开关控制

开关控制（精选12篇）

开关控制 篇1

引言

本文通过对开关磁阻电机分析, 提出通过对SRM转矩特性分析提出通过磁链幅值和矢量速度有效控制电机转矩的方法。结果表明, 这种控制策略可有效简便地抑制SRM转矩脉动。

一、开关磁阻电机的结构及运行原理

开关磁阻电机是一种定子单边激励, 定、转子两边均为凸极结构的磁阻电机。由于定子电流有变频电源供电, 电机必须在特定的开关模式下工作, 所有通常称为“开关磁阻电机”。其调速系统由以下部分组成:控制器、功率变换器、双凸极磁阻电机和转子位置检测器。

1. 开关磁阻电机结构

开关磁阻电机的电机结构:SRM由定子、转子构成双凸极铁心结构, 由普通硅钢片或其它导磁材料叠压成定、转子的凸极。转子上装有位置检测器, 没有线圈。定子的每个齿极都有一个集中线圈, 两个径向相对的线圈串联形成一对磁极, 称为“一相”。SRM有多种相数结构, 且定子的齿极数可搭配多种转子的齿极数。目前应用较多的是四相8/6结构及三相6/4结构。

2. 开关磁阻电机运行原理

给SRM当绕组某一相通电, 相绕组中也产生电流, 定子产生磁场, 且磁通总要沿着磁阻最小的路径闭合。由于电磁转矩有磁阻的性质, SRM的转向仅取决于相绕组通电的顺序, 从而简化了功率变换电路。通过改变相绕组的通电顺序来改变SRM转向从而改变电机转向;通过控制相绕组通电电流的大小和通断时间, 可以改变电机的速度和转矩。

3. 开关磁阻电机直接转矩控制

控制和调节电机转速的关键是如何有效的控制和调节电机的转矩。本文采用直接转矩控制方法对开关磁阻电机进行控制, 对转矩直接控制后, 输出相应的电压信号。调节绕组相电压控制更为直接有效, 对转矩脉动和噪声将会有很好的效果。

开关磁阻电机直接转矩控制的的理论基础

(1) 为了最大化地利用定子磁链, 电机的定子磁通向量要保持一个恒定的幅值;

(2) 通过调整定子磁链与转子磁链的相角的方法实现对转矩的直接控制的目的。对于假设 (1) , 开关磁阻电机的直接转矩控制也可以通过选取适当的电压向量来实现。对于假设 (2) , 开关磁阻电机转矩的控制通过控制定子磁链的加、减速实现。

开关磁阻电机的数学模型

(1) 电压方程:定子每相绕组两端的电压, 等于定子电阻压降和因磁链变化而产生的磁阻电势之和, 即:

式中, u、R、i依次是电机定子相电压、相电阻和相电流, θ是电机定、转子的相对位置角, ψ (θ, i) 是电机定子的相绕组磁链。

当忽略相电阻R时, 式 (3-1) 可简写为:

(2) 磁链方程:开关磁阻电机每相绕组磁链与绕组相电流和转子位置角相关, 磁链方程一般可相应表示为电感和电流的乘积:

(3) 机械方程:按照力学定律, 在电动机电磁转矩Te和负载转矩TL作用下的转子机械运动方程:

式中, J--开关磁阻电机的转动惯量

kω--摩擦系数

在某一时间dt内, 传输到磁场的有功功率为磁共能We=Pedt, 其中

一部分要输出给负载转矩, 转换成机械能Wm做功, 另一部分作为磁场能Wf储存在磁场中。我们假设在控制器的一个周期内, 电机的绕组电流恒定不变。并且由于开关磁阻电机的磁饱和性很高, SRM的磁场储能Wf在转子转动时无损失。所以瞬时转矩公式为:

SRM的每相电流通过开关磁阻电机每相绕组的单极性驱动保证都为正值。

对于磁链模型, 由SRM的数学模型及电压的平衡方程可知, 磁链可以写成关于绕组电压和电流的函数, 当忽略相电阻R时, 即

开关磁阻电机电压空间矢量的选择

通过前文的分析可以发现, 电机的定子磁链和转矩可通过电机定子绕组相上的电压空间矢量进行控制。基于不对称半桥型功率变换器, 下面重点分析三相开关磁阻电机电压空间矢量。

对于三相开关磁阻电机, 它的电压矢量有33共27种。另外, 按照“两步换相”法, 也就是电压只能按照+l↔0↔-1的次序进行切换, 而不能直接在+l和-1间切换。按照以上规则, 最终确定开关表如表1所示。

各电压矢量依次相差60°, 分别以6个电压矢量为分界, 将圆周分为6个区, 依次设定为N1到N6, 且每个区为60°。电机在实际运行中, 任意时刻的三相绕组在取得非零电压时, 相对应的功率开关器件的状态只能取上述6种。

电压空间矢量对磁阻电机转矩的作用

这样, 在定子磁链所属的区间内, 根据转矩和磁链的变化情况, 功率开关器件就可通过选择合适的电压矢量实现正确开关状态, 从而把转矩和磁链的波动控制在一定的幅值内。

坐标变换

相互独立的三相磁链矢量可通过正交变换, 即α-β坐标变换合成一个定子磁链矢量, 从而得到电机的磁链幅值和转子位置角。

当α-β坐标系为静止坐标系, 该坐标系是固定在定子上的直角坐标系, 选择A相绕组的轴线为α轴 (实轴) , 从α轴沿旋转磁场方向旋转90作为β轴方向。用坐标变换的方法我们可以很容易得到关系式

幅值和磁链矢量的角度定义为

其中函数arctan 2, 它与反正切函数arctan的功能相同, 只不过arctan值域为[-π/2, π/2], arctan 2的值域为[-π, π]。

在开关磁阻电机的直接转矩控制理论中, 必须有子磁链矢量的空间位置, 才能判断如何选择电压矢量, 从而计算出磁链矢量与α轴的夹角θ。

结论

本文分析开关磁阻电机的仿真模型, 推导开关磁阻电机的基本方程。对直接转矩控制的结构原理, 将直接转矩控制移植到四相开关磁阻电机的方法进行详细的介绍。利用Matlab-Simulink软件中提供的模型及模块对直接转矩控制系统建立数学模型, 结果表明, 直接转矩控制可有效减小转矩脉动, 使电电流、磁链波形光滑平稳, 空间定子磁链运行轨迹为圆形。此方法简单易行, 成本低廉, 可认为是一种较好的控制系统。

摘要：针对开关磁阻电机的一般控制方法 (电流斩波的控制、角度位置的控制和电压的控制) 抑制转矩脉动和降低电机振动噪声有缺陷, 本文将探讨直接转矩控制方法。

关键词：开关磁阻电机,直接转矩控制,空间电压矢量

参考文献

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[6]WANG Mian-hua.Analysis in Start-up performance of SRMBased on Direct Instantaneous Torque Control[J].IEEE TRANSAC-TIONS ONMAGNETICS, 2003, 39 (6) .

开关控制 篇2

电气工程及自动化

开关磁阻电机数字控制系统设计

一、前言

开关磁阻电机结构简单、成本低、容错性高、功率密度高能够高速运行，并且它能方便地实现起动和发电双功能，因此，目前越来越广泛的应用于航空和汽车上的起动／发电系统。开关磁阻电机具有很大的发展潜力。

二、主题

（一）、开关磁阻电机的发展概述

“开关磁阻电机”一词源于美国学者S.A.Nasar

1969年所撰论文，它描述了这种电机的两个基本特征：开关性和磁阻性。20世纪80年代以来，越来越多的学者开始关注开关磁阻电机，并对此进行了大量的研究。美国空军和GE公司联合开发了航空发动机用SRD电机系统，有30KW、270V、最大转速为52000r/min和250KW、270V最大转速为23000r/min两种规格。加拿大、前南斯拉夫在SR电机的运行理论电磁场分析上做了大量研究工作。一些学者还研究了盘式SRM/外转子式SRM、直线式SRM和无位置传感器SRM等新型结构的电机。

1984年开始，我国许多单位先后开展了SR

电机的研究工作且SRM被列入中小型电机“七五”科研规划项目。在借鉴国外经验技术的基础上，我国的SR电机研究技术进展很快。近年来，中国在开关磁阻电机的研发方面取得了很大的进步例如南京航空航天大学开发了

3KW、6KW

及

7.5KW

三套原理样机，电机采用的是风冷形式。但在大功率方面的研究还很少，仅有原理样机方面的仿真。

（二）、开关磁阻电机的优缺点

开关磁阻电机结构简单，性能优越，可靠性高，覆盖功率范围10W~5MW的各种高低速驱动调速系统。使得开关磁阻电机在各种需要调速和高效率的场合均能得到广泛使用（电动车驱动、通用工业、家用电器、纺织机械、电力传动系统等各个领域）。

其结构简单，价格便宜，电机的转子没有绕阻和磁铁。

（1）转矩方向与电流方向无关，只需单方相绕阻电流，每相一个功率开关，功率电路简单可靠，可降低系统成本。

（2）易于实现各种再生制动能力。

（3）定子线圈嵌装容易，热耗大部分在定子，易于冷却，效率高，损耗小，允许有较大的温升。

（4）转子上没有电刷，结构坚固，适用于危险环境，控制灵活。

（5）调速范围宽，控制灵活并且输出效率很高。

（6）电机的绕组电流方向为单方向，控制电路简单，具有较高的经济性和可靠性，转子的转动惯量小，有较高转矩惯量比。

其主要缺点为转矩脉动大、需要根据转子与定子相对位置投励、必须与控制器一同使用才能稳速运行、主接线数随着相数的增多而大量增多。

（三）、基本内容

功率变化器在SRD中占的比重非常的大，因此合理的设计功率变换器是提高SRD性能跟价格的关键之一。从功率变换器与电动机结构匹配、效率高，控制方便，结构简单、成本低的要求出发，一个理想的功率变换器应该具备如下条件：

（1）最少数量的主开关器件；

（2）基数相和偶数相的SR电机都适合用；

（3）所有的电源电压都可以加到相绕阻上；

（4）主开关器件的额定电压接近电动机额定电压；

（5）相绕阻电流变化速度快；

（6）通过主开关器件调制，能够有效的控制相电流；

（7）绕阻磁链减少的同时能够将能量回馈给电源。

具备以上条件的电路有很多。主要有每相只有一个主开关管的电路，据有最少数量主开关器件的功率变换电路。

3.1每相只有一个主开关管的电路

每相只有一个主开关管的电路包括双绕阻功率变换器、采用分裂式直流电源的功率变换器、带储存电容的功率变换器和再生式SR电动机功率变换器。

双绕阻功率变换器要求SR电动机每相有一个二次绕阻与一次绕阻完全耦合器主开关器件装置的额定电压至少是电机绕阻额定值的两倍，因此未能用足主开关器件的额定电压，另一缺点是铜线的利用率低。但是就逆变电路而言它是经济的。

采用分裂式直流电源的功率变换器这种功率变换器中电容量和电源电压的定额将显著增加。为了保证三线电源两侧的负载相等，使上下臂各相工作电压相等，采用这种功率变换器方案只适用于偶数相的SR电机，这种方案对蓄电池供电系统是十分合适的。

带储存电容的功率变换器根据能量回馈电源的方法不同可以有如下几种方案：1、利用谐振回收能量2、利用阻尼回收能量3、利用斩波器回收能量。其各有优缺点。

3.2具有最少数量主开关器件的功率变换器

它是在不对称半桥电路的基础上发展起来的一种新的少主开关器件的功率变换电路它保留了桥式电路的所有优点但所用的每相主开关可以少于两个。但是主开关的工作状态必须根据与其连接的所有相绕阻的电流来决定，所以必须提出对所有相电流独立控制的主开关器件策略，同时SR电机相绕阻接至功率变换器的方式必须加以限定。

电流检测电路用来检测定子绕组的电流大小，将其反馈到控制器中。四相电机可以采取A/C、B/D共用一套电流传感器，SRM功率变化器输出的相电流是单向的，可以用电阻采样，直流电流互感器，霍尔元件采样，磁敏电阻采样。

位置检测的目的是确定转子定子的的相对位置，即要用绝对位置传感器检测定子的相对位置，然后将信号反馈到逻辑控制电路，以确定对应相绕阻。通过电机四相绕阻的不同位置可以判断出转子的相对位子，从而达到检测转子相对位置的目的。

数字控制电路完成象限控制软起动等其他控制功能。通过单片机能实现非常多的控制功能，灵活性好、智能性好，但它也是有缺点的，就是系统响应速度受到单片机速度的影响。

（四）、开关磁阻电动机的数学模型

开关磁阻电动机控制参数多，数学模型十分复杂。为了降低难度，对开关磁阻电动机采用简化、线性化或准线性化的分析方法，以便建立比较准确的开关磁阻电动机的数学模型。考虑了电动机的磁路饱和、涡流、磁滞效应等非线性的所有因素，可以列出一个很精确的数学模型，但是计算复杂很难用于仿真分析。因此，在建立开关磁阻电动机数学模型的时候，要在理论性和实用性上加以折中考虑。为了简化分析，做出如下的假设:

(1)主电路电源的直流电压Us恒定不变；

(2)主开关器件为理想开关，即导通压降为零，关断时流过的电流为零；

(3)忽略所有的功率消耗；

(4)电动机各相参数对称，忽略相间互感；

(5)在一个电流脉动周期内，认为转速恒定。

（五）、开关磁阻电机的应用

作为一种新型调速驱动系统，开关磁阻电机愈来愈得到人们的认可和应用。目前已成功应用于在电动车用驱动系统、家用电器、工业应用、伺服系统、高速驱动、航空航天等众多领域中。下面介绍开关磁阻电机的一些应用实例。

5.1在电动车中的应用

电动车是解决世界能源危机，环境污染等重大难题的理想交通工具，是21世纪的高科技产品之一。目前电动摩托车和电动自行车的驱动电机主要有永磁有刷及永磁无刷两种，然而采用开关磁阻电机驱动有其独特的优势。矩脉动大，噪声大，相对永磁电机而言，功率密度和效率偏低；要使用位置传感器，增加了结构复杂性，降低了可靠性这些是MRD的缺点。

5.2在食品加工机械中的应用

在食品加工机械中，开关磁阻电机显现出其独特的优势：体积小、不烧电机、没有或只有小的齿轮减速比、电机外形设计灵活，适应性好、能够安全停机、速度离散可选或者连续可调、易实现特殊要求的机械特性。开关磁阻电机结构、体积、特性上的优势非常明显，降低了电机成本，提高了产品的可靠性。

5.3在龙门刨床中的应用

龙门刨床是机械行业的一种重要加工机械，其主传动系统的作用是带动工作台实现往返运行。

实践证明，开关磁阻电机的特性特别适合于频繁起制动和换相运行，换相过程起动电流小，只有额定电流的0.5倍，起、制动转矩可调，因而工艺符合要求。轻型龙门刨床以往之所以取较低的速度是由于传动形式所限。当开关磁阻电机能满足提升速度的条件下，再加上主机也允许，提升速度和切削能力是绝对合理的。实验证明，将机床速度提高到40m/min以上，机床系统刚性满足，这样可以使刨床的生产效率提高一倍。

（六）、开关磁阻电机的发展趋势展望

1、数学模型的研究

数学模型是控制理论应用的基础。在以往的研过程中，人们已经提出了各种各样的开关磁阻电机的数学模。近年来，多维系统辨识、小波模型、神经网建模等各种建模理论发展迅速。SRM数学模型的研究也必定会得到快速发展。我们相信在不久的将来结合各种现代建模理论的SRM非线性数学模型将被提出。

2、非线性控制理论、智能控制理论的应用。近年来虽然些学者已将非线性控制理论和智能控制理论应用在SRM制系统中，由于控制理论所结合的控制策略还不完善，控制效果并不理想。可以预见，未来一段时间各非线性控制理论、智能控制理论，将与控制策略的究同步进行，它们将以更加有效的途径应用于SRM系统中。

3、高性能SRM驱动系统的研究

SRM具有体积小、重量轻、转矩/惯量比小等优点。但是，SRM的线性特性和转矩脉动难以抑制，使得以往SRM伺服驱动系统的研究进展较为缓慢。随着转矩脉动抑制研究的进一步发展以及人们对SRM非线性本质认识的加深SRM在伺服驱动系统中应用的研究必定会得到空前的发展。

三、小结

目前，人们已经提出线性、准线性、非线性等多SRM数学模型，在此基础上结合各种各样的消转矩脉动的控制策略，将线性控制理论、非线性控理论和智能控制理论应用于SRM的控制器设计，已经取得了丰硕的成果。但是，在SRM控制领域研究还远未到完善的程度，未来一段时间，SRM制技术将在数学模型、控制策略、控制理论应用以高性能驱动系统开发等方面，继续得到发展。

四、参考文献：

[1]唐小洁,邓智泉,曹鑫,王晓琳.开关磁阻起动／发电机数字控制系统设计[J].南京航空航天大学,1993.[2]詹琼华.开关磁阻电动机[M].武汉：华中理工大学出版社,1992.[3]王宏华.开关型磁阻电动机调速控制技术.北京：机械工业出版社,1999.7:27-28,65-75

控制实验课堂教学的“开关” 篇3

科学实验课中常常出现一些纪律问题，要努力建立起一种适合科学实验课的特殊纪律，从而有效地提高实验效率，使学生在像科学家那样进行科学探究的过程中，体验学习科学的乐趣，增长科学探究能力，获取科学知识。

一、实验课主要存在的问题

良好的课堂纪律是顺利进行课堂教学活动，提高教学效率的根本保证。从课堂的纪律来看，实验课主要存在以下两方面的问题：

（一）由材料引起的纪律问题

学生用实验材料做一些与本课内容、本实验活动无关的事；和同伴互相争抢或者没有带实验材料。

（二）由环境引起的纪律问题

教师不组织学生到实验室上科学课，有的是到室外去上，而室外却一团乱。

二、科学实验策略研究

在小学科学实验教学中，如何更好地发挥实验的功能？如何有效地组织教材中的实验？让实验更好地服务我们的科学课堂呢？我们以教材中的实验材料为着手点，深入挖掘实验的内涵，对实验和与实验相关的其他因素进行科学合理的处理，在实际教学中，我们探索出以下组织策略：

（一）按需准备实验材料的品种和数量

首先要根据实验项目的目的、内容和方法，确定需要准备的材料——实物、模型、标本、仪器、工具、试剂、药品等。例如，《声音的产生》和《声音的传播》这两课的实验教学都与声音有关，但这两课教学目的不一样，实验需要准备的材料就不一样。《声音的产生》一课的实验是为了让学生认识声音是怎么样产生的，需要准备的材料可以是钢尺、小刀、音叉、锣鼓、装水的烧杯等能产生声音的材料；《声音的传播》一课的实验是为了让学生认识声音是怎样传播的，需要的材料不仅是音叉、锣鼓等能产生强烈声音的材料，还需要一些能使学生认识声音如何传播的，如桌子、盛水的水槽、泡沫小球等材料。

（二）选择直达实质的结构性实验材料

所谓结构性的实验材料是指这些材料既要能揭示与教学内容有关的一系列现象，又要符合学生的年龄特征和认知水平，使他们能通过对材料的观察或实验来发现问题，认知问题。同时，这些材料还要尽可能是学生生活中常见的，对学生有吸引力的，这样才能使学生有兴趣摆弄。

以《声音是怎么样产生的》这节课为例谈谈怎么样利用“结构性材料”调控课堂纪律。

《声音是怎么样产生的》这节课让学生通过利用身边熟悉的材料，理解声音是由物体的振动产生的。本课具体的教学流程是：①引入部分，提出研究的问题“声音是怎么样产生的？”②制造声音，初步感受发声物体的特点，激发学生的前概念。③学生提出自己猜测，发展不完整概念，声音是由“敲击、碰撞、摩擦、拍、敲……”产生。④实验验证，生成概念“物体振动产生声音”。⑤演绎概念，找一找身边有哪些发声物体在明显振动？根据教材设计意图，本课特意选择小鼓、钢尺、橡皮筋、纸、音叉、乒乓球、镲、小黄豆、人体手臂等材料，这些材料具有“趣味性、启发性、典型性和可操作性”的特点，有利于本课科学概念的建立。

（三）要有次序地投放实验材料

学生总是向往到实验室做实验，哪怕科学老师拿几个一次性杯子、几张纸片到实验室来做个小实验，他们都开心得不得了。问题在于，往往只要看到这些器材，学生就开始坐立不安了。自制力稍弱的学生上课总是会趁老师不注意，去碰实验材料。尤其是活泼好动的男生，更是将注意力集中在实验材料上，至于老师讲些什么，完全听不到。诸如此类实验材料干扰教学的现象在课堂上屡见不鲜。因此，教学中学生实验材料的呈现，对学生的纪律调控有重要作用。

1.控制提前发放

教师需要控制材料分发的时间，一般情况下，不要提前将材料放置在实验桌上。可以在远离学生座位处准备一张桌子，将材料集中摆放，美其名曰“材料超市”。如上《水能溶解一些物质》一课时，教师准备的材料有沙子、食盐、白糖、烧杯、玻璃棒等，教师把这些材料放置在教室的正中间，按照类别依次排列成一长行，学生分坐在材料的两旁，可以看到但不能触摸到，到实验开始时再开始领取或发放。这样既有利于认识实验材料，又控制了材料对教学的干扰。

2.主动提前“亮相”

对于那些不常用或者第一次使用的材料，为了防止学生产生过分的新奇感和生疏感，干扰后续正常学习和器材使用，教师可以有意识地在课前或实验前分发给学生观察、研究。如滴管是学生以前未曾使用过的物品，教师可以提前放置在实验桌上，专门向学生进行介绍，同时让每个学生触摸和试用。这样主动提前亮相实验器材，有助于消除学生对实验器材的神秘感，也有利于掌握实验器材的使用方法。

3.分期分批发放

针对实验的不同，有些实验材料可以采取分批发放的形式。一个实验完成，相应的材料不需要时，必须要回到原来的位置，让学生养成从哪里拿再放回到哪里的良好实验习惯。一旦没有及时回收材料，材料将成为很多学生的玩具，于是，实验研究什么问题不再是他们关心的内容。即使教师一再提醒和要求，也很难将教学引回原来设计的教学过程中。

实验的目的是为了更好地为日常教学服务，只有高质量高效率的实验才能为教师的日常教学带来便利，而合理选择实验材料，适时投放实验材料是达到这一目的的有效措施。

开关电源控制模式的探讨 篇4

开关电源是在现代电子电力技术的发展基础上, 控制开关管的开通及关断时间比率, 以稳定输出电压的一种特殊的电源。一般来说, 开关电源由脉冲宽度调制控制IC、MOSFET组成。随着科学技术的发展, 开关电源技术也不断进行改革和创新。开关电源效率能够高达85%, 与普通线性电源相比, 开关电源的利用效率提高了一倍。同时, 开关电源采用了小体积的滤波元件及散热器, 可靠性、安全性也较高。从开关电源的类别来看, 可以分成AC/AC、DC/DC等类型, 其中, DC/DC开关电源的变换器已经实现了模块化设计和发展, 因而得到用户普遍认可。

从开关电源的产生和发展来看, 自上个世纪六十年代以来, 由于晶闸管控制模式的出现, 大大促进了开关电源的发展。到七十年代初期, 开关电源进入了长时期的瓶颈时期, 开关电源的效率问题更加突出。直至七十年代后期, 由于集成电技术的创新, 催生了各种开关电源芯片的产生。当前, 集成化电源已经广泛应用于航天、彩电、计算机等各个领域中, 随着半导体技术、电子技术的快速发展, 电子设备的总量和体积不断减小, 导致电源体积与电子设备的体积不相匹配。因此, 开关电源体积成为当前研究的重点。

从我国开关电源的研究情况来看, 在上个世纪六十年代, 我国已经成功研制出稳压电源。经过十年的发展, 稳压电源已经成功应用于电视机和中小型计算机。到八十年代, 我国已经成功研制出了0.5~5MHz谐振的软开关电源。从八十年代起, 我国开关电源进入了大规模更新换代的时期, 现代晶闸管稳压电源逐渐取代了传统铁磁稳压电源, 对办公自动化产生了很大的影响。进入九十年代, 我国成功研制了新型专用的开关电源, 供特殊行业使用, 如卫星及远程导弹系统所使用的开关电源。经历了约半个世纪的发展, 我国开关电源技术研发已经取得了较大的成就, 开关电源应用范围也逐渐扩展, 但与国外开关电源技术相比, 在使用方法和集成度方面, 我国还存在很大的不足, 还应该继续加强开关电源研究及应用。

2 开关电源数字控制技术分析

近年来, 随着计算机技术及网络技术的快速发展, 数字控制技术在社会生产生活中广泛应用。数字控制技术的产生, 是由于控制领域的监控和计算任务的要求, 如果采用模拟控制的方法, 难以取得较好的效果。随着电子器件的高速化及小型化发展, 开关电源控制模式也逐渐朝向数字化方向发展。开关电源数字控制技术, 能够增强开关电源控制的智能化、自动化水平, 为远程动态监测提供了良好的条件。在开关电源市场上, 标准化电源越来越多。但与此同时, 电源使用的行业需求也逐渐扩大, 专业电源的市场需求呈现出不断增长的趋势。

目前, 开关电源数字控制技术还处于半数字化时期, 对于某些技术难度高的控制功率部分还比较困难。数字化控制技术的应用, 受到复杂控制算法的影响, 这也是开关电源在发展过程中应该解决的技术。

开关电源数字控制技术能够提高系统灵活性, 也能够大大提高系统抗干扰能力。在开关电源运行过程中, 应特别注意电流检测、控制延迟、控制精度等问题。在系统通信及监控电路方面, 已基本实现数字化。数字化控制能够取代模拟电路完成电源启动的功能, 同时, 通过特定界面能够实现系统显示功能和通讯功能。在数字控制技术发展过程中, 电源管理数字控制技术得到较快发展, 开关电源数字控制技术应用范围也不断扩大。从开关电源的未来发展来看, 数字控制技术已经成为开关电源控制模式的未来发展方向, 发展前景非常广阔。

3 电流型开关电源控制模式分析

电流型开关电源控制模式是开关电源控制模式的主要控制模式, 与数字化控制模式相比, 电流型开关电源控制模式有一些几个优点:

3.1 具有较好的负载响应性能和回路稳定性

在开关电源运行过程中, 电流脉冲幅值变化受到输出电流平均值的影响。因此, 为了将开关电路控制在正常工作范围内, 以电流型控制模式有较好的效果, 能够充分发挥电感作用, 保证开关电源处于正常工作状态下。

3.2 在电压调整率方面效果较好

电流型控制模式的调整模式和线性稳压电源基本相同, 在输入电压发生变动时, 能够准确反映出电流电感变化情况, 不需要经过任何的放大误差即可完成脉冲的比较, 进而输出一定的脉冲宽度, 这样就能够实现前馈控制的效果。

3.3 并联运行能力比较好

电流型控制模式内环形成了一个受控电流的放大器, 以电流控制型变换器能大大方便并联工作, 而不需要事先采取其他措施, 操作较为方便, 且效果较好。

3.4 能大大降低高频功率开关在变换电路时功率损耗, 进而提高开关电源的运行效率。

在开关电源运行过程中, 其开通、断开过程必然会发生一定功率的损耗, 如何降低功率损耗, 对于开关电源的运行效率有很大影响。电流型控制模式能够通过内环参与电源控制的方法, 在电压控制方面能够实现更加准确和快速, 减少开关电源的功率耗损。

3.5 能够逐个检查电源脉冲幅值变化情况, 简化短路功能及过载保护功能, 提高开关电源运行过程中的安全性及可靠性。

由于电流型控制模式是通过内环控制, 以电感电流来测量峰值变化情况, 因为能够准确发现开关管及变压器的电流变化情况, 避免了短路及过载情况对开关管和变压器造成的影响。

4 结束语

科学技术的发展, 促进了开关电源控制模式的变化。从开关电源控制模式的发展情况来看, 电子电力技术的发展能够对开关电源产生深远的影响。开关电源控制模式经历了长时期的发展过程, 微型化及高频化成为开关电源的未来发展趋势。为了实现这一目标, 最重要的是加强技术创新, 提高开关电源控制频率, 将数字化控制技术作为开关电源研制中的核心技术和重要问题。同时, 结合各电流型控制模式的特点及优点, 能够实现开关电源全数字化控制的目标。

参考文献

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开关控制 篇5

随着高速铁路的快速发展，供电远动技术逐步成熟，可靠性明显提高，但接触网隔离开关远动控制依然不稳定，特别是供电运行中曾经出现误动、拒动、误显示等现象，成为供电远动系统中最为薄弱的环节。接触网隔离开关远动现状

目前高速铁路接触网隔离开关远动控制主要是光纤控制形式光纤控制形式主要是借鉴数字化变电所理念发展而来，其主要特点：一是减少了穿越户内户外控制电缆的数量，降低了外部原因如雷、电等对所内设备的危害;二是控制信号采用了光缆传输，减少了电磁干扰。

但是，该控制形式同时也带来了一些新问题，主要体现在如下方面：

(1)RTU 等电子元件置于户外控制箱内，运行环境差，元器件损坏率增高。

(2)控制回路、逻辑判断等变得复杂，环节增多，导致误显示信号等不确定因素增多。

(3)RTU、操作机构控制板等工作电源与操作电源同路，在电源电压不稳定时，造成各个环节不稳定因素增多。

据不完全统计，自高铁开通以来，出现误动10 多次，拒动30 余次，开关位置误显示100 余次，虽经过多次专项整治，但治标不治本，问题和隐患依然存在，没有从根本上得到解决。原因分析

2.1 接触网隔离开关误动分析

针对现场实际情况分析得出，接触网隔离开关误动原因有以下几方面：

(1)RTU 与操作机构信号连线受到干扰，从而误触发操作机构自保持回路，导致开关误动作。经运行发现，干扰信号确实存在，尤其在接触网故障时，干扰信号最强烈。如：海南东环，发生接触网隔离开关误动后，接触网工区会同相关人员在现场进行测量，停掉外部220 V 电源后，依然在此连接线处测量到40～90 V 电压。

值得注意的是，隔离开关操作机构与 RTU 连线还存在另一隐患，如果220 V 电源火地线接反，RTU 出口继电器可能断的是零线，隐患更大，在恶劣天气下，如果连线绝缘降低或瞬间接地，将直接导致误发操作命令。在运行中，接触网隔离开关操作机构箱内加热回路经常报非正常工作;京沪高铁德州、徐州、郑州变电所等多个处所，当接触网故障时，隔离开关操作机构箱内空气开关发生跳闸。这从另一个侧面印证了确实有感应电压(电流)存在，只不过是干扰了不同的回路。

(2)操作机构出口控制继电器故障，当调度台发出命令后不能执行操作，但操作机构内部保持了这个操作命令，在随后运行中，出口继电器可能恢复，操作命令随即作用导致开关动作。

(3)RTU 的IP 地址冲突，导致操作开关时另一个开关误动。该现象多发生于新更换RTU 后，更换人员不精心所致。

(4)接触网隔离开关控制屏操作按钮、PLC误发命令。该类故障发生在京广高铁武广段，共发生过3 次，经过延时处理已得到解决。

2.2 接触网隔离开关拒动分析

针对现场实际情况分析得出，接触网隔离开关拒动原因有以下几方面：a.隔离开关操作机构箱内空气开关跳闸。A1、A2、B1、B2 四个空气开关中任意一个开关跳闸都会导致接触网隔离开关拒动。运行中跳闸最多的是B1 开关。该现象多发生于接触网故障时段，受到干扰所致。b.电子元器件损坏。c.传输通道中断。

2.3 接触网隔离开关位置信号误显示分析接触网隔离开关位置信号误显示原因有以下几方面：

(1)运行中发现，牵引变电所综自交换机在主备通道切换时易误发遥信信号，造成调度台误显示。

(2)RTU 或操作机构线路板受干扰误显示。

(3)控制电路元器件损坏。误显示会造成调度人员不知所措，如：郑西高铁运行中接触网分相处隔离开关显示合闸，调度人员马上进行分闸操作，但显示操作超时不能分闸，6 min 后，开关又自动分闸，至今不知是开关真的动作还是误显示。解决措施

解决接触网隔离开关误动、拒动、误显示问题的基本指导思想首先是要消除干扰，其次是要强化控制，即使干扰存在也不会误动。消除干扰除标准施工及认真做好接地外，目前尚无其他好办法，因此，应主要侧重于强化控制。

3.1 防止接触网隔离开关误动措施

在现有高铁接触网隔离开关的控制方式下，防止误动的措施主要有3 个：一是借鉴直接电缆控制方式的优点，不操作的情况下断开操作电源，实现电机控制回路的双重控制;二是控制命令双端口输出;三是操作电机回路自保持功能的延时释放。

(1)操作机构箱控制电机回路空气开关B1增加远程操作机构，并实现调度的远程操作，不操作时断开该开关。取消A2、B2 开关。由于该开关与控制命令出口接触器串联，起到了电机回路的双重控制作用，因此大大降低了干扰信号导致误动的概率。

(2)控制命令触发回路双断口。将RTU 出口继电器改为双节点，同时断开220 V 控制命令的火、地线，双端口输出比单端口输出降低了干扰带来的误动概率。

(3)将操作机构箱内自保持继电器的自保持功能定时释放，避免在操作时不动，而没有操作时误动。

3.2 防止接触网隔离开关拒动措施

B1 开关增加操作机构远动后，不仅消除误动，且达到一举两得的作用，取消了A2、B2 开关，B1 开关正常处于分闸状态，不再会因浪涌动作引起跳闸。同时，低压空气开关应配置辅助接点，将开关位置信号通过远动系统上传供电调度台。

3.3 防止开关位置误显示措施

(1)接触网隔离开关监控屏与SCADA 直接相连，不再经过综自交换机。

(2)RTU、操作机构控制模块自检报警，当模块不能正常工作时，向调度台报警，此时，所有开关动作遥信信息将被忽略。

(3)当非远动操作时，B1 开关处于分闸状态，操作电源不被接通，该过程中如调度台出现接触网隔离开关动作信号一般可以判断为误信息而忽略。结语

(1)本文仅对光纤控制方式下接触网隔离开关的误动、拒动、无显示的原因进行了分析，提出了改进措施，供设计者借鉴。

(2)接触网隔离开关远动存在的问题同时说明，光纤控制、电缆直接控制两种形式各有利弊，应相互借鉴，取长补短，逐步完善。接触网隔离开关远动需要系统的设计，而不能完全依靠不同厂家的产品简单搭接。

试论数字化控制开关电源技术 篇6

开关电源的数字控制主要有以下两种方法：第一种是通过高性能数字芯片如DSP对电源实现直接控制，数字芯片完成信号采样AD转换和PWM输出等工作。由于输出的数字PWM信号功率不足以驱动开关管，需通过一个驱动芯片进行开关管的驱动。第二种是单片机通过外接A／D转换芯片进行采样，采样后对得到的数据进行运算和调节，再把结果通过D／A转换后传到PWM芯片中，实现单片机对开关电源的开关电源间接控制。控制电路由于要用多个芯片，电路比较复杂；单片经过A／D和D／A转换，有比较大的时延，势必影响电源的动态性能和稳压精度。

一、基于数字信号处理的开关电源

利用高性能的DSP数字芯片对电源直接控制，简化了控制电路的设计。这些芯片有较高的采样速度和运算速度，可以快速有效地实现各種复杂的控制算法，对电源的控制有较高的动态性能和稳压精度。因此，这种方法将会在今后开关电源的数字控制技术中发挥重要作用。

二、基于单片机控制的开关电源

随着电子技术的迅猛发展和超大规模集成电路设计的进一步提高，单片机技术得到了迅速发展。利用单片机作为控制核心，设计方案容易掌握，而且单片机的要求不高，成本较低。通过外接A／D转换芯片进行采样，采样后对得到的数据进行运算和调节，再把结果通过D／A转换后传到PWM芯片中，实现单片机对开关电源的间接控制。

数字控制的开关电源不可避免地存在以下问题：AD转换器的速度和精度成反比。为了保证开关电源有较高的稳压精度，AD转换器必须有比较高精度的采样，但高精度的采样需要的AD转换时间更长。作为反馈环路的一部分，AD转换时间过长必然造成额外的相位延迟时间。除了和模拟控制存在的相位延迟以后，转换过程的延迟时间必然也会造成额外相位滞后，使回路的响应能力变差。模拟芯片用RC补偿进行PI调节的方法一样，在控制回路中用引入PI调节的方法以提高控制回路的响应能力。这种做法需要占有数字芯片较大的系统资源，因为数字控制和模拟控制不同，信号采样是离散的，两次采样之间有一段间隔时间，这段时间的值是无法得到的。要实现精确的控制，每次采样之间的时间间隔不能太长，即采样频率不能太低。作为数字芯片，每次AD转换结束后，得到的结果都会被送到系统的中央运算处理器中，然后由处理器对采样的值进行运算和调节。在采样频率比较高的时候，这种做法比较耗费系统资源，对数字芯片的要求也比较高。由于目前专门用于电源控制的数字芯片还比较少，在要求比较高的场合一般都会用DSP芯片，其运算和采样速度快，功能强大，但价格比较高。而且，DSP芯片不是专门的电源控制芯片，一般的电源应用对其芯片资源的利用率不高。

随着数字芯片和电源技术的发展，出现了为电源控制而开发出来的控制处理器。它不同于数字芯片的中央处理器，控制处理器主要由高速AD转换器，数字PID补偿器和数字PWM输出三部分组成。反馈环路的控制由它来完成，中央处理器作为管理模块应用在电源上。

控制处理器由高速A／D转换器，数字PID补偿器和数字DPWM输出组成。外部存储器记录了控制处理器的相关程序。高速A／D转换器是基于CMOS的传输延迟时间td影响输入电压VDD的原理做成的，VDD电压和传输时间是成近似的反比例关系，即VDD越大，信号传输延迟时间越小。

采用新的技术，大大降低了AD转换需要的时间，可以达到MHz级采样频率。高采样频率可以使DPWM的信号的更新速度达到几百纳秒一次，实现和模拟控制，通过不断更新PWM信号来进行稳压。DPWM时钟由处理器系统时钟通过锁相逻辑环路（PLL）进行倍频后，频率可以达到200MHz。通过这种分辨率高达5ns的DPWM控制信号，电源开关频率可以达到1MHz。数字补偿器为电源设计提供很大的灵活性，控制参数通过外部存储器的程序来设定，可以通过编程来改变控制策略，调试更方便。由于芯片是专门为电源设计开关，简化了结构，降低了成本。这种专门为电源设计开发的控制处理器将会得到广泛使用。

功率开关控制板故障分析 篇7

TBH522型150 k W短波发射机采用PSM技术来获得高末直流阳压和音频调制电压, 使用了50套功率开关模块提供电压, 其中48套功率模块串联输出提供高末阳压, 2套用于提供高末的帘栅压。

每个功率开关模块上都装有一个功率开关控制器板 (简称控制小板) , 控制其控制模块上IGBT的保护管AC和开关管DC, 它与整个PSM调制系统联系是通过2条光缆实现的, 一条光缆用于接收来自PSM控制系统的合或断开关管的指令信号, 一条用于传送反应本功率开关模块工作状态的信号[1]。

控制小板由保护管控制电路、开关管控制电路、短路保护电路、开关管状态检测及故障保护电路、失步保护电路、开关状态及外电检测电路、以及供电回路组成, 实现以下控制功能:1) 接收系统信号并控制模块开关IGBT的AC管和DC管的通、断;2) 向PSM控制系统发出37 k Hz的光信号, 反应模块开关状态;3) 检测模块开关状态和外电变化情况, 出现故障时及时进行保护。

1 开关控制板实际故障分析

1.1 故障实例一

开关控制小板不能正常切换功率模块的开关。

1.1.1 故障查找

测量过供电电源均为正常交流380 V, 无出现跳变情况, 更换控制端A5功率控制板, 无效;对故障模块的光发/光收光缆进行检测, 无异常。更换开关控制小板后, 恢复正常。

1.1.2 原因分析

在功率开关模块正常工作时, AC管是常通的, 把一个700 V电压输出至DC管。该支路如图1所示, 具体工作情况为:

开机后, 本板的供电回路输出+12 V, 一路通过R2和R1, 经过分压后A点电压为6 V, 并加至比较器N7的同相输入端;另一路通过R3和稳压管VR1使B点得到5.1 V电压, 并加至比较器N7的反相输入端。由于UA>UB, 则C点输出高电平“1” (此时由于DC管检测电路正常时输出为高电平, 不影响C点电压) , 经过RS触发器后D点输出低电平“0”, 再经反相器后输出为高电平“1”至AC管栅极, 使AC管导通。

当发生下列情况时, AC管将被切断:

1) 当本小板的供应电压变化较大, 且低至10 V以下时, 此时A点电压下降低于5 V, 即UA<5 V;另一回路由于稳压管VR1的作用, B点仍稳压为5.1 V, 这就造成UA<UB, 则比较器N7输出C点由高电平“1”变为低电平“0”, 经RS触发器后D点输出高电平“1”, 再经反相器输出低电平“0”至AC管栅极, 将AC管断开;

2) 当R1、R2阻值变化较大, 造成A点电压UA<5 V时, 即UA<UB, 此时如上情况所述, 也将AC管断开。

1.1.3 解决方法

更换故障的N7集成块。

1.2 故障实例二

开关控制小板的光纤控制出现故障, 不能正常按工作指令控制功率模块的开关。

1.2.1 故障查找

测量控制端的光发/光收板, 检查光缆上是否因为温度而发生变形, 影响折光度。

1.2.2 原因分析

PSM控制系统根据输入的音频信号变化规律, 负责对48个功率开关模块的开关管DC进行导通或断开的循环控制。该电路中有一个光接收器, 接收光缆传递的由控制系统发出的指令信号, 以控制DC管的导通或断开。见图2:

其工作情况为:

当系统未发出“合”信号时, 此时无光信号输入, 则U8输出A点为高电平“1”, 经与非门后输出B点为“0”, C点为“1”, 则D点为“0”, 即断开DC管;

当系统发出“合”信号时, 此时有光信号输入, 则U8输出A点为“0”, B点为“1”, C点为“0”, 则D点为“1”, 导通DC管。

当光缆出现故障时, 即使系统的其它部分工作正常, 但与该故障光缆对应的开关也将合不上, 将影响总输出电压, 使指标变差。为此, 当经过110 s后检测到某级功率开关一直没有正常工作时, 表示已经超过一个循环通断周期, 则控制系统应该把该级模块断开, 让它处于停用状态。

当电路和光缆正常时, 控制系统发出“合”信号, 即DC管为导通状态A点为“0”, B点为“1”, 此时场效应管Q3导通, 使D点为“0”, 而C点为“0”, 触发定时器D4输出E点为“1”, F点为“0”送至DC保护电路, 对其不产生影响;

当光缆发生故障时, 不论控制系统是否发出合断信号, 则DC合断信号的A点为“1”, B点为“0”, 使场效应管Q3截止, 此时+12 V电源经电阻R34对电容C33充电, 其充电时间T=1.1R C=110 s, 当经过110 s后, 电容C33输出高电平使D点为“1”, 而由于C点为“1”, 触发定时器D4输出E点为“0”, F点为“1”送至DC保护电路, 将AC管断开, 使该级模块处于停用状态。

1.2.3 解决方法

更换功率开关控制板进入的光纤头, 该光纤因为长时间的热能影响发生变形了, 导致光信号无法正常传导。

2 原理总结

日常检修中, 主要根据发射机状态板上的指示灯, 判断对应某号功率模块或控制小板是否正常, 发现问题及时进行更换。由于模块的IGBT被击穿而短路或开路, 也会造成指示灯常亮或常灭。

控制输入电路正常工作时, 发出37 k Hz的光信号;当发生故障时, 其光信号消失, PSM控制系统自动将对应模块断开停用。

工作模块正常时, AC管导通, 输出一个700 V的直流电压, 经过电阻分压, 在R11的压降为:R’=10×1.2/ (10+1.2) =1.07 kΩ, UA=700×1.07/ (200+1.07) =3.7 V, 该电压又与电阻R12、电容C11共同决定压控振荡器N5的输出频率f, 而f=UA/R12·C11·10=37 k Hz, 并通过光缆传给PSM控制系统, 反应该支路工作情况[2]。

综上所述, 以上分析的几种电路状态如下表1所示:

当光缆出现故障时, 即使系统的其它部分工作正常, 但与该故障光缆对应的开关也将合不上, 将影响总输出电压, 使指标变差。为此, 当经过110 s后检测到某级功率开关一直没有正常工作时, 表示已经超过一个循环通断周期, 则控制系统应该把该级模块断开, 让它处于停用状态。

3 常见故障汇总框图

分析完控制小板各支路工作情况后, 将其常见各种故障汇总作如下框图3:

除了以上分析外, 该小板还要检测可能的故障:

小板上的供电回路出现问题, 造成+12 V或+5 V电压输出不稳定, 使元器件无法正常工作, 对电路产生影响。此时应检测供电回路的整流器、稳压管、二极管、电容等, 发现问题及时进行更换。

参考文献

[1]黄晓兵.THB-522型150 k W短波发射机维护手册[M].北京:中国书籍出版社, 2011:148-152.

智能开关控制装置关键技术研究 篇8

国家电网公司提出“2020年全面建成坚强的智能电网”的目标,智能电网建设将是我国电网未来几年发展的主要方向[1,2]。作为智能电网的重要环节,智能变电站已成为变电站自动化系统领域研究的热点。国家电网公司在江苏南京组织召开《智能变电站技术导则》(送审稿)评审会议。由国网电力科学研究院负责起草的《智能变电站技术导则》通过专家评审。这对智能变电站的相关技术研究提出了迫切的要求。

与现在正在进行的传统变电站的数字化改造相比,变电站的智能化有着不同的内涵。数字化变电站强调的是实现全站数字方式交换信息和互操作;智能化变电站更强调变电站一次和二次设备和全站系统功能的智能化,强调设备的在线监测、快速诊断和自动执行。从目前现状来看,要完成变电站的智能化,智能一次设备的研究是变电站智能化研究的关键所在。开关是变电站主要一次设备之一,其智能化的实现是智能变电站研究的重要内容[3,4,5,6],我们对开关智能化关键设备控制装置的实现进行了研究。

1 研究内容及其必要性

目前国内外还没有真正意义上的智能开关。国内目前进行的数字化变电站项目,开关的数字化实现大多是通过二次设备来转化实现,一般采用数字操作箱的模式。数字操作箱安装在变电站控制室智能控制柜内,通过电缆与开关连接,现场仍然有不小的接线工作量。采用上述方式实现的数字化变电站普遍没有对开关内部的二次回路进行集成化改造,智能数字操作箱与开关整合度较低。适用于智能化变电站的智能开关,其控制装置必须就地安装于开关汇控柜内。开关本体取消了开关内部二次回路,仅提供跳合闸接口、闭锁触点、开关辅助触点,由控制装置实现开关跳合闸闭锁、防止跳跃、强制跳闸、就地操作等功能。同时控制装置还必须承担开关大量数字量和模拟量测量的任务。面对不同的开关现场要求,要实时可靠地实现控制和监测的任务,设计一个能完成灵活配置的控制装置硬件平台是我们首先要解决的问题。

智能开关的过程层接入技术则是在数字化变电站过程层通信的基础上发展起来的。目前,过程总线采用以太网技术在业界已达成共识,部分采用IEC61850-9-1点对点方式传输采样值的试验(或示范)工程已得到了应用。然而,如果采用IEC61850-9-2方式,采样数据、控制命令、状态信息和诊断信息以总线方式在过程总线、甚至全变电站统一的通信网络上完全共享原理可行,优越性明显,工程实现有较大难度,例如以太网的CSMA/CD介质访问控制方法限制了其直接应用于强实时要求这类应用场合。因此,可以说智能变电站通信网络需要实现新的过程层功能,实时性要求和流量特性与传统系统相比发生了很大变化,这不是片面提高通信带宽可以解决的。因此,有必要对过程网络的实时性能进行专门研究,以判断其能否满足智能变电站的过程层功能的实施要求[7]。

传统开关是变电站控制和保护的执行机构,通过电缆的连接,利用模拟的开关量实现开关操作和简单的监测;实现数字化开关实现了基于数字通信的开关操作,其本身也是一个操作机构;配置了智能控制装置的智能开关,基于实时的数据监测和智能保护逻辑的实现,其不仅能够实现基于通信的开关操作,还能实现开关本体的控制逻辑和保护自动作,即智能变电站可以将部分保护功能下放到智能开关本身完成。开关就地保护简化了数字化变电站保护的动作流程,缩短了保护动作时间,实现开关就地保护功能是智能开关的一个主要特征。

开关作为电力系统中最重要的设备之一,肩负着控制和保护的双重任务,其性能的可靠性关系到电力系统的安全运行。目前,对开关性能的检查主要是在停电状况下进行预防性检测,检查其机械和电气性能,但这种方法不能及时发现事故的异常状况,且过度拆卸检修反而会影响开关的正常运行。而正在研建的智能变电站不仅需要运行的稳定性,而且需要尽量减少停机检修的可能性。因而,为了有效地提高输配电系统的可靠性和稳定性,必须能够实时地了解开关设备的运行状况,加强对开关设备状态的在线监测。开关状态监测功能是智能开关的另一个主要特征。

我们在开关控制装置灵活可靠的硬件平台、控制装置的过程层实时通信方面进行了研究,以此为基础构建了智能开关操作装置,实现了开关自动在线状态监测功能及就地保护操作等功能。

2 硬件平台

为了实现控制装置的灵活配置,我们需要的是开发一套适合厂站自动化未来发展,同时也满足可靠性和低成本要求的高速串行总线。

近年来兴起的低压差分总线(BLVDS)具有高速及数据传输稳定的特点,其330 m V的低压差分信号和快速过渡时间,可以使通信速率达到100Mbps~1 Gbps,非常适合装置级背板总线设计。FPGA技术的发展为实现高速串行总线提供了便利条件。我们采用的XILINX 3S系列FPGA自带BLVDS的驱动器,基于该硬件实现的串行通信总线,其电路示意图如图1所示。

高速串行总线具有以下特点:

1)高速度:装置内部通信能够达到至少200 Mbps的串行通信速度。

2)可扩展:总线上至少外挂20个通信模块,为厂站自动化装置的实现提供了极大可能。

3)可靠:高速总线传输中应用了高速数据通信的容错技术,实现数据传输的自纠错,保证数据传输的高可靠性。

4)冗余:装置高速串行总线采用四条总线,总线间完全独立,为装置内部通信提供多路冗余。

5)实时性:装置内部通信采用完全可控的收发机制,保证了装置内部通信的高实时性。如测量模块的全部采样数据传输到CPU模块的传输时间仅在微秒级,如此性能确保了保护装置的实时性要求。

6)灵活性:装置背板各模块插件位置管脚定义完全相同,模块采用标准尺寸,因此模块插件位置可以任意互换。

7)抗干扰:高速串行总线采用差分电路,并在总线板上采用EMC提高技术。基于高速总线的样机装置现通过了各项EMC试验。

目前,基于高速串行总线技术,我们根据结构要求开发了数种总线板。总线板应用了高速PCB布线技术,经详细测试,其总线高速通信性能稳定。

3 变电站过程总线实时特性改进

变电站过程总线实时特性的研究,是根据智能变电站过程层自动化应用环境,综合考虑响应时间、抖动、同步性和吞吐量等标准,参考工业以太网技术标准IEC61784-2,将每个通信周期分成两个不同的部分,一个是循环的、确定的部分,称之为实时通道;另外一个是标准通道,软实时数据和标准的TCP/IP数据通过这个通道传输,如图2所示。

在实时通道中,为实时数据预留了固定循环间隔的时间窗,而实时数据总是按固定的次序插入,因此,实时数据就在固定的间隔被传送,循环周期中剩余的时间用来传递标准的TCP/IP数据。两种不同类型的数据就可以同时在网络上传递,而且不会互相干扰,实现了对以太网技术的兼容。

针对过程总线采样数据、控制命令、状态信息和诊断信息等不同的具体应用所要求的实时等级差异,将其分别映射到不同的通信通道上进行传输以满足区分的实时特性。这里,按实时性的高低,将智能电网过程层信息按传输的实时性分为两类。

1)标准通信,包括:参数与配置;诊断数据;IEC61850-8-1 MMS。

2)实时通信,包括:GOOSE报文,采样数据传输。

以上两类数据按照不同的优先等级(实时通道最优)在过程层总线相应的时间窗内传输,从而保证变电站过程总线实时特性。

4 就地保护和状态监测功能的实现

4.1 装置的主要结构

智能开关控制装置构成如图3所示,主要板件有主CPU板、交直流测量板件、IO测量板件和出口板件,板件数目根据开关现场配置,板件之间基于高速串行总线来实现相互通信。主CPU基于双核CPU构建,主要完成高速总线的接口(接收其他板件的测量数据和发送到出口板件的动作命令等)、测量数据的运算、保护和控制逻辑的实现、过程层通信的实现、间隔层通信的实现、人机界面等功能。交直流测量板件主要完成开关就地交流量的测量、开关状态监测传感器的接入,并组织数据通过高速串行总线上送到主CPU。IO测量板件主要测量开关的动作状态等开关量信息,并将测量数据通过高速串行总线上送到主CPU。出口板件通过高速串行总线接收主CPU板发送的动作命令,接口开关本体的操作机构,使能开关动作的发生。

4.2 就地保护功能的实现

开关就地保护功能实现框图如图4所示。

其工作过程简述如下:控制和保护逻辑、保护的定值等设定数据由间隔层通信接口或人机界面接口下载到控制装置主CPU的参数空间。开关就地交流量经互感器等转换器件传送到交直流测量板件。交直流测量板件将就地交流量经滤波等处理和组帧后经高速总线上送到主CPU板,主CPU板按照设定的控制和保护逻辑进行处理,如判断故障,则向出口板发送相应的动作命令,启动开关动作。

本装置就地保护功能实现的特点是装置保护功能的数据源和出口操作都是基于高速串行总线完成的。高速串行总线数据通信的微秒级实时性保障了保护动作的及时性,同时其带来了装置的灵活可配置,使控制装置能使用不同现场的开关特性。

4.3 状态监测功能的实现

开关状态监测功能实现框图如图5所示。

其工作过程简述如下:由传感器或测试装置测定的数据或信号传送到控制装置交直流测量板件,数据组帧并通过高速串行总线上送到装置主CPU板。主CPU板进行数据处理和自适应补偿工作,经过处理后的数据通过装置过程层网络接口送至智能变电站过程层总线标准通信通道,作为开源数据,供其他各IED使用。

本装置开关状态监测功能实现的特点是,开关状态监测数据上送到智能变电站过程层总线经由总线的标准通道,这种方式不占用总线实时通道的带宽,保证了过程层通信中GOOSE跳闸命令等数据的实时传送,同时使开关数据传送经由过程层总线到变电站其他设备成为可能。

5 总结

智能开关的研究是变电站自动化领域的发展趋势之一。作为开关的智能化的关键部件操作装置必然被大量使用。本项目对开关控制装置灵活可靠的硬件平台、控制装置的过程层实时通信、开关就地保护和在线状态监测功能的实现等方面进行的研究,为智能开关控制装置的实现打下了基础。

摘要：分析了智能变电站智能开关目前主要存在的问题,提出智能开关控制装置研究的必要性,并指出开关控制装置的灵活配置和过程层实时通信性能的提高是智能开关研究需要解决的问题,开关就地保护和开关状态监测是开关智能化的两个主要特征。基于高速串行总线,构建了智能开关控制装置硬件平台,实现了装置的灵活配置;同时提出改进过程层总线通信实时性的方法。在此基础上提出的智能开关就地保护和状态检测功能的实现方案,为智能开关控制装置的研制提供了基础。

关键词：智能变电站,智能开关,控制装置,就地保护,状态检测

参考文献

[1]肖世杰.构建中国智能电网技术思考[J].电力系统自动化,2009,32(9):1-5.XIAO Shi-jie.Consideration of technology for constructing Chinese smart grid[J].Automation of Electric Power Systems,2009,32(9):1-5.

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[6]李孟超,王允平,李献伟,等.智能变电站及技术特点分析[J].电力系统保护与控制,2010,38(18):59-62.LI Meng-chao,WANG Yun-ping,LI Xian-wei,et al.Smart substation and technical characterisfics analysis[J].Power System Protection and Control,2010,38(18):59-62.

微信控制6路输出开关 篇9

关键词：微信,MDK,WebSocket,单片机C8051F020 W5100

1 系统概述

系统框图如图1所示。

通过手机微信, 关注公众号后, 在公众号里, 发送命令“开灯1”, 把单片机输出模块的第一路打开, 如果输入“开灯123456”, 则同时打开6路, 发送命令“关闭3”, 则把第3路输出关闭。

如图2所示。

由于微信本身的开放性, 对于开发者来说, 可以先申请一个公众微信测试号https://mp.weixin.qq.com/debug/cgi-bin/sandbox?t=sandbox/login, 然后在微信开发平台设置好URL, 填写自己的服务器地址, Token是自己指定的一个字符串, 微信就会把手机发送的各种消息, 以XML数据包的形式发送到自己的服务器这边。比如我填写了http://www.gamehorse.com/wx/wx.php, 那么微信会把你公众号的消息, 最终发送到wx.php这里。

需要注意的是, 必须先编写wx.php里面的最基本的微信响应回复的代码, 因为微信服务器会对你提交的服务器地址, 先进行测试的。如果仅仅是空代码或者不符合格式, 提交URL会通不过!

在自己的服务器使用xampp建立一个网站。使用C++代码, 编写一个Web Socket程序, Web Socket和wx.php在同一个服务器, 通过使用自定义的TCP协议格式通讯。单片机这边使用C8051F020 (高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核 (可达25MIPS) ) , 通过网络芯片W5100 (内部集成有10/100Mbps以太网控制器, 主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中) , 单片机和服务器的Web Socket进行通讯, 使用标准的Web Socket协议。以上所见, 这样的系统结构, 复杂度在于服务器这边, 单片机明显降低了难度, 由于不是单片机为服务器, 所以也为单片机以后的扩展, 提供了方便。

Wx.php主要是通过eclipse编程环境, 当然也可以是editplus。

C++服务器代码, 使用了轻量级的MDK网络库, 使用VS2010版本。

单片机使用KEILC UV4,

2 服务器端wx.php

Wx.php里是尽可能的简洁明了, 没有使用任何框架。

define ("TOKEN", "xxx") ;

define ("APP_ID", "xxxxxxxxx") ;

define ("APP_SECRET", "xxxxxxxxx") ;

这三个字符串的信息是在微信开发平台进入自己的测试公众号里。

当有echostr字串时, 进入valid () , 再进入check Signature, 细看具体的代码, 提取出signature, timestamp和nonce, 把timestamp和nonce再混合自己的TOKEN, 通过sha1运算, 形成一个字符串, 这个字符串和signature比较, 相等的话, 通过了验证。

当没有echostr字串时, 进入response Msg。这里, 根据项目要求, 仅仅响应了菜单点击, 键盘输入, 语音输入。

显然text和voice是同一个处理函数, 因为声音已经被微信转换为文字了, 不过声音转换为文字是放在$Recognition字段, 键盘输入的文字是放在$Content的。切记在微信开发平台进入自己的测试公众号把声音功能打开, 否则声音输入是无效的!

进入receive Text ($post Obj) , 把信息放入$content, 进入自定义函数Light On Off ($content) ;在函数Light On Off里使用strpos函数找关键字“关灯”或者“开灯”, 然后分解出路数, 最后解释为1为开灯, 0为关灯, 保存到字串$cbuf中。

前面2个字节为0, 10为整个数据包的长度, 10个字节。在很多的TCP包中, 前面的两个字节一般都是代表长度的。0x81和6由于和Web Socket有关系, 在服务器程序中, 再次说明。$cbuf包含了6路的开灯和关灯数据。

从微信里获取数据后, 通过socket_write到Web Socket程序, 就可以完成, 然而, 实际中发现socket_write写好后, 提示写入成功, 并且是正常的socket_close, 可是很多时候Web Socket程序, 并没有收到任何数据。后来我推测, 应该和PHP的执行程序有关系, 在wx.php语句执行完成后, 整个相关的线程退出, 所以socket_write尽管提示写入成功, 但是还没有完全写入系统缓存, 系统也没有告诉Web Socket程序, 而PHP相关线程的退出, 导致所有的信息消失, 结果Web Socket程序没有收到相应的TCP数据包。针对这个特性, 在socket_write后, 使用socket_recv等待Web Socket程序返回数据。如此, 保证了Web Socket收到了TCP包, wx.php中的socket_recv收到返回数据包后, 再socket_close, 释放系统资源。这样的流程write和recv, Web Socket从来没有丢失过TCP包。

3 服务器端Web Socket

(1) 其实使用PHP语言使用socket_select函数也是能构造一个小型的服务器端, 然后不断的事实证明, 这个非常的不稳定, 困扰了我整整一个月, 不管我怎么改进, 仅仅连接了2个socket, 连接时间1个星期左右, 就会崩溃。最后, 我选用了高性能网络MDK库,

http://www.oschina.net/p/micr odevelopment-kit, 目前最新版本为1.97, 使用后, 性能稳定, 连续运行四个月, 没有发现任何问题。MDK库最后形成一个DLL文件, 在VS2010中, 加载MDK的.h文件, MDK仅仅需要响应业务层最关心的3件事, 连接发生 (On Connect) , 消息到达 (On Close) , 连接关闭 (On Close) 3个接口, 让服务器端开发者可以全身心的投入业务逻辑的开发中。极大的加快了Web Socket程序的开发。

(2) 单片机和服务器端的连接, 完全可以自定义数据包格式, 但是为了更加通用, 最终决定使用国际通用的Web Socket格式。

Web Socket协议首先由客户端发出握手请求。

请注意最后的字串“rn”, 绝对的不能丢掉!

服务器收到握手请求后, 进行Sha1运算后, 然后发回, 客户端再次验证, 如果通过, 就可以下一步的自由通讯了。

下一步的通讯, 使用如下的数据格式。

在Web Socket协议中, 使用序列frames方式来传输数据。一个frame的标准格式如图3。

举个最简单的Web Socket数据例子, 0x81, 6, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 这就是符合要求的一个数据包。0x81, 代表FIN=1, 是消息的结束帧, Opcode=1, 代表文本消息。6, 代表Mask=0, 不使用掩码格式, Payload len=6整个数据长度是6个字节。而通过wx.php过来的10个字节, 后面8个字节其实是完全符合Web Socket定义的, 服务器的Web Socket程序, 只要把后面的8个字节直接转发到单片机就可以。

(3) 服务器端的Web Socket是在高性能网络MDK的基础上编写的, 编程环境为VS2010, 由于有两个TCP连接, 一个和wx.php连接, 端口号设定为12345, 一个是和单片机连接, 端口号设定8080。下面主要是分析和单片机连接TCP数据包这部分。当单片机发起握手连接的时候, 在Hand Shake函数中, 提取出Sec-Web Socket-Key关键字后面的字段, 进行Sha1运算, 再进行base64encode包装, 然后再根据填入格式中, 发回单片机。

并设定为握手完成。

后面的进行正常的websocket自由通讯了, 在小于126字节的时候, 可以使用最为简单的封装格式, [0x81], [6路开关], [开关1][开关2][开关3][开关4][开关5][开关6], 在实际中发现Web Socket的TCP连接, 大约3分半的时长不收发任何数据, 会自动断开, 正对这个问题, 服务器websokcet开启定时器, 大约在1分钟左右, 对单片机发送一次以前的数据, 从而保持长连接。

4 单片机C8051F020+W5100

C8051F020通过并口对网络芯片W5100进行读写, 当W5100有数据包到达后, 中断MCU的INT0, MCU进入中断服务程序, 进行数据包的读取。由于整个系统的复杂性, 都在服务器这边, 对于单片机来说, 初始化后,

(1) 连接服务器connect (SOCKET_RECV, server, 8080) 。

(2) 发送握手信号send (SOCKET_RECV, httphead, uhttpheadlenght) 。

(3) 等待INT0中断, 读取数据包, 判断是否是握手信号的回应。如果是, 到4, 如果不是, 异常处理。

(4) 等待INT0中断, 读取数据包, 进行自由通讯的Web Socket消息处理。服务器发送的是6路的开灯和关灯数据, 获取这6路数据后进行业务解释, 如果是1则闭合这路开关, 如果是0, 则断开这路开关。

5 总结

从手机微信发送命令, 经过微信服务器, 到达自己的服务器wx.php, 再到达Web Socket.exe, 再到达单片机C8051F020, 整个系统的复杂性在于服务器这边, 服务器端连续运行到目前为止, 从没有出现过问题。通讯的命令格式使用Web Socket国际标准, 在没有单片机的时候, 通过IE也能非常容易的收发, 验证。

开关控制 篇10

开关柜是电力系统发输配电中重要的设备, 对于电气自动化起着至关重要的作用。虽然开关柜的质量有相应国家标准, 但还是有出现产品不符合质量标准的情况, 所以近年来开关柜事故率一直居高不下, 对电网和设备的安全可靠运行造成了不良的影响。因此希望通过开关设备运行故障的分析来阐明开关柜质量管理的重要性, 并实施相应的质量控制方法。

1 放电故障原因分析

目前高压开关设备运行中出现的故障主要表现为放电, 其原因大致可分为以下四大类。

1) 绝缘件的设计不合理, 例如绝缘件安装位置的设计不合理使得绝缘件的爬电距离不满足要求, 在运行中出现放电现象, 致使绝缘性能下降, 增加绝缘击穿的概率。其次绝缘材料的使用不合理, 有些材质外加的绝缘板会出现吸水、受潮、变质, 从而发生一系列的放电故障现象。

2) 元器件生产装配工艺不规范, 母排上的倒角不符合标准引起尖端放电, 长时间局部放电会破坏绝缘, 尖端的存在是放电的主要原因。此外, 触头盒内部静触头安装位置未按实际设计安装, 导致分支母排偏斜靠在触头盒内壁, 长期运行下, 也会产生放电现象, 致使触头盒内壁绝缘性能下降。

3) 柜内电气元器件本身的质量问题导致放电, 开关柜内CT、PT、避雷器等元器件也经常发生事故, 特别是PT柜中的PT受铁磁谐振的影响, 在谐振过电压下发生事故, 放电导致母线PT的损坏等。

4) 运行环境不良, 例如南方雨雾及北方的沙尘暴雾霾天气对空气绝缘开关柜影响较为严重, 当开关柜的运行环境的空气湿度及灰尘颗粒超过运行标准时, 会使开关柜的绝缘性能下降, 就容易发生开关柜放电故障。[1]

2 放电故障的解决方案及对产品的质量控制

开关柜设计与制造的过程质量控制

从上文中提到的放电故障原因分析的第1、2点可以看出设计与制造过程是产品质量形成的关键过程, 是产品质量控制的重中之重, 为此, 要在以下三个方面进行质量控制。

1) 设计人员的技术水平, 要求设计人员除具备过硬的专业技术水平外, 还要有丰富的经验及很强的责任心。需要多方位思考, 出现问题时要第一时间进行了解分析及处理。

2) 操作人员的技术水平, 现代化流水线生产中, 操作人员应具有责任心且还应具备过硬的专业技术水平。要经常对操作人员进行岗位专业技能培训与考核, 拓宽其知识面, 增强解决问题的能力。[2]

3) 逐步建立健全规章制度, 完善工艺规程:在严格执行现有的规章制度、工艺规程的同时, 规范产品的生产过程, 使其程序更科学、更有效。规范人的行为, 提高人的工作质量, 最终目的是实现产品质量符合标准的要求。

3 元器件和原材料采购的质量控制

电气成套开关柜的制造企业分工精细、专业化程度高, 一套电气成套设备需要很多电气元件和材料组成, 所有元器件不可能由一个企业自己制造生产, 需要在市场上进行采购。因此, 从上文中放电故障原因分析的第1 2点可以看出采购是产品质量控制的重要的环节。

1) 要求采购人员非常清楚产品设计的要求, 了解采购元件或材料的规格、型号、质量要求等主要技术指标。

2) 要对供应商进行管理, 重点考察供应商的质量保证能力, 了解生产企业是否建立了相应的ISO质量管理体系。

3) 查看采购产品各项技术指标能否达到我们的设计要求。

4 产品的检验及质量控制

除了以上几点质量控制方案外, 还有针对于开关柜的进货检验及出厂检验。

1) 对开关柜内组部件原材料的检查, 即常说的进货质量控制。主要包括的元器件有真空泡、断路器、环氧树脂绝缘件、电流互感器、电压互感器、避雷器、铜排、钣金等, 这些元器件应在供应商厂家处按标准进行试验, 并出具试验报告。同时在场内还要对CT、PT逐台进行局部放电检测及励磁特性试验;对于开关柜内绝缘件要进行抽样检验, 试验项目包括但不限于工频耐压试验、局部放电试验、温升试验、机械特性试验、绝缘层热性能、阻燃试验, X光透视探伤检查等。[3]

2) 对开关柜整体性能的试验检查, 即常说的最终质量控制。成套开关柜的出厂试验室对产品的整组试验, 检验各元器件间互相是否匹配, 整体性能是否达到要求。出厂试验包括:主回路的绝缘试验、辅助和控制回路的绝缘试验、主回路电阻测量、设计检查及外观检查、机械操作及联锁试验、局部放电测量等[3]。以上试验均要测试通过以确保产品的所有性能符合GB3906-2006的标准要求。

总而言之, 对产品质量控制的重视是非常有利于企业提高产品质量水平, 也有利于防止个别企业领导只重眼前利益, 不重视企业的长远发展, 只重视效益, 不重视产品质量的短期行为。

5 关注顾客反馈, 对售后服务的质量控制

关于上文提到的由于运行环境不良导致的放电现象。大部分出现在设备已移交到客户手中, 运行一段时间后, 出现的异常情况。这种情况的出现, 只能通过客户的反馈才能得知。所以我们需要做到经常对客户进行回访, 收集他们的反馈。并在第一时间指导帮助客户对运行环境进行改良, 以降故障的发生概率, 提高客户的满意度。所有这些做法都是作为顾客的满意度调查而被列入公司的质量控制体系当中, 作为改进与提高产品质量的依据。整个过程包括:建立与顾客沟通的信息渠道、对信息的收集与处理工作、决策改进、实施提高。形成循环程序, 逐步提高产品质量, 满足顾客需求。

6 结束语

综上所述, 对开关柜的质量控制是需要多方面各部门进行协调处理控制的, ABB作为开关行业的领头羊, 其质量管理及控制理念就是全面质量管理, 全员都是质量人, 每个员工都对质量进行控制。以保证ABB的产品在市场上一直保有强大的竞争力。

参考文献

[1]吴江, 刘成鹏.高压开关柜常见故障及使用介绍[J].大众科技, 2004 (09) .

[2]张敏.10kV开关柜电气故障分析与处理[J].中国新技术新产品, 2010 (10) .

开关控制 篇11

关键词语音识别；HMM；SPCE061A；ZigBee；CC2430

中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)042-0108-03

语音识别技术是近年来十分热门的一个研究方向，被广泛应用于智能家居、工业控制、医疗卫生、家电、汽车等多个领域；无线网络控制系统组网灵活、使用便利、具有移动性等优势，已成为网路化测控系统研究的一个热点。本文把语音识别和无线网络控制系统结合起来，实现远距离的无线语音控制。本文通过对硬件，软件，语音算法和最终测试四个方面的介绍，概述了整个系统的搭建测试过程。

1系统硬件设计

本系统硬件结构可分为主节点、从节点，图1为总体硬件结构图。其中主节点由基于凌阳SPCE061A的语音识别模块和基于CC2430的ZigBee无线通信模块组成，从节点则由ZigBee通信模块与被控对象组成。语音识别模块实现对语音命令的识别，并将识别结果通过SPI发送至ZigBee模块；ZigBee模块根据不同的语音指令，发送指令到相应的的ZigBee从节点，控制相应的被控对象。本系统所采用的网络拓扑结构为星型，即一个主节点与多个从节点采用星型方式连接。

图1系统硬件结构

1）语音识别模块。语音识别模块主要以SPCE061A为核心，实现对语音信号进行采集和处理，以及输出识别结果。其中，SPCE061A是凌阳公司推出的一款性价比非常高的16位DSP，它的u'nSP指令系统还提供具有较高运算速度的16位×16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，在复杂的数字信号处理方面非常便利，而且比专用的DSP芯片便宜得多，因此，以μ’nSPTM为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。

2）ZigBee通信模块。本系统中的无线部分包含一个发送节点（FFD）和多个接收节点（RFD），并自组建成星型网络。节点的基本硬件构架是ZigBee射频电路。ZigBee射频电路则以CC2430为核心。CC2430是TI公司推出的一款2.4GHz射频收发器，其MAC层和物理层协议都符合IEEE802.15.4标准，CC2430可通过4线SPI总线设置芯片的工作模式并实现读/写缓存数据、读/写状态寄存器等。语音识别模块的识别结果通过SPI总线与ZigBee射频电路相连。不同的语音指令传输到CC2430中，经分析将指令通过FFD传送给不同的RFD。

3）继电器控制模块。因为本实验所用到的CC2430的输出电压只有3.3V，为了控制直接接在220V上的被控对象，需要一个继电器，由于继电器线圈需要流过较大的电流（约50mA）才能使继电器吸合，一般的集成电路不能提供这样大的电流，因此必须加上驱动电路，实现低电压，低电流控制高电压，高电流。

2系统软件设计

本系统的软件设计为利用SPCE061A实现语音识别过程及利用CC2430实现无线传输协议。最终实现无线远距离语音识别，并可以独立运行。

2.1语音信号处理

语音识别模块采用SPCE061A芯片进行软件开发，以实现语音的识别、交互和控制功能。系统软件设计是在凌阳科技公司提供的集成开发环境IDE下进行的，它集程序的编辑、编译、链接、调试和仿真等功能为一体，使程序的设计工作更加方便、高效。本系统对代码进行了必要的整合和优化，以使其达到系统设计要求，整合后的整体软件流程如图2。

图2整体流程图

2.2ZigBee节点软件设计

ZigBee节点上的软件负责完成接收由语音识别模块发送的控制命令，并将命令无线传送到RFD节点，RFD节点通过解析数据帧中的地址码来判断是否接收。如果是则接收数据包，解析命令并产生相应的控制动作，送出信号给相应的被控对象。由于CC2430芯片提供了802.15.4的物理层和MAC层功能，我们只需完成如下工作：①上层协议。使用成熟的协议栈：Z-Sack。②用户程序。利用Microchip提供的API函数实现了Zigbee的全部功能。

3语音识别算法的设计与实现

3.1语音识别概述

语音识别的一般方法是预先对语音信号提取特征参数形成模板，然后将待识别的语音经特征提取后逐一与参考模式库中的各个模板按某种原则进行比较，来找出最相像的参考模板所对应的发音，其一般过程如图3所示。

图3语音识别系统的一般结构

系统中包括预处理、特征提取、模板库、模式匹配和后处理五大部分。针对本系统特点与实际需要，在进行语音处理的过程中，采用线性预测分析来进行语音特征参数提取、采用隐马尔科夫算法（HMM）法来进行语音识别。

3.2线性预测分析

线性预测的目的即是用过去的状态来预测现在或将来的某一状态。在随机信号谱分析中常把一个时间序列模型化为白噪声序列通过一个数字滤波器H(z)的输出。在一般情况下，取滤波器的全极点形式（Auto Regressive）AR 模型，即：

其中系数为ak，G即为模型参数。

当输入信号u(n)为零均值的随机信号时，系统的输出s(n)与输入之间的关系可以用相关函数或功率谱来表示：

RSS(z)=H(z)H(z-1)Ruu(z)

式中RSS(z)和Ruu(z)分别为信号的输出与输入的自相关序列的Z变换。在信号模型中，u(n)为零均值，方差为σ2u的白噪声序列，其自相关：

Ruu(z)=σ2uδ(n)

所以有：Rss(z)=H(z)H(z-1)Ruu(z)=Rss(z)=H(z)H(z-1)σ2u

写成功率谱的形式为：λ=(π,A,B)

上式假设σ2=1，这表明，信号s(n)的功率谱，完全可以由滤波器的幅度频率响应来决定，从这个意义上讲，系统H(z)确实可以用来模型化信号是s(n)。由此得出结论：在语音分析中，求出预测滤波器H(z)的参数，便可以将其用在语音识别与分类中。这种线性系统在离散时域可以表示成：

其中输入为e(n)（高斯白噪声），输出为x(n)，即在高斯白噪声的激励下，该系统输出为指定的语音信号。设定预测误差：

其中：

p为阶数，ak滤波器系数。当利用预测x(n+r)时，即求出使E最

小的情况下的{ak}。当时，可

以写成如下形式：（分别取n=1，2，…，L-1+p）

n=1

n=p

n=L-1-r

图4原始一帧语音信号的时域及256点频域图形

通过频域波形观察可以看出该预测误差滤波器基本上可以模拟出原语音信号。从而证实了线性预测系数的有效性。

图5通过训练得到的预测误差滤波器的频域模型

图6随机白噪声预测的原语音信号的时域及频域波形

3.3HMM语音识别算法

HMM可分为两部分，①Markov链，由π，A描述，其产生的输出为状态序列；②随机过程B，产生的输出是观测序列。T为观测时间长度。如图7所示。

图7HMM的组成示意图

1）HMM参数。HMM是状态隐藏的马尔可夫（Markov）数学模型．HMM包含一定数量的状态，每个状态会产生一个观察分布。其状态由两套概率分布描述：状态转移分布和观察量分布。除此之外，HMM的第三个概率分布是隐藏状态的初始分布，因此，HMM模型包含以下参数：

①隐藏状态集θ={θ1,θ2,…θN}，N为状态数，t时刻HMM所处的状态为θ的元素，即qi∈θ；

②状态转移概率分布A={aij}，其中aij=P[qt+1=θj]，1≤i，1≤j；

③观察量集合V={V1,V2,…VM}，M为每个状态中可观察量的数量，t时刻的观察值Ot∈V；

④观察值概率分布B={bj(k)}，其中 bj(k)=P[Oi=Vk|qt=θj]，1≤j≤N，1≤K≤M；

⑤初始状态概率分布π={πi}，其中πi=P[qi=θi]，表示各个状态在初始时刻发生的概率1≤i≤N以上是HMM的基本参数，在建模之前需根据识别类型确定常数N和M 的值，本方案选N=6，M=4。因此，HMM通常用三个参数的集合λ=(π,A,B)表示。

2）语音特征提取。本文语音信号采用8 kHz采样率，再通过预加重、分帧，最后将每帧语音转换成用20阶Mel倒谱系数表示的特征矢量，然后采用LBG算法将语音特征矢量转换为观察值序列θ={θ1,θ2,…θM}。

3）HMM模型训练。HMM模型训练的目的，就是在已知观察值序列Ο和初始模型λ=(π,A,B)的条件下，用迭代法估计HMM的参数值λ（包括π,A,B），使P（Ο | λ）收敛于一个最大的稳定值，具体算法为：

①前向概率；

②后向概率；

③观察值概率分布B的估计：

，

；

④状态转移概率分布A的估计：

，

；

⑤初始状态概率分布的估计：。

由上述公式每迭代一次，求得一组新参数，和，得到一个

新的模型，总有，重复该过程，逐步

改进模型参数，直到不再明显增大，此时的即为所求的模

型。模型训练结束后，将结果存储在HMM参数库中以备识别时调用。

4）HMM语音识别。以训练过程得到的HMM参数库为基础，再采用Viterbi 算法进行识别，待识别的语音信号转换为观察值序列后，按Viterbi算法与HMM参数库中的模型逐个进行匹配，Viterbi评分最高的亦即输出概率P(O|λ)最大的作为识别结果。

4系统测试与分析

4.1语音识别测试

无线智能开关控制主要针对小词汇量、特定人和特定的环境，本系统可以实现实时在线的模板训练。针对系统的特点，语音识别正确率的测试分别对“开始”、“开灯”、“关灯”三个孤立词进行测试。并控制灯光的开关，测试结果如表1所示。

4.2ZigBee通信模块测试

1）最远传输距离测试。测试条件：接收灵敏度为-94dBm，发送功率为0dBm（1mW），发射频率为2.4GHz。

测试结果：无线通信传输距离最远为70米。

结果分析：通信距离主要受几个因素影响：接收灵敏度，发射功率灵敏度，工作频率和传输损耗。

2）有障碍测试。有障碍的测试受障碍的环境条件影响较大，且与摆放位置有关系。在实验室中进行测试，相隔三堵墙直线传送距离约为20米。

3）系统功耗测试。分别对主节点和从节点在正常运行和休眠状态时进行测试。测试结果如表2所示。

结果分析：若采用1000mAh电池，则主节点可连续工作约40小时，待机约5000小时；从节点可连续工作约111小时，待机约5000小时。

通过分别对系统语音识别率以及ZigBee通信性能作了详细的测试，测试结果表明该系统完全可以达到实用目的。

5结语

本文提出基于SPCE061A单片机语音识别系统的设计方案，采用ZigBee芯片作为通信模块处理器，并完成了两大模块的相关硬件和软件的设计。设计中，以语音语言学和数字信号处理以及ZigBee无线传感器技术为基础，涉及多学科领域。语音处理技术是系统设计的关键所在，重点阐述语音信号特征参数的提取方法以及语音识别的算法等。经测试，本系统语音识别率达到93%以上，具有较强的应用价值。

基金项目：江西省教育厅2010年科技项目（GJJ10480）。

参考文献

[1]TI.CC2430 2.4GHz IEEE802.15.4 RF Transceiver User's Manual [OL].[2005-10]. www.TI.com.

[2]SPCE061A (v7.3)[M/OL]. http://2.dx1.elecfans.com/l/elecfans.com-SPCE061.pdf

[3]王和顺,邓成中,黄惟公.基于SPCE061A的语音识别系统的研究[J].计算机工程与设计,2004.

[4]高守玮,吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

[5]蔡莲红,黄德智,等.现代语音技术基础与应用[M].北京:清华大学出版社,2003.

[6]俞铁城.语音识别的发展现状[J].通信世界,2005.

[7]杨行峻,迟惠生.语音数字信号处理[M].电子工业出版社,1995.

[8]张焱,张杰,黄志同.语音识别中动态时间规整和隐马尔可夫统一模型[J]据采集与处理,1997,03.

[9]Rabiner L,A tutorial on hidden Markov models and selected applications in speech recognition,Proc,of IEEE,77(2)257-286,1989.

作者简介

李佳（1985—），男，在读硕士研究生，主要研究方向：网络化控制。

何鹏举（1961—），男，教授，硕士生导师，主要研究方向：网络化测控传感器技术。

开关控制 篇12

1 基于DSP控制的实现方法

DSP系统已广泛应用于开关电源控制电路, 是开关电源的控制核心电路, 可以有效利用DSP系统的高速性、可编程性、可靠性等特点, 结合相应算法实现特定功能, 可为开关电源输出质量好、频率和幅值可以任意改变的控制信号。图1为采用DSP系统的控制电路开关变频电源基本控制硬件框图。

开关电源采用高频SPWM技术和普通电压逆变电路, DSP系统与IGBT功率模块构成全数字控制电路。输出的电压和电感电流经过网络转换成DSP所需要的电平, 连接至DSP的A/D单元进行模数变换;控制输入单元输入需要的电压值及频率值, 从而得到逆变电路的基准电压。

DSP系统经过特点算法进行相关计算后会产生一定死区的控制信号。由于输出的数字PWM控制信号不足以驱动IGBT开关管, 需要经过驱动电路对开关管进行驱动。DSP芯片具有较高的采样速度和运算速度, 可以快速地进行各种复杂的运算对电源进行控制, 可以实现较高的动态性能和稳压精度。为了有效保护开关电源器件, 防止出现过压、欠压、过载等情况, 系统专门设计了保护电路, 一旦出现故障, DSP控制系统封锁PWM脉冲控制信号, 切断开关电源电压输出。

2 开关电源基本控制算法

2.1 PID控制

开关电源的数字化控制需要进行一定的控制算法来产生控制信号, 实现控制规律。数字开关电源控制最初是借鉴模拟控制原理, 通过数字化实现模拟控制信号。PID算法在数字控制中应用比较广泛, 它具有原理简单、易于实现、适用面广、控制参数相互独立、参数的选定比较简单等优点。

PID控制是应用最广泛的控制规律。图2为常规PID控制原理图, 系统由PID控制器与被控对象组成。PID控制器是一种线性控制器, 它根据给定值r (t) 与实际输出值y (t) 构成的控制偏差e (t) 来计算:

将偏差的比例P、积分I和微分D通过线性组合构成控制量, 对被控对象进行控制。其控制规律为:

或写成传递函数的形式:

式中:Kp为比例系数;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数。

数字PID控制是一种采样控制, 它只能根据采用时刻的偏差值计算控制量。因此, 连续域PID控制算法不能直接使用, 需要采用离散化方法。数字PID控制算法又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法, 还有一些微分先行法和带死区的PID控制算法等。

2.2 模糊PID控制算法

目前, 开关电源的各种应用场合对电源的动态性能提出了越来越高的要求, 其中电压超调与恢复时间是重要指标。负载的变化或者输入电压的变化引起输出电压变化, 而输出电压值取决于滤波器和控制策略。由于开关变换器为一个时变、非线性系统, 无法建立精确的数字模型。而模糊PID控制算法的优点在于不需要建立准确的变换器数字模型, 非常适合DC-DC变换器的强非线性。自适应的模糊控制可以保证控制系统的信号稳定性。

模糊控制器是以误差量化因子e和误差变化率量化因子ec作为输入, 利用模糊控制规律自整定找出PID控制器三参数KP, KI, KD与和之间的模糊关系。模糊PID控制原理框图如图3所示。

取e和ec为输入语言变量, 每个语言变量取“大、中、小”三个词汇来描述输入输出变量的状态。模糊推理的模糊规则一般形式为:

其中Ai, Bj, Ci为其理论上的语言值。

上述规则可以用一个模糊关系矩阵来描述:

根据各模糊子集的隶属度幅值表和各参数模糊控制规则, 应用模糊合成推理设计PID参数的模糊矩阵得到KP, KI, KD参数调整算式如下:

式中:KP, KI, KD是PID控制参数, {e, ec}是误差e和误差变化率ec对应控制表中的值, 它需要查控制表得到。Ku P, Ku I, Ku D作为修正系统, 在控制过程中, 控制系统通过对模糊逻辑规则的结果处理、查表和运算, 完成PID参数的在线自校正。

3 系统硬件及关键点设计

3.1 硬件主体

本文设计的开关电源主要是将开关电源优良特性和DSP系统精细化控制相结合。开关电源采用反激式拓扑结构, 包括EMI滤波电路、整流/直流平波电路、控制器、信号采样、PWM驱动、键盘及显示部件组成, 力求使开关电源具有高效低耗、便携化、负载输出稳定、电路保护可靠、电网宽电压输入、电网污染小等特点。图4为硬件系统主体设计示意图。

3.2 输出电压检测隔离设计

开关电源输出电压检测过程中对控制电路的隔离保护是非常必要的, 这样不仅可以实现控制电路的安全工作, 而且避免了将输出电路的噪声引入控制电路中。电压检测电路与控制电路隔离保护采用光耦合器进行隔离, 它由发光二极管LED、输出光电二极管PD组成。光耦合器在开关电源的主振回路与输出采样之间进行电气隔离, 并为电源稳压控制电路提供信号通路。

3.3 EMI滤波器设计

开关电源在正常工作时会产生传导噪声和辐射噪声, 毫无疑问噪声主要产生于电源开关过程。开关过程中包含了最大的功率以及最大的电压变化率d V/dt, 同时也包括了最高频率成分。噪声的存在将污染电力线路, 影响周围精密电子仪器的运行, 比如设计滤波器。EMI滤波器是一种由电感、电容组成的低通滤波器, 它允许直流或者工频信号通过, 对频率较高的其他信号有较大的衰减作用。图5为EMI滤波模型, 滤波器的基本结构就是一个分离的二阶LC滤波器, 其取值原则就是在最小的体积下可以获得期望的抑制效果。在滤波器模型中还有一个额外的高频LC滤波器;高频滤波器当寄生参数使得前面的LC滤波器性能变差时, 用来抑制这些高频噪声。

3.4 高温保护电路

开关电源在设计中由于转换效率不同, 将部分能量以热量辐射。温度升高将影响系统正常工作甚至产生人身危险, 为了保证系统安全, 开关电源工作时温度需要实时监控。图6为温度采集电路部分电路图。当系统检测到温度过高时, 控制模块立即关断开关电源输出, 待系统温度达到工作温度范围后开始继续工作。

4 开关电源性能分析

本文采用反激式开关电源和模糊PID控制算法进行仿真。反激式开关电源的等效模型传递函数为:

式中:K1, K2, B1, B2, B3为系统比例系数, 由开关电源电器元件参数决定。

模糊PID控制器由系统误差e和误差变化率ec为输入, 通过不同时刻的e和ec值, 利用模糊控制规则在线对PID控制器参数KP, KI, KD参数进行修改。模糊PID控制系统组成如图7, 图8所示, 阶跃响应曲线如图9所示。

本设计开关电源把DSP完美融入到开关电源设计中, 充分利用了DSP系统快速运算能力, 采用模糊控制算法使开关电源控制智能化, 电源快速达到稳定输出, 提高了抗负载扰动能力。

5 结论

本系统将DSP作为开关电源控制单元, 应用模糊PID控制算法, 使开关电源和DSP系统完美配合工作。利用了DSP快速处理能力特点产生开关电源PWM控制信号, 对开关电源输出进行精确控制, 提高了开关电源输出精度和转换效率, 使开关电源控制实现智能化;能够按照负载情况进行实时修正, 使电源达到快速稳定输出;同时利用DSP资源设计完成开关电源显控单元及保护模块, 提高了开关电源操作性和安全性。

参考文献

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