【正文】 相轉(zhuǎn)換，所以在實(shí)際使用中振動(dòng)量的大小一般用加速度的值來度量。有效信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間非常短，通常在數(shù)十到數(shù)百毫秒之間。真空斷路器配用永磁機(jī)構(gòu)后，不僅可以進(jìn)一步提高可靠性，滿足免維護(hù)的要求，而且永磁機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間分散性小，分合閘時(shí)間的精確度能滿足同步開關(guān)的要求。真空斷路器的觸頭行程很小，觸頭接觸只需要很小的驅(qū)動(dòng)力；觸頭開合時(shí)，就需要很大的驅(qū)動(dòng)力來壓縮觸頭彈簧。雙線圈雙穩(wěn)態(tài)和單線圈單穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)的共同之處，即合閘操作和保持是相同的，而分閘時(shí)是不同的。永磁機(jī)構(gòu)有個(gè)主要部件，其中靜鐵芯為機(jī)構(gòu)提供磁路通道，動(dòng)鐵芯是整個(gè)機(jī)構(gòu)中唯一可移動(dòng)部件，永久磁鐵為機(jī)構(gòu)提供保持時(shí)所需的動(dòng)力。永磁機(jī)構(gòu)根據(jù)永久磁能所處于的保持位置可分為雙穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)。第3章主要闡述各個(gè)部分硬件電路的設(shè)計(jì)，分析各個(gè)部分所用元器件的性能參數(shù)，在本次電路設(shè)計(jì)中的作用。采用加速度傳感器提取真空斷路器永磁機(jī)構(gòu)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，運(yùn)用美國TI公司生產(chǎn)的DSP芯片TMS320LF2407A控制信號(hào)的采集、存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)分析處理，通過RS—232串行通信接口上傳至PC機(jī)，利用MATLAB軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行小波分析，分解和重構(gòu)振動(dòng)信號(hào)，從而判斷有無存在故障的先兆，提高運(yùn)行可靠性，為設(shè)備的狀態(tài)維修提供依據(jù)。這樣不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故異常征兆，而且過度的拆卸檢修反而會(huì)影響斷路器的正常運(yùn)行，增加事故率。目前，真空斷路器在12～40．5kV的中壓開關(guān)設(shè)備領(lǐng)域占有優(yōu)勢(shì)地位；—1lOOkV的電力開關(guān)設(shè)備中，由于SF6氣體是一種強(qiáng)溫室效應(yīng)氣體，而SF6斷路器被限制使用，所以真空斷路器的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從中壓等級(jí)發(fā)展到更高的電壓等級(jí)。針對(duì)以上狀況，結(jié)合電氣設(shè)備的現(xiàn)代檢修體制由“計(jì)劃性檢修”向“狀態(tài)檢修”轉(zhuǎn)變的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出一種性能可靠、實(shí)用價(jià)廉的在線檢測(cè)裝置是實(shí)現(xiàn)真空開關(guān)狀態(tài)檢修的必須解決的前提條件。小波變換具有“變焦”的特點(diǎn)和良好的時(shí)頻局部化特性，可以把信號(hào)在空間和頻域上局部化。開發(fā)針對(duì)永磁機(jī)構(gòu)斷路器的機(jī)械特性在線測(cè)試裝置對(duì)于判斷永磁操動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械特性、提高其可靠性具有重要的意義。我國自80年代以來，在變電站高壓設(shè)備在線監(jiān)測(cè)、故障智能診斷方面也進(jìn)行了大量的研究工作，取得了 成果，逐步積累了一些經(jīng)驗(yàn)，為開展?fàn)顟B(tài)檢修打下了良好的基礎(chǔ)。高壓斷路器在電力系統(tǒng)中具有控制和保護(hù)雙重功能，是電力系統(tǒng)一次設(shè)備中檢修、維護(hù)工作量最大的設(shè)備之一。引言近年來，一種用于中壓真空斷路器的永磁保持、電子控制的新型操動(dòng)機(jī)構(gòu)(永磁機(jī)構(gòu))引起了開關(guān)行業(yè)的關(guān)灃并成為電器制造企業(yè)和運(yùn)行部門研究的熱點(diǎn)。有關(guān)資料表明，開關(guān)的維修費(fèi)用占變電站總維修費(fèi)用的一半以上，而且大部分用于斷路器到的小修和定期檢查上；由于檢修不當(dāng)引起的事故時(shí)有報(bào)道，據(jù)統(tǒng)計(jì)有10%的斷路器故障是由檢修不當(dāng)所致。作為電力系統(tǒng)控制和保護(hù)設(shè)備，高壓斷路器動(dòng)作的可靠性對(duì)供電可靠性有著極大的影響。斷路器在分合閘操作中所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)是一系列無規(guī)則的信號(hào)量，這些振動(dòng)信號(hào)中還會(huì)夾雜著各種各樣的噪聲干擾和隨機(jī)振動(dòng)。近年來，小波分析在電力系統(tǒng)故障診斷、信號(hào)消噪等方面得到廣泛的應(yīng)用。本文以快速信號(hào)處理（DSP）芯片為核心，利用加速度傳感器測(cè)量振動(dòng)信號(hào)，研制了一套用于永磁機(jī)構(gòu)真空斷路器的機(jī)械特性在線監(jiān)測(cè)裝置。高壓斷路器作為電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一，肩負(fù)著控制和保護(hù)的雙重任務(wù)，其性能的可靠性關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。所以對(duì)高壓斷路器的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)了解其運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)從“預(yù)防維修”到“狀態(tài)檢修”的轉(zhuǎn)變，對(duì)斷路器進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)可對(duì)其運(yùn)行中的各種重要參數(shù)能進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的在線監(jiān)測(cè)，不僅可以提供設(shè)備現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài)。本文一共分為五章。第4章主要介紹系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)，主要是以DSP為核心的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、存儲(chǔ)及串行通信程序。雙穩(wěn)態(tài)是指動(dòng)鐵芯在開斷與關(guān)合行程的2個(gè)位置，不需要任何能量或鎖扣即可保持。當(dāng)斷路器處于合閘或分閘位置時(shí)，動(dòng)鐵芯在最上端或最下端，線圈中無電流通過，永久磁鐵利用動(dòng)、靜鐵芯提供的低磁阻抗通道將動(dòng)鐵芯保持在上、下極限位置，不需要任何機(jī)械聯(lián)鎖。雙穩(wěn)態(tài)單線圈機(jī)構(gòu)的合閘過程與線圈機(jī)構(gòu)相同，但同時(shí)要給分閘彈簧儲(chǔ)能，故此合閘時(shí)需要的能量較大，分閘時(shí)給線圈通以反向電流，使合成磁場(chǎng)為零，靠觸頭彈簧和分閘彈簧所儲(chǔ)存的能量進(jìn)行分閘。因此真空斷路器的反力特性在觸頭接觸瞬間有大幅度的正向突變。同步開關(guān)是主觸頭在電壓過零時(shí)閉合，在電流過零時(shí)斷開的斷路器。（2）振動(dòng)是由于操動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部各構(gòu)件的受力沖擊和運(yùn)動(dòng)形態(tài)的改變引起的，在斷路器的一次操作中，有一系列的構(gòu)件按照一定的邏輯順序啟動(dòng)、運(yùn)動(dòng)、制動(dòng)，形成一個(gè)個(gè)振動(dòng)波，沿著一定的路徑傳播，最終到達(dá)傳感器的是一系列衰減振動(dòng)波的疊加，不同的結(jié)構(gòu)和不同的運(yùn)動(dòng)特性將產(chǎn)生不同的疊加波形。常用單位為：米/秒2 (m/s2)，或重力加速度(g)。最常用的振動(dòng)測(cè)量傳感器按各自的工作原理可分為壓電式、壓阻式、電容式、電感式以及光電式。壓電式傳感器具有響應(yīng)頻帶寬、靈敏度高、信噪比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。圖22 壓電加速度傳感器它由質(zhì)量塊、壓電元件和支座組成。電信號(hào)經(jīng)前置放大器放大，即可由一般測(cè)量?jī)x器測(cè)試出電荷(電壓)大小，從而得出物體的加速度。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。在眾多款型DSP中，TI把市場(chǎng)銷量好和前景看好的DSP歸為三大系列而大力推廣，TI也稱之為三個(gè)平臺(tái)（Platform）。其提供性能、外圍設(shè)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(duì)功耗有嚴(yán)格要求的地方。C24xx系列市場(chǎng)銷量很好，而對(duì)C28xx系列，TI認(rèn)為很有市場(chǎng)潛力而大力推廣。這里 C2000采用的是與OMAP不同的途徑簡(jiǎn)化了主從式設(shè)計(jì)。一個(gè)典型的應(yīng)用實(shí)例為AB公司變頻器（電機(jī)控制器）。而DSP的功能正好與之相反?；ヂ?lián)網(wǎng)和多媒體的應(yīng)用需要將進(jìn)一步加速這一融合過程。(4) DSP和SOC的融合：SOCSOC(SystemOnChip)是指把一個(gè)系統(tǒng)集成在一塊芯片上。1999年，約39%的SOC產(chǎn)品應(yīng)用于通訊系統(tǒng)。它和DSP集成在一塊芯片上，可實(shí)現(xiàn)寬帶信號(hào)處理，大大提高信號(hào)處理速度。設(shè)計(jì)者可以在FPGA中集成一個(gè)或多個(gè)Turbo內(nèi)核，它支持多路大數(shù)據(jù)流，以滿足第三代(3G)WCDMA無線基站和手機(jī)的需要，同時(shí)大大WCDMA無線基站節(jié)省開發(fā)時(shí)間，使功能的增加或性能的改善非常容易。傳統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)信號(hào)處理方法采用傅立葉變換進(jìn)行分析，基于傅立葉變換的FFT頻譜分析在全頻域范圍內(nèi)分辨率理論上可達(dá)無窮大，但時(shí)域分辨率為零，因此不適合對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行分析。，通過物理的直觀和信號(hào)處理的實(shí)際需要經(jīng)驗(yàn)的建立了反演公式，當(dāng)時(shí)未能得到數(shù)學(xué)家的認(rèn)可。與Fourier變換相比，小波變換是空間(時(shí)間)和頻率的局部變換，因而能有效地從信號(hào)中提取信息。小波分析的應(yīng)用是與小波分析的理論研究緊密地結(jié)合在一起地。從數(shù)學(xué)地角度來看，信號(hào)與圖像處理可以統(tǒng)一看作是信號(hào)處理（圖像可以看作是二維信號(hào)），在小波分析地許多分析的許多應(yīng)用中，都可以歸結(jié)為信號(hào)處理問題。小波平滑是將某一信號(hào)先經(jīng)小波分解，將在時(shí)間域上的單一信號(hào)分解為一系列不同尺度上的小波系數(shù)(也稱不同頻率上的信號(hào))， 然后選定某一截?cái)喑叨?，使高于此尺度的小波系?shù)全部為零，再重構(gòu)信號(hào)，這樣就完成了一個(gè)低通小波濾波器的設(shè)計(jì)；而小波去噪，則是在小波分解基礎(chǔ)上選定一閾值，對(duì)所有尺度空間的小波系數(shù)進(jìn)行比較，使小于此閾值的小波系數(shù)為零，然后重構(gòu)信號(hào)。MATLAB意即矩陣實(shí)驗(yàn)室，是一種建立在向量、數(shù)組和矩陣基礎(chǔ)上，面向科學(xué)與工程計(jì)算的高級(jí)語言，它集科學(xué)計(jì)算、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、圖像處理于一體，具有極高的編程效率。2000年l0月、2002年8月Mathworks公司進(jìn)一步推出了MA ⅡAB6．0版、MATLAB6．5版已經(jīng)開始發(fā)布了。 總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試如圖23所示，當(dāng)永磁機(jī)構(gòu)工作時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)通過加速度傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、串行異步通信電路后進(jìn)入PC機(jī)，利用MATLAB進(jìn)行小波分析，同時(shí)存儲(chǔ)并畫出頻譜圖，通過觀察振幅最大處的頻率就可以觀察振動(dòng)物體運(yùn)行情況。軟件由兩部分組成：一是數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集時(shí)利用A/D的定時(shí)觸發(fā)采樣，并將采樣后的數(shù)值存儲(chǔ)在某個(gè)數(shù)據(jù)文件中；二是數(shù)據(jù)處理、圖形選擇和顯示。另一個(gè)是把傳感器的高阻抗輸入變?yōu)榈妥杩馆敵?。因此，本設(shè)計(jì)采用電荷放大器。一般輸入級(jí)多采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管，輸入阻抗可以達(dá)到1010。具體參數(shù)性能可參見TL084的數(shù)據(jù)手冊(cè)。一般輸出電壓在1:10V范圍內(nèi)變化為宜，為保證電路的增益，反饋電容不能取太大，考慮到壓電加速度傳感器的輸出電荷量，反饋電容Cf一般不超過1OOOOPF，但是反饋電容也不可選得太小，以免因寄生電容得影響給電路調(diào)試和使用造成困難一般Cf不小于1OOPF。本設(shè)計(jì)的核心部分電荷轉(zhuǎn)換和適調(diào)部分電路如圖34所示，電荷轉(zhuǎn)換部分的反饋電阻為1OOM?，反饋電容為1000PF，RC并聯(lián)電路的作用是消除振蕩和產(chǎn)生超前相移。壓電加速度傳感器是一個(gè)若阻尼的振動(dòng)系統(tǒng)，因此它的幅頻特性的高頻段有一個(gè)很高的共振峰，此峰值嚴(yán)重地引起了高頻噪聲，并對(duì)輸入信號(hào)產(chǎn)生失真和干擾。圖35 有源低通濾波原理圖濾波器種類很多，有LC的，也有RC的，又分為有源和無源的。有源RC濾波器在通帶內(nèi)不僅可以沒有衰減，還可以有一定的增益。本設(shè)計(jì)的高通濾波器由一階RC電路和運(yùn)算放大器組成，如圖36所示：電阻R9電容C和運(yùn)算放大器構(gòu)成了一階RC高通濾波電路。為了適應(yīng)沖擊特性，高通濾波器中的電容C應(yīng)該選擇得比較小，而電阻R，要大一些。放大器電路設(shè)計(jì)中所涉的的電阻均為普通電阻，電容均為小型常規(guī)電容，成本小性價(jià)比高。降壓電路可使用變壓器直流進(jìn)行降壓。圖37 電源電路原理圖 DSP控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),而常規(guī)的電源電壓常是5V。在最大輸出電流時(shí)，并隨負(fù)載電流的減小而逐漸降低。圖38為電源濾波電容，這些濾波電容要分布在DSP的各個(gè)電源輸入腳上，作為濾波、旁路和退耦。TMS320LF2407A的模擬地和數(shù)字地應(yīng)以大面積的方式連接成一個(gè)“模擬地平面”，否則會(huì)降低ADC的性能。復(fù)位撤銷時(shí)，DSP進(jìn)入正常工作狀態(tài)。電平上升。其中，電阻R為了防止復(fù)位按鈕S接通瞬間電容放電電流過大造成不必要的損傷，起到限流作用。圖310 JTAG仿真電路第五腳是電源腳，應(yīng)直接連接到DSP芯片的電源上，不管電源電壓是多少 。工作模式的切換可用一個(gè)跳線來完成，如圖311所示，JP1的3腳相連為高電平，選擇微處理器模式，JP1的2腳相連為低電平，選擇微控制器模式。如圖313所示。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)如圖314所示的跳線。（3）自動(dòng)排序的能力，一次可執(zhí)行最多16個(gè)通道的“自動(dòng)轉(zhuǎn)換”，而每次要轉(zhuǎn)換的通道都可通過編程來選擇。（7）可有多個(gè)觸發(fā)源啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換：軟件：軟件立即啟動(dòng)（用SOC SEQn 位）；EVA和EVB：事件管理器A或B；外部：ADC SOC 引腳。（11）內(nèi)置校驗(yàn)?zāi)Ｊ?。SCI的接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，每一個(gè)都有它單獨(dú)的使能和中斷標(biāo)志位。SCI的兩個(gè)外部引腳SCITXD(數(shù)據(jù)發(fā)送端)和SCIRXD(數(shù)據(jù)接收端)在不用來通訊時(shí)可作普通的I／0。由于PC機(jī)的RS一232C電平與DSP的TTL電平不一致，就必須在兩者之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了一個(gè)二極管(1N4007)和三個(gè)電阻進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。總體上由兩部分組成：一部分為DSP程序設(shè)計(jì)，一部分為上位機(jī)程序設(shè)計(jì)。匯編語言程序效率高，但編寫比較煩瑣。主程序包括DSP系統(tǒng)初始化，當(dāng)XINTl引腳上的信號(hào)由高到低跳變，DSP進(jìn)人中斷，執(zhí)行讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的程序。2407A內(nèi)部有看門狗(WD)定時(shí)器，能夠監(jiān)視軟件和硬件的運(yùn)行。該設(shè)計(jì)中我們所采用的是連續(xù)的自動(dòng)排序工作方式。TMS320LF2407A定點(diǎn)DSP芯片所提供的單周期乘/，分為B0，B1和B2三塊．其中B0塊(256字)可以用軟件編程為數(shù)據(jù)區(qū)(CLRC CNF)或程序區(qū)(SETCCNF)，執(zhí)行SETC CNF后，B0塊映射到程序區(qū)的FF00H—FFFFH．采用高效的MACD指令，必須用片內(nèi)RAM，其中B0塊必須配置為程序區(qū)。(3)將上次的乘積加到累加器。下面是實(shí)現(xiàn)FIR濾波方程的部分匯編程序．；N階F1R濾波的LF2407A匯編程序；y(n)=x(n一(N一1))h(N一1)+x(n一(N一2))h(N—Z)+?x(n)h(n)SETC CNF；Bo塊配置為程序區(qū)NEXT LACC XNMAR ARl，*LAR ARl，3FFHMPY 0ZACRPT N～1MACD FF00H，*一APACSACH PADATDIRB NEXT程序說明：（1）FIR濾波器系數(shù)h（0），…，h(N一1)均小于1，可用Q15(小數(shù)點(diǎn)在第15位前面)表示。（5）一點(diǎn)濾波結(jié)束后，由于MACD指令的作用，所有的輸入樣值均向高地址移動(dòng)一個(gè)位置，即x[n一(N一2)]移動(dòng)到x[n一(N一1)]的位置，x[n一(N一3)]移動(dòng)到x[n一(N～2)]的位置，…，x(n)移動(dòng)到x(n一1)的位置，從而為下一點(diǎn)濾波作好準(zhǔn)備。 串行通信接口（SCI）模塊程序設(shè)計(jì)MS320LF2407的申行通信設(shè)計(jì)有查詢和中斷兩種實(shí)現(xiàn)方式。包括程序的執(zhí)行地址以及各個(gè)控制宇的狀態(tài)，處理完中斷程序以后，再回到中斷的地方繼續(xù)執(zhí)行自己的主程序。串口初始化程序完成對(duì)串行通信的基本的設(shè)置，只要包括設(shè)置通信的波特率、有無校驗(yàn)位、設(shè)置通信協(xié)議、開串口以及中斷等。圖43 中斷子程序流程圖 串行通信接口異步通信格式可使用半雙工或全雙工通信方式。有效的起始位由四個(gè)連續(xù)內(nèi)部SCICLK周期的零位識(shí)別出來。內(nèi)部生成的時(shí)鐘由系統(tǒng)時(shí)鐘SYSCLK頻率和波特率選擇寄存器決定。COM139。當(dāng)用指令建立了一個(gè)串口對(duì)象(句柄)以后，對(duì)串口的硬件操作可以文件操作的軟件形式來完成，方法比較簡(jiǎn)單。短時(shí)傅立葉分析即保持了傅立葉分析的優(yōu)點(diǎn)，又在一定程度上彌補(bǔ)了傅立葉變換的不足，但是短時(shí)傅立葉變換確定的時(shí)頻窗口的形狀和大小是固定不變的，不能敏感地反映信號(hào)的突變。它是由一個(gè)基本小波函數(shù)平移和伸縮構(gòu)成的。作為基本小波，Ψ(t)必須是在時(shí)域上以t=