水輪機調(diào)速器測頻設(shè)計與試驗 一． 技術(shù)要求 1.精度要求：測頻精度要求高于于萬分之二； 2.延時要求：測量延時要求小于0.02s。 二． 傳感技術(shù) 1.齒盤測速法 齒盤信號測頻接口為測頻模塊預(yù)留的接口，一般中小型調(diào)速器不采用，也可以按電站需要隨時接入（齒盤測頻裝置不在中小型高油壓數(shù)字式微機調(diào)速器供貨范圍）。齒盤測頻原理如圖所示： 齒盤測頻裝置設(shè)計為雙接近開關(guān)，雙接近開關(guān)信號經(jīng)過隔離后，同時送到單片機。如圖可知，兩個傳感器經(jīng)過齒盤同一個邊的時間差，只與齒盤旋轉(zhuǎn)的線速度有關(guān)，而與齒盤的加工精度、擺動、振動無關(guān)，齒盤測頻通過測量兩個傳感器的上升沿的時間，計算出頻率。 齒盤測頻接近開關(guān)1信號和接近開關(guān)2信號經(jīng)光電隔離等處理后得到的綜合整理信號與12M晶振產(chǎn)生的12M高頻信號4分頻后的到的信號f2相與，得到測頻計數(shù)信號，再經(jīng)過程序處理，得到的機頻由總線送到可編程控制器（PLC）。 2.殘壓測頻法 殘壓信號經(jīng)隔離、整形成同頻率的方波信號后，直接送至8254的引腳，由8254記錄兩個上升沿之間經(jīng)過的基準脈沖個數(shù)，即可測得方波信號的周期，從而得到頻率。測得的頻率通過總線送至可編程控制器。由以上頻率測量的原理可知：數(shù)字式脈沖測頻方式的精度取決于基準脈沖的頻率，基準脈沖的頻率越高，對同一頻率測的數(shù)據(jù)精度就越高。 以機組殘壓PT信號測頻為例，水輪機機組頻率低頻正弦信號fj輸入，經(jīng)過濾波整形得到信號f1，晶振產(chǎn)生的12M信號4分頻后的到的信號f2，f1和f2經(jīng)過與運算，得到信號f3。8254記錄一個機頻信號周期T內(nèi)f3的振蕩次數(shù)NT，F(xiàn)機頻=f機頻336×10=f3×10/NT，已知f3=12000000/4=3000000=3×10 Hz，記數(shù)NT=62500，則F機頻=48000，對應(yīng)被測頻率f機頻=48.00HZ。同時由上圖可知NT= f3×T機頻= f3×1/6f機頻，即f機頻= f3/NT=3×10/62500=48Hz。 在本試驗中，采取殘壓測頻的方法，對水輪機轉(zhuǎn)速信號進行測量。 三． 硬件電路 1. 隔離： 常用的隔離方式有光電隔離、變壓器隔離等?？紤]到調(diào)速器工作環(huán)境差，對光電隔離中的光感應(yīng)影響較大，而且成本較高，故采用變壓器隔離方式。 變壓器的選取應(yīng)該考慮以下參數(shù)： 額定工作頻率：取決于測量信號的頻率，這里就是極端殘壓的頻率，50Hz； 容量：對于齒盤測速法來說應(yīng)約為1.5VA 對于殘壓測頻法來說應(yīng)約為3.0VA 變比：極端電壓可能會有100V，如果考慮這個高電壓，變壓器的變比將應(yīng)選擇變比較小的降壓變壓器。但是測頻采用的信號是取自極端的殘壓信號，這個信號是幅值很小的電壓信號，有時是有幾V甚至幾mV，如果選取降壓變壓器則信號太弱，將淹沒在噪聲里。使得調(diào)速器不能正常工作。因此實際設(shè)計中采取變比一般為1:1，或是1:2等。 這里我們選擇變壓器的參數(shù)為：額定工作頻率50Hz，額定容量為3.0VA，變比為1:1。 2. 濾波電路 由于主要干擾信號是殘壓信號中含有的諧波信號，其中，以三次諧波為主，因此這里應(yīng)選擇的是簡單的二階RC低通濾波器。 濾波器要求對于工作頻率50Hz的有效信號衰減盡可能的小，而對于噪聲信號則盡可能的衰減大。這里用3次諧波及頻率為150Hz的信號為噪聲信號的代表進行分析。 C(jω)=R(jω)*G(jω) 其中：C為輸出信號，R為輸入信號，G為濾波器的傳遞函數(shù)。采用對數(shù)頻率特性來分析，50Hz的有效信號應(yīng)處于低頻無衰減區(qū)，150Hz的噪聲信號應(yīng)處于40dB/dec的快速衰減區(qū)，則轉(zhuǎn)折點在50Hz與150Hz之間。轉(zhuǎn)折頻率的選擇過低，高頻噪聲的衰減大，但是有效信號也有較大的衰減，而轉(zhuǎn)折頻率過高有效信號幾乎無衰減，但高頻噪聲信號衰減不夠，因此轉(zhuǎn)折頻率的選取應(yīng)綜合考慮。此外還要考慮到RC濾波電路的延時問題，相角滯后量為：arctg(fc*f)。這里選取設(shè)計階段先選擇100Hz，系統(tǒng)設(shè)計好后可通過計算機仿真來調(diào)整參數(shù)以達到最優(yōu)效果。 fc=100Hz，則RC=fc/2Л=15.9，電阻R的選取還要注意到濾波器的限流作用，電流不可過大，否則會損害電路。另外R上消耗的功率應(yīng)該盡量小，R=U*U/R，則電阻應(yīng)該大些。綜合考慮，R值取為100kΩ。 確定了R的取值，就可以通過通過RC的乘積值來確定C的值。這里我們選取C=159μF。 3. 限伏整形 通過兩個二極管反向并聯(lián)，來起到限幅的作用。 把限幅得到的信號分別接到運算放大器的正、負輸入端，構(gòu)成一個過靈比較器，當(dāng)正半波時，比較器輸出高電平，當(dāng)負半波時輸出低電平。這樣就把輸入的正弦信號變成了方波信號。 4. 分頻 由于系統(tǒng)采用變壓器隔離，可能會由于變壓器鐵芯偏移而造成正負半波不對稱，而我們采取的是對信號的正半波進行測量，即實際測量的是信號正半波的時間，如果發(fā)生正負半波不對稱的情況，就會使測量結(jié)果產(chǎn)生誤差，因此，引入一個分頻環(huán)節(jié)，使得測量針對信號的整個周期，測頻精度更好。可用一個SD觸發(fā)器來實現(xiàn)對信號的分頻。 5. 計數(shù) 采用計數(shù)定時器，根據(jù)輸入的信號進行計數(shù)，從而得到信號的周期。具體來說，當(dāng)信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，計數(shù)器開始發(fā)出一個一個的計數(shù)脈沖，通過脈沖的個數(shù)來測出高電平持續(xù)的時間，即信號的周期。 這里，采用8254芯片。8254芯片由PCL-836提供。它是一種可編程定時計數(shù)器，完成對外部脈沖信號的各種處理。8254芯片內(nèi)部具有三個獨立的16位計數(shù)器，它可用程序設(shè)置成多種工作方式，按十進制計數(shù)或二進制計數(shù)，最高計數(shù)速率達10MHz。 四、工作方式 測頻裝置的工作方式有兩種：中斷方式和查詢方式。 1、 中斷方式 這種工作方式是利用中斷，來完成對計數(shù)器計數(shù)信號的處理。工作原理如下： 當(dāng)計數(shù)器開始計數(shù)時，即方波信號由低電平變化為高電平的時候，處理器接受到一個中斷，這時處理器得到信息，計數(shù)開始，這是處理器會根據(jù)程序執(zhí)行一系列的指令。當(dāng)計數(shù)器停止計數(shù)時，也就是信號由高電平變?yōu)榈碗娖降臅r候，處理器也要接受到另一個不同的中斷信號，這時，處理器得到計數(shù)結(jié)束的信息，將根據(jù)程序輸出測量結(jié)果，并完成對計數(shù)器進行初始化等操作。 另外，如果在計數(shù)器計數(shù)過程中發(fā)生溢出的情況，計數(shù)器也要給處理器發(fā)出一個中斷信號，處理器得到溢出信號后，要執(zhí)行計數(shù)值加上65535。這是因為8254計數(shù)的最大值為65535，一次溢出，就表示已經(jīng)計數(shù)了65535個計時脈沖。 中斷方式對于計數(shù)器的測量比較精確，處理器隨時接受計數(shù)器的中斷信號，及時給出相應(yīng)的中斷響應(yīng)。但是，這種工作方式還存在一定的問題。比如由于殘壓信號中含有高頻的干擾，使得輸入正弦信號有毛刺，由于過零點的時候有毛刺的存在，可能會使得整形后得到的方波中出現(xiàn)脈沖干擾，而對于脈沖干擾信號，計數(shù)器也會當(dāng)做是一次正常的計數(shù)，這樣就會想處理器發(fā)出相應(yīng)的中斷信號，這顯然是錯誤的，會導(dǎo)致錯誤的結(jié)果，同時，這樣也使得中斷信號過于頻繁，將對處理器的正常工作造成影響，甚至嚴重的情況下會造成死機。采用查詢方式的話，由于查詢間隔時間，就可以避免這樣的問題。 2、 查詢方式