器对操动机构 的要求 从永磁操动机构的特性出发 讨论了典型的永磁操动机构的结构和工作原理 为实现控制奠定了理论基础 其次 在分析理论的基础上 提出了真空断路器硬件控 制系统的设计 并详细介绍了利用 EPM7064 的编解码措施来提高永磁操动机构分合闸 操作的可靠性 最后 文章根据永磁操动机构的工作特点与系统性能要求 综合硬件 与软件两个方面 进行了控制系统抗干扰的改进工作 寻求更加稳定 可靠的软硬件 实现技术 本文从硬件系统和软件系统两个方面对永磁操动机构整个控制系统进行了介绍 硬件部分主要有电源模块 手动控制单元 通信模块 数据处理模块 分合闸线圈驱 动模块等五个单元模块 软件部分则将程序分成主模块 CPLD 编解码模块 数据处理 模块和通信模块四个模块进行模块化的程序设计 通过实验本文研制的智能控制器可 以实现手动控制 PC 机远程控制等功能 并总结了在研究和实现控制装置可靠性过程 中得到的一些设计经验和设计方法 并对研制的控制软硬件存在的不足进行了分析 本文设计对真空断路器控制具有一定的实用价值 关键词 断路器 永磁操动机构 分合闸控制 编解码 可靠性 AbstractAbstract As a popular component of middle voltagecircuit breakers the reliability of its actuator is very important As a new kind of actuator of circuit breaker permanent magnetic actuator PMA has many advantages such as less parts higher reliability no maintenance and so on It provides hardware basement for enhancing stability of breakers and also can be used to realize intellectual control Focuses is placed on the reliability of the vacuum circuit breaker control in this paper First of all the requirements for the the actuator of vacuum circuit breaker were analysised Typical permanent magnetic actuator of the structure and principle are discussesed according to the characteristics of permanent magnet actuator which provided a theoretical foundation for control Then based on the theory analysis on the vacuum circuit breaker the hardware control system design coding and decoding using EPM7064 measures are adopted to improve the permanent magnetic actuator operation reliability At last considering the work characteristics and system performance requirements for permanent magnetic actuator integrated hardware and software aspects and the control system in anti interference were improved thus one way to seek more stable and reliable hardware and software implementation techniques can be achieved Both hardware and software systems in terms of permanent magnetic actuator of the control system was introduced detailedly in this reserach The hardware contains power supply modules manual control unit communication module data processing module and sub closing coil driver module And the sofeware contains main module code and decode module of CPLD data processing module and communication module The functions of manual control PC control are presented also Some design experience and design methods in the research and realization of the reliability of the process control device are summarized and the control hardware deficiencies were analyzed The design of this work has some practical value in vacuum circuit breakers control Key words circuit breaker permanent magnetic actuator intellectual control code and decode reliability 目 录 引言 1 1 绪论 1 1 1 中压断路器的现状 1 1 1 1 传统中压断路器的操动机构 2 1 1 2 真空断路器对操动机构的要求 2 1 1 3 永磁操动机构的发展及其优势 3 1 2 国内外对永磁操动机构的研究现状 4 1 3 本课题的研究内容与意义 5 1 4 本文的主要工作 5 2 永磁操动机构的原理与分类 6 2 1 永磁操动机构的分类 6 2 1 1 双稳态永磁操动机构 6 2 1 2 单稳态永磁操动机构 8 2 1 3 单稳态与双稳态永磁操动机构的比较 9 3 永磁操动机构智能控制装置硬件设计 9 3 1 系统设计总体方案 9 3 2 电源设计 10 3 2 1 单片机系统供电电源设计 10 3 2 2 电容器的充电电路 11 3 3 分合闸驱动模块 12 3 3 1 驱动电路原理 12 3 3 2 光电隔离 14 3 3 3 控制电路与主电路的总体原理图 15 3 4 手动控制单元 15 3 5 通讯单元 16 3 6 CPLD 编解码单元 17 3 6 1Altera 器件简介与选型 18 3 6 3CPLD FPGA 的内部结构 18 3 6 4CPLD 核心部分 21 3 7 数据接收单元 22 4 控制系统软件设计 23 4 1 主程序模块设计 24 4 2 通讯程序模块设计 24 4 3 编解码程序设计 25 4 3 1VHDL 的描述风格 25 4 3 2 数据流描述 26 4 3 3 用 maxplus 进行 CPLD 开发的简单流程 27 4 4 本章小结 28 5 控制系统抗干扰设计及系统调试 28 5 1 控制系统硬件抗干扰设计 29 5 2 控制系统软件抗干扰设计 29 5 3 控制系统调试 31 5 3 1 准备条件 31 5 3 2CPLD 的编解码输出测试 31 5 3 3 永磁操动机构控制系统性能测试 31 5 4 本章小结 32 6 结论 32 谢 辞 33 参考文献 34 附 录 1 35 附 录 2 40 引言 断路器是电力系统中十分重要的电气设备 它起着开断和关合正常与故障线路的 作用 其操作性能对电网的安全 稳定及经济运行至关重要 通常 电压配电系统主 要有四类断路器 空气断路器 油断断路器 SF6 断路器和真空断路器 空气断路器和 油断断路器近年来已经被 SF6 断路器所取代 而真空断路器主要应用于中压短路装置 中 在 6 35KV 的中压配电系统中 真空断路器因其高可靠性 免维护和安全性等特点 多年来在中压开关领域得到了极其广泛的应用 传统操动机构零部件数量多 传动关 系复杂 可靠性不高 经常发生故障 不仅导致电路不能正常供电 甚至会危及电路及 用电设备的安全 而现在主要是永磁操动机构 PMA 由于它显著的优点 永磁机构 受到人们的广泛关注 它有较少零部件 高可靠性 免维修和更可控的电参数的优势 具有很广阔的发展前景 本文主要讨论研究带永磁机构真空断路器的可靠性控制 1 绪论 IEEE 开关设备委员会断路器可靠性工作小组在全球范围内对高压断路器可靠性的 研究中指出 在高压断路器的各种故障中机械故障方面的原因占了 70 辅助电路和 控制电路的故障占了 19 为进一步提高断路器的可靠性 满足当今社会对高质量 高可靠性产品的需求 有必要突破传统意义上的机构动作原理 研制新型断路器操动 机构 永磁操动机构是近几年正在发展的一种新型操动机构 它是一种用于中压真空断 路器的永磁保持 电子控制的高可靠性的操动机构 它利用永久磁铁产生的磁力将真 空断路器保持在分 合闸位置 而无需任何传统的机械脱扣 锁扣装置 按机构在分闸操 作的不同将永磁机构分为电磁操动 也即俗称的双稳态 和弹簧操动 也即俗称的单 稳态 两种形式 从线圈数目上又可分为双线圈式与单线圈式 永磁操动机构二次控制回路采用电子控制模块 动作迅速并可实现精确的时间控 制 输入输出用光电隔离 功耗低 极大提高了断路器的可靠性 储能元件一般选用 电容器或是蓄电池 瞬时释放高能量的脉冲电能 以此提供分合闸所需要能量 配永磁操动机构的真空断路器具有体积小 重量轻 结构简单 操作可靠 免维 护 使用寿命长等显著优点 展现了很好的应用前景 因此 研究真空断路器永磁操 动机构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 1 1 中压断路器的现状 断路器属于保护类电器 归根结底是体现在触头的分合动作上 而分合动作又是 通过操动机构来实现的 因此操动机构的工作性能和质量的好坏直接影响断路器的工 作性能和可靠性 在中压领域 目前使用的断路器主要有三种类型 少油断路器 SF6 断路器 真 空断路器 少油断路器采用变压器油作为灭弧介质 10KV 级的行程为 150mm 左右 由于开端时油会被碳化 且燃弧时间稍长 动静触头烧损严重 所以不能频繁开端 而且需要经常检修 SF6 断路器采用具有特殊灭弧性能的 SF6 气体作为灭弧介质 加 上灭弧方式的独特设计 具有电寿命长 开断性能好的优点 真空断路器是利用真空 作为灭弧介质和绝缘保护的一种断路器 绝缘强度高 灭弧性能强 10KV 的开距可控 制在 10mm 左右 消耗功率小 开断可靠性高 1 1 1 传统中压断路器的操动机构 最早的油断路器的操动机构绝大多数是利用直流电磁能量进行操作 通过直流线 圈或电动机将电能转换为机械能 五十年代压缩空气断路器在电压等级和开断容量方 面居领先地位 到了六十年代少油断路器有了很大发展 采用了较为成熟的液压技术 和其他操动机构相比 液压机构具有操作出力大 操动特性好的优点 目前用于中压断路器的操动机构主要有弹簧式和电磁式两种 弹簧操动机构的关键部件为合闸弹簧和分闸弹簧 它将电动机的机械功在短时间 内储存于合闸弹簧中 然后将合闸弹簧能量释放进行合闸 在合闸过程中 合闸弹簧 储能 用作分闸动力 这种操动机构工作特性受外界影响的因素较少 维修的要点也 容易明确 在中压断路器中已经普遍采用 但是其传动机构复杂 故障率较高 运动 部件多 制造工艺要求也较高 电磁操动机构在真空断路器发展的初期得到了广泛的应用 这是由于电磁操动机 构较好的迎合了真空灭弧室的要求 一是行程短 8 12mm 二是合闸位置需要很大 的保持力 2000 4000N 相 但是电磁机构本身的缺点限制了合闸速度的提高而且合 闸时间较长 电压波动对合闸速度影响较大 因此一般用于对分合闸速度要求较低的 10KV 等级及分合闸速度要求不太高的 35KV 等级的真空断路器中 1 1 2 真空断路器对操动机构的要求 在断路器发展的不同阶段 占主导地位的操动机构形式有所不同 作为中压断路 器的主流产品 真空断路器相较其他断路器例如空气断路器 油断路器和和 SF6 断路 器的动作特性有很大差异 真空断路器的行程很小 而由于对接式触头合闸保持力大 机构必须保证在开关合闸到位时有足够大的力来克服触头压力 且不允许发生断路器 合不上或出现严重的触头弹跳 因此真空断路器对其操动机构有着很高的要求 主要 包括 操作的可靠性 真空断路器由于采用真空灭弧 灭弧时间短 电弧电压低 电 弧能量小 触头磨损少 因而分断次数多 使用寿命长 且适用于频繁操作 其机械 寿命从传统的两千次跃增为几万次 因此 与其配合的操动机构的机械寿命及可靠性 就成了较为突出的问题 无论是电磁操动机构还是弹簧操动机构都有各自的局限性 使得操动机构的可靠性得不到很大提高 为了满足电力系统对高可靠性供电的要求 在致力提高传统操动机构性能 质量和可靠性的同时 有必要突破传统意义上的机构 动作原理 研制和发展新的断路器操动机构 并进一步发展实现断路器的智能化控制 与真空断路器的反力特性的配合 真空断路器的反力特性与少油断路器和 SF6 断路器有很大差异 真空断路器的触头行程很小 合闸过程中在触头接触前只要很小 的驱动力 一旦触头闭合 就需要很大的永磁保持力来压缩弹簧以获得足够的触头压 力 而且真空断路器所要求的平均合闸速度并不太大 因为合闸速度太高容易引起触 头合闸弹跳 合闸时要求操动机构不给运动系统附加过多的运动惯量 以提高分闸初 始加速度 1 1 3 永磁操动机构的发展及其优势 永磁操动机构是近年来发展起来的一种新型操动机构 它将电磁机构和永久磁铁 特殊地结合在一起 利用永久磁铁产生的磁力将真空断路器保持在分 合闸位置 而无 需任何传统的机械脱扣和锁扣装置 主要用于中压真空断路器 是一种永磁保持 电 子控制的高可靠性的操动机构 该机构的输力特性可以设计到很接近真空断路器的负 载特性 因此可以直接和灭弧室相连 使零部件减到最少 较弹簧机构减少了 80 以 上 提高了产品的机构刚性 有助于减少触头弹跳 提高刚分速度 简单的结构和零 部件的大幅减少使开关机械系统可靠性大大提高 从而实现免维护运行 在中压断路器领域 国外永磁操动机构技术的研究开始于八十年代末 欧洲以英 国和德国为代表 利用电子技术 电力电子技术和计算机控制技术完善控制单元 使 得断路器的控制不仅实现简单的合闸与分闸功能 还具备了电网的检测 保护 控制 和通讯等功能 对于断路器的这种智能化趋势 国际上提出了 智能断路器 Intelligent Circuit Breaker 的概念 永磁操动机构和液压式 电磁式 弹簧式等传统的断路器相比具有以下优点 永磁操动机构结构简单 运动部件只有一个动铁心 零部件也很少 和传统的 弹簧机构相比 永磁操动机构的零部件减少了大约百分之四十 这就使它的可靠性大 大提高 同时由于它没有容易出现机械故障的锁扣装置 所以其机械可靠性非常高 发生机械故障的概率几乎为零 永磁操动机构采用永磁来产生保持力 由于永磁材料的良好工作性能 不会产 生传统操动机构的漏油 失效等故障 易实现免维护运行 永磁操动机构输出特性和真空断路器的开关机械负载特性吻合 从而能够达到 良好的速度特性 永磁操动机构传动机构非常简单 由分合闸线圈的励磁电流产生的磁场直接驱 动动铁心 动铁心又直接和断路器的主轴相连 由于运动部件少和中间传动部件少 使其具有更好的可控性 为断路器实现智能控制打下基础 1 2 国内外对永磁操动机构的研究现状 在中压开关领域围绕永磁操动技术的研究开始于 20 世纪 80 年代末 欧洲以英国 及德国为代表 1989 年英国曼彻斯特大学系统与能量组为 GEC 公司设计了一台永磁操 动机构模型 1992 年前后永磁操动技术开始在英国工业应用 1995 年英国的 Whipp 4 3 3 用 maxplus 进行 CPLD 开发的简单流程 在使用硬件描述语言构建 CPLD 数字系统模型之后 下面将进行基于 CPLD 的设 计 Altera 公司提供的开发 CPLD 的集成环境 maxplus 简单 易学易用 其可视化 集成化设计环境等优点为业主人士所认可 本节主要给出了用 maxplus 进行 CPLD 开 发的简单流程 设计输入 maxplus 提供 4 种设计输入方式 将编写好的 VHDL 程序输入 以 VHD 为后缀 名保存即可 编译 编译 Compilation 时 软件自动对设计进行错误检查 若有错误 则会报错 Error 或者报警 Warning 如果是 Warning 则表示语法上没有错 但在逻辑上 可能与设计者的初衷不一样 这时设计仍能综合 而 Error 则表示设计上有问题或者 HDL 语法上有错误 无法综合 仿真 对设计进行仿真 Simulation 包括功能仿真 Functional Simulation 和时序仿 真 Timing Simulation 引脚分配 设计者可以按照自己的意愿为系统设计引脚 以便设计输出验证 再编译 在引脚分配完成后 需要再次编译 maxplus 才能按照设计者的意愿分配引脚以 及布局布线 下载 配置 再次编译成功后 就可以将编译生成的下载和配置 Programming 文件 pof 烧录到指定的器件中 烧录方式为 JTAG 本设计利用 maxplus 软件对所编写的编解码程序进行编译 并进行了相应的时序 仿真 如图 3 18 与 3 19 所示 由 3 18 可以看出 当合闸信号为 0 分闸信号为 1 时 CPLD 将其编码为 10101010 当合闸信号为 1 分闸信号为 0 时 CPLD 将其编码为 10111011 这与所写的程序想要是实现的结果一样 由 3 19 可以看出 当 8 位输入为 10101010 时 合闸输出为 1 分闸输出为 0 当 8 位输入为 10111011 时 合闸输出为 0 分闸输出为 1 这与所编 的程序想要实现的一致 图 3 18 CPLD 编码时序仿真图 图 3 19 CPLD 解码时序仿真图 4 4 本章小结 本章主要完成了永磁操动系统的控制部分的软件设计 用模块的思想对系统软件 进行了合理的设计 控制系统软件部分将程序分成主模块 通信模块 CPLD 编解码 模块和数据接收模块四个部分 并对每一部分完成的功能和每一部分的程序流程进行 了合理的设计 主要详细的介绍了 CPLD 的硬件描述语言 并对其集成开发环境 maxplus 进行了简要的介绍 5 控制系统抗干扰设计及系统调试 可靠性是控制系统的重要性能指标 有多种因素决定 微机控制系统所在现场的 各种干扰是影响可靠性的主要因素 干扰是指叠加在电源电压或正常工作信号上的其 它电信号 干扰有多钟来源 电网 空间电磁场 输入输出通道等 干扰会影响传递 信息的正确性 扰乱程序的正常运行 使程序走飞进入死循环 还可能损坏系统的元器 件 所以干扰是控制系统必须认真对待的问题 解决干扰问题从两方面入手 一方面 切断干扰的来源 另一方面提高控制系统的抗干扰能力 5 1 控制系统硬件抗干扰设计 抑制干扰源 抑制干扰源是抗干扰设计中最优先考虑和最重要的原则 常常会起到事半功倍的 效果 在本系统中采用的抑制干扰源的措施如下 布线时避免 90 度折线以减少高频噪 声发射 切断传播路径 按干扰的传播路径可分为传导干扰和辐射干扰两类 在本系统中采用的切断传播 路径的方法如下 充分考虑电源对单片机的影响 电源做得好 整个电路的抗干扰就解决了一大 半 许多单片机对电源噪声很敏感 在本系统中 采用开关电源 其抗干扰能力是相 当强的 注意晶振的布线 晶振与单片机引脚尽量靠近 大功率器件尽可能放在电路板的边缘 提高敏感元件的抗干扰性能 提高敏感元件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对电源噪声的拾取 以及从不正常的状态尽快恢复的方法 可采用的提高敏感元件的抗干扰性能的措施如 下 单片机中闲置的 I O 口 不悬空 接地或电源 其它 IC 的闲置端 在不改变系 统逻辑的情况下接地或接电源 对单片机使用电源监控 这样可大幅度地提高整个电路的抗干扰性能 PCB 的抗干扰措施 布线时尽量减少回路环的面积 以降低感应噪声 电源线的设计 根据印制电路板电流的大小 尽量加粗电源线宽度 减小环路 电阻 接地线应尽量加粗 若接地线用很细的线条 则接地电位随电流的变化而变化 使抗噪性能降低 因此应将接地线加粗使它能通过三倍于印制板上的允许电流 配置退耦电容 PCB 设计的常规做法是在印制板的各个关键部位配置适当的退 耦电容 5 2 控制系统软件抗干扰设计 干扰对微机控制系统造成的后果有 数据采集出现误差 输出控制失误 RAM 中 数据被破坏 以及程序跑飞或陷入死循环 尽管在硬件方面采取了种种抗干扰措施但 是干扰是不可能完全被消除的 必须同时从软件方面采取适当的措施 才能取得良好 的抗干扰效果 在软件方面采取的措施有以下方面 冗余指令 当 CPU 受到干扰后 往往将一些操作数当作指令码来执行 引起程序混乱 这时 首先要尽快将程序纳入正轨 51 系统中所有的指令都不超过 3 个字节 而且有很多单 字节指令 当程序跑飞到单字节指令上时 便自动纳入正轨 因此 在编程时应多采 用单字节指令 在关键的地方人为地插入一些单字节指令 NOP 或将有效单字节指令 重复书写 这便是指令冗余 在双字节指令之后插入两条 NOP 指令 可保护其后的指 令不被拆散 在某些对程序流向起着决定作用的指令之前或某些对系统工作状态至关 重要的指令前也可插入两条 NOP 指令 但也不能在程序中加入太多的冗余指令 否则 会明显降低程序正常运行的效率 数字信号输入 输出中的软件抗干扰措施如果干扰只作用在单片机系统的 I O 通 道上 但 CPU 还能正常工作 可采用下述方法来减少干扰对数字信号的输入 输出影响 单片机系统给出正确的数据输出后 外部干扰有可能使输出装置得到错误的数据 为 此需要采取一定的措施 在软件上 最为有效的方法就是重复输出同一个数据外部设 备接收到一个被干扰的错误信息后 还来不及做出有效的反应 一个正确的信息又来 到 就可以及时防止错误动作的产生 并且在重复几次输出后 对输出量采取回读 需 要硬件配合 以便最终确认输出无误 陷阱技术 指令冗余使跑飞的程序安定下来是有条件的 首先跑飞的程序必须落到程序区 其次必须执行到冗余指令 当跑飞的指令落到非程序区 如程序存储器中未使用的空间 程序中的数据表区等 时 前一个条件不满足 当跑飞的程序在没有碰到冗余指令之前 已经自动形成一个死循环 这时第二个条件也不满足 对付前一种情况采取的措施是 设立软件陷阱 对后一种情况采取的措施是建立程序运行监控系统 WATCHDOG 所 谓软件陷阱 就是一条指引指令 强行将捕获的程序引向一个指定的地址 在那里放 一段专门对程序出错进行处理的程序 软件陷阱安排在下列四种地方 未使用的中断向量区 未使用的大片程序存储器 空间 表格 程序区 由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方 故不会影响程序的执行效率 在程序存储器够用的前提一下多多益善 当程序跑飞到一个临时构成的死循环中时 冗余指令和软件陷阱就无能为力了 如果操作人员在场 可以按下人工复位按钮 强制系统复位以摆脱死循环 但往往也 是在发生了不良后果之后才进行人工复位的 为了解决这个问题 可在系统中加入监 控系统 WATCHDOG 有如下特性 本身能独立工作 基本上不依赖于 CPU CPU 在一个固定的时间间隔内与该系统打一次交道 以表明系统目前工作正常 当 CPU 掉入死循环后 能及时发觉并使系统复位 5 3 控制系统调试 由于实际与理论计算存在着一定的计算误差和考虑不周全等因素 设计的永磁操 动机构本体各项技术参数与理论计算的有一定误差 而这些参数是设计智能控制系统 的首要参考条件 所以必须通过实验来确定 同时 研制的智能控制系统本身是否满 足真空断路器的各项性能指标也是要通过实验和调试来确定 以达到将本课题应用于 实际的最终目的 5 3 1 准备条件 采用国产电容器 3 个 电容总值为 13400uF 耐压值为 300V 采用实验室的永磁操动机构一套 真空断路器一台 控制器电源输入电压 开关电源 输出电压 5V 有短路保护 大容量变压器一台 本文研制的永磁机构控制系统一套 PC 机一台 串行数据线一条 万用表一块 5 3 2CPLD 的编解码输出测试 为系统供电后 用万用表对 CPLD 的八路端口进行检测 若设计所编写的程序是并 行的程序 只要八路输出的电压与所编程序一致即说明本电路设计达到目的 若设计 采用的是串行的数据码流 则可用一示波器观察其输出波形 若波形与设计时序仿真 图一致 亦即说明本设计能够达到预期目的 由于本设计采用的是八路并行的输出 故只需用万用表测试 CPLD 的八路输出 若 其输出电压与预期结果一致 则说明设计的系统满足要求 5 3 3 永磁操动机构控制系统性能测试 本步测试包括触发电路的可靠性和串口通信可靠性 将电网电压连接一大容量变压器 经半波整流后 经过晶闸管连接到真空断路器 永磁机构的线圈 将本设计的触发电路的输出端连接至晶闸管的触发端 按下发送端 的手动分合闸按钮 真空断路器能够可靠的动作 则说明本设计能够达到控制目的 将电脑串口连接一串口线到电路板的串行口 打开电脑的串口调试助手 具体设 置见附录二 在发送端窗口输入 a 若永磁机构能可靠分闸 说明串口能够可靠动 作 接着在发送端口输入 b 若永磁机构能够可靠分闸 说明串口动作可靠 5 4 本章小结 本章主要完成了永磁操动系统的控制部分的软件设计 分别从软件和抗干扰两个 方面对系统软件进行了合理的设计 控制系统软件部分将程序分成主模块 监测执行 模块 状态处理模块和通信模块四个部分 并对每一部分完成的功能和每一部分的程 序流程进行了合理的设计 最后为提高控制部分的抗干扰的能力 从硬件到软件做了 大量的工作 并进行了相关试验来验证所做硬件电路的可靠性 经试验验证 设计的 硬件电路能满足设计要求 6 结论 本文主要研究分析了双稳态永磁操动机机构的控制系统 对永磁操动机构控制系 统作了深入细致的研究 结合永磁操动机构的工作原理与结构特点 本文提出了利用 CPLD 的编解码措施来控制其可靠分合闸的有效措施 并设计了控制器的基本结构框 架 然后 按照系统控制器的结构框架 分成各个模块 设计了一套完整的永磁操动 机构控制装置 这套控制装置由硬件和软件组成 硬件可以对配有永磁操动机构的真 空断路器实施手动控制 实现了判断 动作 通信 编解码等功能 还进行了相关电 路的制作 在实验的基础上 验证了该装置的可靠性 软件完成了对主程序模块 CPLD 编解码 数据处理和通信程序的编写 掌握了 VHDL 等相关硬件描述语言 还 结合相关仿真软件进行了仿真调试 给出了理想的仿真波形 并在实际电路的基础上 进行了反复的调试 最终能够实现与方针相一致的效果 达到本设计的目的 总之 本文以提高真空断路器可靠性为出发点 按照毕业设计任务书的要求 完 成了永磁机构控制系统的设计 完成本设计的过程中 本人在硬件的制作 软件的编 写以及系统的抗干扰性方面掌握了一些经验 为以后更深一步的学习打下了基础 谢 辞 在论文即将完成之际 毕业设计已完成 我必须向我的导师范兴明老师表示衷心 的感谢 本设计是在范老师的悉心指导下完成的 整个过程中不断地启发我 不仅仅是在 理论知识方面提出意见 而且在分析问题处理问题的思考方法方面给予了帮助 对于 设计过程中所出现的谬误和问题范老师也及时的批评指正 培养了我热爱学习 独立 思考 勤学好问 创新探索的能力 使我获益匪浅 使我能按正确的方向完成课题 导师认真负责的态度 严谨的治学作风 广博得知识 诲人不倦的育人精神和独到而 精辟的见解充分体现了师者风范 这给我留下了深刻的印象 使我受益匪浅 也使我 受益终身 在以后的工作生活中这将是一比无可替代的财富 同时 感谢在完成毕设期间给予我帮助的师兄 使他们的积极热情的帮助让我在 编写软件时少走了很多弯路 还有在大学期间所有教育我的老师 老师们渊博的专业 知识和循序诱导 使我在大学的学习生涯里大大提高了知识水平 锻炼了自己各方各 面的能力 感谢本班同学 科协朋友在我遇到问题的时候对我的细心讲解 以及在生活中对 我的帮助 给予我的关怀 参考文献 1 张丕状 李兆光 基于 VHDL 的 CPLD FPGA 开发与应用 M 北京 国防工业出版社 2009 6 2 林莘 永磁机构与真空断路器 M 北京 机械工业出版社 2003 4 3 刘文涛 MCS 51 单片机培训教程 C51 版 M 北京 电子工业出版社 2005 8 4 黄正谨 徐坚 张小丽 熊明珍等 CPLD 系统设计技术入门与应用 M 北京 电子工业出版社 2002 3 5 杨恒等 零起点学单片机与 CPLD FPGA M 北京 北京航空航天大学出版社 2007 4 6 戴佳 苗龙 陈斌 51 单片机应用系统开发典型实例 M 北京 中国电力出版社 2005 7 7 徐建源 孙建军 林莘等 单稳态永磁操动机构的智能控制装置 J 电气时代 2006 5 51 53 8 张静 孙建军 一种单稳态永磁操动机构的智能控制装置的研制 J 华通技术 2007 3 19 23 9 廖敏夫 邹积岩等 基于永磁操动机构的光控模块式多断口真空断路器技术 J 高压电器 2004 40 1 40 42 10 刘东 李莉 真空断路器的永磁操动机构 J 广东电力 2003 16 6 9 14 11 周健 辛开远 永磁操动机构及其电子控制系统 J 供用电 2002 19 6 19 21 12 张俊民 徐国政 钱家骊等 一种永磁操动机构的智能控制与电子驱动装置的研制 J 高压电器 2003 39 1 27 33 13 游一民 陈德桂 候建新等 永磁操动机构的发展与应用 J 高压电器 2003 39 6 54 56 14 Dullni E A vacuum circuit breaker with permanent magnetic actuator for frequent operations J Discharges and Electrical Insulation in Vacuum 1998 Proceedings ISDEIV XVIIIth International Symposium onVol2 688 691 15 Jong Ho Kang Chae Yoon Bae and Hyun kyo Jung Dynamic Behavior Analysis of Permanent Magnetic Actuatorin Vacuum Circuit Breaker J Electrical Machines and Systems 2003 ICEMS 2003 Sixth International Conference on Vol 1 9 11 附 录 1 1 发送端及串口程序 include include include define uchar unsigned char sbit fenzhaxinhao P2 0 分闸信号 sbit hezhaxinhao P2 1 合闸信号 sbit fenzha P3 2 分闸按钮 sbit hezha P3 3 合闸按钮 void delay unsigned char t uchar recive void main TMOD 0X20 确定定时器工作模式 2 SCON 0X50 串口工作方式 1 REN 1 允许接收 TL1 0Xfd 初值 波特率 9600 TH1 0Xfd PCON 0X00 SMOD 0 TR1 1 开启定时器 T1 EA 1 开 CPU 中断 ES 1 开串口中断 P2 0 x00 初始值 P3 0 xff while 1 if recive 0 x0a 收到 a 分闸信号 fenzhaxinhao 1 hezhaxinhao 0 delay 1000 if recive 0 x0b 收到 b 合闸信号 hezhaxinhao 1 fenzhaxinhao 0 delay 1000 if fenzha 0 delay 500 延时消抖 if fenzha 0 recive 0 fenzhaxinhao 1 hezhaxinhao 0 if hezha 0 delay 500 延时消抖 if hezha 0 recive 0 fenzhaxinhao 0 hezhaxinhao 1 串口中断子函数 void es0 void interrupt 4 using 2 recive SBUF RI 0 延时子函数 void delay unsigned char t t 2 接收端数据处理程序 include include sbit fenzhaxinhao P1 0 收 cpld 的分闸信号 sbit hezhaxinhao P1 1 收 cpld 的合闸信号 sbit fenzhachufa P2 0 发分闸触发信号 sbit hezhachufa P2 1 发合闸触发信号 sbit fenzha P3 2 分闸按钮 sbit hezha P3 3 合闸按钮 void delay unsigned char t void main P2 0 x00 P3 0 xff while 1 P1 0 x00 if fenzhaxinhao 1 远动分闸信号 fenzhachufa 1 hezhachufa 0 if hezhaxinhao 1 远动合闸信号 hezhachufa 1 fenzhachufa 0 if fenzha 0 手动分闸信号 delay 500 延时消抖 if fenzha 0 fenzhachufa 1 hezhachufa 0 fenzhaxinhao hezhaxinhao 0 if hezha 0 手动合闸信号 delay 500 延时消抖 if hezha 0 hezhachufa 1 fenzhachufa 0 fenzhaxinhao hezhaxinhao 0 延时子函数 void delay unsigned char t while t 3 CPLD 编码程序 LIBRARY IEEE USE IEEE STD LOGIC 1164 ALL USE IEEE STD LOGIC UNSIGNED ALL USE IEEE STD LOGIC ARITH ALL 接收两位的控制信号 短脉冲 判断信号的类别 发送相应的控制码 ENTITY code sout IS PORT clk hezha fenzha IN STD LOGIC codeout OUT STD LOGIC END code sout ARCHITECTURE beh OF code sout IS signal reg8 STD LOGIC VECTOR 8 DOWNTO 0 constant code1 std logic vector 10101010 内置的 AA 控制码 合闸 constant code2 std logic vector 10111011 内置的 BB 控制码 分闸 signal temp std logic vector 1 downto 0 BEGIN lab1 process clk hezha fenzha begin tempreg8reg8NULL end case end process lab1 end beh 4 CPLD 解码程序 library ieee use ieee std logic 1164 all use ieee std logic arith all use ieee std logic unsigned all entity decode is port code in in std logic vector 7 downto 0 hezha fenzha out std logic end entity decode ARCHITECTURE a OF decode IS BEGIN process code in begin case code in is when 10101010 hezha 1 fenzhafenzha 1 hezhafenzha 0 hezha hezha 0 fenzha 0 end case end process END a 附 录 2 1 虚拟串口使用说明 用 proteus 里的单片机跟 pc 的串口调试工具进行串口仿真之前要进行相关设置 下面进行介绍 安装后虚拟串口后你会看到如附图 1 1 附图 1 1 安装虚拟串口后图 上面为你实际的物理串行口 下面附图 1 2 是虚拟的物理串行口 下面我们来增 加一对虚拟串行口 附图 1 2 添加虚拟串行口 因为一般的电脑最多为两个串行口 在这个画面上 我们设置 first 为 com3 second 为 com4 点击 add pair 就可以增加一对虚拟串口 如附图 1 3 所示 这两对端口是通过这个软件物理连接的 并且是 rs232 电平连接 附图 1 3 串口设置 这样我们就完成里串口的设置 可以把此软件关闭 这两个端口将会一直存在于 你的电脑中 下次直接使用就可以了 Proteus 中的串口设置 下面我们对串口进行设置和邦定 附图 1 4 Proteus 中串口设置 在 proteus 右键单击上面的图选定 然后左键单击此元件打开它的属性对话框 如 附图 1 5 所示 附图 1 5 元件属性设置 设置蓝色框内的参数 为你实际的参数 其中红色圈内设置为你要邦定的串口 本例邦定为 com4 必须为 com3 和 com4 中的一个 附图 1 6 串口调试助手设置 下面就是对串口调试工具的设置了 设置如附图 1 6 所示 因本例 proteus 用了 com3 那么串口调试工具这里就要邦定为 com4 了 并且设置 为 16 进制发送和显示 到此 设置就完成了 2 Proteus 与虚拟串口结合的仿真图 如附图 2 1 所示 当用串口调试助手发送分闸命令时 分闸信号灯亮 这里省略 了触发电路图 附图 2 1 发送分闸命令时串口仿真图 附图 2 2 发送合闸命令时串口仿真图 如附图 2 2 当用串口调试助手向单片机发送合闸命令时 合闸信号灯亮 这里同 样省略了触发电路 由上述的仿真图可以看出 利用虚拟串口进行的 PC 发送的分合闸控制信号能够达 到预期的目的 袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆 肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆