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基于DS80C320的主從逆變電源監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
摘要:介紹了基于DS80C320的主從逆變電源監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案,從硬件結構,軟件編制和抗干擾措施三方面進行了詳細討論,并對單片機鎖相技術進行了介紹。實際運行表明,本監(jiān)控系統(tǒng)完全滿足實際需要,性能良好。引言
本監(jiān)控系統(tǒng)是為鐵路用4kVA/25Hz主從熱備份逆變電源系統(tǒng)設計的。
4kVA/25Hz主從逆變電源是電氣化鐵路區(qū)段信號系統(tǒng)的關鍵設備,有兩相輸出:110V/1.6kVA局部電壓(A相);220V/2.4kVA軌道電壓(B相);兩相均為25Hz,且要求A相恒超前B相90°。由于逆變器是給重要負載供電,且負載不允許斷電,故采用雙機熱備份系統(tǒng),一旦主機發(fā)生故障,要求在規(guī)定時間內(nèi)實現(xiàn)切換,因此,備份逆變器一直處于開機狀態(tài)。由于逆變器經(jīng)過了整流,逆變兩級能量變換,功率較大,且指標要求較高,必須要采用先進的控制技術;同時為了安全實現(xiàn)主從切換,也必須要有完善的監(jiān)控系統(tǒng)來實現(xiàn)鎖相,保證整機的安全。
1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設計要求
根據(jù)實際情況,本系統(tǒng)主要完成以下功能:
1)主從切換功能主從控制之間實現(xiàn)準確無誤的切換,具有自動和手動兩種功能,保證切換時電壓同頻率,同相位,同幅值;
2)鎖相功能主從機組局部電壓同頻同相,同一機組內(nèi)A相恒超前B相90°;
3)完善的保護功能具有軟起動功能,以避免啟動瞬間電壓過沖對逆變器及負載的沖擊,以及輸出過壓、過流保護,頻率、相位超差保護,橋臂直通保護,過熱保護等;
4)顯示功能實時顯示運行參數(shù)及工作狀態(tài)并具有聲光報警功能,以提示值班人員及時排除故障;
5)通信功能具有主從機組之間通信,與監(jiān)控中心(上位機)通信等功能;
6)抗干擾功能系統(tǒng)具有良好的抗干擾能力。
2 系統(tǒng)硬件電路設計
2.1 DS80C320單片機簡介
DS80C320是DALLAS公司的高速低功耗8位單片機。它與80C31/80C32兼容,使用標準8051指令集。與普通單片機相比有以下新特點:
1)為P1口定義了第二功能,從而共有13個中斷源(其中外部中斷6個),3個16位定時/計數(shù)器,兩個全雙工硬串行口;
2)高速性能,4個時鐘周期/機器周期,最高振蕩頻率可達33MHz,雙數(shù)據(jù)指針DPTR;
3)內(nèi)置可編程看門狗定時器,掉電復位電路;
4)提供DIP,PLCC和TQFP三種封裝。
2.2 基于DS80C320的監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設計
按照上述系統(tǒng)設計要求,設計了如圖1所示的監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化的設計思想,分為微處理器及外設模塊,模擬量采集模塊,開關量采集模塊,頻率及相差測量模塊,控制量輸出模塊,人機接口模塊,同步信號模塊以及通信模塊。
1)微處理器及外設模塊微處理器采用DS80C320,非常適合于監(jiān)控。本系統(tǒng)充分利用前面已提及的特點,簡化了硬件設計與編程,從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)系統(tǒng)需要擴展了一片8255,一片E2PROM和一片8254。
2)模擬量采集模塊根據(jù)采集精度要求以及被采集量變化緩慢的特點,采用AD公司的高速12位逐次逼近式模數(shù)轉換器AD574A,其內(nèi)部集成有轉換時鐘,參考電壓源和三態(tài)輸出鎖存器,轉換時間25μs,并通過ADG508A擴展模擬量輸入通道。
3)開關量采集模塊首先經(jīng)光耦進行隔離后,再通過與門送入單片機的外部中斷口,同時通過8255送入單片機,采取先中斷后查詢的方式。
4)頻率及相差測量模塊信號先經(jīng)過具有遲滯特性的過零比較器轉換為方波,然后通過雙四選一開關4052送入單片機,通過定時器T0來計算頻率和相差。
5)控制量輸出模塊通過光耦控制輸出,實現(xiàn)可靠隔離。
6)人機接口模塊包括按鍵和顯示部分。通過簡單的按鍵選擇,實現(xiàn)電流、電壓、頻率及相差的顯示。顯示部分采用8279驅動8位七段LED顯示,同時通過發(fā)光二極管和蜂鳴器提示運行狀態(tài)。
7)同步信號模塊本模塊用來實現(xiàn)鎖相。單片機控制8254產(chǎn)生局部同步脈沖和軌道同步脈沖,同步脈沖用來復位正弦基準。通過軟件控制同步信號的頻率,可實現(xiàn)主從鎖相和局部及軌道的相位跟蹤。具體實現(xiàn)過程將在下文詳述。
8)通信模塊采用了RS232和RS485兩種通信方式。利用串口0采用RS232實現(xiàn)與另一機組監(jiān)控單元的雙機通信,獲取對方機組狀態(tài)信息;利用串口1采用RS485標準接口實現(xiàn)與上位機的通信,完成傳輸數(shù)據(jù)和遠程報警等功能。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1 系統(tǒng)軟件流程
主程序流程圖如圖2所示。系統(tǒng)上電復位后,首先對單片機,外圍芯片及控制狀態(tài)進行初始化;然后讀取AC/DC模塊的工作狀態(tài),若正常則啟動DC/AC模塊,否則轉故障處理;開啟DC/AC后,讀入其工作狀態(tài)并判斷輸出電壓是否滿足要求,有故障轉故障處理,正常則開啟故障中斷;接下來進行主從機組判斷和相位跟蹤,實現(xiàn)主從相位同步和局部及軌道電壓的鎖相;只有在實現(xiàn)鎖相后,才采用查詢方式處理鍵盤及測量顯示。在軟件編制中,鍵盤中斷是關閉的。實驗證明,對人機交互通道采用這種查詢處理方法,完全可以滿足系統(tǒng)的實時要求。開關量的輸入采取先產(chǎn)生中斷,后查詢的方法,保證了響應的實時性和逆變系統(tǒng)的安全性。
3.2 系統(tǒng)采用的主要算法和技術
3.2.1 交流采樣算法
測量顯示大信號的交流量時,通過互感器得到適合A/D轉換的交流小信號,然后對小信號進行采樣,最后對采樣數(shù)據(jù)采用一定的算法,得到正確的顯示值。均方根法是目前常用的算法,其基本思想是依據(jù)周期
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