三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1 系統(tǒng)的硬件開發(fā)

根據(jù)三相電信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，本文開發(fā)的數(shù)采系統(tǒng)硬件部分由模擬信號(hào)獲取、調(diào)理單元，數(shù)據(jù)采集與處理單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)通信四大模塊組成。系統(tǒng)的原理如圖1所示。

1.1 主控芯片單元

主控芯片是整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心部分。根據(jù)應(yīng)用的設(shè)計(jì)需求，在選擇主控芯片時(shí)，主要有以下方面：

(1)體積小且具有豐富的內(nèi)部資源，以減少外部擴(kuò)展，減小數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件模塊的體積;

(2)具有較高的運(yùn)算速率，提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度;

(3)低功耗、高性價(jià)比。

綜合上述問題本設(shè)計(jì)選擇以LPC2103為主控芯片，最小系統(tǒng)如圖2所示。

LPC2103采用外部晶振，由CX1、CX2和11.0592MHz的晶振組成，之后將通過內(nèi)部PLL,4倍頻提供給芯片內(nèi)部工作時(shí)鐘。CX3,CX4和Y2為實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振部分[2-3].

1.2 信號(hào)獲取單元

本設(shè)計(jì)開發(fā)的數(shù)采系統(tǒng)，信號(hào)的獲取包括三相電壓和三相電流兩部分，根據(jù)這兩種信號(hào)的特點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)硬件設(shè)計(jì)。

1.2.1 三相電壓獲取

驅(qū)動(dòng)液壓設(shè)備的三相異步電機(jī)的其額定工作電壓大都為380V,而本設(shè)計(jì)采用的AD芯片為LPC2103內(nèi)置的10位A/D模塊，它要求輸入模擬信號(hào)的電壓范圍為0~3.3V.因此，在實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量的前提下，考慮到使用的方便，設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)周期和經(jīng)濟(jì)等問題，三相電壓的獲取采用了電阻分壓式，原理圖如圖3所示。

由RV1,Rin1組成分壓電路，對(duì)被采集電壓進(jìn)行分壓，考慮到電阻的功率和電路板的體積等問題，應(yīng)用中兩分壓電阻其阻值如下：RIN1=75kΩ,計(jì)算功率為：PRIN1=1.87W,實(shí)際中將選擇PRIN1=1.5×1.87W≈3W的分壓電阻;RV1=1kΩ,計(jì)算功率為：PRV1=25mW,因此選擇普通電阻即可滿足使用要求。

此時(shí)RV1上的電壓為0~5V,由運(yùn)放U2C,U2D組成了整流模塊，將電壓轉(zhuǎn)換成0~3.3V.由于使用集成運(yùn)放搭建信號(hào)運(yùn)算電路時(shí)，運(yùn)放的輸入電阻Rin和反饋電阻Rf的阻值選擇應(yīng)遵循的原則是：

綜上，相關(guān)電阻選擇為：R3=R4=R5=20kΩ,R6=5.1kΩ,為了保證調(diào)理電路準(zhǔn)確將+5V信號(hào)調(diào)整至3.3V,反相比例電路的反饋電阻R8=10kΩ,輸入電阻R7采用電位器實(shí)現(xiàn)。

由U2A組成電壓跟隨電路橋接分壓電路和整流電路兩部分，使其相互之間互不影響。

1.2.2 三相電流獲取方式

由于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的使用前提是不影響設(shè)備的正常工作，因此三相電流的獲取方式采用穿孔式霍爾電流傳感器以實(shí)現(xiàn)非接觸式測量。為達(dá)到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，霍爾傳感器的參數(shù)選擇根據(jù)被測電機(jī)的額定電流來進(jìn)行。其中：由于電機(jī)在啟動(dòng)瞬間其沖擊電流是額定電流的5~7倍，測試表明，沖擊電流的時(shí)間將維持十幾ms,考慮到保護(hù)后續(xù)測量電路的安全，設(shè)計(jì)了限幅電路，保證測量信號(hào)始終在±5V范圍內(nèi)。電流獲取電路如圖4所示。

與電壓測量相同，采用電壓跟隨電路以減小信號(hào)的衰減和損耗。限幅電路由RC1,U3B,U3C和二極管D1,D2組成，其中RC1為限流電阻。當(dāng)輸入信號(hào)Ui處于[-5V,5V]范圍內(nèi)，U3B,U3C的輸出均為正飽和電壓，此時(shí)D1,D2均截止，輸出信號(hào)Uo=Ui.當(dāng)輸入信號(hào)Ui不在[-5V,5V]范圍內(nèi)時(shí)：

(1)當(dāng)輸入信號(hào)Ui>5V時(shí)，U3C的輸出為負(fù)飽和電壓，此時(shí)D1導(dǎo)通，U3C成為跟隨電路，輸出信號(hào)Uo=5V.

(2)同理，當(dāng)輸入信號(hào)Ui1.3 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)采集的部分采用了LPC2103內(nèi)置的10位A/D,將經(jīng)過調(diào)理的三相電信號(hào)提供給其A/D引腳即可。