智能電器4課件

1、智能電器（四）鄒積巖 教授大連理工大學(xué)電氣工程與應(yīng)用電子技術(shù)系四 智能電器的控制系統(tǒng)1 控制系統(tǒng)的組成2 常用CPU3 軟件與算法4 控制系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)5 應(yīng)用例4.1 控制系統(tǒng)的組成一 控制系統(tǒng)的功能與任務(wù)-控制系統(tǒng)的工作對(duì)象就是與一次元件對(duì)應(yīng)的各傳感器和執(zhí)行器，以及系統(tǒng)自身的電源與接口等。應(yīng)有以下功能：1）實(shí)時(shí)給出處理后的電器運(yùn)行參量，必要時(shí)給出計(jì)量；2）判斷參量是否超出給定范圍，給出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)；3）自診斷功能（一次元件、操動(dòng)機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)自檢等）；4）人機(jī)交互與通訊功能；5）存檔（故障錄波）其中，判斷參量是否超出給定范圍，給出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)是系統(tǒng)的核心任務(wù)，也是智能化的核心體現(xiàn)。 二 控

2、制系統(tǒng)的一般構(gòu)成1）輸入電路，主要接受現(xiàn)場(chǎng)參量的數(shù)字信號(hào)，帶有一定的自保護(hù)功能；2）中央處理器CPU及存儲(chǔ)器（下位機(jī)）；完成判斷參量是否超出給定范圍，給出保護(hù)動(dòng)作信號(hào)的核心任務(wù)3）輸出與通訊接口：驅(qū)動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)、輸出開關(guān)數(shù)字量和各種閉鎖信號(hào)，（通訊可以單獨(dú)成模塊）；4）人機(jī)交互端口 三 控制系統(tǒng)的獨(dú)立電源及電磁兼容-可靠的獨(dú)立電源有時(shí)要在高壓網(wǎng)上取電源，AC/DC，穩(wěn)壓，蓄電池，紋波-輸入、輸出的完全隔離單獨(dú)用隔離器，或集成的隔離電路，光耦-強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下要有足夠的電磁兼容性PCB板設(shè)計(jì)，電源濾波，接地和屏蔽設(shè)計(jì)電磁兼容試驗(yàn)：脈沖串（加在電源中）、靜電、雷電波4. 3 軟件與算法 1 軟件的層次

3、設(shè)計(jì)：要求：準(zhǔn)確、快速、透明、 開放、界面友好、標(biāo)準(zhǔn)化 層次：分明，可操作。2 實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度系統(tǒng)：-統(tǒng)一安排控制系統(tǒng)中所有軟硬件資源管理與控制的子程序。-調(diào)度與管理的基本單位是“任務(wù)”，包含了相應(yīng)的程序和數(shù)據(jù)。-任務(wù)有運(yùn)行態(tài)、就緒態(tài)和等待態(tài)，有優(yōu)先類別和級(jí)別。-任務(wù)的調(diào)度、管理與協(xié)調(diào)。3 數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)： 設(shè)置專用數(shù)據(jù)區(qū)，存放檢測(cè)值、設(shè)定值、歷史等，格式各異。電磁兼容設(shè)計(jì)（續(xù)）抗瞬變脈沖群干擾：在電源和信號(hào)輸入端加濾波器；加雙極TVS吸收過電壓能量；在芯片電源和地之間加去耦電容。電壓、電流浪涌的吸收：在電源的交流輸入、直流輸出各加ZnO吸收。（動(dòng)作電壓在300V左右）3）PCB抗干擾設(shè)計(jì)數(shù)字電

4、路與模擬電路、強(qiáng)電與弱電部分分開布置，單獨(dú)供電，兩個(gè)地在A/D轉(zhuǎn)換處接到一起，通信部分也要獨(dú)立電源。4）軟件抗干擾措施運(yùn)用看門狗監(jiān)視程序；軟件陷阱與指令冗余；無擾動(dòng)重恢復(fù)；監(jiān)控系統(tǒng)自檢；采用平滑濾波等。4.5 應(yīng)用例-直流斷路器控制系統(tǒng) 一 原理結(jié)構(gòu) 短路電流信號(hào)信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)處理與控制數(shù)碼顯示與通信接口操動(dòng)機(jī)構(gòu)控制回路測(cè)控單元總體工作框圖 信號(hào)調(diào)理電路 HCNR201：高線性度模擬光電耦合器前置隔離放大低通濾波信號(hào)跟隨、限幅電流信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換 主要部件 數(shù)碼顯示電路是將信號(hào)幅值以數(shù)字的形式實(shí)時(shí)顯現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流。主要包括一片四位數(shù)碼管LED5641A、8位LED驅(qū)動(dòng)器MAX7219。

5、MAX813L為看門狗芯片。用戶程序工作周期為T, 其分頻計(jì)數(shù)器計(jì)滿時(shí)間為T1，當(dāng)T1T時(shí)，程序每隔T會(huì)對(duì)芯片觸發(fā)一次，計(jì)數(shù)器無輸出。如程序“跑飛”程序?qū)AX813不發(fā)觸發(fā)信號(hào)，計(jì)數(shù)器計(jì)滿輸出RESET信號(hào)使系統(tǒng)復(fù)位，重新啟動(dòng)運(yùn)行。 上位機(jī)通信接口電路 采用RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn), 電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX232，它包含兩路接收器和發(fā)送器，適用于各種232通信接口。其內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成232輸出所需的10V電壓。 隔離電源模塊 測(cè)控單元的不同部分需要不同的電源供電，且電路所需電源均為DC5V。為了滿足這一要求，這里采用了DC-DC隔離電源模塊HDN5-5

6、D5、HDN3-5D5、HDN1-5D5。有內(nèi)置型濾波器，開關(guān)頻率在50KHz100KHz之間；輸出電壓受溫度變化的影響很小，溫度系數(shù)為0.02%/；帶有非長(zhǎng)期的保護(hù)自恢復(fù)功能，大大降低了其損壞頻率；輸入與輸出間隔離，隔離耐壓值高達(dá)1000VDC。它們統(tǒng)一由單一+5V直流電源供電，輸出之間相互隔離，互不干擾。 程序設(shè)計(jì) 主程序流程圖開始初始化 j=0調(diào) 用 中 值濾 波 函 數(shù)調(diào) 用 滑 動(dòng)濾 波 函 數(shù)UBinB=UBin2 B-UBin1B調(diào)用分閘子程序YYYNNj=j+1啟動(dòng)A/D調(diào)用采集函數(shù)N調(diào)用數(shù)碼顯示函數(shù)UBinjBUBmaxB?j=2？UBinBUBmaxB? 程序設(shè)計(jì)（例） 采

7、集讀取子程序程序初始化讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果送通道控制字CS=1?置ADC的CS為高電平延遲1s置ADC的CS為低電平保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果返回YN軟件抗干擾措施指令冗余指在一些對(duì)程序流向起著決定作用的指令(如跳轉(zhuǎn)指令)及對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)至關(guān)重要的指令(如中斷指令)前面，人為地插入幾條空操作指令，減少改寫RAM數(shù)據(jù)的可能及其他對(duì)外輸出錯(cuò)誤。指令冗余得以實(shí)現(xiàn)的前提是程序跑飛到程序區(qū)并執(zhí)行了空操作，否則指令冗余也不起作用。軟件陷阱軟件陷阱是指在非用戶程序區(qū)(如未使用的EPROM區(qū))填充空操作指令并周期性寫入一條指引指令，當(dāng)程序跑飛到這些區(qū)域時(shí)，強(qiáng)行將程序引向一個(gè)指定的地址，進(jìn)行出錯(cuò)處理，以便引導(dǎo)程序進(jìn)入正常

8、的運(yùn)行狀態(tài)。信息冗余主要是針對(duì)RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，將同樣的數(shù)據(jù)在不同的地方保存一個(gè)備份。當(dāng)使用RAM中數(shù)據(jù)時(shí)，把原數(shù)據(jù)與備份數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，相同則認(rèn)為數(shù)據(jù)未被破壞，否則啟動(dòng)備份數(shù)據(jù)。應(yīng)注意數(shù)據(jù)區(qū)不要靠近堆棧，以防止堆棧溢出破壞數(shù)據(jù)或讀寫數(shù)據(jù)破壞堆棧。例2：同步開關(guān)的控制系統(tǒng) 1 同步開關(guān)控制器完成的主要功能 系統(tǒng)電參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量。就地或遙控功能。能夠接受就地或遠(yuǎn)方合閘、分閘命令，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償電容器組的同步投切。開關(guān)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。開關(guān)分、合閘狀態(tài)，控制電壓和環(huán)境溫度。就地和遠(yuǎn)方參數(shù)顯示、修改。事件記錄和操作記錄功能。動(dòng)作次數(shù)、操作事件記錄、暫態(tài)電流和電壓波形。2 控制器的基本組成及功能模擬信號(hào)調(diào)理單

9、元 模擬信號(hào)采集單元以DSP為核心的信號(hào)處理系統(tǒng)開關(guān)量的輸入與輸出單元與PC微機(jī)的多機(jī)通信單元人機(jī)接口單元系統(tǒng)參數(shù)和波形記錄單元系統(tǒng)電源3 電壓、電流信號(hào)的預(yù)處理 -將取自電力互感器(CT和PT)的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行濾波和變換，轉(zhuǎn)換為-5V+5V的電壓信號(hào)，并具有信號(hào)隔離功能。1）電流信號(hào) 由運(yùn)放U1C構(gòu)成比例調(diào)節(jié)單元使ADC有足夠的分辨率和測(cè)量范圍。采樣之前用模擬低通濾波器將不希望的高頻分量濾掉。信號(hào)的低通濾波器由RC元件構(gòu)成，設(shè)計(jì)濾波器的截止頻率為1kHz, 對(duì)應(yīng)的電阻R8=1k，電容C2=0.33uF。 2）三相電壓信號(hào)的預(yù)處理電子式電壓互感器PT的輸出為適合模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC采樣的信號(hào)，加

10、在放大器U1的輸入端，二極管D1、D2對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行限幅。為了抑制工作環(huán)境的高頻噪聲，確保電隔離和向后兼容，采用光電隔離運(yùn)放ISO124進(jìn)行電氣隔離。4 多路模擬量轉(zhuǎn)換 1） 環(huán)境溫度測(cè)量采用自適應(yīng)補(bǔ)償算法減少環(huán)境溫度變化的影響，因此需要實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度。采用AD公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器AD7416測(cè)量環(huán)境溫度，可將被測(cè)溫度直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出；能提供10位溫度讀數(shù)，溫度分辨率為0.250C，寬溫度測(cè)量范圍； 采用I2c總線與微 處理器接口，可 以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。2） 電流、電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換 在同步開關(guān)實(shí)現(xiàn)中，要測(cè)量電流和電壓之間的相位關(guān)系，必須用同步采樣技術(shù)?？刹捎肂-B公司研制的采樣頻率為5

11、00kHz,六通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換ADS7864，其輸入形式可采用單端輸入或差分輸入，要求IN+端和IN-端的電壓波動(dòng)范圍為VREF。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電平轉(zhuǎn) 換電路由運(yùn)放U2和電 阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。選用片 內(nèi)基準(zhǔn)電壓作為系統(tǒng) 采樣參考電壓，并由 運(yùn)放U1跟隨緩沖。 5 開關(guān)量的輸入和輸出 在同步開關(guān)控制器中，主要的開關(guān)量輸入是斷路器的關(guān)合狀態(tài)信號(hào)，輸出是控制永磁機(jī)構(gòu)合、分閘線圈放電的可控硅門極信號(hào)。 6 控制器的數(shù)據(jù)交換及通信 1） DSP與80C196KC通信 用一個(gè)DSP加通用微處理器(MCU)構(gòu)成主從式系統(tǒng)完成系統(tǒng)功能，DSP主要完成系統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)處理功能，而MCU則完成系統(tǒng)的通信、控制和人機(jī)接口

12、等功能。MCU作為主機(jī)，DSP作為從機(jī)工作，主機(jī)可以控制從機(jī)的復(fù)位、運(yùn)行，通過人機(jī)接口從外部獲得控制指令或數(shù)據(jù)。采用雙向鎖存實(shí)現(xiàn)并行通信， 完成主從機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。 由總線緩沖寄存器74HC646 和相應(yīng)的譯碼電路完成，具 有兩組獨(dú)立的數(shù)據(jù)總線和控 制總線，允許兩個(gè)端口進(jìn)行 數(shù)據(jù)寄存和讀取。 2） 控制器與上位機(jī)的分布式通信 80C196KC微處理器具有功能強(qiáng)大的全雙工串行通訊口，可以完成多機(jī)通信功能。采用RS-485通信網(wǎng)絡(luò)與子站PC微機(jī)構(gòu)成分布式通信系統(tǒng)。采用平衡發(fā)送和差分接收方式通信，因而有很強(qiáng)的抗共模干擾能力，接受靈敏度高，傳輸距離長(zhǎng) 。選用MAX1480B通信接口芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平

13、向RS-485電平轉(zhuǎn)換，把收發(fā)器、光耦合器、電源驅(qū)動(dòng)器和變壓器集成在一起，將控制器系統(tǒng)與通信線路完全隔離開。7 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 1） 永磁機(jī)構(gòu)控制電源設(shè)計(jì) 調(diào)節(jié)電位器R1使輸出300V，當(dāng)開關(guān)合、分閘操作時(shí)，同時(shí)禁止IRFP450的使能信號(hào)，關(guān)斷儲(chǔ)能電容器充電回路，保證開關(guān)線圈放電完成，可控硅可靠關(guān)斷；開關(guān)操作完成，充電信號(hào)charge使能，IRFP450導(dǎo)通，儲(chǔ)能電容器組充電，為下次開關(guān)同步操作作儲(chǔ)能準(zhǔn)備。2）同步開關(guān)控制器電源設(shè)計(jì) 當(dāng)電網(wǎng)正常時(shí)由交流電整流、濾波和穩(wěn)壓得到直流6V電壓；同時(shí)，電路中的二極管D1導(dǎo)通，D2關(guān)斷，主電源整流輸出作為TPS7150的輸入，穩(wěn)壓得到5V，7.5W工作電源；同時(shí)LM317輸出6V電壓對(duì)后備電源鋰電池進(jìn)行浮充電。當(dāng)主電源失效或電壓出現(xiàn)降低小于后備電源電壓時(shí)，二極管D2導(dǎo)通，D1關(guān)斷將后備電源接入系統(tǒng)，給系統(tǒng)