基于外设事务服务器的交流采样算法在同步发电机励磁控制系统中的应用

    摘要：一种由锁相环CD4046和单元片机80C196KC的PTS（外设事务服务器）构成的高精度交流采样系统。该系统能方便地实现对多路信号的采集，并采用频率跟踪技术消除电网基波频率波动时的影响，简化了外围电路硬件，大大提高了数据采集的精度和可靠性。另外还给出它在同步发电机励磁调节器中的应用实例。

    关键词：锁相环 单片机 外设服务器（PTS） 交流采样

随着电力系统的快速发展，电力网容量不断增大，结构日趋复杂，电力系统中自动化设备的运用越来越广泛，而数据采集环节则是实现自动化的重要环节。根据采样信号的不同，采样可分为直流采样和交流采样。直流采样采集通过电量变送器整流后的直流量，这种方法软件设计简单，计算方便，便于滤波，对采样值只需作一次比例变换即可得到被测量的数值，采样周期短；但它不能及时反映被测量的突变，有较大的时间常数，测量谐波有误差，投资较大，维护复杂，因而在电力系统中的应用受到限制。交流采样直接对变换好的5V（或0～5V）交流信号进行采样，主要优点是实时性好、相位失真小、投次少、便于维护；其缺点是算法复杂、精度难以提高。但是随着微机技术和微电子技术的高速发展，交流采样以其优异的性能价格比，呈现出逐步取代直流采样的趋势。

    在大部分由单片机构成的数据采集系统中，通过定时中断的方式对工频50Hz的电压信号进行均匀采样。由于电网中频率波动和谐波分量的存在，普通中断时，CPU要执行保持断点转入中断服务、保护现场、恢复现场、返回等一系列操作，CPU开销较大。这样在CPU任务较重或采样数据较多时，对被测量和精度和准确度都有一定的影响。作者在研制微机励磁调节器的过程中，充分利用INTEL 80C196KC单片机本身特有的一种外设服务器功能，结合CD4046锁相环的具体应用，大大简化了外围电路硬件，提高了数据采集系统的精度和可靠性。

1 外设服务顺PTS原理及应用

INTEL 80C196KC单片机的外设服务器PTS（Peripheral Transaction Server）利用其内部的微代码执行操作，对中断可提供一种类似于计算机DMA（直接存储器访问）的响应，它把一个中断映射到相应PTS通道，由该通道产生一个PTS周期，PTS周期就像DMA周期那样插入到正常指令流中，不需要额外的软件开销，大大增强了CPU的中断事处处理能力。

    与中断向量相似，PTS也有一个向量表，共15个字，位于2040H～205CH，优先级和普通中断的优先级相同。每个PTS向量都指向一个PTS控制块（PTSCB），控制块必须驻留在内部RAM空间（1AH～1FFH）。每个控制块包括8个字节，其首址应能被8除尽，由控制块来确定PTS的工作方式。80C196KC提供了5种PTS模式：一次传送模式、块传送模式、A/D模式、HIS模式和HSO模式。为了控制PTS的工作，80C196KC内部水平窗口1中设有两个16位字寄存器PTSSEL和PTSSRV，其作用如同中断屏蔽寄存器和中断挂号寄存器，格式完全相同，如表1所示。若要打开某一外设PTS功能，只需将PTSSEL中的相应位置“1”即可。综上所述，当把某外设的PTS功能打开并设置好PTS控制块时，该外设不会进入其相应的PTS中断服务程序，而进入PTS周期。CPU内微代码按PTSCB设置的工作模式和要求的次数执行操作，PTS完成后，便将PTSSRV中相应的位置“1”，PTSSEL中相应的位清“0”，引发END_OF_PTS中断，并映射到这一外设的中断。进入END_OF_PTS中断后，PTSSRV中相应的位被清零，禁止该外设再次进入PTS服务。

在我们研制的微机励磁调节器中，要求每个周波采样16次，每次进行8个数据的A/D采样，这里采用了每个周期执行16次PTS服务，每进入个PTS周期，CPU自动进行了8次A/D转换的方法。将80C196KC内部A/D转换设置HSO时间到启动方式，A/D转换结束后引发A/D结束中断，进入PTS周期，转换结果的读取和此后的7次转换由PTS以立即启动A/D的方式完成。这里HSO的时间基准是定时器T2，T2的时钟源为外部时钟T2CLK（由IOC0控制寄存器来设定），来自锁相环电路压控振荡器的输出信号。A/D模式下的PTSCB控制块包含 4个寄存器：PTSCOUNT、PTSCON、S/D和REG寄存器。PTSCOUNT确定无需在软件干预下连续运行的PTS周期数；PTSCON控制寄存器用来确定PTS的工作方式及S/D的指针在每次A/D结束后是否修改；S/D是一个指针，它指向1个表格，该表格可位于内部RAM，也可位于外部RAM，用来存放启动A/D的命令和A/D转换后的结果；REG也是一个指针，它指向一个固定的存储单元，该单元暂存A/D的命令字，在PTS执行过程中，CPU先把表格中A/D命令暂存于此，然后再将命令从这个单元写入A/D的命令寄存器中。PTS A/D方式的控制切块初始化及A/D转换表格分别如表2和表3所示。

表1 PISCB的初始化内容

不用

不用

REG（HI）=00H

REG（LO）=02H

S/D（HI）=90H

S/D(LO)=00H

PTSCON=0CAH

PTSCOUNT=08H

表3 PTS A/D转换表格

A/D通道8的转换结果

空命令

A/D通道7的转换结果

A/D通道8的命令字

A/D通道6的转换结果

A/D通道7的命令字

A/D通道5的转换结果

A/D通道6的命令字

A/D通道4的命令字

A/D通道5的命令字

A/D通道3的转换结果

A/D通道4的命令字

A/D通道2的转换结果

A/D通道3的命令字

A/D通道1的转换结果

A/D通道2的命令字

A/D通道0的转换结果

A/D通道1的命令字

2 工频信号锁相倍频原理及频率跟踪电路的实现

工频电源的一个周期原则上应为20ms，但由于电网状况的变化，经常出现其周期不等于2ms的情况。为了消除基波频率波动的影响，在基波频率出现波动时实现均匀采样，可将对周期的计时改为对频率的计数。只要该频率是工频电源信号倍频，则每一个倍频后的脉冲即可代表一固定的电角度；若倍频频率很高，则计算机对电角度的分辨率也很高，可以增加采样点数；若该倍频脉冲串是与工频电源的相位严格锁定的，则这种方案可以从原理上消除电网频率不稳造成的采样误差，其原理图如图1所示。

在图1中，工频信号与分频电路输出的50Hz左右的锁定方波一同进入鉴相器进行相位比较。鉴相器输出的比较结果中包含偏差电压成份，经环路滤波器滤波，产生控制电压，加在压控振荡器输入端；其产生的振荡输出经分频后变为锁定方波重新进入鉴相端，与工频信号进行相位比较。当两个信号相位差偏离标准时，环路滤波器必须输出偏差校正电压使压控振荡器产生频率变化，以使两个信号相位锁定在标准位置。由于压控振荡器片于该闭环系统中，在两个信号被锁定后，其压控振荡器输出的振荡频率必然是工频信号频率的整数倍。

频率跟踪电路由专用集成锁相芯片CD4046和分频芯片CD4040组成，以实现工频信号的相倍频，分频比为1/4096。在工频信号恰好在50Hz的情况下，该电路的锁相倍频率为50×4096=204.8kHz，相当于一个工频周期内有4096个脉冲。因为80C196KC的内部定时器T2是上、下跳变均计数，则在360度的电角度内共有8192个跳沿，相当于每个跳沿代表0.044电角度。频率跟踪锁相电路接线图如图2所示。

3 交流采样值的算法实现及误差的补偿计算

3.1 有效值的计算

可根据连续周期信号的有效值定义来计算其有效值。设f(t)为周期为T的连续信号，最大值为Am，f(t)的有效值A可表示为：

将连续函数离散化，可得出电压、电流有效值的表示式：

式中，N——每个周期均匀的采样点数

ui——第i点的电压采样值

ii——第i点的电流采样值

Ku——电压有效值的综合转换系数，是定值

KI——电流有效值的综合转换系数，是定值

3.2 三相功率P、Q的计算

由连续周期函数的功率定义可得到离散的功率表达式。

单相功率的算式为：

式中，ii+N/4为第i+N/4次电流采样值。

当i+N/4大于N时，ii+N/4取为i-i-3N/4。可以证明当N≥3时，按式（1）、（2）、（3）、（4）式计算将不产品离散化计算误差。

同理，三相功率P、Q的算式如下：

3.3 频率的计算

当80C196KC的晶振频率取为20MHz时，一个状态周期为0.1μs，定时器T1的计数间隔是8个状态周期（0.8μs）。把工频信号滤波整形后，变成方波输入到HIS.0，根据两次中断的时间间隔Δt(计数长度)算出信号的频率。

信号的周期T=Δt×0.8/1000000(s)

信号的频率f=1/T=1250000/Δt(Hz)

3.4 误差的补偿计算

在我们所研制的微机励磁调节器中需对三相电压Ua、Ub、Uc和三相电流Ia、Ib、Ic六个交流量进行采样，采样顺序为Ua、Ia、Ub、Ib、Uc、Ic，采样方式是HSO时间到启动A/D的方式。由于在一个工频电源周期中有8192个时钟边沿，一个周期内采样16点，定时启动一次A/D只需512个时钟边沿，设置精确方便。A/D采样完成后，进入PTS A/D采样周期，在其中完成6路信号的采样。当A/D表格设在外部空间（0200H～0FFFFH）时，PTSA/D模式的执行时间为25个状态周期（2.5μs），代表电角度为0.045度（2.5×360/20000）。由于用一个周波16个数据来计算电压和电流有效值，计算相互独立，所以与电压、电流不同时采样无关。可以证明当N≥3时计算出的U、I不存在误差。

但用公式对功率进行离散计算时，要求对电压和电流信号进行同时采样，才可以算出准确的有功和无功功率的值。在这里我们省去了六个采样保持器，对三相电压和电流信号进行顺序采集，用PTS A/D的时间差等于PTS A/D模式的执行时间2.5μs，这个时延等于改变了电压和电流之间的相位差。设：

u(t)=Umsin(wt+φu)    （7）

i(t)=Imsin(wt+φi)     (8)

无时延的相位差φ=φu-φI,在i（t）时延采样下，电流的相位增加了Δφ。因此，由此采样数据计算出的有功功率和无功功率分别为：

P'=UIcos(φ-Δφ),Q1=UIsin(φ-Δφ)

当φ=π/2时，有功误差可达到UIsin(Δφ)。由于Δφ=0.045°已知，采样不同时引起的功率误差是可以克服的。对于（7）、（8）式确定的电压和电流，有功和无功功率的理论值为：

Pt=UIcosφ，Qt=UIsinφ

令a=cos(Δφ),b=sin(Δφ),c=P'/UI=cos(φ-Δφ),d=q'/UI=sin(φ-Δφ),则：

cos(φ)=cos[ (φ-Δφ)+ Δφ]

=cos(φ-Δφ)cos(Δφ)=( Δ)-sin(φ-Δφ)sin(Δφ)

=ac-bd

同理：sin(φ)=ad+bc

因此：P=Pt=UI(ac-bd),Q=Qt=UI(ad+bc)

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

根据采样得到的数据算出U、I、P'、Q'的大小，由此得到c、d的值，可以对计算出的功率进行修正。在对功率精度要求不是特别高的场合，可以将计算值当作实际值，从而达到近似同相位的采样效果。

4 交流接口电路及硬件实现

三相交流电压和三相交流电压信号的输入一般来自PT、CT互感器输出端。电压互感器PT输出为0～100V的交流信号，电流互感器CT输出为0～5A的交流信号，无法接入A/D转换电路，必须增加电勇转换接口电路来满足A/D的转换要求。电压和电流的输入接口电路如图3和图4所示。小电压互感器（YH）输入0～100V的交流电压信号，输出峰峰值为0～5V的交流电压信号；小电流互感器（LH）输入0～5A的交流电流信号，通过在二次回路中串入精密的可调线绕电阻来实现输出峰峰值0～5V的电压信号。由于80196KC的A/D输入端只能输入0～5V的模拟信号，可以采用垫高电平的方法将小电压互感器（YH）和小电流互感器（LH）输出的交流波形零点抬高2.5V，使信号负半周波形处于0点电平以上，以保证采集一个完整的信号周期。2.5V基准电压源电路由TL431精密电压基准等元件构成。

5 交流采样算法在微机励磁调节器中的应用

基于外设服务器的交流采样算法在我们所研制的微机励调节器中已经得到应用。实验证明：用这种采样算法设计的微机励磁调节器取消了常规的电量变送器，简化了外围电路硬件，显示电参数精确稳定，进一步提高了装置的可靠性和精度，使我们研制了装置具有较高的性价比，具有良好的市场前景。另外，这种交流采样算法还可以应用于变电站的参数测量、微机继电保护故障录波等场合，具有一定的实用和推广价值。