基于AVR單片機(jī)的新型自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于AVR單片機(jī)的新型自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置的設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用前言自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置在電力系統(tǒng)并網(wǎng)中有著十分重要的作用。本文采用ATMEGA128單片機(jī)為處理器，開發(fā)一種主要用于機(jī)組同期操作的自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置，該裝置能自動(dòng)檢測系統(tǒng)側(cè)和對象側(cè)的壓差、頻差和相差，進(jìn)行同期操作。如果采用一個(gè)同期點(diǎn)配備一個(gè)裝置的方式，則能大大提高整個(gè)系統(tǒng)的同期可靠性。1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和硬件框圖作為準(zhǔn)同期裝置，首先必須要準(zhǔn)確地測量系統(tǒng)側(cè)和待并側(cè)的同期參數(shù)。也就是測量兩側(cè)的電壓、頻率，以及相位差。在這個(gè)基礎(chǔ)上，裝置要進(jìn)行準(zhǔn)確的同期動(dòng)作以及和上位機(jī)的通信。因此，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件流程圍繞這三個(gè)方面展開。為了減少干擾和便于操作，硬件分為CPU板、信號板和顯示按鍵板。下面的硬件框圖清楚地表示了三者之間的連接關(guān)系和信號的流動(dòng)情況。圖1系統(tǒng)硬件框圖

單片機(jī)89C58主要負(fù)責(zé)識別和保存按鍵值（中斷方式），以及直接驅(qū)動(dòng)LCD。Atmega128單片機(jī)有兩個(gè)串行口，通過串口0和89C58通訊，通過串口1和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。2頻率、電壓和相差的計(jì)算ATMEGA128單片機(jī)的定時(shí)器1和定時(shí)器3具有輸入捕獲的功能。因此頻率（周期）的計(jì)算可以完全依賴硬件來實(shí)現(xiàn)。只需要設(shè)計(jì)一個(gè)轉(zhuǎn)換電路將正弦波變換成為方波即可。方波兩個(gè)上升沿（或下降沿）之間的時(shí)間間隔即是系統(tǒng)側(cè)或?qū)ο髠?cè)的周期，這樣就可以準(zhǔn)確地測量出周期。注意，定時(shí)器1和定時(shí)器3中的計(jì)數(shù)值盡量不要采用軟件清零。筆者剛開始的思路是每隔輸入捕獲中斷將TCNT1或TCNT3的值清零，然后下的計(jì)數(shù)值乘以計(jì)數(shù)間隔時(shí)間就是系統(tǒng)側(cè)或是對象側(cè)周期長度。但是這樣的辦法很容易受到其他中斷的影響。當(dāng)外部事件發(fā)生的時(shí)候（上升沿或下降沿來到），硬件自動(dòng)將計(jì)數(shù)值捕捉到相應(yīng)的捕獲寄存器，但如果此時(shí)有更中斷同時(shí)到來的話，就必然會(huì)推遲一會(huì)才可以進(jìn)入輸入捕獲中斷程序，則軟件必然會(huì)推遲清零，因此所測的周期會(huì)偏小、頻率會(huì)偏大。特別是當(dāng)更高優(yōu)先級的中斷程序執(zhí)行時(shí)間較長時(shí)，所測周期根本無法使用。正確的做法是：在初始化時(shí)將定時(shí)器1和定時(shí)器3按照同樣的分頻系數(shù)同時(shí)開放，然后就不要對這兩個(gè)定時(shí)器進(jìn)行清零或其他操作。對于這兩個(gè)16位定時(shí)器的溢出問題，可以通過在定時(shí)器1和定時(shí)器3的溢出中斷程序中設(shè)置分別的溢出標(biāo)志來解決。本裝置所設(shè)計(jì)的波形轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。VAA1為對象側(cè)或系統(tǒng)側(cè)經(jīng)過初步處理的交流信號。

圖2

電壓的測量和計(jì)算涉及到交流采樣技術(shù)。交流采樣，就是直接對交流電氣信號的瞬時(shí)值進(jìn)行采樣，再用一定的數(shù)值算法求得所關(guān)心的信號參數(shù)或信息。交流采樣有異步采樣和同步采樣兩種，其中后者應(yīng)用較多。同步采樣又可以分為硬件同步（PLL鎖相環(huán)技術(shù)）和軟件同步。軟件同步就是利用處理器的中斷性能跟蹤周期的變化且均勻地采樣。這就是所謂的頻率跟蹤。在數(shù)據(jù)處理方面，本文采用將正弦周期信號展開成為傅立葉級數(shù)的形式，然后再離散化，進(jìn)而求出電壓有效值。具體而言，交流信號用表示。下面是計(jì)算的詳細(xì)過程。將周期信號展開成為傅立葉級數(shù)的形式：

當(dāng)時(shí)，可以推出

由7式可以看出只要求和，就可以求出基波的值和有效值。同理可以求出其他高次諧波的相關(guān)值。將公式2和公式3離散化，則可以在程序中實(shí)現(xiàn)和的計(jì)算。也就是

其中，N為同步采樣點(diǎn)數(shù)。相角的測量有兩種實(shí)現(xiàn)途徑。一種是主要依賴硬件，軟件起輔助作用。另一種則完全依賴軟件，采用不同的算法。前者的誤差主要來自硬件，后者的誤差主要是算法所帶來的。Atmega128的16位定時(shí)器T1/C1和T3/C3均具有輸入捕獲的功能，可以利用兩者對兩側(cè)交流信號上升沿進(jìn)行捕獲，捕獲的時(shí)間差與周期進(jìn)行比較，就可以折算出兩者之間的相差。

但是，遲滯比較器的存在使輸出對輸入信號的幅值敏感，輸入信號幅值越大，相移越小，也就是說在電壓比較低的時(shí)候，誤差會(huì)比較大。完全依賴軟件的測量辦法很多，本裝置的實(shí)現(xiàn)方法如下：

則它們的相位差為。可以推導(dǎo)

兩邊同時(shí)積分得

離散化得到

其中N為每周期采樣點(diǎn)數(shù)。將左邊應(yīng)用泰勒級數(shù)展開，得到

根據(jù)公式18，可求出相差。為了更高精度，可以展開成為高階級數(shù)。3同期過程流程圖筆者所設(shè)計(jì)的同期裝置的同期過程見上圖所示。其中，頻率要優(yōu)先調(diào)節(jié)。頻差在要求范圍內(nèi)時(shí)，才可以轉(zhuǎn)去調(diào)節(jié)電壓。每次同期操作要設(shè)定同期時(shí)限，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)各項(xiàng)指標(biāo)不能達(dá)到定值要求，則此次同期操作失敗?？偨Y(jié)本文介紹的準(zhǔn)同期裝置設(shè)計(jì)方案利用了硬件資源，減少了軟件誤差。裝置投入使用后經(jīng)過測試可以達(dá)到機(jī)組開關(guān)的同期要求，有一定推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn):