study of singlechip processor instrumentation of sat urable reactor property
zhang junfeng, mao chengxiong, lu jiming, li weibo
(school of electrical & electronic engineering,huazhong universit yof science & technology,
wuhan 430074, china)
abstract:an instrumentation based on singlechip processor is presented for studying the output property of saturable reactor.the instrumentation can play in important role in dealing with rms value of the induced voltage of the coil in the saturab le reactor. the relation curve between induced voltage rms and dc is given.exper imental results verify the correctness of the instrumentation.
key words:saturable reactor; output property; singlechip processor; instrumentation
1前言
饱和电感是一种磁滞回线矩形比高，起始磁导率高，矫顽力小，具有明显磁饱和点的电感。饱和电感可分为自饱和和可控饱和二类。自饱和电感其电感量随通过的电流大小可变。若铁心磁特性是理想的（例如呈矩形），则饱和电感工作时，类似于一个“开关”，即绕组中的电流小时，铁心不饱和，绕组电感很大，相当于“开路”。绕组中电流大时，铁心饱和，绕组电感小，相当于开关“短路”。可控饱和电感又称可控饱和电抗器，其基本原理是，带铁心的交流线圈在直流激磁作用下，由于交直流同时激磁，使铁心状态一周期内按局部磁回线变化，因此，改变了铁心等效磁导率和线圈电感。
由于其独特的物理特性，使之在高频开关电源的开关噪声抑制、大电流输出辅路稳压、移相全桥变换器、谐振变换器及逆变电源等方面得到了日益广泛的应用。
最简单的饱和电抗器，由直流控制绕组（匝数为w1）、交流激励绕组（匝数为w-s）和环形铁芯（磁路截面积为s）组成。为了检测方便，在饱和电抗器上绕制了一个检测绕组，将检测绕组获得的感应电势送到单片机测试仪进行后续数据处理并最终显示结果。
2装置的硬件实现及其工作原理
单片机及其硬件实现框图如图1所示。硬件电路的工作原理为：8038波形产生电路产生同频率的正弦波和方波（频率为f0），正弦波通过功率放大电路驱动激励线圈，作为激励电压源。方波一路直接接到单片机的p1口，用于检测跳沿并决定采样的起始点。另一路接到倍频电路，产生频率fc=nf0的方波，用于产生等间隔采样所需要的脉冲。倍频电路的输出直接接到mcs51系列中的89c52单片机的int0，单片机在脉冲的下降沿产生中断并响应中断处理程序，等间隔采样采用中断处理方式。
2.1波形产生电路
icl8038在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50×106/℃，具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出。正弦波输出有低于1%的失真度，三角波输 出有0.1%高线性度，0.001hz~1mhz的频率输出范围，工作变化周期宽，2%~98%之间任意可调，高的电平输出范围，从ttl电平至28v，易于使用，只需要很少的外部电阻电容。由于icl8038单片函数发生器所产生的正弦波由三角波经非线性网络变换获得，该芯片的第1脚和第12脚就是为调节输出正弦波失真度而设置的。图2为波形产生电路［1，2］，同时也是一个调节输出正弦波失真度的典型应用。其中第1脚调节振荡电容充电时间过程中的非线性逼近点，第12脚调节振荡电容在放电时间过程中的非线性逼近点，在实际应用中，两只100k的电位器选择多圈精度电位器，反复调节，达到很好的效果。
2.2倍频电路
cd4046是一种低频多功能单片数字集成锁相环集成电路，最高工作频率为1mhz，电源电压5~15v，当f0=10khz时，功耗为0.15~9mw。与类似的双极性单片集成锁相环相比，功耗降低了数十倍至数百倍，这对于要求功耗小的设备来说是非常重要的，电路图［3~7］如图3所示。由于cd4046内部相位比较器ⅰ是异或门，使用时要求输入信号的占空比为50%，因此要把icl8038产生的方波信号通过计数器计数，这样虽然频率降低为原频率的2n，但是可以保证输入到cd4046信号的占空比为50%。
2.3a/d转换电路
ad574是美国模拟器件公司推出的一种高集成度低价格的逐次逼进式12位a/d转换器，它的转换速度为25μs，转换精度为0.05%，其内部具有三太数据锁存器，可和8位或16位微处理器总线直接接口。为了减小系统误差，使用过程中要注意调零。由于ad574的转换数据为无符号数，在采用双极性输入方式时，模拟信号的0 v对应的a/d转换值为800h，而不是000h，在进行数据处理的过程中要引起注意。
3编程处理
程序流程如图4所示，首先对单片机的中断向量初始化，令it0=1单片机下降沿产生中断，并关断中断控制字ea=0。由于mcs51系列单片机的p1口不能直接检测跳沿，只能检测高低电平，故要对高低电平进行两次判断才能等价于与对跳沿的检测。具体实现如当p1口检测到低电平，就等待高电平的到来，等高电平一结束，就打开中断控制字，单 片机开始响应中断。在中断程序中判断采的点是否是第128个点（令n=128），如果不是，中断返回时令ea=1继续响应中断。如果是第128个点，中断返回时令ea=0关所有中断，返回到主程序中进行数据处理与显示，然后跳到主程序开始处，循环执行程序，不断地更 新显示数据。很明显在中断处理过程中，主程序是在等待中断响应128次，即等待采集到128个点（一个完整的周波），然后才进行数据处理。这段时间虽然导致了单片机资源的浪费，但是也没有其他的程序要求单片机处理，而且要等到数据采集结束才能进行数据处理与显示。
由于激励电流在铁心中产生的磁通足以让铁心饱和，感应线圈的电压波形为一对称的畸变波形。当没有直流偏置磁场作用时，感应线圈的电压波形是上半波和下半波对称的。当有直流偏置磁场作用时，感应线圈的电压波形会呈现一种什么样的变化规律呢?对此做了深入的研究，并做了大量的实验，对其变化规律做了数据分析。实验中采用的激励电压频率f0=132 hz，a/d采用的是analog device公司的12位ad574akd（转换时间为2 5μs），考虑到采用中断处理方式以及中断中的堆栈、出栈和采样数据的读取都要占 用一定的机器周期，故采样频率fc=128×f0=16.896 khz。依据实验平台，主要做了以下数据分析。
3.1平均值分析
对感应线圈w2进行采样，对采样点作如下数据处理，正半波的采样值之和减去负半波的采样值之和再乘以一个系数k即得到周波的平均值。以直流偏磁电流值为x轴，周波平均值为y轴，即得到周波平均值和直流偏磁电流大小的关系。
3.2有效值分析
对感应线圈w2进行采样，对采样点作周波有效值数据处理，对有效值分析做了两个实验，一个是直接计算周波的有效值，称之为正、负半波有效值之和。另一个是，先分别计算正半波的有效值和负半波的有效值，然后求正半波的有效值和负半波的有效值之差，称之为正、负半波有效值之差。分别以正、负半波有效值之和与正、负半波有效值之差为x轴，周波平均值为y轴，即得到正、负半波有效值之和与正、负半波有效值之差和直流偏磁电流大小的关系。
4实验结果
选取牌号为1j85的坡莫合金制作铁芯，因为它具有极高的导磁率、低损耗、极低矫顽力和良好的过载能力（即经受饱和磁化电流的冲击能力）。
该铁芯的外直径、内直径和厚度分别为80mm、60mm和10mm，激励线圈和检 测线圈内阻分别为1.05ω和1.01ω。激励电压的频率、峰峰值和有效值分别为13 2hz、22.4v和7.85v。
图5(a)和(b)分别表示在直流偏磁磁势i1w1=20安匝（at）和i1w1=－20安匝（at）时感应线圈获得的感应电势实验波形。比较图5( a)和(b)可知，当饱和电抗器在正偏磁（或者负偏磁）作用时，感应线圈获得的感应电势波形发生了畸变且正负半波不对称。当饱和电抗器在正偏磁作用时，感应线圈获得的正半波偏大，见图5(a)。当饱和电抗器在负偏磁作用时，感应线圈获得的负半波偏大，见图5(b)。
图6表示饱和电抗器在交流激励电压有效值u~=7.85v且保持不变时，感应线圈获得的感应电压有效值urms与直流偏磁磁势i1w1的实验曲线。分析图6可知，饱和电抗器在没有直流偏磁作用时，感应电压有效值urms最大，随着偏磁磁势i1w1的增加，感应线圈获得的感应电压有效值urms减小得非常明显，当偏磁磁势i1w1增加到使饱和电抗器处在深度饱和时，感应电压有效值urms会趋近于不为零的常值。
5结论
本文所设计的饱和电抗器单片机测试仪，可以快速可靠测量饱和电抗器中激励电流的有效值，有利于研究饱和电抗器的输出特性，便于掌握和了解比较仪中饱和电抗器的工作性能，对于优化饱和电抗器的参数，快速设计直流比较仪具有指导意义。简化了设计过程，提高设计效率，保证测量回路的测试准确度。
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