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摘要 交流恒流源作为稳定电源的分支有广泛用途，其作为一项技术在电源的研究 领域中有很重要的意义。其发展与科技的进步息息相关，在各个国家特别是发达 国家的国民经济中占有十分重要的地位。近年来我国检测技术有了较大的提高， 但同发达国家的电网检测技术相比，差距仍然很大，存在参数检测精度不高、抗 干扰性较差，实时性比较差、电路设计复杂等缺点。针对这些问题，本课题建立 了一个以a t 8 9 c 5 1 单片机为控制核心的恒流源控制系统，该系统具有速度快、 精度高、实用性强、电路模块化等特点。 本课题已经顺利完成以下几部分内容： 1硬件控制系统：这部分是整个恒流源系统的核心部分，利用突破传统并 优化了的电路结构，基于a t 8 9 c 5 1 的设计核心，通过各种结构化电路的搭配，对 优化电路带来极大便利 2 控制系统软件：利用c 语言为设计平台，运用逐次逼近算法处理采集电 流，并采用p i d 控制理论来对驱动系统进行精确的控制。 3 后期抗干扰设计：针对电网检测环境恶劣的特点以及恒流源控制系统容 易受到电网检测过程干扰，硬件上采用了引入变压器隔离、数电模电分开、金属 外壳屏蔽等方法，软件上采用了滤波，去冗余，陷阱等方法。 本课题设计了基于a t 8 9 c 5 1 为核心的恒流源控制系统，并在p i d 控制理论 下能够输出精确的交流电流，且具有响应快速，精度高。扩张性强的特点。 关键词。：恒流源：检测；p i d 控制 a b s t r a c t a b t r a c t t h ep o i n tt oc o n s t a n tc u r r e n tp o w e rs u p p l yw h i c hi sas p e c i a lt e c h n o l o g yt h a t i n t e g r a t e ss e v e r a ls u b j e c t ss u c ha sm e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c sa n dc o n t r o lk n o w l e d g e i t s d e v e l o p m e n ti sc l o s e l yr e l a t i o n s h i pw i t hp r o g r e s s e so fo t h e rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y s u b j e c t s i th a si m p o r t a n ts t a t u si nt h em u l t i t u d i n o u sc o u n t r ys p e c i a l l yi nt h e d e v e l o p e dc o u r t 仃y i nr e c e n ty e a r s , m a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo fo u rc o u n t r yh a sb e e n d e v e l o p i n gq u i c k l y ，b u ta c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p e dc o u n t r y l ，t h e r e 锄s t i l lb i g d i s p a r i t i e s t h ep r o b l e m sl i k el o wp a r a m e t e re x a m i n a t i o np r e c i s i o n ，b a dc a p a b i l i t yo f r e a l t i m e ，a n t i - j a m m i n ga r ce x i s t a c c o r d i n g t ot h i s q u e s t i o n ，t h i sp a p e rh a s e s t a b l i s h e dac o n t r o ls y s t e mo fp o i n tt oc o n s t a n tc u r r e n tp o w e rs u p p l yb a s e do n a t 8 9 c 51 ；e n a b l et h es y s t e mt oh a v et h ef u n c t i o n sa sh i i g hs p e e d ，h i g hp r e c i s i o n ， s t r o n gu s a b i l i t y ，s i m p l ec i r c u i ta n ds oo n i nt h ee a 3 u i - s eo fe x p l o i t a t i o n ，w em a i n l yh a v ec o m p l e t e dm i s s i o n sb e l o w ： 1t h eh a r d w a r es y s t e m i ti st h ec o r eo ft h ew h o l ep o i n tt oc o n s t a n tc u r r e n t p o w e rs u p p l ys y s t e m i t b r e a c ht h et r a d i t i o na n do p t i m i z e de l e c t r i cc i r c u i t s t r u c t u r e u s ea t 8 9 c 51a st h ed e s i g nc o r e ，t h ep a p e ru s e su n i t a r ym e t h o dt oc o n t r o lt h e s y s t e m 2c o n t r o ls y s t e ms o f t w a r e ：u s i n gt h ecl a n g u a g ea sd e s i g np l a t ，g a t h e r i n g e l e c t r i cc u r r e n tb yu t i l i z a t i n gt h eg r a d u a l l ya p p r o a c h e st h ea l g o r i t h m , a n du s i n gt h e f u z z yc o n t r o lt h e o r yt oc o n t r o lt h ed r i v es y s t e m 3l a t e rp e r i o da n t i j a md e s i g n s ：a i ma tt h ef u n c t i o no ft h eb a de n v i r o n m e n to f p o i n tt oc o n s t a n tc u r r e n tp o w e rs u p p l y a n dt h ec o n t r o ls y s t e mi se a s i l yd i s t u r b e di n t h ej o i n t i n gp r o c e s s ，o nt h eh a r d w a r et h et r a n s f o r m e r i s o l a t i o n ，h i g hs p e e dl i g h tp a i r ， s e p a r a t es i m u l a t ea n dd i g i t a le l e c t r o nm e t a ls h i e l di su s e d ，o ns o f t w a r eu s e dt h ef i l t e r , w i p eo f ft h er e d u n d a n c y ，t r a pa n ds oo n t h ep a p e rd e s i g nt h ep o i n tt oc o n s t a n tc u r r e n tp o w e r s u p p l ys y s t e mb a s e do n a t 8 9 c 5 1 ，c a no u t p u tb a l a n c e dc u r r e n t ，h a st h ef h n c t i o no fh i 【g hs p e e d ，h i g h p r e c i s i o n ，s 仃o n ge x p a n s i o n a r ya n ds oo n k e y w o r d s ：c o n s t a n tc u r r e n tp o w e rs u p p l ys y s t e m ；d e t e c t ；f u z z yc o n t r o lt h e o 哆 m 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。本 人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明确方 式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利和责任。 声明人( 签名) ：张 才彤年6 月? e t 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 i 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者签 导师签 期：沙子年舌月弓日 期：加8 年月多日 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 随着电力工业的发展，配电网络中各种低压电气基础元器件需求量大量增 加。元件的可靠性高低直接影响系统的可靠性高低，因此对元件的可靠性试验是 十分必要而具有重要意义的。其中断路器是电力系统中最重要的控制和保护元 件，对低压配电电路、电动机或其他用电设备实行通断操作并起保护作用。无论 电路线路处在什么状态，例如空载、负载或短路故障，当需要断路器动作时，它 们都应能可靠快速地动作，或是关合，或是开断电路。断路器能否及时有效地切 断网路中的故障电路，就成为整个电网能否正常、安全运行的重要构成部分。 本文主要讨论低压断路器测试电源，低压断路器广泛用于低压电网中( 交流 5 0 h z 或6 0 h z 额定电压1 2 0 0 v 及以下，直流额定电压在1 5 0 0 v 及以下的电路) 的 配电电器。按其用途，低压断路器被定义为：能够接通，承载及分断正常电路条件 的电流，也能在规定的非正常条件下( 如过载，短路，欠电压以及发生单相接地故 障时) 接通，承载一定时间和分断电流的开关切。过去也称之为自动开关，空气开 关和空气断路器( 空开，空断) 等。一般都有过流、短过载保护功能。断路器的保 护特性包括：过载长延时，短路短延时，短路瞬动的三段保护，欠压保护和单相电 弧性接地( 对地泄漏电流) ，以及单相金属性短路，三项不平衡电流和发电机的逆 功率等的保护。保护的实现过程是通过检测元件实时监测电压、电流，如果超过 预设的阀值，断路器的脱扣器动作，触点分开，分段电流等几个过程来实现的。 断路器如果发生故障，就会导致供电系统发生故障而造成停电事故，甚至会危及 供电线路和用电设备的安全。断路器虽然不是设备的主要价值所在，但是它起到 了保护整个系统设备价值的作用，没有了它，当系统发生故障时，没有及时做出反 应，及时给与保护，整个系统就可能崩溃，带来的社会和经济影响将是巨大的。因 r n l 此，开展低压电器的可靠性研究与应用工作具有重要的意义瞄1 。 产品的可靠性是指产品在规定的条件下、规定的时间内完成规定功能的能 一种基于线性功率放大器的交流恒流源设计 力。针对产品的可靠性进行的试验称为可靠性试验，它是检验产品能否在规定的 实验条件下完成工作方法，可以作为判断产品可靠性程度的依据。随着各种系统 的大型化，系统中所用元件或设备的数量不断增多，元件的可靠性程度直接影响 系统的可靠性高低，因此元件的可靠性试验是十分必要且具有重要意义的n 。 由此可见，对断路器产品各项技术参数，在瞬时、长延时和短延时的脱扣特 性的出厂及运行过程中定期的检测是非常必要的。随着低压电器的迅速发展，越 来越需要采用先进的自动化检测设备来满足企业大规模的生产，从而有效地提高 产品保护特性的准确性、可靠性和稳定性。 1 2 国内外测试设备技术的现状和发展趋势 1 2 1 国外测试设备技术的发展 电器产品技术的发展离不开各种试验和试验中所用的测试设备和技术。同样 的，断路器的发展也必需是在电网元件检测技术发展的前提下构建起来的发展体 系。电器测试技术是一门专门的科学技术，它涉及到标准要求，测试方法，试验设 备，测试仪器以及测试技术等方面。由于试验费用较高，特别是对于高压大容量电 器的关合，开断和短时电流性能试验。如何使试验次数较少，又能确保被试验产品 的性能符合考核的严格要求，使电器测试技术中一个重要的研究课题。在进行产 品的研究性试验中，如何尽可能多的测试出影响电器性能的各种参数及其变化， 以提供更多的信息与数据，对于产品的研制有着重要的作用和意义。因此，世界各 国都非常重视建立电器试验基地和研究电器测试技术。国外特别是西方工业发达 国家不惜巨资购置设备，建设高短路试验容量的电器试验站，如美国、日本、德 国等国早在几年前就已建成分断电流2 0 0 k a 及以上的实验室l o 余个h 。，现在还 在继续扩建增加其短路试验容量，还有荷兰k e m a 试验站正在筹建专门的低压电 器试验室，其分断能力为6 0 0 v 2 0 0 k h h 儿。其中，德国k - m 公司试验站是迄今最 大容量的低压电器试验室，分断电流已增容至4 0 0 k a 有效值u 。此外，国外有不 少的实验室是高低压电器试验站建在一起的，这样可以利用高压试验室的电源设 备( 大都是冲击发电机) 来进行低压电器大容量试验。由于发电机系统具有独立 2 第一章绪论 性强( 试验时对电网的影响及依赖性相对要小，几乎不受电网的限制) 、利用率 高、试验电压等参数易于调节及可改变频率等特点，国外大容量低压电器试验站 大都采用冲击发电机作为试验电源，有的同时还引入电网。德国k - m 公司低压电 器强电流试验站经过三次扩建，均采用冲击发电机作试验电源，能进行1 6 昙 z 6 0 h z 各种频率的低压电器大容量试验( 1 6 z h z 为电机车用，6 0 h z 为美国、加拿 z 大等国用) 。，并可进行单相、二相和三相短路试验，可以满足美国、加拿大、 波兰、南非等多国的试验标准。 近年来9 1 1 们，由于采用了微电子技术与计算机技术，国外试验检测技术达 到了新的水平，这主要表现在：( 1 ) 微电子技术的发展，使高速数据采集系统 的参数大大提高，高速a d 采样频率可达i o o m h z 。采样通道模块内存可达1 m ， 模拟光纤隔离通道频带可达1 5 m c ，数字光纤隔离通道频带可达i o m c ，( 2 ) 计算 机硬件和软件的迅速发展又给快速过程的测量及复杂的试验数据处理创造了便 利的条件。目前，国外开发了许多应用计算机数据处理系统，使以前无法完成或 极难完成的测试工作得以完成，或者大大减轻人的工作，提高效率，实现自动化， 并且提高了整个系统的测量精度。因此，多数试验站的发展趋势都是用微机数据 采集和处理系统替代以前的单个参数测量设备和通用电测仪器。( 3 ) 与电器试 验技术的发展密切相关的瞬态波形记录仪已发展成为瞬态数据处理和记录系统。 荷兰b a k e r 公司在多通道瞬变测试方面代表了当前的国际先进水平，如具有2 5 4 个输入模块，并由一个单一的接口源全面控制，通道数字触发精确度高、可靠性 高的b e 2 5 6 数据采集和暂态记录系统以及经济多通道瞬态记录仪和数据采集器 的功能于一台个人计算机中的功能强成本低的b e 4 9 0 系列性能瞬态记录功能板 丝 1 l 儿1 2 1 3 可0 国外学者对高压断路器的可靠性进行了大量的研究之后认为，评估断路器的 可靠性试验可分为两类：操作特性的验证；寿命期内性能的评定。其中操作 特性的验证目的是确保在与断路器必须承受的应力相符合的实际使用条件下( 环 境条件，机械应力，电应力) ，达到所期望的性能，即指它“在正常的线路条件 下，接通、承受连续负载和分断电流的能力。这项试验通常是重复进行型式试 一种基于线性功率放大器的交流恒流源设计 验或成功率可靠性验证试验。而后者则是针对由于设计和生产引起的使用中断路 器的主要故障中，几乎一半是“不能按指令闭合 “不能按指令断开而提出的， 且建议依照i e c 6 0 5 5 中的成功率可靠性验证试验方案进行1 4 3 15 1 。 专家学者主要致力于对断路器现场故障诊断系统的研究。文献 1 0 中利用非 破坏性震动诊断技术来验证断路器的机械条件，研制了一套商用可携带是诊断系 统p c p d s ，其硬件包括可携式计算机，数据采集单元和计算机通信卡。美国 m u t i a m p 公司研制成一种结构轻巧的低压断路器试验装置，该装置能模拟过载， 对额定电流5 0 0 a 及以下的塑壳式断路器和电动机过载继电器的延时特性进行试 验；试验瞬时脱扣元件时，输出电流可达5 k h 。此外，国外学者还致力于 研究各种应用仿真软件，用来帮助监测和提高断路器的可靠性。 1 2 2 国内测试技术设备技术的发展 据电器行业统计，截止2 0 0 7 年年底，我国高压电器从业人员在2 0 万人以上， 低压电器在6 0 万人以上；从事高压电器的企业达6 0 0 余家。因此，电器工业已成 为具有较强实力的产业之一，对国民经济建设做出了积极的贡献我国的低压电 器试验和检测条件水平与国外相比差距较大，除了上海电器研究所可达到2 0 0 k a 的试验能力( 基本与世界水平相当) 外，天津电器研究所、天水长城电器研究所、 长征电器研究所等国内1 0 余家较大电器研究所的交直流短路实验能力一般均在 l o o k a 以下，而且测试技术及数据处理的水平不高，从而影响了测量精度和可测 的参数。其差距主要表现在：( 1 ) 大容量短路试验设备效率低；( 2 ) 缺少大容 量短路试验能力；( 3 ) 计算机数据采集和处理能力差距还很大；( 4 ) 在不同程 度上不能满足i e c 标准中抗电磁干扰试验、外壳防护试验、机械强度试验等所规 定的要求以及缺少2 0 0 a 以上的稳流电源；( 5 ) 主回路设备老化；( 6 ) 急需加 强可靠性试验研究；( 7 ) 国内外投入资金相差悬殊，就开发软件而言，目前国 外各公司运用u gi i 、p r o e 等三围计算机辅助设计软件是最基本的必备条件，一 些著名公司已使用可视化仿真技术，而中国只有少数工厂购进部分u gi i 计算机 辅助设计元件 1 9 驯。 国内在断路器寿命试验装置的研究方面也做了一些工作，如设计了一种以气 4 第一章绪论 动操作机构驱动断路器手柄的方式实现对断路器的合分闸操作的试验装置。该 装置实现了一种“软”操作，但试验过程中无触头状态监测功能。又设计了对 d z l 5 - 4 0 塑料外壳式断路器进行瞬动试验电流，同时解决了脱扣试验的瞬动脱扣 试验台。从脱扣器的动作原理来说，电器行业一般认为主要取决于实验点六的第 一峰值，因此，该试验台中没有峰值电流检测装置，采用检测试验电流峰值的方 法测出瞬动试验电流，同时解决了脱扣器的动作时间的测量问题。上海电器科学 研究所对塑料外壳式断路器进行可靠性试验所用的试验装置只能进行操作特性 可靠性方面的试验，对于脱扣器保护功能的检验是用常规的实验设备以中间检测 和试后校验的方法进行，没有实现微机控制数据采集和处理工作u u “。 经过信息检索，并没有找到更多的关于小型断路器可靠性试验装置的设计方 法，但是在继电器装置的设计领域，有很多的设计思路值得研究人员借鉴。比如 说设计的组合式继电保护试验装置，它主要由一个可产生三相试验电压的独立回 路和一个输出单相移相试验电流的独立回路组合而成，其基本特点是：输出功率 大；电压与电流分别由两个独立回路形成，但是并不能正确模拟电力系统中的故 障电压、电流变化的同时性和畸变一致性；电流回路经电阻或升流器产生稳态试 验电流，无直流分量，因而只能作继电保护的稳态特性和定值整定。 1 3 恒流源自动控制系统现状及发展趋势 恒流源控制系统在很大程度上可以说是内在决定了元件检测的质量。目前微 机用于恒流源控制的技术主要有检测过程自适应控制、检测机器人控制等。微机 一般具有三个基本功能，即数值计算、数值分析和实时采集。数字信号处理相对 于模拟信号处理有着很大的优越性，表现在精度高、灵活性大、可靠性好、易于 大规模集成等方面。可用于数字信号处理的处理器大致可以分为信号处理器 ( d s p ) 、通用微处理器( m p u ) 、微控制器( m c u ) 3 类。d s p 面向高性能、重复性、数 值运算密集型的实时处理；m p u 大量用于计算机；m c u 则适用于以控制为主的处 理过程。因此可见在以控制为主的恒流源检测领域应该选用m c u ，同时根据以上 几个特性，采用微机控制的系统应当实现以下几个功能： 外特性控制通过不同的算法可获得恒流特性、恒压特性、斜率不同的其他外 5 一种基于线性功率放大器的交流恒流源设计 特性的任意控制，以满足各种检测方法和场合的需要。 动特性控制借助于运放p i d 调节器组成的电子电抗器可以对检测过程的短 路电流上升率进行控制。 预制主要参数根据不同的材料，板厚进行预制检测参数，再现记忆，监控各 组检测参数，根据不同需要变换参数。 对检测程序和检测故障的控制实现检测中可能发生的电流的递增和衰减、过 电流等故障诊断和报警。 传统意义上的恒流源控制系统多采用分立元件组成的模拟电路和数字电路， 微机控制的实质是用微机控制系统取而代之。目前常用的微机有单板机、单片机、 可编程控制器和工控机等，而单片机无论是在质量控制方面还是在过程控制方面 都有其独特的优点。随着微型计算机控制技术的发展，现代检测质量监控器几乎 都采用了单片机，实现快速、高精度、灵活、多功能的控制要求，大大提高了电 阻焊的质量，扩大了实用范围。 1 3 1 恒流源的现状 在断路器可靠性试验设备中，试验电源的稳定、精确是保证测试可靠的基础。 否则，无论是在断路器出厂试验还是型式试验，都会因为测试电源的波动使校验 后的产品存在着合格品被判为不合格，而不合格品被判为合格的可能，严重影响 产品的质量。 恒流源可分为直流恒流源和交流恒流源。目前对恒流源的研究在直流小功率 方面较多，因为直流恒流源电路相对简单，在实验室比较容易得到，并且精度高。 但在断路器的可靠性试验中，它不能反应断路器在实际电网中工作的工频变化。 交流恒流源存在稳流困难、大电流得到难度高的问题。目前交流恒流源的稳流主 要采取以下方法2 3 】2 引i ：z s ： 手动式的交流恒流调节设备。通常采用一个自耦调压器，在负载上安装一个 数显仪表，需要人工调节电压，以控制其输出电流。其缺点是冲击电流很大，易 损坏测试仪，且响应速度慢，其调节精度及其调节时间受人为因素影响极大，精 确度不够。 6 第一章绪论 对电网电压整流后，串接一个大电感，限制电流的变化，达到恒流的目的。 电感与等效负载电阻的时间常数远大于一个开关周期，所以相对于一个开关周 期，我们可视之为一个恒流源；如果在数十倍或者数百倍开关周期内考虑电感电 流，电感的伏秒值不平衡，电感电流就会波动，不能再把电感电流认为是恒流源。 电子线路与机械传动机构相结合实现自动调压稳流，缺点是结构复杂、笨重， 调节时机械触点有火花，易磨损、故障率高。 具有反馈系统的可控硅调相电路来达到恒流目的。但该方法通过调整可控硅 截止角实现调压恒流，正弦波将严重畸变，不能满足波形精度要求。而且需要很 大的散热器，很难减小体积，降低重量。同时，可控硅过流过压能力较差，易损 坏。 以铁磁元件为调整元件( 磁放大器) 的稳流线路。它的不足之处在于：因为 磁惯性大，响应时间较长；磁系统会产生严重的畸变的线性工作区小，一般情况 下只能实现小范围定点稳流；磁系统会产生严重的波形畸变，功率因数低。 采用电压分节网络。使用一个多绕组变压器，反馈系统通过双向可控硅在正 弦电流过零点切换绕组调压，实现稳流。缺点在于稳流精度取决于绕组间的最小 变化，不能消除电网电压的畸变的影响。 一采用模拟的功率放大器，其优点是波形的线性度好，稳定度高、失真度小、 波形平滑，但它的缺点是效率低下、发热量大、严重影响整机的工作。 综上所述各种稳流的方法都有不同的缺陷，在断路器可靠性试验设备中，试 验电源的稳定、精确是提高试验成功率的基础。其中，长延时热脱扣试验是每一 台低压电器出厂试验和型式试验的必做项目，实验的目的是考核产品的热效应； 电流与热量是平方关系，为保证温升试验的准确性，测试正弦电流必需稳定。根 据国家标准g b l 4 0 4 8 2 9 4 要求，长延时热脱扣试验的电流误差不大于2 ，正 弦波失真度小于5 。 1 4 选题意义 恒流源作为稳定电源的分支，在电光源、电化学、通信、测量技术、电子仪 7 一种基于线性功率放大器的交流恒流源设计 器等方面有广泛用途，其作为一项技术在电源的研究领域中有很大的发展。在电 子元件，如断路器等的试验、检测应用中，不同型号的产品的额定参数及特性差 别很大，经常需要根据待测器件型号的不同，调整测量电路中的参数值，因此， 如何将恒流源设计成可调整控制、数字化、具有数据存储功能的智能化的系统， 是本实验致力解决的问题。单片机以其体积小、成本低的特点在智能化控制领域 占有很重要的地位，尤其是对外部信息及时捕捉，对物理量传感变换信号的处理， 对控制对象能灵活实时的控制，等等，都突出体现了单片机的强大控制功能。 小型断路器的可靠性是电器可靠性领域内的一个重要课题，由于小型断路器 产量大、应用范围广，其可靠性程度的高低直接影响了统一电气回路中其他用电 设备的安全和运行。在小型断路器通电后很短时间内或者在其通电期间内，线路 中有可能会出现电流的瞬间大的波动，此时，如果因为小型断路器抗干扰能力差 而出现了脱扣器应该脱扣而没有脱扣或者脱扣器不该脱扣而脱扣的现象，就会造 成同一线路中其他用电设备不能正常运行，这个损失有时候是非常巨大的，因此 对断路器热脱扣瞬动实验设备的研制就显得尤为重要。 经文献检索和市场调查，发现目前全国生产低压电器的工厂，都没有生产恒 流源长延时热脱扣实验台产品。现有的恒流源是8 0 年代产品，技术落后，有必 要采用更为先进的技术生产新一代的长延时热脱扣试验台。低压电器种类多、规 格多，生产实际需要各种测试、校验断路器等低压电器的试验台，所以有较为广 阔的市场。目前，交流大电流、可调节的智能化恒流源的研制，尚处开发阶段， 对于本课题项目研究的前景不可限量。本论文就是根据电子测试领域的需要，以 8 9 c 5 2 为核心，辅以信号检测电路、调整控制电路、人机交互设备等，结合现有 的技术，初步设计了一种用于线路检测的大功率数字化恒流源系统。 1 5 课题的主要工作和创新点 1 5 1 课题的主要目标和工作 针对实际实验设备条件，本研究课题主要包括了电流智能监控系统和电流调 节系统两部分，作为将来完整电流控制信息输入通道和电源输出控制通道。系统 主要针对目前传统电流检测控制器以及近年来兴起的多参数监控系统存在的精 8 第一章绪论 度不够高、实时性不够及时、电路较复杂、数模信号易受干扰、体积庞大、造价 高昂等一系列问题展开研究，通过设计一套合理、简单、可靠的软硬件系统，主 要针对电流调节过程中最主要环节电压控制，电流放大，电流检测反馈、a d 转 换和数据采样处理，最终控制电源的输出，在负载电阻有较大变化幅度情况下保 证输出电流恒流，并在此基础上满足该系统对信号检测精度和实时性的要求。 1 5 2 课题创新点 本恒流源采用了数字大功率线性功率调节技术取代了传统大电流交流恒流 源采用的自耦变压器电流调整技术，从而根本上解决了由于变压器动端接触电 阻造成的跳火、积碳等问题。另外，用数字电位器和运算放大器作为前级电压控 制，可达到精密且高抗干扰的作用。 针对恒流源系统是一个有感性负载的系统，在软件上融入了p i d 控制技术， 使参数的调节变得更加容易、无余差、精度高。通过结合8 9 c 5 1 实现将单片机的 逻辑判断功能和p i d 算法相结合，使控制更加灵活，更好的满足恒流源系统的各 种要求。 9 一种基于线性功率放大器的交流恒流源设计 第二章恒流源系统的总体结构和控制模型 2 1 恒流源总体构架及工作原理 2 1 1 主电路的组成 交流恒流源的主电路主要是由一级电压调节电路，二级电流调节电路，电流 提升，检测元器件，电流反馈比较电路，显示和输入控制等几部分电路构成的，它 与一般交流恒流源的不同之处在于摆脱了自耦变压器电流调整技术自身的局限 性，另外，在线性调节方面采用了二级调节这种方式，不但优化的电路结构，而且 使得调节精度更高，更好的满足了低压电器在不同环境中所承受的不同电流从而 在实验阶段线性检测的需求。其总体构架如下： 图2 1 系统结构框图 1 人机通信平台 键盘与o d - d m l 2 8 6 4 液晶显示器的应用，实现人机信息的交互。键盘通过软 件程序的控制，可设置开、关机，以及系统所需参数如电流值的设定。对o d d m l 2 8 6 液晶显示器进行编程设计，可以显示系统开机画面、输出线路实时电流值、设定 电流值及相关参数等。 1 0 第二章恒流源系统的总体结构和控制模型 2 调节控制电路模块 调节控制模块由一级电压调节器，正弦波拾取和二级电流调节器电路组成。 采用的p i d 算法，通过软件设计，单片机将采集到的线路中的实际电流值与设置 的所需的电流值进行比较，根据需求通过对d s 数字电位器的控制以此调整输出 电流，从而达到输出电流值和设定值一致的目的。 3 输出电流检测对比模块 输出电路检测模块由d h k y z - 5 0 0 交流互感器、精密整流电路和t l c 0 8 3 8 a d 转换器组成。交流互感器感应输出电路中的大电流信号转变为小功率的交变电流 信号，经精密整流电路转成直流的电压信号，送入t c l 0 8 3 8 a d 转换器中转换成 单片机可以读取的数字信号。 4 数据存储模块 选用片外数据存储器，存储系统设定的数据参数，为避免每次系统开机重复 设置，以及利于掉电的数据参数保存。 5 大电流整流模块 对于第二级放大器，正负级要求直流电压达至u + 6 0 v 和一6 0 v ，这时候就需要一 个整流电路把交流电变为直流电的电路，因此引入的整流模块。 2 2 恒流源检测原理及算法 2 2 1 恒流源电流检测原理 启动检测过程后，当进入a d 采集电流的函数时，由于启动电源时会有冲 击电流，在采集起始段具有尖峰效应。此时采集到的电流值如果正好落在峰值区 没有实际意义。同时，由于在大电流的作用下。被检测元件会发热，由此其电阻 会发生相应的变化，根据功率传输原理，其电流也要相应变化，故根据实验方法 得知，首先等采样中断标志位自动置位为起始点，对齐电流采样时间起点延时一 定时间等到电流平稳了再进入扫描程序开始a d 采样。通过直接取样的电极间 电压信号经过信号处理电路进行滤波去扰，实现信号放大电平转化后，作为输入 信号进入t c l 0 8 3 8 a d 采样口，然后转换后成数字信号单片机在扫描模式下对 一种基于线性功率放大器的交流恒流源设计 信号采样，根据p i d 算法对数字进行处理，去除干扰信号和纠正系统偏差，与设 定值进行比较分析，反馈给控制程序进行相应调节。最后得出符合实际数字的电 流值传输显示系统。其中，一级信号放大，是通过一个d s l 2 6 7 电位器和t d a 2 0 3 0 音频放大器来实现的，两者都是非常精密的器件，因此保证了输出的精确然后 通过二级大功率放大器来达到要求到达电流提升器所需要的电压值和电流值。最 后再通过电流提升器输出所需要的电流值，然后进入开头所描述的检测环节。 2 2 2 恒流源电流检测算法 作为系统控制参量的电流检测是整个系统的重点之一，检测精度将直接影响 到输出电流控制精度。为了在不增加硬件成本的条件下解决测量中干扰的问题， 我们采用了多次检测求平均的方法对采样电流进行初处理。 图2 2 表示的就是平均值算法的基本原理示意图： 图2 2 平均值算法的基本原理示意图 测量电流最终值可通过下式计算获得： 行 i = 生 ( 2 1 ) 甩 其中： 五 采样电流瞬时值： n 一个电流采样周期采样点数； 1 2 第二章恒流源系统的总体结构和控制模型 2 3 控制算法的选择 2 3 1 控制算法 恒流源元件检测过程是一个多参数相互耦合的时变非线性系统，影响电流检 测的精度因素很多，并有很大的随机性、很难用精确的数学模型来描述，即使通 过一些手段简化系统后建立了对象的简单数学模型，控制效果也不是很好。另外， 由于电流随元件参数的变化而变化，要求控制算法的实时性高，控制过程较为复 杂。因此，权衡各种控制方法的优缺点，我们采用p i d 实现实时控制。 2 3 2 系统控制中常用的几种控制算法 1 比例一积分( p i ) 算法 控制规律如式( 2 2 ) 所示。 u ( 门) = u a + 厶p ( 刀) + 鼢p ( f ) ( 2 2 ) 式中，u q ) 是第n 次控制量；p ( 刀) 是第n 次偏差；p ( f ) 为i = l 到i = n 时 的积分累加误差；u o 为补偿值；k p 和船为比例系数和积分系数。p i 算法能对 误差进行记忆并积分，有利于消除静差，但它的不足之处在于积分作用具有滞后 性，积分太强会使控制的动态性能变差，以至于使系统不稳定【2 6 】【2 7 】。 2 非线性比例一积分( p i ) 算法【2 7 1 控制规律如式( 2 3 ) 所示。 、一k p e ( n ) ；m l 砌 ( 2 3 ) 蜊= 懈( 以矿( 刀) o 且逐渐增大时，甜舾l 增大，2 s a l 3 0 2 管基极电流随之增大，发射极电流毛。也必然增大，负载电阻( 即电流提升器) 上得到正方向的电流；与此同时，u j 的增大使甜脚减小，当减小到一定数值时， 2 s c 3 2 8 1 管截止。同样道理，当u j o 时，日导通，皿反向阻断， 饥= 一等伽一1 2 矾 ( 3 _ 1 0 ) r i c ，1 2 ：一u l l ：! u 0( 3 1 1 ) z 当u n 2 ，由变压器电流比与匝数比关系式 生：丝 ( 3 1 6 ) hn 2 可知1 2 ) 1 1 ，继而在输出端得到大电流。 图3 - 1 9 大电流产生原理图 1 ，升流变压器功率确定 本试验要求产生o 一- - i o o a 的大电流，考虑到本电流源用于断路器在线检测， 断路器触点接触电阻典型值是1 5 m q ，这样在负载上消耗的功率应该为： p i 1 2 r = 1 0 0 2 x o 0 1 5 = 1 5 0 w ( 3 - 1 7 ) 负载消耗功率1 5 0 w ，考虑变压器效率及功率裕度，我们选用升流变压器的 额定容量为5 0 0 v a 。 2 ，升流变压器铁芯参数确定 铁芯面积s 与升流变压器功率p 满足下面经验公式： i n ( s ) = o 4 9 8 x l n ( p ) + 0 2 2 ( 3 1 8 ) 带入功率p = 5 0 0 v a ，可算出铁心截面积s = 5 3 1 4 4c m 2 。根据计算结果，取 s = 5 4 c m 2 选用硅钢片中间舌尺寸a = 6 0 ，叠厚尺寸b = 9 0 。 3 ，升流变压器每伏匝数n 确定 根据铁心截面积s 和铁心的磁通密度b ，初级线圈的每伏圈数n 可由下式 确定： i n ( n ) = - 0 4 9 4 i n ( p ) - 0 3 1 7 x l n ( b ) + 6 4 3 9 ( 3 - 1 9 ) 我们采用质量优良的硅钢片，铁心b 值取1 1 0 0 0 高斯，计算得到每伏匝数n = o 8 3 1 。初级电压取2 2 0 v ，初级匝数n i = 2 2 0 v o 8 3 1 = 1 8 3 。次级电压取7 v ，次 级匝数n 2 = 7 v x o 8 3 1 = 6 。 4 ，升流变压器初、次级线径确定 第= 章怛流源硬件控制系境设计 根据初、次缴匝数以及次级最大电流1 0 0 a ，根据式3 1 可计算出次级电流： h ：鲁_ 34 a(3-20) 根据经验，每安培电流应该分配03 唧2 导线截面积。这样切级导线截面积为： 34 a x 03 m m 2 a = 1 0 2m m 2 。 次级导线截面积为： 1 0 0 a 0 3 咖2 a = 3 0m 一。 取初级导线截面积为15m m 。，可选用i 5 x 3 。r r g n 2 扁铜线。取次级导线截面 积为5 0 哪i 可选用6 0 2 2 j 1 1 【n 2 铜板。 升流变压器宴物照片如图3 2 0 ： 图32 0 升流变压器实物照片 3 27 键盘与显示电路模块 键盘显示电路模块土要是完成用户设定和控制系统信息的显示。系统在检测 自t 进行电流的设定，检测时可以实时硅不采样电流值。可以清楚的看到设定值与 实斯值之间的关系，便于了解系统的丁作状各，及时调整系统，使之达到要求。 i ：l 前工业控制中的l e d 显示驱动电路普遍采用一种定时或中断控制方式。这种 方式要占曲：c p u 一部分时问，而且动态显示往往具有亮度不够，闪烁等特点， 而静忐显示又有硬件电路复杂等缺陷。本系统的键盘显示采用o d d m l 2 8 6 4 液 晶显示引】 4 2 1 o d d m l 2 8 6 4 可直接与微机串行口相连，完争解决了l e d 显示的 诸多不足。用户只需对位和控制寄存器编程，就可选择译码方式、显示亮度、关 一种基于线性功率放大器的交流恒流源设计 闭等一些功能。其接口图如图所示： 图卜2 1o d - d m l 2 8 6 4 接口图 如图所示，其中逻辑工作电压( v c c ) ：4 5 5 5 v ：电源地( g n d ) ：o v ；l c d 驱 动电j 压( v e e ) ：o - i o v ：输入电压：v e e - - v d d ；7 - 作温度( t a ) ：0 - - - 5 5 。c ( 常温) ， 2 0 - - 7 0 。c ( 宽温) ；保存温度( t s t g ) ：1 0 6 5 其管脚功能表如下 表3 - - 1o d - d m l 2 8 6 4 管脚功能表 管脚号 管脚 电半 说明 lc s a h l片选择信号，低电半时选择前6 4 列 2 c s b h片选择信号，低电平时选择后6 4 夕l j 3g n do v逻辑电源地。 4v c c5 v 逻辑电源。 5v o - 1 0 vl c d 驱动电源。 6d ih l 数据指令选择，鬲电平：数据i x ) 一d 7 将送入显示r 肌； 低电平：数据d o - d 7 将送入指令寄存器执行 7 r wh l读与选择。鬲电平；读敦据；低电半t 与数据 8 e i - i h l读与便能，局电半再效，卜降沿锁定数括 9d b or l 数据输入输出弓l 脚 1 0d b ih 九 数据输入输出弓l 脚 i 1d b 2 h l数据输八输出gf 脚 1 2d b 3h l数据输入输出弓i 脚 1 3d b 4h l 数据输入输出引脚 1 4d b 5h l 数据输入输出弓i 脚 1 5 d 日6 h l数据输入输出引脚 1 6 d b 7 h l 数据输入输出弓i 脚 1 7r e tl 复位信号，低电半有效。 1 8e一1 0 v l c d 驱动电源 1 9b la c 背光电源，l e d + 2 0b la c 背光电源，l e d 一 根据各个管脚的功能，再配合时序图便可以完成相应显示功能的操作，其软 件功能也就相应的实现了。其时序图如图所示： 第三章恒流源硬件控制系统设计 e c s d i d b o 图3 - - 2 21 2 8 6 4 写操作时序图 如图所示，在管脚1 为高电平，管脚6 为低电平，管脚7 为低电平，管脚8 为高电平的时候开始向1 2 8 6 4 写入数据。 e c s d i i ) b o 图3 2 31 2 8 6 4 读操作时序图 如图所示，在管脚6 为高电平，管脚l 为低电平，管脚7 为高电平，管脚8 为高电平的时候开始向1 2 8 6 4 写入数据。 3 9 一种基于线性功率放大器的交流恒流源设计 3 2 8c p u 模块的构成 以上各个模块都是由c p u a t 8 9 c 5 1 来控制的。如图所示，管脚( 2 1 2 8 ，1 2 ， 1 3 ，1 5 ，1 6 ，1 7 ) 分别是控制显示的。管脚3 5 3 8 是控制键盘的，本课题中不需 要那么多，所以有些是为了扩大功能而预留的管脚( 1 ，2 ，4 ，5 ，7 ) 是控制t l c 0 8 3 8 的。管脚( 3 2 ，3 3 ，3 4 ) 是控制d s l 2 6 7 的。其他分别控制存储器以及当产品升级 后联机通信。各个管脚与相应模块功能对应起来根据模块的要求以及上面介绍的 模块芯片的控制方式，最后通过软件来实现软件的实现方式将在下一张来介绍。 糊 p l oy 跹 矗磁2 p l l p o o c i 嬲3 p 1 2融i a d ：曼：4 4 暑j c 35 p u融2 呶矗 p l ，4阳3 。篮! 蜀五： p l jp 口i l 蕊鑫l p i ，6粥j 于峙蠹l参 pl，p旺5 嚣船l o r 玎魁7 孙dl l p 3 0 e o l ： p ；立 t 盛p 譬叠妁