??? 摘? 要: 一種由鎖相環CD4046和單片機80C196KC的PTS(外設事務服務器)構成的高精度交流采樣系統。該系統能方便地實現對多路信號的采集,并采用頻率跟蹤技術消除電網基波頻率波動時的影響,簡化了外圍電路的硬件,大大提高了數據采集的精度和可靠性。另外還給出它在同步發電機勵磁調節器中的應用實例。?
??? 關鍵詞: 鎖相環? 單片機? 外設服務器(PTS)? 交流采樣
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??? 隨著電力系統的快速發展,電力網容量不斷增大,結構日趨復雜,電力系統中自動化設備的運用越來越廣泛,而數據采集環節則是實現自動化的重要環節。根據采樣信號的不同,采樣可分為直流采樣和交流采樣。直流采樣采集通過電量變送器整流后的直流量,這種方法軟件設計簡單,計算方便,便于濾波,對采樣值只需作一次比例變換即可得到被測量的數值,采樣周期短;但它不能及時反映被測量的突變,有較大的時間常數,測量諧波有誤差,投資較大,維護復雜,因而在電力系統中的應用受到限制。交流采樣直接對變換好的5V(或0～5V)交流信號進行采樣,主要優點是實時性好、相位失真小、投資少、便于維護;其缺點是算法復雜、精度難以提高。但是隨著微機技術和微電子技術的高速發展,交流采樣以其優異的性能價格比,呈現出逐步取代直流采樣的趨勢。?
??? 在大部分由單片機構成的數據采集系統中,通過定時中斷的方式對工頻50Hz的電壓信號進行均勻采樣。由于電網中頻率波動和諧波分量的存在,普通中斷時,CPU要執行保護斷點轉入中斷服務、保護現場、恢復現場、返回等一系列操作,CPU開銷較大。這樣在CPU任務較重或采樣數據較多時,對被測量的精度和準確度都有一定的影響。作者在研制微機勵磁調節器的過程中,充分利用INTEL 80C196KC單片機本身特有的一種外設服務器功能,結合CD4046鎖相環的具體應用,大大簡化了外圍電路硬件,提高了數據采集系統的精度和可靠性。?
1 外設服務器PTS原理及應用?
??? INTEL 80C196KC單片機的外設服務器PTS(Peripheral Transaction Server)利用其內部的微代碼執行操作,對中斷可提供一種類似于計算機DMA(直接存儲器訪問)的響應,它把一個中斷映射到相應的PTS通道,由該通道產生一個PTS周期,PTS周期就像DMA周期那樣插入到正常指令流中,不需要額外的軟件開銷,大大增強了CPU的中斷事務處理能力。?
??? 與中斷向量相似,PTS也有一個向量表,共15個字,位于2040H～205CH,優先級和普通中斷的優先級相同。每個PTS向量都指向一個PTS控制塊(PTSCB),控制塊必須駐留在內部RAM空間(1AH～1FFH)。每個控制塊包括8個字節,其首址應能被8除盡,由控制塊來確定PTS的工作方式。80C196KC提供了5種PTS模式:一次傳送模式、塊傳送模式、A/D模式、HSI模式和HSO模式。為了控制PTS的工作,80C196KC內部水平窗口1中設有兩個16位字寄存器PTSSEL和PTSSRV,其作用如同中斷屏蔽寄存器和中斷掛號寄存器,格式完全相同,如表1所示。若要打開某一外設PTS功能,只需將PTSSEL中的相應位置“1”即可。綜上所述,當把某外設的PTS功能打開并設置好PTS控制塊時,該外設不會進入其相應的PTS中斷服務程序,而進入PTS周期。CPU內微代碼按PTSCB設置的工作模式和要求的次數執行操作,PTS完成后,便將PTSSRV中相應的位置“1”,PTSSEL中相應的位清“0”,引發END_OF_PTS中斷,并映射到這一外設的中斷。進入END_OF_PTS中斷后,PTSSRV中相應的位被清零,禁止該外設再次進入PTS服務。?
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??? 在我們研制的微機勵磁調節器中,要求每個周波采樣16次,每次進行8個數據的A/D采樣,這里采用了每個周期執行16次PTS服務,每進入一個PTS周期,CPU自動進行8次A/D轉換的方法。將80C196KC內部A/D轉換設置為HSO時間到啟動方式,A/D轉換結束后引發A/D結束中斷,進入PTS周期,轉換結果的讀取和此后的7次轉換由PTS以立即啟動A/D的方式完成。這里HSO的時間基準是定時器T2,T2的時鐘源為外部時鐘T2CLK(由IOC0控制寄存器來設定),來自鎖相環電路壓控振蕩器的輸出信號。A/D模式下的PTSCB控制塊包含4個寄存器:PTSCOUNT、PTSCON、S/D和REG寄存器。PTSCOUNT確定無需在軟件干預下連續運行的PTS周期數;PTSCON控制寄存器用來確定PTS的工作方式及S/D的指針在每次A/D結束后是否修改;S/D是一個指針,它指向1個表格,該表格可位于內部RAM,也可位于外部RAM,用來存放啟動A/D的命令和A/D轉換后的結果;REG也是一個指針,它指向一個固定的存儲單元,該單元暫存A/D的命令字,在PTS執行過程中,CPU先把表格中A/D命令暫存于此,然后再將命令從這個單元寫入A/D的命令寄存器中。PTS A/D方式的控制塊初始化及A/D轉換表格分別如表2和表3所示。?
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2 工頻信號鎖相倍頻原理? 及頻率跟蹤電路的實現?
??? 工頻電源的一個周期原則上應為20ms,但由于電網狀況的變化,經常出現其周期不等于20ms的情況。為了消除基波頻率波動的影響,在基波頻率出現波動時實現均勻采樣,可將對周期的計時改為對頻率的計數。只要該頻率是工頻電源信號的倍頻,則每一個倍頻后的脈沖即可代表一固定的電角度;若倍頻頻率很高,則計算機對電角度的分辨率也很高,可以增加采樣點數;若該倍頻脈沖串是與工頻電源的相位是嚴格鎖定的,則這種方案可以從原理上消除電網頻率不穩造成的采樣誤差,其原理圖如圖1所示。
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??? 在圖1中,工頻信號與分頻電路輸出的50Hz左右的鎖定方波一同進入鑒相器進行相位比較。鑒相器輸出的比較結果中包含偏差電壓成份,經環路濾波器濾波,產生控制電壓,加在壓控振蕩器輸入端;其產生的振蕩輸出經分頻后變為鎖定方波重新進入鑒相器,與工頻信號進行相位比較。當兩個信號相位差偏離標準時,環路濾波器必然輸出偏差校正電壓使壓控振蕩器產生頻率變化,以使兩個信號相位鎖定在標準位置。由于壓控振蕩器處于該閉環系統中,在兩個信號被鎖定后,其壓控振蕩器輸出的振蕩頻率必然是工頻信號頻率的整數倍。?
??? 頻率跟蹤電路由專用集成鎖相芯片CD4046和分頻芯片CD4040組成,以實現工頻信號的鎖相倍頻,分頻比為1/4096。在工頻信號恰好為50Hz的情況下,該電路的鎖相倍頻頻率為50×4096=204.8kHz,相當于一個工頻周期內有4096個脈沖。因為80C196KC的內部定時器T2是上、下跳變均計數,則在360度的電角度內共有8192個跳沿,相當于每個跳沿代表0.044電角度。頻率跟蹤鎖相電路接線圖如圖2所示。?
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3 交流采樣值的算法實現及誤差的補償計算?
3.1 有效值的計算?
??? 可根據連續周期信號的有效值定義來計算其有效值。設f(t)為周期為T的連續信號,最大值為Am,f(t)的有效值A可表示為：?
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??? 將連續函數離散化,可得出電壓、電流有效值的表示式：?
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式中,?? N——每個周期均勻的采樣點數?
??? ??? ui——第i點的電壓采樣值?
??? ??? ii——第i點的電流采樣值?
??? ??? Ku——電壓有效值的綜合轉換系數,是定值?
??? ??? KI——電流有效值的綜合轉換系數,是定值?
3.2? 三相功率P、Q的計算?
??? 由連續周期函數的功率定義可得到離散的功率表達式。?
??? 單相功率的算式為:?
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可以證明當N≥3時,按式(1)、(2)、(3)、(4)式計算將不產生離散化計算誤差。?
??? 同理,三相功率P、Q的算式如下:?
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3.3 頻率的計算?
??? 當80C196KC 的晶振頻率取為20MHz時,一個狀態周期為0.1μs，定時器T1的計數間隔是8個狀態周期(0.8μs)。把工頻信號濾波整形后,變成方波輸入到HSI.0,根據兩次中斷的時間間隔Δt(計數長度)算出信號的頻率。?
??? 信號的周期? T=Δt×0.8/1000000 (s)?
??? 信號的頻率? f=1/T=1250000/Δt(Hz)?
3.4 誤差的補償計算?
??? 在我們所研制的微機勵磁調節器中需對三相電壓Ua、Ub、Uc和三相電流Ia、Ib、Ic六個交流量進行采樣,采樣順序為Ua、Ia、Ub、Ib、Uc、Ic,采樣方式是HSO時間到啟動A/D的方式。由于在一個工頻電源周期中有8192個時鐘邊沿,一個周期內采樣16點,定時啟動一次A/D只需512個時鐘邊沿,設置精確方便。A/D采樣完成后,進入PTS A/D采樣周期,在其中完成6路信號的采樣。當A/D表格設在外部空間(0200H～0FFFFH)時,PTSA/D模式的執行時間為25個狀態周期(2.5μs),代表電角度為0.045度(2.5×360/20000)。由于用一個周波16個數據來計算電壓和電流有效值,計算相互獨立,所以與電壓、電流不同時采樣無關。可以證明當N≥3時計算出的U、I不存在誤差。?
??? 但用公式對功率進行離散計算時,要求對電壓和電流信號進行同時采樣,才可以算出準確的有功和無功功率的值。在這里我們省去了六個采樣保持器,對三相電壓和電流信號進行順序采集,用PTS A/D模式實現近似同相位的數據采集,電壓、電流進入A/D的時間差等于PTS A/D模式的執行時間2.5μs,這個時延等于改變了電壓和電流之間的相位差。設:?
??? u(t)=Umsin(wt+φu)????????????????????????????????? ?(7)?
??? i(t)=Imsin(wt+φi)????????????????????????????????? ?(8)?
??? 無時延的相位差φ=φu-φI,在i(t)時延采樣下,電流的相位增加了Δφ。因此,由此采樣數據計算出的有功功率和無功功率分別為：?
??? P′=UIcos(φ-Δφ), Q′=UIsin(φ-Δφ)?
??? 當φ=π/2時,有功誤差可達到UIsin(Δφ)。由于Δφ=0.045°已知,采樣不同時引起的功率誤差是可以克服的。對于(7)、(8)式確定的電壓和電流,有功和無功功率的理論值為：?
??? Pt=UIcosφ, Qt=UIsinφ
令a=cos(Δφ)，b=sin(Δφ)，c=P′/UI=cos(φ-Δφ)，d=Q′/UI=sin(φ-Δφ)，則:?
??? cos(φ)=cos[(φ-Δφ)+Δφ]?
????? ??? ?=cos(φ-Δφ)cos(Δφ)-sin(φ-Δφ)sin(Δφ)?
????? ??? ?=ac-bd?
??? 同理: sin(φ)=ad+bc?
??? 因此: P=Pt=UI(ac-bd),Q=Qt=UI(ad+bc)?
??? 其中,a=cos(Δφ)=cos(0.045°)=0.99999997，b=sin(Δφ)=sin(0.045°)=0.000785。?
??? 根據采樣得到的數據算出U、I、P′、Q′的大小,由此得到c、d的值,可以對計算出的功率進行修正。在對功率精度要求不是特別高的場合,可以將計算值當作實際值,從而達到近似同相位的采樣效果。?
4 交流接口電路及硬件實現?
??? 三相交流電壓和三相交流電流信號的輸入一般都來自PT、CT互感器輸出端。電壓互感器PT輸出為0～100V的交流信號,電流互感器CT輸出為0～5A的交流信號,無法接入A/D轉換電路,必須增加電能轉換接口電路來滿足A/D的轉換要求。電壓和電流的輸入接口電路如圖3和圖4所示。小電壓互感器(YH)輸入0～100V的交流電壓信號,輸出峰峰值為0～5V的交流電壓信號;小電流互感器(LH)輸入0～5A的交流電流信號,通過在二次回路中串入精密的可調線繞電阻來實現輸出峰峰值0～5V的電壓信號。由于80196KC的A/D輸入端只能輸入0～5V的模擬信號,可以采用墊高電平的方法將小電壓互感器(YH)和小電流互感器(LH)輸出的交流波形零點抬高2.5V,使信號負半周波形處于0點電平以上,以保證采集一個完整的信號周期。2.5V基準電壓源電路由TL431精密電壓基準等元件構成。?
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5 交流采樣算法在微機勵磁調節器中的應用?
??? 基于外設服務器的交流采樣算法在我們所研制的微機勵磁調節器中已經得到應用。實驗證明:用這種采樣算法設計的微機勵磁調節器取消了常規的電量變送器,簡化了外圍電路硬件,顯示電參數精確穩定,進一步提高了裝置的可靠性和精度,使我們研制的裝置具有較高的性價比,具有良好的市場前景。另外,這種交流采樣算法還可以應用于變電站的參數測量、微機繼電保護、故障錄波等場合,具有一定的實用和推廣價值。?
參考文獻?
1 楊冠城.電力系統自動裝置原理.北京:水利電力出版社， 1995.11?
2 沈金官.電網監控技術.北京:中國電力出版社，1997.6?
3 孫涵芳.Intel 16位單片機.北京:航天航空大學出版社， 1995.11?
4 方心平,張厥盛.集成鎖相環路——原理、特性、應用. 北京:人民郵電出版社，1990.12?