（电力电子与电力传动专业论文）具有远程通信功能的新型原动系统仿真器的研究与应用.pdf

具有远程通信功能的新型原动系统仿真器的研究与应用 a bs t r a c t w i t ht h er a p i d l ye x p a n do ft h em i c r o c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y ，t h ep o w e r e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n ds oo n ，t h ep r i m em o v e rs i m u l a t i o ns y s t e mo fp o w e rs y s t e m t r a n s f o r m si n t oi n e v i t a b l yt h et r e n do fd e v e l o p m e n tf r o mt h et r a d i t i o n a la n a l o g u e c o n t r o lt ot h en u m e r i c a lc o n t r 0 1 a tp r e s e n t ，t h ee l e c t r i cc i r c u i t so fa n a l o g u ec o n t r o l a r ee x i s t i n gm a j o r i t yi np r i m em o v e rs i m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hi sa f f e c t i n gs y s t e m s f u n c t i o nt oac e r t a i ne x t e n ts y s t e m ，t h e r ee x i s ts o m ep r o b l e m ss u c ha sc o m p l e x s t r u c t u r e s ，v u l n e r a b i l i t yt oe n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ea n dw e a ka n t i - j a m m i n g c a p a b i l i t t h er e m o t ec o n t r o lt e c h n o l o g ya l s oa l r e a d yo b t a i n e dt h eb r o a da p p l i c a t i o n i nt h ee l e c t r i c a l p o w e rs y s t e mb e c a u s eo ft h ec o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y s d e v e l o p m e n t i ti sak i n do fi n e v i t a b l et r e n do fd e v e l o p m e n tt h a tt h em a n a g e m e n to f d y n a m i cs i m u l a t o rl a b o r a t o r ya p p l i e st h es y n t h e s i sa u t o m a t i o nc o n t r o lm o d e s ot h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o li st h ec o n t r o lk e y t h em o d b u sp r o t o c o li sag e n e r a l p u r p o s el a n g u a g ea p p l y i n go nt h ee l e c t r o n i cc o n t r o l l e r s ，w h i c hh a sm a n ym e r i t ss u c h a so p e n n e s s ，e a s i l yt or e a l i z e ，t h ee x t e n s i o nt ob eg o o d ，u s e rs c o p eb r o a da n ds oo n i t i sa p p l i e da so n eo fm o s tw i d e s p r e a dp r o t o c o l si nt h ei n d u s t r i a lc o n t r 0 1 b a s e do na b o v es e v e r a lc o n s i d e r a t i o n sa n dt h eu n i o na c t u a lr e s e a r c hw o r k ，t h e p a p e rp r o p o s e dt h et h e o r ya n dt h et e c h n o l o g yo fp r i m em o v e rd y n a m i cs i m u l a t i o n t h et h e s i se s t a b l i s h e dt h eg e n e r a lm a t h e m a t i c a lm o d eo fg e n e r a t o rp r i m em o v e r s y s t e mt h a ts a t i s f i e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fp r i m em o v e rs i m u l a t i o ns y s t e ma n d t h ev e r s a t i l ec o o r d i n a t e du n i f i c a t i o nc o n d i t i o nb a s e do nt h em i c r o c o m p u t e rc o n t r o l a n dt h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e t h ep a p e ra n a l y z e dt h eg o v e r n o rs i m u l a t o r s f u n c t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i cw h i c ht a k e si n t e l 8 0 c19 6 k ca st h ec o r ec h i p a n a l y z e d a n dd e s i g n e dt h ef - 0 3m o t i v es y s t e mi n s t a l l m e n th a r d w a r ec i r c u i ti n c l u d i n gam a i n r e t u r nr o u t e ，t h eo p e r a t e sr e t u r nr o u t e ，t h em i c r o c o m p u t e rc o n t r o lc i r c u i t ，t h es e r i a l c o m m u n i c a t i o ne l e c t r i cc i r c u i t ，t h eh a r d w a r ea n t i - j a m m i n ge l e c t r i cc i r c u i t sc h o i c e a n ds oo n t h e nt h ep a p e ru s e dt h em c s 9 6a s s e m b l yl a n g u a g et oc o m p i l et h es y s t e m s o f t w a r ea n dr e a l i z e dt h ef u n c t i o na c c o r d i n gt ot h en e wm o t i v es y s t e ms i m u l a t o r t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu p p e rp o s i t i o nm a c h i n ea n dm i c r o c o m p u t e rc o n f o r m sw i t h m o d b u sp r o t o c 0 1 t h es y s t e ma d o p t sc o m m u n i c a t i o ns t y l eo fs e r i a la s y n c h r o n o u s a n dh a l f - d u p l e x v i s u a l b a s i c 6 0i s a d o p t e dt od e v e l o pt h es o f to fu p p e rp o s i t i o n m a c h i n ew h i c hr e a l i z e ss h o w i n go fa l lk i n d so fs t a t eo fs y s t e ms y s t e m sc o m m a n d i l l 硕十学位论文 c o n t r o l ，t h es y s t e mp a r a m e t e r si n s t a l l a t i o n ，t h eo p e r a t i o n a lf a c t o rm o n i t o r i n g ，t h e c o n d i t i o nd e m o n s t r a t i o na n ds oo n ，r e a l i z e dt h er e m o t ec o n t r o la n df u r t h e re n h a n c e d t h em o t i v es y s t e m sa u t o m a t i z a t i o n f i n a l l y ，t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ta n dt h es c e n ed e b u g g i n gp r o v e dt h a tt h e d e s i g no ft h es y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ew a sf e a s i b l e k e y w o r d s ：p r i m em o v e rs i m u l a t i o n ；i n t e l 8 0 c 19 6 k c ；m o d b u s p r o t o c o l ；s e r i a l c o m m u n i c a t i o n i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：也舀 日期珈7 年j 月乡口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密毗 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 芝也喝 圳锨 日期：沙7 年妇乡。e t 醐m 7 叩扣日 硕十学位论文 第1 章绪论 随着计算机技术、电力电子技术和网络技术的飞速发展，现代电网结构日趋 复杂，电网容量不断扩大，实时信息传送量快速增加。因此，在理论上和实践上 出现了许多亟待待解决的问题：各种新型的理论需要加以验证，各种新技术和新 设备需要进行试验等等。而由于电力系统对其运行的安全性和可靠性有很高的要 求，因此在实际电力系统进行试验常常受到很多限制，有些实验甚至是不可能在 实际系统中进行，电力系统动态模拟是解决这一问题的重要方法之一【l l 。 电力系统动态模拟的内容很多，对原动机( 水轮机、汽轮机) 及其调速系统的 模拟是其非常重要的一个环节，也是研究现代电力系统运行及其过渡过程时所必 须考虑的。电力系统动态模拟的控制技术落后于实际电力系统的技术发展，为了 提高对实验室的管理水平和实验效果，需要对老式模拟实验中以常规控制、人工 操作为主的控制模式进行以计算机监控系统为基础的综合自动化改造。研制开发 动态模拟实验室的新型原动系统仿真器，为电力系统科学研究、电力新技术设备 的研发和电力产品的检验提供更为有效的试验工具，具有十分重要的意义。 1 1 原动机仿真系统的现状 电力系统动态模拟实验室是电力系统在实验室内的复制品，是研究电力系统 的一个重要研究环境和工具。美国、日本和苏联在2 0 世纪2 0 年代就开始利用物 理模拟方法研究电力系统。之后，法国、奥地利、澳大利亚等许多国家相继建立 了电力系统动态模拟实验室。至今世界上的许多国家的电力试验研究机构和高等 院校仍有规模不等的电力系统动态模拟实验室在运行。其中俄罗斯列宁格勒工业 大学拥有世界上最大的电力系统动态模拟实验室【2 】。 我国自1 9 5 8 年8 月1 日在清华大学建成了全国第一个电力系统动态模拟实验 室，代表着当时全国高校的最高学术水平。此后，实验室数量逐步增多，电力电 子技术和计算机控制技术的发展和普及，使得电力系统动态模拟技术和模拟设备 不断发展和更新。 6 0 年代7 0 年代中，原动系统动态仿真模型均采用直流电动机一交流扩大机 方式，存在噪声大，体积大等缺点； 7 0 9 0 年代，采用常规晶闸管直流传动装置直流电动机方式逐渐普及。期间， 国内少数动模室自行改造，在控制部分加入调速系统、水汽管道和自平衡特性仿 真。我校于1 9 8 6 年开展原动机动态模型的研究。1 9 8 6 年，动模试验室的老师先 后到北京、天津等多家高等院校和科研部门调查研究，对原有调速装置进行了改 具有远程通信功能的新型原动系统仿真器的研究与应用 造和试制，并发表相关研究论文【3 】。 1 9 9 5 年，我校研制“模拟原动机专用模型”获得成功，并在1 9 9 5 年全国高校 电力系统年会和公开期刊发表原动机调速系统仿真模型动态特性研究 4 1 、模 拟发电机组专用可控硅直流调速系统【5 】等相关论文，并被俄罗斯电工文摘收录。 9 0 年代后期，我校率先研究采用数字电路取代模拟电路，并于1 9 9 6 年在湖 南大学学报上发表了微机控制型原动机调速器模型与设计，首次探讨了一种用 基于c p u 的全数字化控制的原动机仿真系统方案，详细讨论了数字调速器硬件、 软件的设计，并对其正确性进行了仿真验证【6 1 。这标志着我校对原动机仿真系统 的研究迈出了富有成效的一步。 1 9 9 8 年，华中理工大学对原动机调速系统的动态仿真技术也进行了研究，对 调速系统动态仿真中过分忽略物理因素的问题，考虑到错油门、失灵区、限幅等 因素的仿真系统框图，说明仿真的实现方法和效果【7 】。 本课题全称是“具有远程通信功能的新型原动系统仿真器的研究与应用”，得 到了湖南省自然科学基金资助项目、湖南科技计划项目和湖南省教育厅科技项目 资助的支持，以y y x f 0 2 同步发电机原动系统仿真屏为基础，利用专用于电机 控制的1 6 位高性能处理芯片8 0 c 1 9 6 k c 做为系统数据处理的核心，控制移相触 发芯片t c 7 8 7 形成触发脉冲，开发出了y y x f 0 3 新型原动系统仿真器。 1 2 原动系统仿真的新技术和发展趋势 科学和技术迅速发展，各种新技术不断应用于电力系统动态模拟实验室。原 动系统动态仿真器也由模拟式向数字式控制发展，并经历了从模拟一数模混合一 全数字的发展历程。 进入8 0 年代以来，控制技术已从模拟式转向数字式。模拟式调速器是由运放 构成的比例器、微分器、积分器或它们的组合电路共同实现的。而这些电路的功 能完全可以通过微机来实现。与此同时，计算机技术、网络技术、通信技术等的 高速发展推动着操作控制水平向着综合自动化水平迈进。主要体现在以下几个方 面： 1 监控系统的网络化、分层次和开放式 近几年来，电力系统动态模拟实验室逐步采用以p c 机为运行节点的网络控 制。在大部分情况下，这种控制分两级，上面一级安装性能较高的工作作站，执 行高层次命令，进行数据处理和提供用户接e l ；下面一层则采用多个带有微处理 器的智能型的l c u ( l o c a l c o n t r o l u n i t ) 本地控制单元，以分别控制多个系统。两级 控制的好处使控制结构清晰、将非实时控制部分和实时控制部分分开，有利于高 级软件工程师从各种具体的硬件驱动中解放出来，在较高层次软件开发的初期甚 至中期进行模拟和仿真，而将那些具体硬件的驱动让给专门人员通过对l c u 编程 2 硕士学位论文 去解决。从控制角度来看只要多挂一台p c 机、增加一个控制点和一个l c u 即 可。当然，由于扩展方便，也给系统的冗余提供了更大的可能性，从而提高了控 制系统的可靠性。 电力系统动态模拟的控制模式仍将保持上述一些基本特点。当然，网络技术 的发展、特别是下一代互联网技术的问世以及相关软件和网络器件的发展，控制 系统的分布式、网络化、定时性、标准化、开放式、高效率和高可靠性程度也将 会进一步得到改善。 2 利用数字信号处理器( d s p ) 实现全数字化 数字信号处理器( d s p ) 是涉及多种新兴学科的器件产物，是未来集成电路 中发展最快的电子产品之一。与一般采用冯诺依曼结构程序和数据存储空间合二 为一的通用处理器相比，d s p 采用的是哈佛结构，它将程序和数据存储空间分开， 并采取一切措施提高数字信号处理的速度。而且还采用了高性能静态c m o s 技 术，减少了功耗。特别近年来t l 公司开发出的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 处理器，是专为 电机控制而设计，已经得到了初步应用。预计在未来1 0 年里，d s p 将会进一步 大量替代m p u 微处理器，用于原动系统仿真器控制系统的l c u 中。 3 基于全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，简称g p s ) 的功角测量 g p s 是美国在1 9 9 3 年建成的新一代卫星导航、定位系统。它由分布在6 条 轨道上、距离地面大约2 0 k m 的2 4 颗卫星组成，能覆盖全球，全天候工作，连续 定时地向地面用户提供高精度位置、速度和时间信息。g p s 由于其精度高和使用 方便，己广泛应用于电机的功角测量上面。一般是采用了过零检测来测量发电机 的功角。采用g p s 的秒脉冲作为同步参考基准，从而保证了所测的各发电机的相 角具有相同的参考基准【3 】。同时这些相角信息也贴上了相应的时间标签。我国在 这方面也与国际接轨，近年来这方面的测量也逐步采用这一新技术。 4 w e b 以及面向对象j a v a 等新技术将被越来越多地引入计算机监控系统。 全面采用面向对象的开发技术，人机界面采用跨平台j a v a 实现，不仅给用户 提供了更加方便地进行可编程二次开发的功能，以及丰富多彩的生动的界面，而 且前台操作员站的应用支撑软件大大减少，可以实现真正意义上的“瘦客户机 【9 】 o 5 计算机监控系统的微型化、大型化及网络化【1 0 】 嵌入式系统也是计算机监控技术的一个发展方向。所谓嵌入式系统，是指计 算机监控系统是与被监控对象一体的，即计算机监控系统是嵌入在被监控对象之 中的。微处理芯片技术、液晶显示技术、大容量电子存储器件技术的发展为嵌入 式系统的开发提供了可靠的保证。与计算机监控技术微型化相反的一个方向是大 型化。大型化的特点：一个是监控系统监控的参量非常的多，可以达到数万个甚 至数十万个；另一个是监控的地域非常的宽广，面积可达数十平方千米，距离可 3 具有远程通信功能的新型原动系统仿真器的研究与应用 达上万千米。由于大型化的需求以及计算机网络技术的日渐成熟，基于计算机网 络的计算机监控系统越来越多。 1 3 本文主要研究内容 本文详细地研究和分析了处理芯片i n t e l 8 0 c 1 9 6 k c 为核心的数字控制原动机 及其调速系统仿真器的功能和特点。介绍了原动机系统仿真的硬件电路和系统软 件，并完成系统的远程通信与实际调试运行，对设计与调试过程中的问题和经验 进行了总结。该系统主要完成以下功能：实时控制、人机界面化操作、计算机与 单片机之间数据通信、跟踪及手动控制功能。 论文的主要研究内容如下： 1 查阅大量国内外相关文献，资料，建立反应原动机( 即汽轮机和水轮机) 及其调速系统主要动态特性的通用数学模型； 2 研究分析y y x f 0 3 型原动机模型装置的硬件电路，包括一次主电路、操作 回路、微处理器的选择、电源选择、串行通信接口电路、硬件抗干扰电路的选择； 3 在完成硬件电路设计的基础上，根据原动系统所要实现的功能，设计新型 原动系统仿真器系统软件。软件上位机软件和下位机软件，上位机软件采用v i s u a l b a s i c 6 0 语言编写，实现软件人机操作界面及与下位机的串行通信等功能。下位 机软件采用m c s 9 6 汇编语言编写，实现与上位机串行口通信、原动系统仿真、 控制执行机构运动等功能。上位机和下位机的通信规约采用的是m o d b u s 通信 规约。 4 在全面完成硬件、软件设计基础上，对本系统进行了样机试验与现场调试， 对项目实施过程中所遇到的问题和经验进行了总结，指出存在的问题和不足，采 取了相应的解决对策，提出了下一阶段的任务和预案。 本文的主要创新点有： 1 突破传统思想，提出了硬件与软件相结合、基于微机控制实现原动系统动 态仿真的理论和技术；建立满足原动系统动态特性仿真准确性与通用性协调统一 条件下发电机原动系统通用数学模型。 2 研究应用电磁兼容理论和技术，解决了强电、强磁场环境下对微机控制系 统和通信系统的干扰问题；应用计算机通信技术实现原动系统动态仿真装置全面 ( 遥控、遥调、遥信、遥测) 、多机( 多台下位机) 远程通信功能，提高了系统自 动化水平。 4 硕十学位论文 第2 章原动系统仿真技术及电气回路 2 1 发电机原动系统仿真原理 原动机仿真系统主要包括调速器和原动机自平衡特性的仿真，它是电力系统 动态模拟实验室最重要的设备之一，通过仿真技术把电力系统的设备或元件等放 到实验室内，组成“室内电力系统”，从而对电力系统的真实原动机及调速器进行 模拟。同步发电机原动系统的仿真主要包括原动机、调速器和水、汽管道等三个 方面的仿真】。自平衡特性、调速器特性以及水汽管道特性的仿真通过单片机和 基于t c 7 8 7 芯片组成的模拟触发电路以及可控硅直流调速系统来实现。 2 1 1 原动机的基本特性 原动机的基本特性指的就是其自平衡特性。 自平衡特性是所有作旋转运动元件的普遍规律，只不过因为能量来源及其通 道、机械结构等的差别而有不同数值的自平衡系数群，原动机的自平衡系数 群5 l ，而直流电动机的自平衡系数k c = 3 0 4 0 i 因此，必须软化直流电动机的自 平衡特性，使之具有与原动机相同的自平衡系数【l2 1 。当大幅度关闭汽门( 或水f - j ) 时，群 l ，而在仿真模型中，一般没有对群的非线性进行模拟，只是开度不变时 近似地在额定功率和额定转速附近实现群= 1 ，线性化特性曲线如图2 1 所示。 图2 1 原动机线性化特性曲线 当m 。和1 3 不变时，静态力矩方程为： m 。：以警沙：帆一k c y ( 2 1 ) 其中m 。、虬、甲分别为力矩、力矩功率和转速偏差的标么值。 当忽略一些次要因素，如测量环节、综合环节、电液转换环节中极小的时间 常数，以及机械间隙和错油门活塞对压力油孔的叠加因素所产生的失灵区，并考 虑开度限制非线性后，可将机械液压式和电液调节器的传递函数表示如下： 烈力2 寺2 豸瓦乏7 i 未考蚤而 磊n譬， 硕士学位论文 图中k m l 同图2 8 ，也就是说励磁回路和电枢回路的电源开关统一由交流接 触器k m l 来控制。t m 2 为三相变压器( 变比3 8 0 1 6 3 ) ；f 4 、f 5 、f 6 为快速熔 断器；x z l x z 6 为构成不可控整流桥的整流二极管，可以用整流模块来代替； t d v 3 为用来测量励磁电流的电流传感器，其测量的值由m 3 送入控制电路处理； l c 为励磁绕组。 2 2 2 操作回路 操作回路是用户和系统之间进行信息交互的电路，由图2 7 可以看出操作回 路与主回路、操作回路与控制电路之间都具有十分密切的关系。操作回路需要实 现的功能有：对主回路电源的合闸与分闸；对控制电路提供开机、停机、增速、 减速信号；出现故障时进行报警和信号指示。下面分别简要介绍如下。 2 2 2 1 合闸与分闸操作 交流电源 远控合 就地 微机合闸信 闸 号 k m l 锁闭 远控分 就地 微机 k 1 锁闭 闸 分闸信号 图2 1 0 分闸合闸控制图 合闸与分闸的控制是通过交流接触器k m l 来实现的，合闸控制电路如图2 1 0 具有远程通信功能的新型原动系统仿真器的研究与应用 所示。从3 8 0 v 经过变压器以后取a 相作为主回路的电流源，s b l 是远程控制， 即在控制台控制，s b 2 是就地控制，即在大屏上可以操作。合闸与分闸的原理过 程为：按下合闸按钮s b 2 ，交流接触器线圈k m l 两端接通2 2 0v 交流电压，其辅 助接点k m l 动作，指示灯h l l 亮，主回路上面的开关闭合，实现了主回路的合 闸操作，同时虚线框内k m l 闭合使控制系统里开机信号( s t a ) 变为有效( 低电 平) ，从而使微机系统开机运行。与此对应，分闸按钮s b 3 s b 4 闭合，通过中间 继电器k 1 使上面的合闸线路分开，从而断开大屏的电源。 2 2 2 2 增速与减速操作 增速与减速的实现是通过给控制系统提供脉冲信号达到的。在操作屏和控制 箱面板上都安装了增速和减速按钮，操作屏上的按钮信号通过光隔进入到单片机， 而控制箱面板上的按钮信号所受干扰小，直接进入单片机。 s ( 去控制箱)广缸： s b 5 g n d ( 去控锖 缸 ；( 去控制箱)兀銎 箱) 卜9 亳譬d ： | 3 i 一等。： 控制箱触摸按钮 i 远控 增 速 就地 远控 减 速 就地 图2 1 1 增速减速控制图 图2 1 1 中s b 6 和s b 7 分别为远方的增速和减速按钮；s b 5 和s b 8 分别为操 作屏上的增速和减速按钮，虚线框内为控制面板上的增速和减速按钮。 2 2 3 3 保护与信号显示 系统的故障主要有断相故障、过流、过速、失磁几个，故障发生的时候，由 相关的保护电路控制继电器动作对操作回路进行控制。这部分电路主要包括：出 现故障时，分闸操作被执行；进行故障报警( 故障信号灯、故障报警铃) ；故障 后能够进行故障复位。见下图2 1 2 所示。 当发生断相故障的时候，控制箱内断相保护继电器儿闭合，中间继电器k 5 闭合，报警灯h l 3 亮，报警铃线路中间继电器k 4 闭合，铃声响起，如果想解除 报警，则必须按下s b 9 s b l 0 ，通过中间继电器k 5 的作用，使报警线路断开，从 而解除报警。故障被清除以后，j 1 和a 都处于断开状态，操作回路不能自动复位， 需要通过复位按钮手动操作，即按s b 9 ，使复位继电器k 5 动作，其常闭开关打 1 4 硕十学位论文 开，从而k 4 恢复常态，操作回路得到复位。 ! j 1 i 2 1 1 r 2 1 3 i k 4 i 控制箱内断相保护继电嚣 i i f s l 1a i h l 3 人入 上二螽2 二： d k 4 广西r 2 1 5 i ，。i ：鱼： i i s b l 0 缸 六 k 42 1 9 2 3 本章小节 图2 1 2 报警线路控制图 断相 过速 报警 过流 信号 失磁 k 4 闭锁 远控 解除 报警 就地 信号 铃声报警 本章主要介绍了原动系统的基本特性一自平衡特性，然后介绍了原动机仿真 模型的建立过程，将复杂的数学模型用数学表达式进行了简单说明。最后介绍了 电气回路和操作回路，重点说明励磁回路、电枢回路、合闸分闸、加速减速、报 警等电路的设计过程，这样有利于在宏观上把握整个原动机调速系统。 1 5 具有远程通信功能的新型原动系统仿真器的研究与应用 第3 章原动系统仿真的微机控制电路 原动机仿真系统，实质上是一个直接数字控制系统d d c ( d i r e c td i g i t a l c o n t r 0 1 ) ，设计中用一单片机对被控现场的多个过程参数( 电机转速n 、机端电压 、电枢电流l 和励磁电流，等) 进行巡回检测，并将结果与给定值进行比较， 再按照数学模型中的控制规律进行运算，然后输出相应的结果，去实现对整流模 块的控制，从而最终完成对电机转速的闭环控制。系统硬件主要指的下位机单片 机部分的硬件电路设计，该部分硬件主要包括以下几个单元： ( 1 ) 微处理器( m c u ) 控制单元 ( 2 ) 信号输入单元 ( 3 ) 输出脉冲触发单元 ( 4 ) 测量继电保护单元 ( 5 ) 并口扩展电路单元 ( 6 ) 通讯系统单元 系统硬件电路结构如图3 1 所示。 l 数据掉电 i 保护、看 i 门狗 上( x s 0 4 3 p ) 位l 机l 几八e = 电枢电流 励磁电流 励磁电压 主d 路4 i 0 5 10 1 l 多路开关l 通道l - 旦s h i s o 以 l c d 3 2 0 2 4 0 按键 扑5 蘸 整流输出模块e 图3 1 原动仿真系统原理结构图 如图3 1 所示，系统通过a d l 6 7 4 对原动机的励磁电流、电枢电流和电枢电 压进行采样；同时，接在电动机主轴上的电磁感应测速器产生的速度信号则直接 进入了c p u 的高速输入单元；系统获得了上述信号之后，按照用户设定的运行参 1 6 硕十学位论文 数，进行一系统复杂的运算，最后所得将数字控制量通过d a 7 2 4 5 转换输出到可 控硅整流模块；系统的按键、开关量及用作保护的继电器接口则通过一片8 2 5 5 a 拓展；为了方便用户，系统中设计了一个液晶显示模块和一个串行通讯接口；而 程序运行监视和原动机运行参数掉电保护功能则通过了一片x 2 5 0 4 3 来实现。 3 1 微处理器( m c u ) 控制单元 微控制器( m c u ) 控制单元电路是硬件电路的核心，控制整个硬件系统的工作 并和上位机进行串行异步通信，传输数据，它主要实现如下功能： ( 1 ) 模拟原动系统仿真器。 ( 2 ) 接收手动输入信号并处理。 ( 3 ) 和上位p c 机串行口通信。 3 1 18 0 c 1 9 6 k c 单片机芯片概述 该仿真系统的数字控制部分以i n t e l 公司生产的新一代1 6 位单片8 0 c 1 9 6 k c 作为控制核心【l6 1 。i n t e l 公司的m c s 9 6 系列微处理器非常适用于各类控制系统， 它包括k b 和k c 两大系列，每一系列又分无r o m e p r o m 型、有r o m 型和有 e p r o m 型二种。8 0 c 1 9 6 k c 足i n t e l 公司9 0 年代初期推出的第三代c m o s 芯片， 其数据地址线均为1 6 位，使用m c s 一9 6 家族共享的指令系统，除了8 x 9 6 己包括 的一些外设( 如时钟发生器、i o 端口、a d 转换、p w m 输出、串行口、定时计 数器、监视定时器w a t c h d o g 、高速输入输出器等) 外，还集成了先进的外设事 务服务器( p t s ) 和事件处理器阵列( e p a ) ，近年来，在各个领域中应用相当广泛。 图3 2 是8 0 c 19 6 k c 内部结构图，8 0 c 19 6 k c 的特点可以概述如下【1 7 】： 1 c p u 中的算术逻辑单元不采用常规的累加器结构，而是采用寄存器一寄存 器结构。c p u 的操作直接面向寄存器，消除了一般c p u 结构中存在的累加器瓶 颈效应，提高了操作速度和数据吞吐能力。 2 8 0 c 1 9 6 k c 内部的5 1 2 字节寄存器中，2 4 字节是专用寄存器，其余4 8 8 字 节通过“垂直窗口 结构都可以作为通用寄存器，所以其通用寄存器的数量远比 一般c p u 多。利用这些寄存器可以大大方便程序设计，其中一个应用就是将这些 寄存器指定为各中断服务子程序中局部变量的专用寄存器，以减少中断服务过程 中保护和恢复寄存器现场的软件开销。 3 与m c s 5 1 系列单片机相比，8 0 c 1 9 6 k c 有一套效率更高、执行速度更快的 指令系统，它可以对带符号数和不带符号数进行操作。它的1 6 位乘以1 6 位指令 的执行时间为1 4 6 2 5u s 3 2 位除以1 6 位指令的执行时间为2 4 6 2 5u s ，还 有符号扩展及用于浮点计算中的数据规格化等指令，并提供了二操作数指令，大 大提高了指令效率。 4 具有独特的高速输入h s i 和高速输出h s o 系统。通过h si 和h s o ，无需 1 7 具有远程通信功能的新型原动系统仿真器的研究与应用 c p u 干预便可分别记录外部事件发生的时间和按规定时间去触发事们。与传统的 i o 相比，h s i 和h s o 具有c p u 开销少、速度高、灵活方便等优点。 a n g n d 图3 28 0 c 1 9 6 k c 内部结构图 5 具有外设事务服务器p t s ( p e r i p h e r a lt r a n s a c t i o ns e r v e r ) 专门用于处理外设 中断事务，它是一种微代码硬件中断处理器。与普通中断服务过程相比，p t s 服 务可以大大减少c p l 的软件开销，提高中断事务的实时处理能力。 6 内部时钟的状态周期由晶体振荡器信号经两分频获得。在同样采用1 2 m h z 晶振时，8 0 c 1 9 6 k c 的状态周期是5 l 系列的1 6 ，当采用1 6 m h z 晶振时，状态周 期仅为0 1 2 5us 。 7 定时器时钟可以是内部时钟，也可以是外部信号，并可由软件选择是一或 八个状态周期为计数脉冲。 8 内部具有1 6 位的w a t c h d o g 定时器，在程序跑飞时可以及时复位c p u ， 增强了系统的可靠性。 9 总线方式可以是8 位、1 6 位或8 1 6 位动态切换，工作方式有正常方式和两 种节电方式( 待机方式和掉电方式) 。此外8 0 c 1 9 6 k c 还具有更多的i 0 口、中断 向量以及外设。 3 1 28 0 c 1 9 6 k c 的外部存储器扩展 由于8 0 c 1 9 6 k c 单片机没有片内r o m ，本身提供的存储单元十分有限，而控 制系统需要处理大量的数据，同时程序也要占用存储空间，因此，需要外接存储 器才能工作，也就是需要对存储器进行扩展，其电路连接原理图3 3 如下所示。 硕士学位论文 数据 口 地址 地址数 1 卜 锁存 入 据口 器 地位地址口 y m c u a l e 8 0 c19 6 k c l f 外部扩展r o m 地址卜 高位地址口 口 - , qt g a l l 6 v 8 c s y 图3 3 外部存储器扩展原理图 存贮器和外部设备的地址译码采用可编程逻辑阵列g a l l 6 v 8 b 芯片，地址分 配可灵活处理【1 8 】。如图3 1 所示，系统采用了一片r a m 6 2 6 4 ( s k ) 作为系统的数据 存储器，本装置中的r a m 6 2 6 4 的地址分配空间为0 0 0 0 h 一1 f f f h 。因为液晶显 示程序中用到的汉字和英文字符的字模所占存储器空间很大( 一个汉字【1 2 】为 3 2 x 3 2 、1 2 8 字节，而一个数字或英文为1 6 x 3 2 、6 4 字节) ，所以系统采用了一片 2 7 5 1 2 ( 6 4 k ) 做为程序存储器，但由于程序需要及地址分配的原因，实际系统只 用到了该程序存储器3 2 k 的地址空间( 2 0 0 0 h - 9 f f f h ) 。 下列管脚输出的控制信号为： 1 p 3 口：作为数据线和地址线低8 位( 时分复用，必须外加锁存器7 4 l s 3 7 3 ) ： 2 p 4 口：作为数据线和地址线高8 位( 时分复用，必须外加锁存器7 4 l s 3 7 3 ) ： 3 a l e ：提供地址锁存使能信号； 4 r d ：存储器读信号； 5 w r 、w r l ：存储器写信号。w r 在整个写周期内都有效，而w r l 仅在 写偶地址字节时才有效。系统中出现w r 还是w r l 由结构寄存器c c r 决定； 6 b h e w r h ：总线高8 位数据有效或存储器高8 位为写信号。选择为b h e 时， 系统的数据总线只有8 位。这时，b h e = o 时数据总线连接高位存储器( 偶地址字 节) ，b h e = l 时数据总线连接低位存储器( 奇地址字节) 。系统中出现b h e 还是 w r h 由结构寄存器c c r 决定。 3 1 3 看门狗电路及数据掉电保护 为了保证在系统的正常工作，就必须对c p u 的运行进行监控，避免死机、程 序跑飞或进入死循环。为此，选用x 2 5 0 4 3 作为系统的看门狗【”】，在系统失控时 能发出复位信号，使系统摆脱故障状态。x 2 5 0 4 3 采用的是s p i 接口，由于 8 0 c 1 9 6 k c 没有s p i 接口，所以使用c p u 的p 1 口来模拟s p i 接口对看门狗进行 编程。此外，x 2 5 0 4 3 内含5 1 2 字节的e e p r o m ，可以满足一万次的数据擦写， 1 9 具有远程通信功能的新型原动系统仿真器的研究与应用 至少十年的数据保存期。所以，将其用作系统掉电后各参数的保存，使电动机运 行参数一经整定后，就能自动记忆和保存而无需每次开机都要重复整定。 3 2 信号输入单元 原动仿真系统的输入信号包括三路模拟信号输入部分和速度脉冲输入部分。 3 2 1 模拟信号输入通道单元 仿真系统中共有三路模拟信号( 电枢电压u d 、电枢电流i d 、励磁电流i f ) 需 要检测，以用于实时控制、保护和监视，其电路如图3 4 所示。为了使三路模拟 信号共用一片a d ，增加了一个多路开关c d 4 0 5 1 。c d 4 0 5 1 是一个八选一的数据 选择器，其控制脚a 、b 分别接在了c p u 的h s o 0 、h s o 1 端，c 脚则接地；而 三路模拟信号则分接在了c h 0 、c h l 和c h 2 ，其余通道接地；这样，通过c p u 的控制即可选择把需要的信号选通，送入a d 转换芯片。8 0 c 1 9 6 k c 片内有4 通 道的8 位或1 0 位数模转换器，对于一般设计可直接采用片内a d 。但是，片内 a d 输入电压为0 5 伏，且最高只有l o 位，为了提高系统的运算精度，系统采 用了一片高速的1 2 位a d 转换芯片a d l 6 7 4 ，采用了单极+ 1 0 v 输入的接法。 a d l 6 7 4 片内有内部采样保持器( s h a ) ，无需再外接采样保持器，其转换时间仅 为1 0 u s ，而且内含三态缓冲器和锁存器，采样精确快捷，因而可简化电路设计和 提高系统可靠性。 图3 4 模拟信号输入通遭 3 2 2 实时速度脉冲输入单元 在原动机及其调速系统的模拟中，精确快速测量发电机的转速关系到整个模 拟系统动态性能。本系统采用的磁感应测速，它主用利用电磁感应原理实现，如 图3 5 所示，为了保证对电动机转速测量的实时性和准确性，系统通过一个分辨 率为1 8 0 脉冲转的电磁感应测速器获得电动机的速度反馈，电动机每转过一圈， 硕十学位论文 接在原动机主轴上的电磁感应测速器就能产生1 8 0 个脉冲信号，通过取样电阻r 转换为电压，此脉冲经三极管放大，再由方波整形电路整形( 如图4 6 ) 后进入 图3 5 磁感应测速原理 单片机的h i s 0 。高速输入器h s i 用于记录某一外部事件发生的时间。通过对c p u 高速输入单元h s i 进行编程，分别将相邻两次脉冲发生的时刻读取出来并相减， 就能方便的知道此时速度信号的周期，再通过一系列的数学运算即可获得原动机 的实时速度。 3 3 输出脉冲触发单元 图3 6 方波整形电路 在原动系统仿真装置中，脉冲触发回路的任务是产生相位可调的脉冲，用来 触发整流桥中的可控硅晶闸管，使其控制角a 随控制量的变化而改变，从而达到 自动调节整流桥输出电压即同步发电机电枢电压，进而实现调节同步发电机的转 速的目的。图2 8 是可控硅晶闸管元件构成的三相可控硅整流桥，全控整流桥工 作时，可控硅晶闸管元件依次导通。 为了使三相全控桥整流电路正常工作，六个可控硅晶闸管的触发应满足以下 条件【2 0 】： 1 每隔6 0 。电角度依次向可控硅1 到6 发出触发脉冲。 2 脉冲宽度大于6 0 。电角度或采用双脉冲，即可控硅在一个工作周期内得到 两个触发脉冲。本课题研制的原动系统仿真器采用双脉冲触发方式，在向某一可 控硅送一窄脉冲时，同时补充同前一可控硅晶闸管送一窄脉冲，分别触发共阴极 2 1 具有远程通信功能的新型原动系统仿真器的研究与应用 组和共阳极组