ARM設(shè)計(jì)的等精度測頻技術(shù)在機(jī)組轉(zhuǎn)速測控中的應(yīng)用

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。

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)，是對被測信號在閘門時(shí)間(T—Nfo，N 個(gè)基準(zhǔn)信號脈沖的時(shí)間)內(nèi)的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)(計(jì)數(shù)值為M)，被測信號的頻率為，誤差為

另一種是測周法(T法)，是在被測信號一個(gè)周期內(nèi)對基準(zhǔn)脈沖計(jì)數(shù)(計(jì)數(shù)值為N)，被測信號的頻率為， 誤差為。

其中，為基準(zhǔn)信號頻率準(zhǔn)確度，通?？蛇_(dá) ；對于測頻法，在相同的閘門時(shí)間內(nèi)，對于任意的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，測頻法只對高頻信號有較好的測量精度；對于測周法，隨著被測頻率．f 增大，N 越小，誤差越大，因此測周法只對低頻信號有較好的測量精度。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。

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??? 設(shè)置2個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器1對被測信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器2對基準(zhǔn)信號進(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基準(zhǔn)信號的計(jì)數(shù)存在±1誤差引起的。因此可以看出，基準(zhǔn)信號頻率越高，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)信號頻率，可使測量能夠在全頻段實(shí)現(xiàn)高精度的快速測量。

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。被測信號通過硬件整形電路變成與其頻率一致的方波信號，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)信號和齒盤機(jī)械脈沖信號2種信號類型同時(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。

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??? 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。

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??? 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

??? 等精度測量方法與傳統(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。