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1、水輪機(jī)調(diào)速器測(cè)頻設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 一． 技術(shù)要求 1.精度要求：測(cè)頻精度要求高于于萬(wàn)分之二； 2.延時(shí)要求：測(cè)量延時(shí)要求小于0.02s。 二． 傳感技術(shù) 1.齒盤(pán)測(cè)速法 齒盤(pán)信號(hào)測(cè)頻接口為測(cè)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(shí)接入（齒盤(pán)測(cè)頻裝置不在中小型高油壓數(shù)字式微機(jī)調(diào)速器供貨范圍）。齒盤(pán)測(cè)頻原理如圖所示： 齒盤(pán)測(cè)頻裝置設(shè)計(jì)為雙接近開(kāi)關(guān)，雙接近開(kāi)關(guān)信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離后，同時(shí)送到單片機(jī)。如圖可知，兩個(gè)傳感器經(jīng)過(guò)齒盤(pán)同一個(gè)邊的時(shí)間差，只與齒盤(pán)旋轉(zhuǎn)的線速度有關(guān)，而與齒盤(pán)的加工精度、擺動(dòng)、振動(dòng)無(wú)關(guān)，齒盤(pán)測(cè)頻通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)傳感器的上升沿的時(shí)間，計(jì)算出頻率。 齒盤(pán)

2、測(cè)頻接近開(kāi)關(guān)1信號(hào)和接近開(kāi)關(guān)2信號(hào)經(jīng)光電隔離等處理后得到的綜合整理信號(hào)與12M晶振產(chǎn)生的12M高頻信號(hào)4分頻后的到的信號(hào)f2相與，得到測(cè)頻計(jì)數(shù)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)程序處理，得到的機(jī)頻由總線送到可編程控制器（PLC）。 2.殘壓測(cè)頻法 殘壓信號(hào)經(jīng)隔離、整形成同頻率的方波信號(hào)后，直接送至8254的引腳，由8254記錄兩個(gè)上升沿之間經(jīng)過(guò)的基準(zhǔn)脈沖個(gè)數(shù)，即可測(cè)得方波信號(hào)的周期，從而得到頻率。測(cè)得的頻率通過(guò)總線送至可編程控制器。由以上頻率測(cè)量的原理可知：數(shù)字式脈沖測(cè)頻方式的精度取決于基準(zhǔn)脈沖的頻率，基準(zhǔn)脈沖的頻率越高，對(duì)同一頻率測(cè)的數(shù)據(jù)精度就越高。 以機(jī)組殘壓PT信號(hào)測(cè)頻為例，水輪機(jī)機(jī)組頻率低頻正

3、弦信號(hào)fj輸入，經(jīng)過(guò)濾波整形得到信號(hào)f1，晶振產(chǎn)生的12M信號(hào)4分頻后的到的信號(hào)f2，f1和f2經(jīng)過(guò)與運(yùn)算，得到信號(hào)f3。8254記錄一個(gè)機(jī)頻信號(hào)周期T內(nèi)f3的振蕩次數(shù)NT，F(xiàn)機(jī)頻=f機(jī)頻336×10=f3×10/NT，已知f3=12000000/4=3000000=3×10 Hz，記數(shù)NT=62500，則F機(jī)頻=48000，對(duì)應(yīng)被測(cè)頻率f機(jī)頻=48.00HZ。同時(shí)由上圖可知NT= f3×T機(jī)頻= f3×1/6f機(jī)頻，即f機(jī)頻= f3/NT=3×10/62500=48Hz。 在本試驗(yàn)中，采取殘壓測(cè)頻的方法，對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。 三． 硬件電路 1. 隔離： 常

4、用的隔離方式有光電隔離、變壓器隔離等。考慮到調(diào)速器工作環(huán)境差，對(duì)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(cè)量信號(hào)的頻率，這里就是極端殘壓的頻率，50Hz； 容量：對(duì)于齒盤(pán)測(cè)速法來(lái)說(shuō)應(yīng)約為1.5VA 對(duì)于殘壓測(cè)頻法來(lái)說(shuō)應(yīng)約為3.0VA 變比：極端電壓可能會(huì)有100V，如果考慮這個(gè)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(cè)頻采用的信號(hào)是取自極端的殘壓信號(hào)，這個(gè)信號(hào)是幅值很小的電壓信號(hào)，有時(shí)是有幾V甚至幾mV，如果選取降壓變壓器則信號(hào)太弱，將淹沒(méi)在噪聲里。使得調(diào)速器不能正常工作。因此實(shí)際

5、設(shè)計(jì)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(hào)是殘壓信號(hào)中含有的諧波信號(hào)，其中，以三次諧波為主，因此這里應(yīng)選擇的是簡(jiǎn)單的二階RC低通濾波器。 濾波器要求對(duì)于工作頻率50Hz的有效信號(hào)衰減盡可能的小，而對(duì)于噪聲信號(hào)則盡可能的衰減大。這里用3次諧波及頻率為150Hz的信號(hào)為噪聲信號(hào)的代表進(jìn)行分析。 C(jω)=R(jω)*G(jω) 其中：C為輸出信號(hào)，R為輸入信號(hào)，G為濾波器的傳遞函數(shù)。采用對(duì)數(shù)頻率特性來(lái)分析，50Hz的有效信號(hào)應(yīng)處于低頻無(wú)衰減區(qū)，150Hz的噪聲信

6、號(hào)應(yīng)處于40dB/dec的快速衰減區(qū)，則轉(zhuǎn)折點(diǎn)在50Hz與150Hz之間。轉(zhuǎn)折頻率的選擇過(guò)低，高頻噪聲的衰減大，但是有效信號(hào)也有較大的衰減，而轉(zhuǎn)折頻率過(guò)高有效信號(hào)幾乎無(wú)衰減，但高頻噪聲信號(hào)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(shí)問(wèn)題，相角滯后量為：arctg(fc*f)。這里選取設(shè)計(jì)階段先選擇100Hz，系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后可通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真來(lái)調(diào)整參數(shù)以達(dá)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(guò)大，否則會(huì)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100

7、kΩ。 確定了R的取值，就可以通過(guò)通過(guò)RC的乘積值來(lái)確定C的值。這里我們選取C=159μF。 3. 限伏整形 通過(guò)兩個(gè)二極管反向并聯(lián)，來(lái)起到限幅的作用。 把限幅得到的信號(hào)分別接到運(yùn)算放大器的正、負(fù)輸入端，構(gòu)成一個(gè)過(guò)靈比較器，當(dāng)正半波時(shí)，比較器輸出高電平，當(dāng)負(fù)半波時(shí)輸出低電平。這樣就把輸入的正弦信號(hào)變成了方波信號(hào)。 4. 分頻 由于系統(tǒng)采用變壓器隔離，可能會(huì)由于變壓器鐵芯偏移而造成正負(fù)半波不對(duì)稱，而我們采取的是對(duì)信號(hào)的正半波進(jìn)行測(cè)量，即實(shí)際測(cè)量的是信號(hào)正半波的時(shí)間，如果發(fā)生正負(fù)半波不對(duì)稱的情況，就會(huì)使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，因此，引入一個(gè)分頻環(huán)節(jié)，使得測(cè)量針對(duì)信號(hào)的整個(gè)周期，測(cè)頻精度更

8、好?？捎靡粋€(gè)SD觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的分頻。 5. 計(jì)數(shù) 采用計(jì)數(shù)定時(shí)器，根據(jù)輸入的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到信號(hào)的周期。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，計(jì)數(shù)器開(kāi)始發(fā)出一個(gè)一個(gè)的計(jì)數(shù)脈沖，通過(guò)脈沖的個(gè)數(shù)來(lái)測(cè)出高電平持續(xù)的時(shí)間，即信號(hào)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(shí)計(jì)數(shù)器，完成對(duì)外部脈沖信號(hào)的各種處理。8254芯片內(nèi)部具有三個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器，它可用程序設(shè)置成多種工作方式，按十進(jìn)制計(jì)數(shù)或二進(jìn)制計(jì)數(shù)，最高計(jì)數(shù)速率達(dá)10MHz。 四、工作方式 測(cè)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

9、方式是利用中斷，來(lái)完成對(duì)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)信號(hào)的處理。工作原理如下： 當(dāng)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)，即方波信號(hào)由低電平變化為高電平的時(shí)候，處理器接受到一個(gè)中斷，這時(shí)處理器得到信息，計(jì)數(shù)開(kāi)始，這是處理器會(huì)根據(jù)程序執(zhí)行一系列的指令。當(dāng)計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)時(shí)，也就是信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)候，處理器也要接受到另一個(gè)不同的中斷信號(hào)，這時(shí)，處理器得到計(jì)數(shù)結(jié)束的信息，將根據(jù)程序輸出測(cè)量結(jié)果，并完成對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化等操作。 另外，如果在計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)過(guò)程中發(fā)生溢出的情況，計(jì)數(shù)器也要給處理器發(fā)出一個(gè)中斷信號(hào)，處理器得到溢出信號(hào)后，要執(zhí)行計(jì)數(shù)值加上65535。這是因?yàn)?254計(jì)數(shù)的最大值為65535，一次溢出，就表示已經(jīng)計(jì)數(shù)了65535個(gè)計(jì)時(shí)脈沖。 中斷方式對(duì)于計(jì)數(shù)器的測(cè)量比較精確，處理器隨時(shí)接受計(jì)數(shù)器的中斷信號(hào)，及時(shí)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(wèn)題。比如由于殘壓信號(hào)中含有高頻的干擾，使得輸入正弦信號(hào)有毛刺，由于過(guò)零點(diǎn)的時(shí)候有毛刺的存在，可能會(huì)使得整形后得到的方波中出現(xiàn)脈沖干擾，而對(duì)于脈沖干擾信號(hào)，計(jì)數(shù)器也會(huì)當(dāng)做是一次正常的計(jì)數(shù)，這樣就會(huì)想處理器發(fā)出相應(yīng)的中斷信號(hào)，這顯然是錯(cuò)誤的，會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果，同時(shí)，這樣也使得中斷信號(hào)過(guò)于頻繁，將對(duì)處理器的正常工作造成影響，甚至嚴(yán)重的情況下會(huì)造成死機(jī)。采用查詢方式的話，由于查詢間隔時(shí)間，就可以避免這樣的問(wèn)題。 2、 查詢方式