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基于ARM 的等精度測頻技術(shù)在機(jī)組轉(zhuǎn)速測控中的應(yīng)用
北京飛旭科技有限公司
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摘要:文章介紹了等精度測頻方法和傳統(tǒng)測頻方法的原理并進(jìn)行了誤差分析,提出了應(yīng)用等精度測頻方法測量機(jī)組轉(zhuǎn)速,給出了基于此方法進(jìn)行機(jī)組轉(zhuǎn)速測量的軟、硬件實(shí)現(xiàn),并進(jìn)行了系統(tǒng)測試,試驗(yàn)結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有測量精度高,抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),適合在電力自動(dòng)化測控系統(tǒng)中應(yīng)用。

0 引言

    電力系統(tǒng)的頻率反映了發(fā)電機(jī)組發(fā)出的有功功率與負(fù)荷所需有功功率的平衡情況。高精度和高可靠性的頻率測量對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用,機(jī)組在開停機(jī)過程中,頻率變化范圍比較大,變化速度比較快,傳統(tǒng)的測頻方法由于固有的缺陷,難以很好解決這一問題。等精度測量方法的測量精度不隨被測脈沖的頻率高低變化而改變,只與標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器有關(guān),可以使測量精度大大提高,并且閘門時(shí)間可變,可快速反應(yīng)頻率的變化。

1 傳統(tǒng)測量方法的原理及誤差分析

    傳統(tǒng)測量方法有2種,一種是測頻法(M 法),是對(duì)被測信號(hào)在閘門時(shí)間(T—Nfo,N 個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)脈沖的時(shí)間)內(nèi)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)(計(jì)數(shù)值為M),被測信號(hào)的頻率為,誤差為

 

另一種是測周法(T法),是在被測信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)對(duì)基準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)(計(jì)數(shù)值為N),被測信號(hào)的頻率為, 誤差為。

其中,為基準(zhǔn)信號(hào)頻率準(zhǔn)確度,通?蛇_(dá) ;對(duì)于測頻法,在相同的閘門時(shí)間內(nèi),對(duì)于任意的f不能保證在T時(shí)間內(nèi)正好有M 個(gè)T ,因此會(huì)產(chǎn)生最大±1個(gè)T 的量化誤差,并且隨著被測頻率f 減小,M 減小,誤差越大,因此,測頻法只對(duì)高頻信號(hào)有較好的測量精度;對(duì)于測周法,隨著被測頻率.f 增大,N 越小,誤差越大,因此測周法只對(duì)低頻信號(hào)有較好的測量精度。在測量范圍比較寬時(shí),采用上述2種方法相結(jié)合的方式,無疑對(duì)提高測量精度是有效的,但又存在著如下問題:一是整個(gè)頻段測量精度不一致;二是中界頻率附近頻繁切換測量方法,誤差大,實(shí)時(shí)性差。

2 等精度測量方法的原理及誤差分析

     等精度測頻法是在傳統(tǒng)測頻方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的測頻方法,并且在各個(gè)領(lǐng)域的測頻中得到了越來越多的應(yīng)用。

等精度測頻法原理如圖1所示。

 

    設(shè)置2個(gè)計(jì)數(shù)器,計(jì)數(shù)器1對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器2對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。預(yù)先設(shè)置一個(gè)閘門時(shí)間T,測量開始后,當(dāng)被測信號(hào)的下一個(gè)前沿到來時(shí),同步打開計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2開始計(jì)數(shù),閘門時(shí)間到達(dá)后,計(jì)數(shù)器I和計(jì)數(shù)器2都不停止計(jì)數(shù),直到被測信號(hào)的前沿到來時(shí),同步關(guān)閉計(jì)數(shù)器1和計(jì)數(shù)器2。被測信號(hào)的頻率可表示為:誤差為: ,其中M為計(jì)數(shù)器l計(jì)數(shù)值,N 為計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)值,f為基準(zhǔn)頻率,可以看出,它與傳統(tǒng)測頻法的表達(dá)式相同,不同的是,計(jì)數(shù)器1的工作是由被測脈沖同步開啟和關(guān)閉,因此不存在計(jì)數(shù)誤差,即99 ,由此可見,這種方法的測量精度不隨被測信號(hào)的頻率變化而變化,在全量程范圍內(nèi)測量值顯示的有效位數(shù)相同,即等精度測量。一般情況下,1010 ,所以這種方法的測量誤差主要是對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)的計(jì)數(shù)存在±1誤差引起的。因此可以看出,基準(zhǔn)信號(hào)頻率越高,在相同的閘門時(shí)間的情況下,測量精度越高。另外,閘門時(shí)間T越長,計(jì)數(shù)N 越多,測量精度越高。然而,T和N 受多種因素制約,不可能任意增加,首先是工程的要求,要反映和了解轉(zhuǎn)速的變化程度,必須采用較短的時(shí)間。水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速在開停過程中從0~5O Hz變化,不超過100 Hz,在實(shí)際應(yīng)用中,可適當(dāng)選擇閘門時(shí)間和基準(zhǔn)信號(hào)頻率,可使測量能夠在全頻段實(shí)現(xiàn)高精度的快速測量。

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3 在ARM 測量系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方案

    應(yīng)用等精度測量方法,機(jī)組轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)采用ARM7的LPC2214為CPU,LPC2214具有2個(gè)32位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,每個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器具有如下特性E :

1)帶可編程32位預(yù)分頻器的32位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。

2)每個(gè)定時(shí)器的4個(gè)32位捕獲通道可在輸入信號(hào)跳變時(shí)捕獲定時(shí)器的瞬時(shí)值。捕獲事件可選擇產(chǎn)生中斷。

3)4個(gè)32位匹配寄存器:① 連續(xù)操作,可選擇在匹配時(shí)產(chǎn)生中斷;② 匹配時(shí)停止定時(shí)器,可選擇產(chǎn)生中斷;③ 匹配時(shí)復(fù)位定時(shí)器,可選擇產(chǎn)生中斷。

4)每個(gè)定時(shí)器有4個(gè)對(duì)應(yīng)于匹配寄存器的外部輸出,具有下列特性:① 匹配時(shí)置低電平;② 匹配時(shí)置高電平;③ 匹配時(shí)翻轉(zhuǎn);④ 匹配時(shí)不變。

    本系統(tǒng)中采用了定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的匹配功能,用來控制閘門時(shí)間,定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的捕獲功能,用來監(jiān)測被測信號(hào)。被測信號(hào)通過硬件整形電路變成與其頻率一致的方波信號(hào),接入定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的捕獲管腳,開放其捕獲中斷功能,軟件響應(yīng)中斷并進(jìn)行相應(yīng)的處理。計(jì)數(shù)頻率為2.211 840 MHz,閘門時(shí)間為0.5 s,誤差為1111 ,其中,1212 ,所以可以得出,理論上,等精度測頻在本系統(tǒng)中的測量精度優(yōu)于  ,完全可以滿足工程需要。

    在水輪機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)中,為提高測量的可靠性,采用電氣(機(jī)端殘壓)信號(hào)和齒盤機(jī)械脈沖信號(hào)2種信號(hào)類型同時(shí)輸入的測量方式,計(jì)算得到的頻率值用于顯示,開出控制等。測量系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

    系統(tǒng)程序主要包括初始化定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,捕獲中斷處理,頻率計(jì)算,顯示,開出控制等子程序,系統(tǒng)流程如圖3所示。

 

 

 

    使用RIGOL函數(shù)/任意波形發(fā)生器,產(chǎn)生頻率變化的正弦波形:① 500 S內(nèi)模擬波形頻率從100 Hz下降到0.2 Hz,下降梯度為0.199 6 Hz/s; ②模擬波形頻率從100 Hz下降至1 Hz再從1 Hz上升至100 Hz,每10 Hz持續(xù)18 S;③每0.5 s記錄一次測量數(shù)據(jù),分別得到如圖4所示波形1和波形2。

 

    實(shí)驗(yàn)證明,利用等精度測頻方式頻率,可以在整個(gè)測量范圍內(nèi)取得比較高的測量精度,本測試系統(tǒng)的最大相對(duì)誤差小于1O~。閘門時(shí)間為0.5 S,可快速反應(yīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化。

4 結(jié)語

     等精度檢測方法與傳統(tǒng)測量的測頻法和測周法相比,能夠?qū)崿F(xiàn)全頻段內(nèi)等精度,大大提高了測量精度。試驗(yàn)結(jié)果表明,在水輪機(jī)轉(zhuǎn)速測控系統(tǒng)中應(yīng)用等精度測量方法,測量的最大相對(duì)誤差優(yōu)于   ,閘門時(shí)間可變,能夠快速反應(yīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化。開發(fā)的SJ一22D微機(jī)轉(zhuǎn)速測控裝置已在多個(gè)水電站(廠)投入應(yīng)用,運(yùn)行準(zhǔn)確可靠。


 

狀 態(tài): 離線

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