基于DSP的均壓均流測試系統(tǒng)的設計

摘要PAGEPAGEI基于DSP的均壓均流測試系統(tǒng)的設計摘要電力機車一般都采用交流制供電，交流電從主變壓器的牽引繞組經(jīng)過硅機組整流后，向牽引電動機集中供應直流電，使牽引電動機產(chǎn)生轉矩驅動機車動輪轉動。整流柜的性能將直接影響電力機車的運行能力，而整流柜主整流組件很容易出現(xiàn)擊穿、燒損、放炮等故障，從而導致硅整流裝置出現(xiàn)短路，斷路等故障。作者對對上述問題作了較詳細的研究和探討，并設計了一種基于DSP的采用脈沖方式對電力機車整流柜進行均壓均流測試的系統(tǒng)。首先對整流柜的結構功能、工作特性和產(chǎn)生故障的原因進行了分析，在此基礎上設計了對整流柜進行均壓均流測試的脈沖測試電路、脈沖觸發(fā)電路、通道信號處理電路、信號采集電路以及DSP的接口電路等諸多硬件電路，并且開發(fā)了一套以ADC程序和串口通信程序為主的DSP軟件，詳細分析了上述軟硬件的功能、原理和流程圖。最后對該測試系統(tǒng)的設計進行了總結，肯定了該系統(tǒng)的設計方案。關鍵詞：電力機車，DSP，整流柜，均壓均流測試AbstractPAGEPAGE59THEDESIGNOFCURRENTSHAREANDVOLTAGETESTSYSTEMBASEONDSPAbstractLocomotivegeneraladoptalternatingcurrenttopower-up,thealternatingcurrentcomefromthedragwindingofmainconverterwascommutatedbytherectifier,thensupplydirectcurrenttothedragelectricmotortomakethedragelectricmotorgeneratetorquedrivelocomotiveturning.Thebehaviorofrectifiereffectthelocomotive’sabilityofrunningdirectly,butthecommutatecomponentofrectifieroccurbrokethrough,burndownblastingbreakdownandsooneasily,therebyleadtherectifiertoshortcircuitorblock.Thewriteraimattheissuediddetailresearchandexploration,designedakindofimpulsefashiontestsystemofthelocomotiverectifiercurrentshareandvoltagesharebasedonDSPFirstlyanalyzedtheframeworkfunction,workingcharacteristicsandthereasonofbreakdown,Onthisfoundationdesignedthecurrentshareandvoltagesharetestimpulsecircuit,impulseflip-flopcircuit,accesssignalprocessingcircuit,signalcollectcircuitandtheinterfacecircuitandsoonhardwarecircuit,anddevelopedasetofDSPsoftwaremainofADCsubprogramandserialinterfacecommunicationsubprogram,analyzedthefunctionprincipleandflowsheetofhardwareandsoftware.Finallymadeasummaoftheexcogitationofthetestsystem,affirmedtheexcogitationofthesystem.KeyWords:Locomotive,DSP,rectifier,currentshareandvoltagesharetest目錄PAGEPAGE59目錄TOC\o"1-3"\h\z主要符號說明 1第一章緒論 21.1前言 21.2整流柜的均壓與均流 21.2.1電力電子器件串聯(lián)時的均壓 21.2.2電力電子器件并聯(lián)時的均流 31.3均壓和均流測試 31.3.1低壓電流測試(均流測試) 31.3.2輕載電壓測試(均壓測試) 31.4試驗裝置及其目的與意義 41.4.1本試驗裝置的基本特點 41.4.2本試驗裝置的基本原理 41.4.3試驗裝置的目的與意義 4第二章整流柜及其均壓均流測試 72.1整流柜的結構 72.2整流柜的功能和原理 82.2.1整流裝置均流功能分析 92.2.2整流裝置均壓功能分析 102.2.3整流裝置過電壓保護功能分析 102.2.4整流裝置過電流保護功能分析 112.2.5晶閘管的di/dt保護 112.3被測組件特性 112.4硅機組均壓均流試驗的現(xiàn)狀和本系統(tǒng)的優(yōu)點 132.4.1.國內電力機務段機車硅機組均壓均流試驗的現(xiàn)狀 132.4.2新型硅機組均壓均流試驗裝置的特點 13第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計 153.1總體方案的設計 153.1.1試驗系統(tǒng)測試方案 153.1.2均壓、均流試驗系統(tǒng)的組成 153.2電源單元的設計 173.2.1硅機組的均流測試 183.2.2硅機組的均壓測試 19目錄PAGEPAGE593.3觸發(fā)電路的設計 203.3.1被測可控硅的觸發(fā)電路 203.3.2脈沖電源觸發(fā)電路 213.4信號采樣與轉換 223.5霍爾傳感器 223.5.1霍爾電壓電流傳感器概述 223.5.2霍爾傳感器工作原理 233.5.3霍爾傳感器接線圖 24第四章基于DSP的信號采集與處理系統(tǒng)硬件設計 284.1DSP芯片概述 284.1.1DSP芯片的分類 284.1.2DSP系統(tǒng)的設計過程 294.2TMS320LF240x芯片的特點 314.2.1TMS320系列DSP芯片的概況 314.2.2TMS320C2000系列DSP芯片的基本結構 324.2.3TMS320LF240x系列DSP芯片的概述 344.3以TMS320LF2407A為核心的信號采集與傳輸系統(tǒng) 354.3.1TMS320LF2407A芯片的ADC模塊 354.3.2TMS320LF2407ADSP的SCI模塊 37第五章信號采集、處理與傳輸軟件設計 385.1DSP軟件開發(fā)工具概述 385.2系統(tǒng)軟件的開發(fā) 405.2.1C語言與匯編語言的混合編程 405.3ADC部分的設計 415.3.1ADC模塊的電平匹配 415.3.2ADC模塊的初始化 425.3.3采樣值轉換為有效值 435.3.4ADC模塊的軟件設計 445.4DSP與PC機間串行通信部分的設計 455.4.1設置串行通信口 455.4.2邏輯電平轉換 455.4.3串口波特率的匹配 465.4.4串行通信的軟件設計 465.4.5串口的設置 485.4.6小結 48目錄PAGEPAGE595.5測試運行結果 48第六章總結 516.1主要工作回顧 516.2本課題今后需進一步研究的地方 51致謝 52參考文獻 53附錄A源程序 55個人簡歷在讀期間發(fā)表的學術論文 60主要符號說明PAGEPAGE59主要符號說明U 電壓；I 電流；B 磁感應強度；Ki 并聯(lián)橋臂均流系數(shù)； 各并聯(lián)支路的電流之和；IM 通過最大電流支路的電流。Ku 串聯(lián)支路均壓系數(shù)； 支路串聯(lián)組件的電壓(V)；UM 承受最大電壓組件的電壓(V)；URRM反向重復峰值電壓；IRRM 反向重復峰值電流；UFM 正向通態(tài)電壓；IFM 正向通態(tài)電流；EH 霍爾電勢；KH 霍爾組件靈敏度； 采樣/保持器的捕捉時間； 采樣/保持器的設定時間； A/D轉換的時間；FFT 快速傅立葉變換。第一章緒論PAGEPAGE59第一章緒論1.1前言電力機車的牽引動力是電能，但與內燃機車不同，電力機車本身沒有原動力，是依靠外部供電系統(tǒng)供應電力，并通過機車上的整流柜將受電弓從接觸網(wǎng)上取得的交流的電轉換成直流，由牽引電動機驅動列車前進。由電力機車實施的牽引運行稱為電力牽引，電力牽引具有功率大、效率高、過載能力強、運營費用低、司機勞動條件好、不污染環(huán)境等一系列優(yōu)點。電力機車主要由車體、車底架、走行部、車鉤緩沖裝置制動裝置和一整套電氣設備等組成。除電氣設備外，其余部分都同交——直流電力傳動內燃機車相似。電力機車的硅整流裝置是電力機車上的關鍵部件之一。由大功率整流二極管和晶閘管及其附件組成橋式整流電路。其功能是把來自牽引變壓器副邊繞組的交流電整流為直流電，供給牽引電動機使用，同時兼有調壓開關級間平滑調壓的作用。機車在滿負荷運行的時候，整流裝置處于高電壓、大電流的狀態(tài)之下，整流柜主整流組件很容易出現(xiàn)擊穿、燒損、放炮等故障，從而導致硅整流裝置出現(xiàn)短路，斷路等故障，進而將直接導致機車故障而中斷運輸，這不僅干擾了正常的運輸秩序，影響運用機車運輸，給運輸安全也帶來了隱患，而且由于大量更換組件使檢修成本上升，造成了經(jīng)濟損失。大功率晶閘管和硅整流管是構成硅整流裝置即硅機組的基本組件，而大功率晶閘管和硅整流管組件的性能又決定了整流柜的性能。因此，測試它們的基本特性，合理地選配組件，將有助于提高機車運行的可靠性。所以我國電力機務段對電力機車上的硅機組(硅整流裝置)在進行段修后，需按檢修規(guī)程要求，進行均壓和均流試驗，以檢查硅機組的均壓和均流情況是否符合規(guī)程的要求。[3,4]1.2整流柜的均壓與均流1.2.1電力電子器件串聯(lián)時的均壓對于電力機車的整流柜,為了提高整流柜的電壓等級,電力半導體器件(二極管、晶閘管)的串并聯(lián)是很常見的。多個串聯(lián)的電力半導體器件由于其反向特性存在差異,當加上正向或反向電壓時,各個管子所承受的正、反向電壓也就不同。對于整流二極管而言,承受正向電壓就會導通；但在承受反壓時,承受過大反向電壓的管子有可能被擊穿,而其它管子的電壓則利用不充分。而對于串聯(lián)工作的晶閘管來說,由于正向阻斷特性的差異,在加上正向電壓但沒有給門極觸發(fā)脈沖時,第一章緒論PAGEPAGE59串聯(lián)的晶閘管之間所承受的正向電壓也是不同的。過大的正向電壓有可能使對應的晶閘管正向導通或者損壞,這是電路中所不能允許的。為了使串聯(lián)的電力半導體器件承受的電壓分配均勻,必須對其進行均壓。按照電力機車的檢修規(guī)程，必須保證硅機組的均壓系數(shù)在0.95以上。1.2.2電力電子器件并聯(lián)時的均流對于電力機車整流柜,通常用并聯(lián)多個電力電子器件的方法來提高整流柜的電流等級。多個電力電子器件并聯(lián)時,由于受并聯(lián)支路阻抗差異的影響及器件通態(tài)伏安特性(可控器件還有觸發(fā)導通時間的差異)的影響,因而會造成穩(wěn)態(tài)及瞬間電流的分配不均和開通過程中電流上升率的不同。所以,對并聯(lián)的電力電子器件,必須采取均流措施。對于大容量的變流裝置而言,最常用的均流方法是在電力電子開關器件串聯(lián)一個均流電抗器。按照電力機車的檢修規(guī)程，必須保證硅機組的均壓系數(shù)在0.85以上。在電力機車整流柜,通常只需采用將器件按其正向通態(tài)特性分組,一般可以滿足均流系數(shù)大于0.85的技術要求。1.3均壓和均流測試1.3.1低壓電流測試(均流測試)在直流輸出端短接或接一個低值電阻負載，交流端施加一個可以提供整流裝置額定輸出電壓12V的低電壓最大電流額定電流為4800A情況下進行試驗。整流裝置通電時測量各橋臂支路的電流、按下式計算均流系數(shù)不小于0.85。即：(1-1)式中——并聯(lián)橋臂均流系數(shù)；——各并聯(lián)支路的電流之和(A)；——并聯(lián)支路數(shù)；——通過最大電流支路的電流(A)。K值越大，說明牽引整流裝置的均流效果越好，在正常運行的情況下整流組件的可靠性高。1.3.2輕載電壓測試(均壓測試)輕載電壓試驗是整流裝置在很小的負載下，施加額定交流電壓，檢查整流裝置電路的聯(lián)接是否正確以及靜態(tài)特性是否滿足要求，并測量串聯(lián)支路組件的均壓系數(shù)。本整流裝置均壓試驗測量橋臂支路串聯(lián)組件的電壓按下式計算出均壓系數(shù)K不小于0.95。即：第一章緒論PAGEPAGE59(1-2)式中——串聯(lián)支路均壓系數(shù)；——支路串聯(lián)組件的電壓(V)；——串聯(lián)支路數(shù)；——承受最大電壓組件的電壓(V)。K值越大，說明牽引整流裝置的均壓效果越好，在正常運行的情況下整流組件的可靠性越高。[5]1.4試驗裝置及其目的與意義1.4.1本試驗裝置的基本特點用脈沖方式測量組件特性的儀器和設備，國內已有不少單位早已研制和開發(fā)，并已經(jīng)形成正式產(chǎn)品。用DSP進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術發(fā)展已相當成熟，在國內也早已在很多領域中得到應用。所以本試驗裝置采用間隙式脈沖高壓、大電流測試硅機組均流均壓系數(shù)的技術，以DSP為核心的數(shù)據(jù)采集及相應的處理軟件和硬件，構成了一套完整的硅機組均壓均流試驗和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，具有一定的先進性和實用性。1.4.2本試驗裝置的基本原理采用脈沖電源測量，在進行試驗時，向被試硅機組輸出一個正弦半波電壓，這與整流組件在正常工作時的導通條件相同。采用高精度霍爾電流傳感器和電壓傳感器作為電流檢測組件和電壓檢測組件，使用以DSP為核心的數(shù)據(jù)采集板及相應的處理軟件，可自動計算和輸出每個被測硅機組的均流系數(shù)和均壓系數(shù)，并實時輸出檢測結果。使檢修人員更快更準確地知道整流柜各支路的均流系數(shù)和均壓系數(shù)，并可以對各測量出的值進行相關判斷，從而得出被測試的整流柜是否合格。在建立了較為完善的段內硅機組檢修數(shù)據(jù)庫的基礎上，可根據(jù)每次段修積累的資料，觀察組件參數(shù)的變化，參照有關的電力半導體器件的失效判據(jù)，了解和判定各組件的技術狀態(tài)。使機務段能隨時查看硅機組的技術狀態(tài)，為預防故障狀態(tài)修創(chuàng)造了條件。[6]1.4.3試驗裝置的目的與意義整流裝置的設計要求整流橋任何橋臂上的并聯(lián)第一章緒論PAGEPAGE59支路的電流要基本相等，這樣就不致因某一臂并聯(lián)支路硅組件承擔過大的電流而燒損或長期工作在大電流狀態(tài)下而過早地使組件降級老化而燒損。因此設計上要求任何橋臂的均流系數(shù)應在0.85以上，各晶閘管兩端的電壓的均壓系數(shù)就在0.95以上，這樣才能保證整流裝置的安全使用。生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)調試過程中是通過對硅組件的特性進行測試，將硅組件特性基本一致的搭配成組形成一個橋臂來實現(xiàn)0.85以上的均流系數(shù)和0.95以上的均壓系數(shù)。但整流裝置經(jīng)過一段較長時間的使用后，通過現(xiàn)場檢測可能發(fā)現(xiàn)其各方面性能均發(fā)生了不同程度的變化，使得均壓系數(shù)或均流系數(shù)不能達到保證整流裝置安全使用的標準。這就必然出現(xiàn)因某一臂并聯(lián)支路硅組件承擔過大的電流而燒損或長期工作在大電流狀態(tài)下而過早地使組件降級老化而燒損的情況，從而導致電力機車中斷運輸。整流柜性能的變化主要表現(xiàn)在如下幾點:(1)硅元件特性發(fā)生變化，硅元件降級老化，正向壓降偏離原始出廠參數(shù)。(2)不同金屬材料間的接觸導致金屬反應產(chǎn)生電腐蝕現(xiàn)象是至關重要的問題:整流裝置硅元件的散熱器為鋁質材料，而與其相聯(lián)結的銅排和硅元件管殼為銅質材料，這兩種不同金屬的材料相互聯(lián)結在一起，長時間工作在大電流的狀態(tài)下不可避免地產(chǎn)生金屬間的反應，致使兩種不同金屬材料間的接觸面產(chǎn)生電腐蝕，使接觸面產(chǎn)生麻坑，即在硅元件的接線端和硅元件的管殼與散熱器的接觸面產(chǎn)生麻坑，最終導致整個硅元件管芯與散熱器的接觸電阻增大，硅元件的引出端與元件間的聯(lián)結銅排間的電阻增大，使硅元件的招體電阻增大。這樣必然產(chǎn)生兩種現(xiàn)象:一種現(xiàn)象是因硅元件的整體電阻增大，通過大電流時產(chǎn)生損耗發(fā)熱導致元件燒損;另一種是因硅元件有的已產(chǎn)生電腐蝕有的未產(chǎn)生電腐蝕，在一個橋臂并聯(lián)支路某一支路中的電阻發(fā)生變化，在相同的輸入電壓下，必然造成電流不一致，最后因某一支路承擔超負荷的電流而燒損。(3)硅元件間的聯(lián)接是通過聯(lián)接銅排進行聯(lián)接的，聯(lián)接螺栓會因長時間通過大電流而發(fā)熱及電磁力的作用和機車的振動等影響，緊固力發(fā)生變化，使硅元件的聯(lián)接處的接觸電阻發(fā)生變化，最終也因橋臂并聯(lián)支路的電阻不同，而導致橋臂支路間的電流大小不同，支路電流大的硅元件將燒損。從以上三點看出硅元件特性變化必然造成均流系數(shù)的變化；硅元件散熱器與元件管殼之間電腐蝕及硅元件散熱器引出端電腐蝕，均造成硅元件的整體電阻增大，正向壓降自然也因此而增大，實質上等效于硅元件特性發(fā)生變化，不可避免地造成均流系數(shù)發(fā)生變化，破壞了原出廠調試好的均流系數(shù)，使均流系數(shù)降低到0.85以下，有甚者均流系數(shù)可降低到0.33，從而導致某個橋臂的支路的電流過大而燒損硅元件。根據(jù)中修修程對整流裝置均流系數(shù)的檢測，發(fā)現(xiàn)許多整流裝置某個橋臂或多個橋臂其均流系數(shù)極差，僅在0.4與0.7之間，據(jù)此可計算出機車運行在大坡道區(qū)段時的段橋整流臂最大支路電流(以SS3B為例):在大坡道區(qū)段機車電機電流經(jīng)常以600A的大電流持續(xù)運行，當整流裝置的均流系數(shù)在0.4時，其最大支路的電流為A=6I/(3*KIM)=3*600/(3*0.4)=1500A,當均流系數(shù)在0.7時同樣可算出其最大支路的電流在857.14A。而整流裝置的整流管的型號為ZP800-30，其額定工作電流為800A第一章緒論PAGEPAGE59，因此可以看出在均流系數(shù)降低的情況下，段橋整流臂上最大電流支路的整流元件實實在在地承擔著超過其額定電流很多的電流，這樣整流元件自然就容易發(fā)生燒損和降級老化等故障現(xiàn)象。而某一支路的1個硅元件燒損，便發(fā)生惡性循環(huán)，有可能造成整個橋臂支路燒損等事故。從上述可見，電力機車的整流裝置在裝車前或是進行檢修時進行均壓均流試驗是多么的重要和必需，對整流裝置的各支路的均流試驗和各串聯(lián)晶閘管(機車檢修需要時)的均壓試驗是否準確可靠，直接關系到機車的安全運行和國家人民生命財產(chǎn)的安全。對這項試驗的檢修是否方便快捷也是關系到測試人員的勞動強度，因此本論文針對這些實際的情況詳細設計了基于DSP的均壓均流測試系統(tǒng)以滿足機車整流裝置檢修的需求。所以本文以介紹SS—3B電力機車硅機組為對象，設計了一種基于DSP的采用間隙式脈沖高壓、大電流測試硅機組均流均壓系數(shù)的技術，進行均壓均流測試的系統(tǒng)，還可根據(jù)硅機組型號的不同對系統(tǒng)稍加改進。與各種該系統(tǒng)能夠較準確地對整流柜的整體性能及有關參數(shù)進行檢測，使整流柜硅元件達到最佳匹配狀態(tài)，保證了機車正常運行。該產(chǎn)品具有DSP自動數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，為整流柜的檢修提供重要的參數(shù)。該產(chǎn)品的推廣使用，將為電力機務段檢修整流柜提供先進可靠的手段，降低整流柜故障的返修率，同時必將帶來可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。第二章整流柜及其均壓均流測試PAGEPAGE59第二章整流柜及其均壓均流測試2.1整流柜的結構從結構上來說各種電力機車上的整流柜的結構不太相同，但由于機車的發(fā)展是一個連續(xù)的過程，所以其結構都具有相似性，只是根據(jù)具體的電力機車的主要用途和功能所以其整流裝置存在差異。以韶山3型4000系電力機車(簡稱韶山3B型)為例，韶山3B型電力機車采用大功率硅整流管和晶閘管組成的橋式全波整流電路的TGZ11型整流裝置，每臺機車的整流裝置由=1\*ROMANI端整流柜和=2\*ROMANII端整流柜組成。每個整流柜組成一個獨立的三段不等分半控橋，向1個轉向架3臺并聯(lián)工作的牽引電動機供電。但是=1\*ROMANI端整流柜要比=2\*ROMANII端整流柜多二個可控橋臂，作為電阻制動時供給兩個轉向架6臺牽引電動機的勵磁電流。除此以外，兩個整流柜的外形尺寸和安裝位置都是相同的。半導體組件在柜內的布置和接線如圖2-1所示：圖2-1韶山3B型機車整流柜原理圖Fig.2-1locomotiverectifierschematicofShaoshan3BTGZ11型整流裝置由晶閘管、整流管、觸發(fā)脈沖輸出部分、快速熔斷器、RC保護、安裝構架、匯流母排和控制導線等組成。整流裝置主電路接線原理圖見圖2—2。它由兩個串聯(lián)橋組成單相半控橋式整流電路，向3臺并聯(lián)工作的牽引電動機供電。全車共有這樣獨立的兩套系統(tǒng)。串聯(lián)橋的第一個半控橋由四個橋臂組成，T11、T12是可控管，D11、D12是不可控臂。每個橋臂均由2串3并半導體組件組成，第二個橋由八個橋臂組成。D13、D14是不可控臂，由整流管2串3并組成，其余都是可控橋臂。其中T15、T16橋臂承受的電壓最高，由2串3第二章整流柜及其均壓均流測試PAGEPAGE59并晶閘管組成。T13、T14橋臂承受的電壓為前者的1/2，因此它由晶閘管1串3并組成。T17、T18橋臂是供給電阻制動勵磁電流的。制動時各牽引電動機的勵磁繞組相互間接成串聯(lián)，供給它的勵磁電源電壓為牽引工況橋臂的1/3，所以它僅由1個晶閘管組成，但是牽引時它承受的反向電壓又比T13、T14高，為T15、T16的2/3。為了安全起見，在橋臂晶閘管上串聯(lián)1只整流管來分擔其承受的反向電壓。圖2-2整流裝置主電路原理圖Fig.2-2rectifierschematicofmaincircuit2.2整流柜的功能和原理TGzll型是供韶山3B型電力機車使用的整流裝置，它由大功率整流二極管和晶閘管及其附件所組成，具有以下功能：1.把交流電變?yōu)橹绷麟姽┙o牽引電動機；2.進行平滑調壓；3.供給制動勵磁電流，并可平滑調節(jié)該電流。其它類型電力機車的整流柜也具有同樣的功能第二章整流柜及其均壓均流測試PAGEPAGE59TGzll型車整流裝置有下述優(yōu)點：1.采用不等分三段順控橋，可實現(xiàn)整流和無級相控調壓，持續(xù)工況運行它具有多段橋的優(yōu)點，有利提高功率因子，減少諧波成分。2.觸發(fā)脈沖部分采用韶山6型電力機車用的脈沖輸出模塊，技術指針先進，工作可靠。2.2.1整流裝置均流功能分析整流裝置的主橋臂由三個并聯(lián)支路組成，通過各并聯(lián)支路的電流不會完全一樣。流過大電流支路的半導體組件有可能過載而損壞，電流小的支路則組件沒有充分利用。最理想的是讓所有并聯(lián)支路通過的電流都一樣，即所謂均流。實際上這是不可能的，因為有許多因素影響電流的均勻分配。例如：半導體組件正向特性的差異，匯流母排的影響，串聯(lián)組件之間連接導線的影響，快速熔斷器之間電阻值的差異，接觸電阻的影響，以及冷卻風分布不均勻相上下層之間冷卻風溫度不同的影響等。這許多影響因素中，最主要的是半導體組件的正向特性。因此，為使各并聯(lián)支路的電流分配趨向一致，最簡單的方法就是在工廠組裝時，各并聯(lián)支路按整流管的正向壓降或晶閘管的通態(tài)電壓進行編組。這樣做了以后，出廠試驗時只需稍許調整，一般均可達到技術要求的均流系數(shù)0.85。對于并聯(lián)工作的晶閘管，還要考慮它們的動態(tài)均流問題。所謂動態(tài)均沈就是并聯(lián)晶閘管在開通過程中的均流。由于晶閘管開通時間的不同，首先導通的組件，不僅要承受橋臂的全部電流，而且自身并聯(lián)的電容器以及其它未導通晶閘管并聯(lián)的電容器也會瞬間向它放電，使其承受一個迅速增長的di/dt，造成半導體組件內局部過熱而損壞，如圖2-3所示。圖2-3一個晶閘管先導通時，流過的放電電流示意圖Fig.2-3thesketchmapofcurrentthroughthethyristorwhichisfirston為了動態(tài)均流，對于只串聯(lián)一個晶閘管的T13、T14橋臂，在每個晶閘管支路串聯(lián)一只由第二章整流柜及其均壓均流測試PAGEPAGE59磁環(huán)構成的均流電抗器。在某支路電流迅速增長的瞬間，該支路電抗器上將會感應出一個反電勢，阻止電流的增長，從而達到動態(tài)均流的作用。但是，當電流增長到一定數(shù)值以后，磁芯飽和，電抗器也就不起作用了。2.2.2整流裝置均壓功能分析串聯(lián)工作的半導體組件，由于它們的反向特性有差異，當加上反向電壓時，各串聯(lián)組件所承受的反向電壓就不同。承受過大反向電壓的組件有可能被反向擊穿，而其它組件的電壓利用也不充分。此外，串聯(lián)工作的晶閘管由于正向阻斷特性的差異，在加上正向電壓，但沒有門板觸發(fā)脈沖信號時，串聯(lián)組件之間承受的正向阻斷電壓也是不相同的。過大的正向電壓有可能使晶閘管正向轉折而導通，這是電路中不能允許的，同時這種不正常的轉折導通多來幾次，晶閘管的正向阻斷特性有可能喪失而成為整流二極管了。為使串聯(lián)組件承受的電壓分配均勻，即所謂均壓，通常在每個串聯(lián)組件的兩端并聯(lián)均壓電阻。選取的均壓電阻值，一般要比半導體組件的反向電阻值小得多，而且在工廠組裝時要對每只均壓電阻進行阻值測量并分組，使每個串聯(lián)支路的各均壓電阻值基本相等，這樣支路串聯(lián)組件之間的電壓分配就可以按并聯(lián)均壓電阻值進行分配而趨向一致了。這里選取均壓電阻為30kQ、30w的線繞電阻，并聯(lián)均壓電阻以后，在最高工作電壓下，各串聯(lián)支路的均壓系數(shù)可以達到0.95以上。半導體組件在正向導通結束加上反向電壓時，由于載流子積蓄效應，存在著反向恢復電荷。組件需要經(jīng)過幾微秒到幾十微秒之后才能恢復反向阻斷能力，在恢復反向阻斷能力的瞬間，對組件將產(chǎn)生一個所謂換相過電壓。由于各組件的反向恢復電荷不盡相同，串聯(lián)工作時，各組件產(chǎn)生的換相過電壓也不同，組件之間特產(chǎn)生一個動態(tài)不平衡電壓ΔU。反向恢復電荷最少的組件，最先恢復反向阻斷能力，將承受支路的全部反向電壓。為使串聯(lián)組件動態(tài)均壓，可借助在半導體組件兩端并聯(lián)電容和電阻、并盡量減少串聯(lián)組件之間的反向恢復電荷差異來達到。本裝置在每只整流管和晶閘管兩端并聯(lián)1uF的電容器、22Ω電阻作為動態(tài)均壓用。同時要求串聯(lián)工作的整流管和晶閘管之間反向恢復電荷之差不大于400μc。2.2.3整流裝置過電壓保護功能分析晶閘管和整流管從導通轉換到截止而承受反向電壓時會產(chǎn)生一個峰值遠遠超過正常工作電壓的換相過電壓，如不采取措施將會導致組件損壞。通常在半導體組件兩端并聯(lián)電容器和電阻器進行保護如圖2－4所示。前述瞬態(tài)均壓用的1μF電容和22Ω電阻支路也起著過電壓保護的作用。電阻可在晶閘管導通的瞬間，限制電容器向晶閘管放電的di/dt，并對換相過電壓產(chǎn)生的振蕩有阻尼作用。第二章整流柜及其均壓均流測試PAGEPAGE59圖2-4過電壓保護電阻、電容Fig.2-4overvoltageprotectiveresistance、capacitance對于裝置以外侵入的過電壓，則由機車主電路設置在變壓器次邊的RC回路進行保護，要求把過電壓抑制在變壓器次邊電壓的2倍以下。2.2.4整流裝置過電流保護功能分析整流裝置本身不帶短路保護，遇有牽引電動機接地、環(huán)火或半導體組件文路擊穿而引起的短路，由機車主斷路器跳閘分斷主電路進行保護。為使整流裝置內流過短路電流的其它半導體組件不致?lián)p壞，受半導體組件過載能力的限制，要求主斷路器的動作時間在3個周波即0.06s以內。對于T13、T14橋劈和勵磁橋劈，為更加可靠起見，每只晶閘管都串聯(lián)有1個NGT3—630/380型快速熔斷器加以保護，該快速熔斷器的額定電流(有效值)為630A。2.2.5晶閘管的di/dt保護我們知道，晶閘管具有正向阻斷特性，就是加上正向電壓，門極不給觸發(fā)脈沖時它是不會自行導通的。一旦給出門極觸發(fā)脈沖，晶閘管就開始導通。導通過程首先從門極開始，逐漸向門極周圍的陰極而擴展而達到全面導通。如果導通過程電流增長過快，即di/dt過大，而導通擴展的面積還不夠大時，將會產(chǎn)生局部電流密度過高把半導體組件燒壞。為此，對于只有1個組件串聯(lián)的T13、T14橋臂，在每個晶閘管上串聯(lián)1個均流電抗器來限制過快增長的di/dt。如前所述，該電抗器還具有橋臂支路動態(tài)均流的作用。從對整流柜的功能分析可以看出，雖然就其最初的設計而言是為了達到理想的均壓均流的功能，但由于器件本身的原因和制造安裝時的原因使得整流裝置不能達到比較理想的狀態(tài)，所以對電力機車的整流裝置在裝車前有必要對其進行均壓、均流測試，均壓均流測試系統(tǒng)的研制的意義就在于此。2.3被測組件特性硅整流管的伏安特性曲線，如圖2-5所示。對應于B第二章整流柜及其均壓均流測試PAGEPAGE59點電流叫正向平均電流，它是半個周期里流過硅整流管的電流，在一個周期內的平均電流值。此時電壓大約0.45～0.55V左右。UF為正向平均電壓(正向壓降)，是正半周電壓降在一個周期內的平均值，即實際電壓的一半左右。URRM為反向重復峰值電壓，對應的電流IRRM為反向重復峰值電流(也稱漏電流)。圖2-5整流管伏安特性曲線Fig.2-5rectifyingtubevolt-amperecharacteristiscurve晶閘管的伏安特性曲線，如圖2-6所示。其反向特性與硅整流管一樣。正向特性則為：正向電壓在一定限度內，門極電流IG等于0時，晶閘管與硅整流管的反向特性相似，呈現(xiàn)阻斷狀態(tài)(OA段)，當正向電壓超過一定限度(A點)時，漏電流增大，晶閘管突然變?yōu)閷?，此時電壓叫做正向轉折電壓UBO。正常工作時，IG達到規(guī)定的電流使晶閘管導通，UT點為正向通態(tài)平均電流時的正向平均通態(tài)電壓。圖2-6晶閘管伏安特性曲線Fig.2-6thyristorvolt-amperecharacteristiscurve其中，根據(jù)機車實際要求，試驗臺的主要測試點為以下4個參數(shù)：(1)反向重復峰值電壓URRM，0～3000V；(2)反向重復峰值電流IRRM，0～60mA；(3)正向通態(tài)電壓UFM(UT)，0～5V；(4)正向通態(tài)電流IFM(IT)，0～2500A。第二章整流柜及其均壓均流測試PAGEPAGE592.4硅機組均壓均流試驗的現(xiàn)狀和本系統(tǒng)的優(yōu)點2.4.1.國內電力機務段機車硅機組均壓均流試驗的現(xiàn)狀我國電力機務段對電力機車上的硅機組(硅整流裝置)在進行段修后，按檢修規(guī)程要求，需進行均壓和均流試驗，用以檢查硅機組的均壓和均流情況是否符合規(guī)程的要求。均壓試驗由于試驗設備容量小，測試較方便，大多能正常進行；而均流試驗則存在一些困難和問題，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：=1\*GB3①試驗沒備容量大，試驗耗電大按現(xiàn)有段修規(guī)程(SS3型機車)要求，均流試驗時，需給被試硅機組通以3300安(最大4800安)的大電流，15分鐘后，在熱狀態(tài)下進行各支路電流的測量：現(xiàn)有的均流試驗設備多半是從段內的配電變壓器取電，通過試驗裝置中的感應調壓器和低壓大電流變壓器給被試硅機組提供單相工頻可調的大電流，調壓器的容量大多在36～100KVA左右，一些機務段的配電變壓器常難以滿足要求。=2\*GB3②試驗工作難度大，工作條件差連結導線需要采用大截面的銅排，連結處要求接觸良好，以避免通過大電流時發(fā)生過熱現(xiàn)象，給接線工作增加了難度；較長時間的持續(xù)大電流，在試驗變壓器、連結銅排和硅機組中產(chǎn)生大量的熱量，使試驗場所溫度升高，持續(xù)的大電流還產(chǎn)生電磁噪音，惡化了工作條件和測試的準確度。=3\*GB3③更換組件時，缺少足夠的資料依據(jù)來選擇替換的組件當被試硅機組的均流系數(shù)不符合要求，需要更換組件時，選擇被更換的組件和替換組件，都缺少足夠的較為科學的資料依據(jù)，使組件的更換帶有一定程度的盲目性，而延長了檢修時間。2.4.2新型硅機組均壓均流試驗裝置的特點=1\*GB3①采用脈沖工作方式，試驗變壓器容量小，試驗耗電大為減少。本試驗裝置在試驗時，向被試硅機組輸出一個正弦半波電壓，與整流組件在正常工作時導通條件相同。一臺機車(SS3型)2臺硅機組的均流試驗，總計通電時間僅需3秒左右，耗電和發(fā)熱將大大減小，由于每次通電時間極短對配電系統(tǒng)的影響甚微。=2\*GB3②利用DSP的模數(shù)轉換模塊ADC進行數(shù)據(jù)采集，測試自動化程度較高，測試資料的實時性較好，測試精度得以提高，測試速度快，耗時少。=3\*GB3③采用DSP進行數(shù)據(jù)處理和輸出，可自動計算和輸出被測硅機組的均壓均流系數(shù)：在積累了一定的測試資料后，還可給出更換組件的提示(包括更換的組件號和對均流、均壓系數(shù)不符合要求的支路組件參數(shù))。=4\*GB3④可為更換組件提供需要的參數(shù)均流試驗中，在測量支路電流時，可同時測量該支路各組件的通態(tài)第二章整流柜及其均壓均流測試PAGEPAGE59壓降，并利用計算機對硅機組的組件網(wǎng)絡進行故障診斷分析，為更換組件提供必要的參數(shù)依據(jù)。=5\*GB3⑤為電力機務段機車維修的微機管理和硅機組的狀態(tài)修創(chuàng)造了條件可方便地建立硅機組檢修數(shù)據(jù)文件，便于與機務段的微機管理系統(tǒng)銜接。在建立了較為完善的段內硅機組檢修數(shù)據(jù)庫的基礎上，可根據(jù)每次段修積累的資料，觀察組件參數(shù)的變化，參照有關的電力半導體器件的失效判據(jù)，了解和判定各組件的技術狀態(tài)。使機務段能隨時查看硅機組的技術狀態(tài)，為預防故障狀態(tài)修創(chuàng)造了條件。=6\*GB3⑥還可根據(jù)用戶要求，增設功能。由于本設備具有上述諸多的優(yōu)點，因此使用新型均壓、均流試驗裝置無疑是給機務段提供了一套便捷而又經(jīng)濟的測試設備，隨著本設備的使用，各機務段必將在硅機組的檢修和運用方面提高一個檔次，大量節(jié)省人力和物力資源，完善測試手段，縮短檢修時間，減少元器件的損耗，同時降低了硅機組的故障率。[5]第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計PAGEPAGE59第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計3.1總體方案的設計3.1.1試驗系統(tǒng)測試方案按照傳統(tǒng)的方法為了建立均壓、均流測試環(huán)境，需要在整流器內部通過上千安培的電流，并且有上千伏的電壓，如果按照機車實際，直接給牽引電機供電，則需要幾千瓦的能量，這是不切實際的，既耗費人力能量，又不可能提供如此大的負載，還增加不安全因素。在國際上，前蘇聯(lián)在1983年在變電所的變流機組的均流、均壓狀態(tài)檢測中，采用了新型脈沖供電方式，但提供的脈沖大電流不是工頻正弦電流，因此，使硅機組在試驗過程和使用過程中的導通情形大相徑庭，參數(shù)采用峰值電壓表。1991年前蘇聯(lián)又相繼在機車整流裝置的檢測中采用了脈沖方式電源，但它主要是為了檢測硅元件的反向漏電流，用于元件的故障診斷和失效預測。而用脈沖方式測量元件特性的儀器和設備，國內已有不少單位早已研制和開發(fā)，并已經(jīng)形成正式產(chǎn)品。用計算機進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術發(fā)展已相當成熟，在國內也早已在很多領域中得到應用。因此,本系統(tǒng)的均壓、均流測試裝置采用脈沖電源、基于DSP的均壓、均流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機及相關軟件。構成了一套完整的硅機組均壓、均流試驗和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，具有一定的先進性和實用性。我們采用脈沖工作方式，以降低試驗變壓器容量，減少試驗耗電量。即在試驗時，向被試驗硅機組輸出一個正弦半波電壓，與整流組件在正常工作時的導通條件相同。一臺機車(SS3B型)2臺硅機組的均流試驗，總計通電時間僅需3秒左右，耗電和發(fā)熱將大大減小，每次通電時間極短(10ms)對配電系統(tǒng)的影響甚微。采用基于DSP的均壓、均流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有利于提高數(shù)據(jù)采集的精度和實時性。[6]3.1.2均壓、均流試驗系統(tǒng)的組成試驗系統(tǒng)主要由電源單元（包括均流電源和均壓電源）、觸發(fā)控制單元、霍爾電流傳感器和霍爾電壓傳感器、數(shù)字信號處理器（DSP）、顯示器及打印機組成?；究驁D，如圖3-1所示。第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計PAGEPAGE59圖3-1測試系統(tǒng)原理框圖Fig.3-1principleschematicoftestsystem一、電源單元均流電源的輸入輸出特性如下：(1)輸入：電壓(交流50Hz)380V最大電流(交流50Hz)200A(2)輸出：最大輸出電流(峰值)4800A空載電壓(脈沖)21V額定輸出電壓(脈沖)12V均壓電源的輸入輸出特性如下：(1)輸入：電壓(交流50Hz)380V最大電流(交流50Hz)3A(2)輸出：最大輸出電壓(峰值)3300V最大輸出電流(峰值)200mA二、觸發(fā)控制單元(1)電源電壓(工頻)220V(2)脈沖輸出單元輸出合格脈沖信號三、信號采集與轉換單元(采用電流傳感器和電壓傳感器采集)第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計PAGEPAGE59(1)電流信號信道4路(可根據(jù)用戶要求設計)最大量程1000A／路(2)電壓信號信道2路(可根據(jù)用戶要求設計)最大量程1000V／路四、DSP信號處理系統(tǒng)(1)數(shù)據(jù)采集處理子模塊(2)串行通信子模塊(3)接口電路3.2電源單元的設計由于本測試系統(tǒng)是采用間隙式脈沖高壓、大電流測試硅機組均流均壓系數(shù)的技術進行均壓、均流測試，即要求在進行均壓測試時向被測支路輸入間隔為3秒鐘的高壓半正弦波，即要求在進行均流測試時向被測支路輸入間隔為3秒鐘的大電流半正弦波，所以為了能夠實現(xiàn)每隔3秒鐘向被試硅機組輸出一個如圖3－2所示的半正弦波的目的，可以利用555定時器設計專門的觸發(fā)電路，對均壓電源和均流電源的可控硅進行適當控制，具體的觸發(fā)電路將在后文中作詳細說明。圖3-2延時三秒輸出脈沖Fig.3-2delay3secondoutputimpulse為了能夠方便地進行均壓測試和均流測試，在本系統(tǒng)的硬件設計部分設計了如圖3－3所示的均壓、均流主電路。具體功能為：當按下均壓測試開關QA1時，均壓電路導通并使相應的指示燈亮，而且可以通過ZJ1接到的蜂鳴器發(fā)出聲音，此時可以進行硅機組的均壓測試，與此同時均流測試的開關QA2將失去作用并使均流電路保持斷路，給均壓電路中的晶閘管輸入觸發(fā)脈沖后，通過分壓電阻將均壓測試電源電壓調節(jié)在適合作均壓測試的位置，即保證有電壓為3300V電流為200mA的高電壓小電流的均壓電源輸出；同樣當按下均流測試開關QA2時，均流電路導通并使相應的指示燈亮，而且可以通過ZJ2接到的蜂鳴器發(fā)出聲音，此時可以進行硅機組的均流測試，與此同QA1將失去作用并使均壓電路保持斷路第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計PAGEPAGE59，給均流電路中的晶閘管輸入觸發(fā)脈沖后，通過限流電阻將均流測試電源電流調節(jié)在適合作均流測試的位置，即保證有電壓為12V最大電流為4800A低電壓大電流的均流電源輸出。圖3-3主電路圖Fig.3-3maincircuitschematic3.2.1硅機組的均流測試本測試系統(tǒng)以SS3B三段順控橋車型的為測試對象，由于一個整流柜就是一個三段順控橋，所以一般可以將這些車的變流裝置直接按照橋式整流接線，只要將三段順控橋的輸出短接即可。測試電路如圖3-4所示:第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計PAGEPAGE59圖3－4SS3B型機車均流試驗接線圖Fig.3-4SS3Blocomotiverectifiercurrentsharetestconnectgraph在測試時可以把大電流變壓器輸出端接在al-xl端，測量Dl,D2,T1,T2各管的均流情況，這時，由于三段順控橋的輸出短接(1,3或2,4號線短接)。進行上述測量時，D3,D4管將達到續(xù)流的作用。再改接到a2-x2端，測量D3,D4,T3,T4各管的均流情況，這時Dl,D2管將起到續(xù)流的作用。在上述接線下進行SS3B型機車試驗時，總電流額定值為1650A(2400A),單管電流額定值為250A,警戒值為300A。進行SS3B型機車試驗時，一次可以測量4個橋臂的12條支路均流情況(將1~12號測試傳感器分別夾在待測的支路上)，一個柜子共有10個橋臂，需要測量3次(即前兩次每次測量4個橋臂，最后一次測量2個橋臂，且最后一次測量只用到1-s號測試傳感器)。在實際工作中，主要關注支路中最大電流是否超標，所以我們一般按照式3-1進行計算，即以最大電流支路計算的均流系數(shù)為準。(3-1)式中——并聯(lián)橋臂均流系數(shù)；——各并聯(lián)支路的電流之和(A)；——并聯(lián)支路數(shù)；——通過最大電流支路的電流(A)。3.2.2硅機組的均壓測試對于電力機車的整流柜,為了提高整流柜的電壓等級,電力半導體器件(二極管、晶閘管)常常進行串聯(lián)，對于這種具有晶閘管和整流管串聯(lián)的裝置為了使串聯(lián)的電力半導體器件承受的電壓分配均勻,必須對其進行均壓，所以應該測量管子之間的均壓系數(shù)。例如在進行SS3B型機車的試驗時，一般需要將一個柜的兩個橋臂接成對接方式，然后把高壓交流電源加在兩個橋臂的尾部，即可分別測量兩個橋臂的均壓。如圖3-5所示：第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計PAGEPAGE59圖3-5SS3B型機車整流柜均壓試驗接線圖Fig.3-5SS3Blocomotiverectifiervoltagesharetestconnectgraph在此測試系統(tǒng)的電壓檢測當中，設計為一次可以測試多個晶閘管兩端的電壓，比如根據(jù)需要可以一次只測2個或4個或6個晶閘管兩端的電壓。在實際工作中，主要關注支路中最大電壓是否超標，所以我們一般按照式3-2進行計算，即以最大電流支路計算的均壓系數(shù)為準。即：(3-2)式中——串聯(lián)支路均壓系數(shù)；——支路串聯(lián)組件的電壓(V)；——串聯(lián)支路數(shù)；——承受最大電壓組件的電壓(V)。K值越大，說明牽引整流裝置的均壓效果越好，在正常運行的情況下整流組件的可靠性越高。3.3觸發(fā)電路的設計3.3.1被測可控硅的觸發(fā)電路可控硅的是一種能在高電壓、大電流條件下工作，具有耐壓高、容量大、體積小等優(yōu)點，它是大功率開關型半導體器件。只有當可控硅陽極A與陰極K之間加有正向電壓，同時控制極G與陰極間加上所需的正向觸發(fā)電壓時，方可被觸發(fā)導通。此第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計PAGEPAGE59時A、K間呈低阻導通狀態(tài)，陽極A與陰極K間壓降約1V。單向可控硅導通后，控制器G即使失去觸發(fā)電壓，只要陽極A和陰極K之間仍保持正向電壓，單向可控硅繼續(xù)處于低阻導通狀態(tài)。只有把陽極A電壓拆除或陽極A、陰極K間電壓極性發(fā)生改變（交流過零）時，單向可控硅才由低阻導通狀態(tài)轉換為高阻截止狀態(tài)。單向可控硅一旦截止，即使陽極A和陰極K間又重新加上正向電壓，仍需在控制極G和陰極K間有重新加上正向觸發(fā)電壓方可導通。單向可控硅的導通與截止狀態(tài)相當于開關的閉合與斷開狀態(tài)，用它可制成無觸點開關。所以必須通過合適的觸發(fā)脈沖的觸發(fā)才能對可控硅進行測試，為此本系統(tǒng)設計了如圖3-6所示的單脈沖觸發(fā)電路觸發(fā)被測可控硅，以滿足測試需要。圖3-6被測可控硅觸發(fā)電路Fig.3-6thetestedthyristorflip-flopcircuitgraph3.3.2脈沖電源觸發(fā)電路根據(jù)測試系統(tǒng)對電路具體的觸發(fā)要求以及如上所述的可控硅的工作特點，設計了脈沖電源觸發(fā)電路原理圖如圖3-7所示。在此原理圖中采用555定時器每間隔3秒產(chǎn)生一個固定的脈沖來定時觸發(fā)圖中的主電路中的可控硅，從而使得脈沖變壓器導通從而實現(xiàn)均壓、均流試驗臺測試時晶閘管的導通與關斷，使其每隔3秒能夠輸出半工頻脈沖，以滿足對整流柜的測試需要。第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計PAGEPAGE59圖3-7脈沖電源觸發(fā)電路Fig.3-7impulsepowersupplyflip-flopcircuitgraph3.4信號采樣與轉換由于本試驗采用的是半工頻脈沖，頻率是50Hz,周期為0.02s，因為是半工頻脈沖，其周期為10ms，若在10ms采樣100點，則采樣頻率為10kHz，如果對四路均流信號進行采樣，就要在10ms內采400個數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)的采樣間隔為25us，若是對兩路均壓信號進行采樣對速度的要求更低，所以通過對本系統(tǒng)所采用的TMS320LF2407A芯片的事件管理器模塊（EVA或EVB）中的相應定時器的周期寄存器的設置，確定采樣頻率，模擬信號經(jīng)處理后送入DSP內部的ADC模塊，其采樣頻率為10kHz，TMS320LF2407A芯片的性能完全能夠在采樣頻率上滿足被測試對象在速度上的要求。3.5霍爾傳感器3.5.1霍爾電壓電流傳感器概述霍爾器件是一種磁傳感器。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用?；魻柶骷曰魻栃獮槠涔ぷ骰A。按照霍爾傳感器的功能可將它們分為：第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計PAGEPAGE59霍爾線性器件和霍爾開關器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量。按照霍爾傳感器應用大致分為：直接應用和間接應用?；魻杺鞲衅骶哂性S多優(yōu)點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及煙霧等的污染或腐蝕。

霍爾線性傳感器的精度高、線性度好；霍爾開關傳感器無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高（可達μm級）。其中取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍可以很寬，可達－55℃～150℃。直接應用是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，其中最具特色的當推是霍爾電流、電壓類傳感器/變送器，它們已成為當今電子測量領域中應用最多的傳感器件之一，是測量控制電流、電壓的新一代工業(yè)用電量傳感器，是一種新型的高性能電氣隔離檢測組件，被廣泛用于電力、電子、交流變頻調速、逆變裝置、電子測量和開關電源等諸多領域以及逆變焊機，發(fā)電及輸變電設備，電氣傳動，數(shù)控機床等工業(yè)產(chǎn)品上，它正在逐步替代傳統(tǒng)的互感器和分流器，并具有精度高、線性好、頻帶寬、響應快、過載能力強和不損失測量電路能量等優(yōu)點。間接應用是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來做被檢測的信息的載體，通過它，將許多非電、非磁的物理量電量來進行檢測和控制。[7]3.5.2霍爾傳感器工作原理普通的電流傳感器在體積上和電參數(shù)上都不適合作DSP檢測系統(tǒng)的傳感器檢測組件。由于霍爾組件具有體積小、靈敏度高、溫漂小等特點，是理想的電流傳感組件。由其制成的霍爾電流傳感器具有很好的電隔離性能和抗震動沖擊性能，并且具有響應速度快、頻率范圍寬、測量范圍廣、測量精度高的優(yōu)點，廣泛應用于測量直流、交流、脈沖電流以及各種不規(guī)則波形的電流?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃獙崿F(xiàn)磁電轉換的一種傳感器。將一塊半導體薄片置于磁場中，如果在它相對的兩邊通以控制電流，且磁場方向與電流方向正交，則在半導體的另外兩邊將產(chǎn)生一個與控制電流和磁場感應強度乘積成正比的電勢，這一現(xiàn)象就是霍爾效應?；魻杺鞲衅髦饕苫魻柦M件、恒流源、線性放大器組成?；魻柦M件是一種半導體四端薄片，將霍爾組件置于磁感應強度為B的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當垂直于磁場方向的電流流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢，可表示為：EH=KHIB(4-1)式中EH——霍爾電勢；KH——霍爾組件靈敏度；I——激勵電流；B——磁感應強度。第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計PAGEPAGE59當激勵電流由恒流源控制時，I為常數(shù)，霍爾組件感受到被測電流引起的磁感應強度B的變化，從而引起霍爾電勢的變化，霍爾電勢經(jīng)放大器放大輸出作為檢測信號輸入DSP。電壓傳感器與電流傳感器具有同樣的工作原理,主要區(qū)別在于電壓傳感器的一次側繞組與限流電阻串聯(lián)后與被測電壓并聯(lián)。[8]3.5.3霍爾傳感器接線圖當進行均壓測試時的電壓傳感器接線圖，根據(jù)所測電壓大小的不同,用戶可根據(jù)需要在被測電壓一端串接一個電阻R后再接到傳感器的原邊,串接電阻R的大小由下式?jīng)Q定：R=VP/IIN-RIN式中R為串聯(lián)電阻,Vp為被測電壓,IIN為額定輸入電流,RIN為傳感器的原邊內阻。串接電阻功率大小由W=Vp*IIN確定。電壓傳感器的輸出端的應用接線方法與磁平衡式電流傳感器相同,電壓傳感器的接線方法如圖3-8所示。圖3-8電壓傳感器接線圖Fig.3-8voltagesensorconnectgraph電壓傳感器一般有5個接線端子,其中“+HT”、“-HT”為原邊分別接被測電壓輸入端的正極和負極。另外4個端子為負邊端子,“+”端接+15V電源,“-”端接-15V電源，“OUT”端為信號輸出端，公共端接地。[9][10]在本測試系統(tǒng)中各支路的電壓通過電壓傳感器按照如圖3－9的接線方法，將模擬的電壓量傳送出。而OUT端出來的信號是5V的，高于DSP3.3V的工作電壓，所以應該先將電壓降低，再接入DSP芯片的ADCIN引腳，從而完成模擬電壓量的采集，通過DSP的ADC模塊將其轉變?yōu)閿?shù)字量，并通過本系統(tǒng)設計的軟件進行均壓系數(shù)的計算。第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計PAGEPAGE59圖3-9均壓測試時電壓傳感器接線圖Fig.3-9voltagesharetestvoltagesensorconnectgraph在試驗過程中發(fā)現(xiàn)直接從傳感器信號端出來的正向電壓和反向電壓信號并不是理想的半正弦波，為了能夠使輸出信號變成易于處理的半正弦波，設計了正向、反向電壓處理電路接到電壓傳感器的輸出端。由于正向電壓信號處理電路和反向電壓信號處理電路是相同的，只是處理對象不同，在此僅列出正向電壓信號處理電路，如圖3-10所示。圖3-10正向電壓信號處理電路Fig.3-10forwardvoltagesignalprocessingcircuitgraph當進行均流測試時的電流傳感器接線圖電流傳感器的接線方法如圖3－7所示。電流傳感器一般有4個接線端子,其中“+”端接+15V電源,“-”端接-15V電源，“OUT”端為信號輸出端，“GND”端接地。IX為穿心輸入的被測電流。第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計PAGEPAGE59圖3－11電流傳感器接線圖Fig.3-11currentsensorconnectgraph在本測試系統(tǒng)中各支路的電流通過電流傳感器按照如圖3-12所示的接線方法，將模擬的電流量傳送出去，經(jīng)放大器放大后，接入DSP芯片的ADCIN引腳，從而完成模擬電流量的采集，通過DSP的ADC模塊將其轉變?yōu)閿?shù)字量，并通過本系統(tǒng)設計的軟件進行均流系數(shù)的計算。[11]圖3-12電流傳感器接線圖Fig.3-12currentsensorconnectgraph與均壓測試過程一樣，在測試過程中直接從電流傳感器信號端出來的信號并不是理想的半正弦波，為了能夠使輸出信號變成易于處理的半正弦波，設計了一個通道電流處理電路接到電流傳感器的輸出端，如圖3-13所示圖3-13通道電流信號處理電路第三章均壓、均流試驗系統(tǒng)主電路的設計PAGEPAGE59Fig.3-13accesscurrentsignalprocessingcircuit第四章基于DSP的信號采集與處理系統(tǒng)硬件設計PAGEPAGE59第四章基于DSP的信號采集與處理系統(tǒng)硬件設計本測試系統(tǒng)以TI公司的TMS320LF2407A芯片為核心，輔以相應的外部電路，完成電壓信號、電流信號的采集和處理，并通過SCI模塊將處理結果輸出。包括DSP芯片及其外圍器件，電壓電流模擬量輸入，均壓均流系數(shù)輸出和顯示等部分。下面將具體說明基于DSP的信號采集與處理系統(tǒng)各部分的構成。4.1DSP芯片概述DSP芯片，即數(shù)字信號處理芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應用是實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片除了具有接口方便、穩(wěn)定性好、編程方便、精度高、可重復性好、集成方便等特性外，與一般單片機相比，還有以下特點：1.在一個指令周期內可完成一次乘法和一次加法；2.程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)；3.片內具有快速RAM，通常可通過獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問；4.具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉的硬件支持；5.快速的中斷處理和硬件I/O支持；6.具有在單周期內操作的多個硬件地址產(chǎn)生器；7.可以并行執(zhí)行多個操作；8.支持流水線操作，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以并行執(zhí)行。與通用微處理器相比，DSP芯片的其他通用功能相對較弱些，比如單片機和DSP相比各有特點，前者控制功能強，后者數(shù)字信號處理能力強。但是，近年來新推出的DSP芯片已經(jīng)將通用微處理器的一些功能集成在芯片中，DSP芯片已經(jīng)可以實現(xiàn)普通微處理器的功能。[11]因為DSP有強大的運算功能和高速的傳輸數(shù)據(jù)能力，能方便地處理以運算為主的實時信號，所以DSP對于數(shù)字信號的數(shù)字濾波、FFT/DFT、相關運算、譜分析、卷積等預算的針對性應用能力，使得在下列領域都有極優(yōu)秀的表現(xiàn)：1.語音處理：語音信箱、語音識別、語音鑒別、語音合成、文字變聲音、語音矢量編碼等。2.通訊：高速調制解調器、編\譯碼器、傳真、蜂窩移動電話、數(shù)字留言機、語音信箱、回音消除、噪音對消、電視會議、擴頻通信等。3.儀器儀表與測量：數(shù)據(jù)采集、暫臺分析、模態(tài)分析、譜分析。4.工業(yè)控制：電機控制、發(fā)電機控制、電梯控制、航海、交通控制、硬盤驅動器伺服控制系統(tǒng)、振動分析等。5.醫(yī)用電子：心電圖/腦電圖、核磁共振、血液分析、X－射線斷層掃描等、助聽器。6.增強、動畫、電子地圖。桌面出版系統(tǒng)。高清晰電視等。[12]4.1.1DSP芯片的分類DSP芯片可以按照下列三種方式進行分類。第四章基于DSP的信號采集與處理系統(tǒng)硬件設計PAGEPAGE591.按基礎特性分這是根據(jù)DSP芯片的工作時鐘和指令類型來分類的。如果在某時鐘頻率范圍內的任何時鐘頻率上，DSP芯片都能正常工作，除計算速度有變化外，沒有性能的下降，這類DSP芯片一般稱為靜態(tài)DSP芯片。例如，日本OKI

電氣公司的DSP芯片、TI公司的TMS320C2XX系列芯片屬于這一類。如果有兩種或兩種以上的DSP芯片，它們的指令集和相應的機器代碼機管腳結構相互兼容，則這類DSP芯片稱為一致性DSP芯片。例如，美國TI公司的TMS320C54X就屬于這一類。

2.按數(shù)據(jù)格式分這是根據(jù)DSP芯片工作的數(shù)據(jù)格式來分類的。數(shù)據(jù)以定點格式工作的DSP芯片稱為定點DSP芯片，如TI公司的TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X、TMS320C54X/C62XX系列，AD公司的ADSP21XX系列，AT&T公司的DSP16/16A，Motorola公司的MC56000等。以浮點格式工作的稱為浮點DSP芯片，如TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X，AD公司的ADSP21XXX系列，AT&T公司的DSP32/32C，Motorola公司的MC96002等。

不同浮點DSP芯片所采用的浮點格式不完全一樣，有的DSP芯片采用自定義的浮點格式，如TMS320C3X，而有的DSP芯片則采用IEEE的標準浮點格式，如Motorola公司的MC96002、FUJITSU公司的MB86232和ZORAN公司的ZR35325等。

3.按用途分按照DSP的用途來分，可分為通用型DSP芯片和專用型DSP芯片。通用型DSP芯片適合普通的DSP應用，如TI公司的一系列DSP芯片屬于通用型DSP芯片。專用DSP芯片是為特定的DSP運算而設計的，更適合特殊的運算，如數(shù)字濾波、卷積和FFT，如Motorola公司的DSP56200，Zoran公司的ZR34881，Inmos公司的IMSA100等就屬于專用型DSP芯片。4.1.2DSP系統(tǒng)的設計過程總的來說，DSP芯片有非常好的正規(guī)設計方法。圖4-1是DSP系統(tǒng)設計的一般過程。從流程圖可知，在設計DSP系統(tǒng)時首先必須根據(jù)應用系統(tǒng)的目標確定系統(tǒng)的性能指標。其次是根據(jù)系統(tǒng)運算量的大小、對運算精度的要求、系統(tǒng)成本限制以及體積功耗等要求選擇合適的DSP芯片。第四章基于DSP的信號采集與處理系統(tǒng)硬件設計PAGEPAGE59圖4-1DSP系統(tǒng)開發(fā)流程圖Fig.4-1DSPsystemdevelopflowsheet選擇DSP芯片是DSP系統(tǒng)設計過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)。只有選定了DSP芯片才能進一步設計其外圍電路及系統(tǒng)的其它電路。DSP芯片的選擇應該根據(jù)實際的應用系統(tǒng)需要而確定。不同的DSP應用系統(tǒng)由于應用場合、應用目的等不盡相同，對DSP芯片的選擇也是不同的。一般而言，選擇DSP芯片時應考慮如下諸多因素。系統(tǒng)中DSP的選用在對系統(tǒng)的應用和需求有了全面的了解之后,開始選擇器件,這將對產(chǎn)品設計周期的各個方面帶來很大的影響。根據(jù)具體需要考慮不同DSP芯片的性能指標,主要包括以下幾個方面。1.DSP芯片的運算速度。運算速度是DSP芯片的一個最重要的性能指標，也是選擇DSP芯片時所需要考慮的一個主要因素。DSP芯片的運算速度可以由以下各個指標來確定。指令周期:即執(zhí)行1條指令所需的時間,通常以ns為單位；MAC時間:即1次乘法加上1次加法的時間。大部分DSP芯片可在1個指令周期內完成一次乘法和加法操作；FFT執(zhí)行時間:即運行1個N點FFT程序所需的時間。由于FFT運算涉及的運算在數(shù)字信號處理中很有代表性,因此FFT運算時間常作為衡量DSP芯片運算能力的一個指標；MIPS:即每秒執(zhí)行百萬條指令；MOPS:即每秒執(zhí)行百萬次操作；MFLOPS:即每秒執(zhí)行百萬次浮點操作；第四章基于DSP的信號采集與處理系統(tǒng)硬件設計PAGEPAGE59BOPS:即每秒執(zhí)行十億次操作。2.DSP芯片的運算精度。一般的定點DSP芯片的字長為16位,如TMS320系列。浮點芯片的字長一般為32位,累加器為40位。浮點處理器能夠以數(shù)字值處理龐大的變量而依然提供極其精確的結果,且C語言編程調試方便,但是價錢較貴。定點處理器價格便宜,功耗低,占用硅資源比較少,但動態(tài)變化范圍比較小。3.DSP芯片的硬件資源。不同的DSP芯片所提供的硬件資源是不相同的,如片內RAM、ROM的數(shù)量,外部可擴展的程序和數(shù)據(jù)空間、總線接口以及I/O接口等。即使是同一系列的DSP芯片,不同DSP芯片也具有不同的內部硬件資源,可以適應不同的需要。4.DSP芯片的開發(fā)工具。在DSP系統(tǒng)的開發(fā)過程中，開發(fā)工具是必不可少的。如果沒有開發(fā)工具的支持，要想開發(fā)DSP系統(tǒng)幾乎是不可能的。如果有功能強大的開發(fā)工具的支持，如C語言支持，則開發(fā)的時間大大縮短。浮點型DSP比定點型DSP較易實現(xiàn)編程,在進行產(chǎn)品開發(fā)時,如果產(chǎn)品的開發(fā)周期很短,在選擇芯片時浮點型優(yōu)于定點型。所以，在選擇DSP芯片的同時必須注意其開發(fā)工具的支持情況，包括軟件和硬件的開發(fā)工具。5.DSP芯片的價格。DSP芯片的價格也是選擇DSP芯片所需考慮的一個重要因素。如果采用價格昂貴的DSP芯片，即使性能再高,其應用范圍肯定會受到一定的限制。因此根據(jù)實際系統(tǒng)的應用情況,需確定一個價格適中的DSP芯片。當然，由于DSP芯片的發(fā)展迅速，DSP芯片的價格往往下降較快，因此在開發(fā)階段選用某種價格稍貴的DSP芯片，等到系統(tǒng)開發(fā)完畢，其價格可能已經(jīng)下降很多了。6.DSP芯片的功耗。在某些DSP應用場合，功耗也是一個需要特別注意的問題。除了上述因素外,選擇DSP芯片還應考慮到封裝的形式、質量標準、供貨情況、生產(chǎn)周期等。[14]在完成上述兩步操作之后，接下來就可以設計實時DSP系統(tǒng)了，DSP系統(tǒng)的設計包括硬件設計和軟件設計兩個方面。硬件設計主要是設計DSP芯片的外圍電路及其它電路；軟件設計和編程主要根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的DSP芯片編寫相應的DSP程序。DSP硬件和軟件設計完成后，就需要進行硬件和軟件的調試。軟件的調試一般借助于DSP開發(fā)工具，如軟件模擬器、DSP開發(fā)系統(tǒng)或仿真器等。調試DSP算法時一般采用對實時結果和模擬結果進行比較的方法，如果實時程序和模擬程序的輸入相同，則兩者的輸出應該一致。系統(tǒng)其他軟件的調試可以根據(jù)實際情況進行。硬件調試一般采用硬件仿真器進行，如果沒有相應的硬件仿真器，且硬件系統(tǒng)不是十分復雜，也可以借助一般的工具進行調試。系統(tǒng)的軟件和硬件分別調試完成后，就可以將軟件脫離開發(fā)系統(tǒng)而直接在應用系統(tǒng)上運行。當然，DSP系統(tǒng)的開發(fā)，特別是軟件的開發(fā)是一般需要反復進行的過程，雖然通過算法模擬基本上可以知道實時系統(tǒng)的性能，但時間上模擬環(huán)境不可能做到與實時系統(tǒng)環(huán)境完全一致，而且將模擬算法移植到實時系統(tǒng)時必須考慮算法是否能夠實時運行的問題。如果算法運算量太大不能在硬件上實時運行，則必須重新修改或簡化算法。[15]4.2TMS320LF240x芯片的特點4.2.1TMS320系列DSP芯片的概況第四章基于DSP的信號采集與處理系統(tǒng)硬件設計PAGEPAGE59TMS320系列包括：定點、浮點、多處理器數(shù)字信號處理器和定點DSP控制器。TMS320系列DSP的體系結構專為實時信號處理而設計，該系列DSP控制器將實時處理能力和控制器外設功能集于一身，為控制系統(tǒng)應用提供了一個理想的解決方案。以下特性使得TMS320系列芯片成為很多信號處理及控制應用的理想選擇：(1)靈活的指令集；(2)內部操作靈活性；(3)高速的運算能力；(4)改進的并行結構；(5)有效的成本；目前TI公司主推的DSP有：TMS320C2000、TMS320C5000、TMS320C6000等三大系列,TI也稱之為三個平臺（Platform）。TMS320系列同一產(chǎn)品系列中的器件具有相同的CPU結構，但片內存儲器和外設的配置不同。派生的器件集成了新的片內存儲器和外設，以滿足不同的需求。通過將存儲器和外設集成到控制器內部，TMS320器件降低了系統(tǒng)成本，節(jié)省了電路板空間，提高了系統(tǒng)的可靠性。TMS320C2000平臺，包含16位C24xx和32位C28xx的定點DSP。C2000針對控制領域做了優(yōu)化配置，集成了了眾多的外設，適合逆變器、馬達、機器人、數(shù)控機床、電力等應用領域。TMS320C5000平臺，包含代碼兼容的定點C54x和C55x。其提供性能、外圍設備、小型封裝和電源效率的優(yōu)化組合，適合便攜式上網(wǎng)、語音處理及對功耗有嚴格要求的地方。TMS320C6000平臺，包含定點C62x和C64x以及浮點C67x。其追求的是至高性能，適合寬帶網(wǎng)絡、圖像、影像、雷達等處理應用。由于C2000定位在控制領域，其包含了大量片內外設，如IO、SCI、SPI、CAN、A/D等等。這樣C2000既能作為快速微控制器（單片機）來控制對象，也能作為DSP來完成高速數(shù)字信號處理，DSP的高性能與通用微控制器的方便性緊密結合在一起，所以C2000也常被稱為DSP控制器?？梢姳鞠到y(tǒng)設計采用C2000系列是能夠滿足設計要求的。4.2.2TMS320C2000系列DSP芯片的基本結構一、哈佛結構哈佛結構是不同于傳統(tǒng)的馮·偌依曼結構的并行體系結構，其主要特點是將程序和資料存儲在不同的存儲空間中，即程序內存和數(shù)據(jù)存儲器是兩個相互獨立的內存，每個內存獨立編址、獨立訪問。與兩個內存相對應的是系統(tǒng)中設置了程序總線和數(shù)據(jù)總線兩條總線，減輕了程序運行時的訪存瓶頸，使資料吞吐率提高了一倍。例如最常見的卷積運算中,一條指令同時