可編程交流電源輸出信號(hào)質(zhì)量分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　摘要：針對(duì)可編程交流電源中輸出信號(hào)質(zhì)量分析的需要，本文設(shè)計(jì)了一種基于DSP的可編程交流電源輸出信號(hào)質(zhì)量分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)以電源輸出的電壓、電流信號(hào)為測(cè)試對(duì)象，實(shí)時(shí)分析電源的電壓/電流有效值、電壓/電流峰值因素、視在功率、有功功率、功率因素、基頻、諧波等參數(shù)，并將分析結(jié)果傳送給電源控制模塊和顯示模塊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)可編程交流電源系統(tǒng)的閉環(huán)控制和人機(jī)交互。該系統(tǒng)可以方便地嵌入到可編程交流電源中，并通過(guò)串口與其它模塊相連。

　　前言

　　近年來(lái)，電力電子技術(shù)發(fā)展迅速，電源在社會(huì)生產(chǎn)、生活中應(yīng)用日益廣泛，電源的種類越來(lái)越多，例如：UPS電源、PWM逆變電源、變頻電源、可編程電源等，并且用戶對(duì)電源輸出信號(hào)的性能指標(biāo)要求也越來(lái)越高。因此，對(duì)電源輸出信號(hào)的質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是十分必要的。

　　目前，新型數(shù)字電源要求設(shè)備自帶可以實(shí)時(shí)檢測(cè)輸出信號(hào)質(zhì)量的功能，特別是高精度的可編程交流電源還要求根據(jù)輸出的信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)劣情況實(shí)時(shí)調(diào)整內(nèi)部驅(qū)動(dòng)，精密調(diào)控輸出信號(hào)參數(shù)。可編程交流電源是指某些功能或者參數(shù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件編程進(jìn)行控制的電源^[1-2]，可以便捷地模擬各種供電狀態(tài)、供電失真，可以方便地進(jìn)行電力特性測(cè)量與分析，廣泛應(yīng)用在研發(fā)、生產(chǎn)等領(lǐng)域^[3-4]。但可編程交流電源輸出信號(hào)形式靈活，頻率、幅度、相位可變，這就給電源的輸出信號(hào)質(zhì)量分析帶來(lái)困難，需要性能強(qiáng)大的信號(hào)質(zhì)量分析系統(tǒng)。本文針對(duì)這一具體問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于DSP的電源信號(hào)分析系統(tǒng)，實(shí)時(shí)對(duì)可編程交流電源的輸出信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用DSP處理器強(qiáng)大的數(shù)字運(yùn)算能力，對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊送來(lái)的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算分析，得到電壓/電流有效值、電壓/電流峰值因素、視在功率、有功功率、功率因素、基頻、諧波等參數(shù)，并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸給系統(tǒng)的控制模塊和顯示模塊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)可編程交流電源系統(tǒng)的閉環(huán)控制和人機(jī)交互。

　　信號(hào)質(zhì)量分析系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　信號(hào)質(zhì)量分析系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電壓、電流提取電路，信號(hào)調(diào)理電路，低通濾波電路，AD轉(zhuǎn)換電路及DSP處理器組成。

　　數(shù)據(jù)采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集模塊包括電壓、電流提取電路，信號(hào)調(diào)理電路，低通濾波電路及AD轉(zhuǎn)換電路。其中，電壓、電流提取電路是對(duì)電源輸出信號(hào)作適當(dāng)取樣，可以由電壓、電流互感器完成^[5]。電壓、電流互感器分別選用高精度的電壓互感器HPT205NBJ-1、電流互感器HCT206NB^[6]，分別將被測(cè)電壓、電流轉(zhuǎn)換成后級(jí)電路適合的小電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電到弱電的轉(zhuǎn)換。電壓、電流提取電路采集的電源輸出信號(hào)再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行比例放大、限幅等預(yù)處理，得到比較適合的幅值供后級(jí)電路進(jìn)一步處理。

　　在AD轉(zhuǎn)換之前還必須進(jìn)行抗混疊濾波?？够殳B濾波器一般選用低通濾波器，濾掉高次諧波成分。低通濾波器的截止頻率要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，適當(dāng)?shù)倪x取。例如，本文涉及的可編程交流電源輸出信號(hào)的頻率為15Hz~2500Hz，因此，應(yīng)該在AD轉(zhuǎn)換器前設(shè)計(jì)一個(gè)截止頻率為2500Hz的低通濾波器。

　　AD轉(zhuǎn)換器可選用高精度的AD轉(zhuǎn)換器AD7690^[7]。AD7690是18位AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)字輸出可輸出負(fù)值。若信號(hào)的輸入方式為差分輸入，并且參考電壓設(shè)置為4.096V，則理論上能分辨出的最小電壓為 31.25 mV，電壓分辨率較高。此外，AD7690最高采樣頻率可達(dá)到400kHz，能夠滿足本設(shè)計(jì)的需求。AD轉(zhuǎn)換器的實(shí)際采樣頻率由DSP控制。

　　DSP處理器

　　DSP處理器是整個(gè)信號(hào)分析模塊的核心，主要負(fù)責(zé)AD轉(zhuǎn)換器的控制和數(shù)據(jù)的計(jì)算處理。本設(shè)計(jì)中選用TI公司的TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器^[8]。TMS320F28335是TI公司推出的高性能浮點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)處理器，最高工作頻率150MHz，集成浮點(diǎn)運(yùn)算單元，可以直接處理浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，運(yùn)算能力非常卓越。

　　DSP收集到AD轉(zhuǎn)換器傳送的數(shù)據(jù)后進(jìn)行運(yùn)算處理，并將處理后的數(shù)據(jù)保存到擴(kuò)展的存儲(chǔ)器中，以供隨時(shí)查詢和調(diào)用。DSP也可以將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸給系統(tǒng)的控制模塊和顯示模塊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)可編程交流電源系統(tǒng)的閉環(huán)控制和人機(jī)交互。

　　算法分析

　　如圖2所示，DSP接收到數(shù)據(jù)采集模塊傳送來(lái)的電壓、電流數(shù)據(jù)后，分別進(jìn)行時(shí)域參數(shù)的分析和頻域參數(shù)的分析，得到電壓有效值、電流有效值、電壓峰值因素、電流峰值因素、視在功率、有功功率、功率因素及基波、諧波、相位等參數(shù)。

　　時(shí)域分析

　　電壓有效值：