??? 摘? 要: 一種由鎖相環(huán)CD4046和單片機(jī)80C196KC的PTS(外設(shè)事務(wù)服務(wù)器)構(gòu)成的高精度交流采樣系統(tǒng)。該系統(tǒng)能方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)的采集,并采用頻率跟蹤技術(shù)消除電網(wǎng)基波頻率波動(dòng)時(shí)的影響,簡(jiǎn)化了外圍電路的硬件,大大提高了數(shù)據(jù)采集的精度和可靠性。另外還給出它在同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的應(yīng)用實(shí)例。?

??? 關(guān)鍵詞: 鎖相環(huán)? 單片機(jī)? 外設(shè)服務(wù)器(PTS)? 交流采樣

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??? 隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展,電力網(wǎng)容量不斷增大,結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,電力系統(tǒng)中自動(dòng)化設(shè)備的運(yùn)用越來(lái)越廣泛,而數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)則是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)采樣信號(hào)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(guò)電量變送器整流后的直流量,這種方法軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,計(jì)算方便,便于濾波,對(duì)采樣值只需作一次比例變換即可得到被測(cè)量的數(shù)值,采樣周期短;但它不能及時(shí)反映被測(cè)量的突變,有較大的時(shí)間常數(shù),測(cè)量諧波有誤差,投資較大,維護(hù)復(fù)雜,因而在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用受到限制。交流采樣直接對(duì)變換好的5V(或0～5V)交流信號(hào)進(jìn)行采樣,主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好、相位失真小、投資少、便于維護(hù);其缺點(diǎn)是算法復(fù)雜、精度難以提高。但是隨著微機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展,交流采樣以其優(yōu)異的性能價(jià)格比,呈現(xiàn)出逐步取代直流采樣的趨勢(shì)。?

??? 在大部分由單片機(jī)構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,通過(guò)定時(shí)中斷的方式對(duì)工頻50Hz的電壓信號(hào)進(jìn)行均勻采樣。由于電網(wǎng)中頻率波動(dòng)和諧波分量的存在,普通中斷時(shí),CPU要執(zhí)行保護(hù)斷點(diǎn)轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)、保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、返回等一系列操作,CPU開(kāi)銷較大。這樣在CPU任務(wù)較重或采樣數(shù)據(jù)較多時(shí),對(duì)被測(cè)量的精度和準(zhǔn)確度都有一定的影響。作者在研制微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的過(guò)程中,充分利用INTEL 80C196KC單片機(jī)本身特有的一種外設(shè)服務(wù)器功能,結(jié)合CD4046鎖相環(huán)的具體應(yīng)用,大大簡(jiǎn)化了外圍電路硬件,提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度和可靠性。?

1 外設(shè)服務(wù)器PTS原理及應(yīng)用?

??? INTEL 80C196KC單片機(jī)的外設(shè)服務(wù)器PTS(Peripheral Transaction Server)利用其內(nèi)部的微代碼執(zhí)行操作,對(duì)中斷可提供一種類似于計(jì)算機(jī)DMA(直接存儲(chǔ)器訪問(wèn))的響應(yīng),它把一個(gè)中斷映射到相應(yīng)的PTS通道,由該通道產(chǎn)生一個(gè)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(kāi)銷,大大增強(qiáng)了CPU的中斷事務(wù)處理能力。?

??? 與中斷向量相似,PTS也有一個(gè)向量表,共15個(gè)字,位于2040H～205CH,優(yōu)先級(jí)和普通中斷的優(yōu)先級(jí)相同。每個(gè)PTS向量都指向一個(gè)PTS控制塊(PTSCB),控制塊必須駐留在內(nèi)部RAM空間(1AH～1FFH)。每個(gè)控制塊包括8個(gè)字節(jié),其首址應(yīng)能被8除盡,由控制塊來(lái)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(nèi)部水平窗口1中設(shè)有兩個(gè)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(hào)寄存器,格式完全相同,如表1所示。若要打開(kāi)某一外設(shè)PTS功能,只需將PTSSEL中的相應(yīng)位置“1”即可。綜上所述,當(dāng)把某外設(shè)的PTS功能打開(kāi)并設(shè)置好PTS控制塊時(shí),該外設(shè)不會(huì)進(jìn)入其相應(yīng)的PTS中斷服務(wù)程序,而進(jìn)入PTS周期。CPU內(nèi)微代碼按PTSCB設(shè)置的工作模式和要求的次數(shù)執(zhí)行操作,PTS完成后,便將PTSSRV中相應(yīng)的位置“1”,PTSSEL中相應(yīng)的位清“0”,引發(fā)END_OF_PTS中斷,并映射到這一外設(shè)的中斷。進(jìn)入END_OF_PTS中斷后,PTSSRV中相應(yīng)的位被清零,禁止該外設(shè)再次進(jìn)入PTS服務(wù)。?

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??? 在我們研制的微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中,要求每個(gè)周波采樣16次,每次進(jìn)行8個(gè)數(shù)據(jù)的A/D采樣,這里采用了每個(gè)周期執(zhí)行16次PTS服務(wù),每進(jìn)入一個(gè)PTS周期,CPU自動(dòng)進(jìn)行8次A/D轉(zhuǎn)換的方法。將80C196KC內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置為HSO時(shí)間到啟動(dòng)方式,A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后引發(fā)A/D結(jié)束中斷,進(jìn)入PTS周期,轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取和此后的7次轉(zhuǎn)換由PTS以立即啟動(dòng)A/D的方式完成。這里HSO的時(shí)間基準(zhǔn)是定時(shí)器T2,T2的時(shí)鐘源為外部時(shí)鐘T2CLK(由IOC0控制寄存器來(lái)設(shè)定),來(lái)自鎖相環(huán)電路壓控振蕩器的輸出信號(hào)。A/D模式下的PTSCB控制塊包含4個(gè)寄存器:PTSCOUNT、PTSCON、S/D和REG寄存器。PTSCOUNT確定無(wú)需在軟件干預(yù)下連續(xù)運(yùn)行的PTS周期數(shù);PTSCON控制寄存器用來(lái)確定PTS的工作方式及S/D的指針在每次A/D結(jié)束后是否修改;S/D是一個(gè)指針,它指向1個(gè)表格,該表格可位于內(nèi)部RAM,也可位于外部RAM,用來(lái)存放啟動(dòng)A/D的命令和A/D轉(zhuǎn)換后的結(jié)果;REG也是一個(gè)指針,它指向一個(gè)固定的存儲(chǔ)單元,該單元暫存A/D的命令字,在PTS執(zhí)行過(guò)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(gè)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(zhuǎn)換表格分別如表2和表3所示。?

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2 工頻信號(hào)鎖相倍頻原理? 及頻率跟蹤電路的實(shí)現(xiàn)?

??? 工頻電源的一個(gè)周期原則上應(yīng)為20ms,但由于電網(wǎng)狀況的變化,經(jīng)常出現(xiàn)其周期不等于20ms的情況。為了消除基波頻率波動(dòng)的影響,在基波頻率出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)實(shí)現(xiàn)均勻采樣,可將對(duì)周期的計(jì)時(shí)改為對(duì)頻率的計(jì)數(shù)。只要該頻率是工頻電源信號(hào)的倍頻,則每一個(gè)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(jì)算機(jī)對(duì)電角度的分辨率也很高,可以增加采樣點(diǎn)數(shù);若該倍頻脈沖串是與工頻電源的相位是嚴(yán)格鎖定的,則這種方案可以從原理上消除電網(wǎng)頻率不穩(wěn)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(hào)與分頻電路輸出的50Hz左右的鎖定方波一同進(jìn)入鑒相器進(jìn)行相位比較。鑒相器輸出的比較結(jié)果中包含偏差電壓成份,經(jīng)環(huán)路濾波器濾波,產(chǎn)生控制電壓,加在壓控振蕩器輸入端;其產(chǎn)生的振蕩輸出經(jīng)分頻后變?yōu)殒i定方波重新進(jìn)入鑒相器,與工頻信號(hào)進(jìn)行相位比較。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)相位差偏離標(biāo)準(zhǔn)時(shí),環(huán)路濾波器必然輸出偏差校正電壓使壓控振蕩器產(chǎn)生頻率變化,以使兩個(gè)信號(hào)相位鎖定在標(biāo)準(zhǔn)位置。由于壓控振蕩器處于該閉環(huán)系統(tǒng)中,在兩個(gè)信號(hào)被鎖定后,其壓控振蕩器輸出的振蕩頻率必然是工頻信號(hào)頻率的整數(shù)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(shí)現(xiàn)工頻信號(hào)的鎖相倍頻,分頻比為1/4096。在工頻信號(hào)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(dāng)于一個(gè)工頻周期內(nèi)有4096個(gè)脈沖。因?yàn)?0C196KC的內(nèi)部定時(shí)器T2是上、下跳變均計(jì)數(shù),則在360度的電角度內(nèi)共有8192個(gè)跳沿,相當(dāng)于每個(gè)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(shí)現(xiàn)及誤差的補(bǔ)償計(jì)算?

3.1 有效值的計(jì)算?

??? 可根據(jù)連續(xù)周期信號(hào)的有效值定義來(lái)計(jì)算其有效值。設(shè)f(t)為周期為T的連續(xù)信號(hào),最大值為A_m,f(t)的有效值A(chǔ)可表示為：?

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??? 將連續(xù)函數(shù)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(gè)周期均勻的采樣點(diǎn)數(shù)?

??? ??? u_i——第i點(diǎn)的電壓采樣值?

??? ??? i_i——第i點(diǎn)的電流采樣值?

??? ??? K_u——電壓有效值的綜合轉(zhuǎn)換系數(shù),是定值?

??? ??? K_I——電流有效值的綜合轉(zhuǎn)換系數(shù),是定值?

3.2? 三相功率P、Q的計(jì)算?

??? 由連續(xù)周期函數(shù)的功率定義可得到離散的功率表達(dá)式。?

??? 單相功率的算式為:?

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??? 可以證明當(dāng)N≥3時(shí),按式(1)、(2)、(3)、(4)式計(jì)算將不產(chǎn)生離散化計(jì)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(jì)算?

??? 當(dāng)80C196KC 的晶振頻率取為20MHz時(shí),一個(gè)狀態(tài)周期為0.1μs，定時(shí)器T1的計(jì)數(shù)間隔是8個(gè)狀態(tài)周期(0.8μs)。把工頻信號(hào)濾波整形后,變成方波輸入到HSI.0,根據(jù)兩次中斷的時(shí)間間隔Δt(計(jì)數(shù)長(zhǎng)度)算出信號(hào)的頻率。?

??? 信號(hào)的周期? T=Δt×0.8/1000000 (s)?

??? 信號(hào)的頻率? f=1/T=1250000/Δt(Hz)?

3.4 誤差的補(bǔ)償計(jì)算?

??? 在我們所研制的微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中需對(duì)三相電壓U_a、U_b、U_c和三相電流I_a、I_b、I_c六個(gè)交流量進(jìn)行采樣,采樣順序?yàn)閁_a、I_a、U_b、I_b、U_c、I_c,采樣方式是HSO時(shí)間到啟動(dòng)A/D的方式。由于在一個(gè)工頻電源周期中有8192個(gè)時(shí)鐘邊沿,一個(gè)周期內(nèi)采樣16點(diǎn),定時(shí)啟動(dòng)一次A/D只需512個(gè)時(shí)鐘邊沿,設(shè)置精確方便。A/D采樣完成后,進(jìn)入PTS A/D采樣周期,在其中完成6路信號(hào)的采樣。當(dāng)A/D表格設(shè)在外部空間(0200H～0FFFFH)時(shí),PTSA/D模式的執(zhí)行時(shí)間為25個(gè)狀態(tài)周期(2.5μs),代表電角度為0.045度(2.5×360/20000)。由于用一個(gè)周波16個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算電壓和電流有效值,計(jì)算相互獨(dú)立,所以與電壓、電流不同時(shí)采樣無(wú)關(guān)。可以證明當(dāng)N≥3時(shí)計(jì)算出的U、I不存在誤差。?

??? 但用公式對(duì)功率進(jìn)行離散計(jì)算時(shí),要求對(duì)電壓和電流信號(hào)進(jìn)行同時(shí)采樣,才可以算出準(zhǔn)確的有功和無(wú)功功率的值。在這里我們省去了六個(gè)采樣保持器,對(duì)三相電壓和電流信號(hào)進(jìn)行順序采集,用PTS A/D模式實(shí)現(xiàn)近似同相位的數(shù)據(jù)采集,電壓、電流進(jìn)入A/D的時(shí)間差等于PTS A/D模式的執(zhí)行時(shí)間2.5μs,這個(gè)時(shí)延等于改變了電壓和電流之間的相位差。設(shè):?

??? u(t)=Umsin(wt+φ_u)????????????????????????????????? ?(7)?

??? i(t)=Imsin(wt+φ_i)????????????????????????????????? ?(8)?

??? 無(wú)時(shí)延的相位差φ=φ_u-φ_I,在i(t)時(shí)延采樣下,電流的相位增加了Δφ。因此,由此采樣數(shù)據(jù)計(jì)算出的有功功率和無(wú)功功率分別為：?

??? P′=UIcos(φ-Δφ), Q′=UIsin(φ-Δφ)?

??? 當(dāng)φ=π/2時(shí),有功誤差可達(dá)到UIsin(Δφ)。由于Δφ=0.045°已知,采樣不同時(shí)引起的功率誤差是可以克服的。對(duì)于(7)、(8)式確定的電壓和電流,有功和無(wú)功功率的理論值為：?

??? P_t=UIcosφ, Q_t=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=P_t=UI(ac-bd),Q=Q_t=UI(ad+bc)?

??? 其中,a=cos(Δφ)=cos(0.045°)=0.99999997，b=sin(Δφ)=sin(0.045°)=0.000785。?

??? 根據(jù)采樣得到的數(shù)據(jù)算出U、I、P′、Q′的大小,由此得到c、d的值,可以對(duì)計(jì)算出的功率進(jìn)行修正。在對(duì)功率精度要求不是特別高的場(chǎng)合,可以將計(jì)算值當(dāng)作實(shí)際值,從而達(dá)到近似同相位的采樣效果。?

4 交流接口電路及硬件實(shí)現(xiàn)?

??? 三相交流電壓和三相交流電流信號(hào)的輸入一般都來(lái)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(hào),電流互感器CT輸出為0～5A的交流信號(hào),無(wú)法接入A/D轉(zhuǎn)換電路,必須增加電能轉(zhuǎn)換接口電路來(lái)滿足A/D的轉(zhuǎn)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(hào),輸出峰峰值為0～5V的交流電壓信號(hào);小電流互感器(LH)輸入0～5A的交流電流信號(hào),通過(guò)在二次回路中串入精密的可調(diào)線繞電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出峰峰值0～5V的電壓信號(hào)。由于80196KC的A/D輸入端只能輸入0～5V的模擬信號(hào),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(diǎn)抬高2.5V,使信號(hào)負(fù)半周波形處于0點(diǎn)電平以上,以保證采集一個(gè)完整的信號(hào)周期。2.5V基準(zhǔn)電壓源電路由TL431精密電壓基準(zhǔn)等元件構(gòu)成。?

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5 交流采樣算法在微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的應(yīng)用?

??? 基于外設(shè)服務(wù)器的交流采樣算法在我們所研制的微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中已經(jīng)得到應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)證明:用這種采樣算法設(shè)計(jì)的微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器取消了常規(guī)的電量變送器,簡(jiǎn)化了外圍電路硬件,顯示電參數(shù)精確穩(wěn)定,進(jìn)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(jià)比,具有良好的市場(chǎng)前景。另外,這種交流采樣算法還可以應(yīng)用于變電站的參數(shù)測(cè)量、微機(jī)繼電保護(hù)、故障錄波等場(chǎng)合,具有一定的實(shí)用和推廣價(jià)值。?

參考文獻(xiàn)?

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3 孫涵芳.Intel 16位單片機(jī).北京:航天航空大學(xué)出版社， 1995.11?

4 方心平,張厥盛.集成鎖相環(huán)路——原理、特性、應(yīng)用. 北京:人民郵電出版社，1990.12?