一種基于FPGA的全光纖電流互感器控制電路設(shè)計(jì)

　　圖2 FPGA閉環(huán)控制時(shí)序圖

　　2.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)電路

　　該部分功能是把200 kHz固定方波和數(shù)字階梯波疊加生成模塊所輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓信號(hào)，經(jīng)過功率驅(qū)動(dòng)部分的放大和幅度調(diào)節(jié)控制相位調(diào)制器(在D/A滿量程輸出時(shí)，產(chǎn)生的模擬電壓值為相位控制器半波電壓的兩倍)，從而在光纖傳感環(huán)中產(chǎn)生一個(gè)附加的反饋相移，抵消掉本次閉環(huán)控制周期內(nèi)檢測到的相位差。D/A選擇主要考慮模擬信號(hào)輸出建立時(shí)間、增益誤差、輸出線性度以及分辨率幾個(gè)指標(biāo)。D/A輸出信號(hào)建立時(shí)間不僅對(duì)閉環(huán)控制帶寬具有重要影響，而且當(dāng)其建立時(shí)間較長時(shí)，會(huì)對(duì)輸出階梯波臺(tái)階的前、后沿影響很大，導(dǎo)致模數(shù)轉(zhuǎn)換器前端輸入信號(hào)的尖峰脈沖拉長，而有效采樣時(shí)間窗口變短，因此建立時(shí)間越短越好。D/A的增益誤差和輸出線性度決定了輸出模擬信號(hào)的誤差和線性度，而模擬信號(hào)的誤差和線性度施加在相位調(diào)制器上后或直接影響反饋相位的控制誤差，因此需選擇增益誤差和輸出線性度小的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。D/A的分辨率直接決定相位控制的最小分辨精度，其分辨率最好大于A/D的分辨率。設(shè)計(jì)中采用16位的高速D/A芯片AD9726實(shí)現(xiàn)該模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。由于該芯片為電流型輸出，所以后端采用高速運(yùn)放AD81l實(shí)現(xiàn)電流輸出轉(zhuǎn)電壓輸出和電壓幅度放大功能。

　　3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及討論

　　為驗(yàn)證上述控制電路性能，結(jié)合前端光纖電流傳感頭模塊搭建了全光纖電流互感器裝置。同時(shí)，采用大電流發(fā)生器(交流，有效值0 ~ 5 000A,50 Hz)作為測試電流源，并以0.0l級(jí)(誤差低于0.0l%)的標(biāo)準(zhǔn)電流互感器為基準(zhǔn)，按照國標(biāo)要求，搭建了一套準(zhǔn)確度校檢系統(tǒng)，以之校檢該全光纖電流互感器的測量準(zhǔn)確度，從而驗(yàn)證上述控制電路的指標(biāo)和功能。圖3是上層控制界面通過串口獲得的50 Hz交流電信號(hào)的截圖，可見通過上述控制電路可以有效解調(diào)出50 Hz交流電信號(hào)的周期和幅度信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖傳感頭的閉環(huán)控制功能。

　　圖3 上層控制界面獲得的50 Hz交流電信號(hào)

　　在本控制電路基礎(chǔ)上搭建的全光纖電流互感器裝置樣機(jī)額定一次電流值Ipr設(shè)定為100A-4000A,根據(jù)國標(biāo)要求，在Ipr的l%-120%范圍內(nèi)，實(shí)測電流值i測的測量誤差如表1所示，其中標(biāo)準(zhǔn)電流值i標(biāo)指0.01級(jí)標(biāo)準(zhǔn)電流互感器對(duì)待測電流進(jìn)行檢測得到的電流值(有效值，與真實(shí)值之間的誤差低于0.0l%)，單位為A;樣機(jī)解調(diào)信號(hào)的數(shù)字輸出指樣機(jī)對(duì)待測電流進(jìn)行解調(diào)后輸出的數(shù)字量;樣機(jī)解調(diào)出的電流值i解，指樣機(jī)解調(diào)信號(hào)的數(shù)字輸出乘以一個(gè)固定變比得到的數(shù)值，表征解調(diào)輸出的電流值(有效值)，單位為A;電流誤差為i標(biāo)和i解之間的誤差。

　　圖4 全量程范圍的實(shí)測誤差曲線

　　根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，可得到全量程范圍內(nèi)的誤差曲線，如圖4所示?？梢灾庇^看出全量程范圍內(nèi)的實(shí)測誤差均滿足0.2 S級(jí)測量準(zhǔn)確度的要求。即設(shè)計(jì)的電路完成了對(duì)光纖傳感頭的閉環(huán)控制和測試數(shù)據(jù)解調(diào)。

　　本文初步研究了用于全光纖電流互感器的閉環(huán)檢測控制電路，基于單片FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、數(shù)據(jù)輸出以及與計(jì)算機(jī)通信等控制和數(shù)據(jù)解調(diào)、積分濾波、階梯波產(chǎn)生等算法，完成了對(duì)光纖電流互感器傳感頭輸出信號(hào)的檢測以及閉環(huán)控制。該控制電路具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、閉環(huán)控制速度快、控制精度高等特點(diǎn)，為研制滿足電力電網(wǎng)測試需求的全光纖電流互感器奠定了基礎(chǔ)。此外，基于該控制電路研制的全光纖電流互感器樣機(jī)，經(jīng)測試，其額定一次電流100 A~4000 A范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了0.2 S級(jí)測量準(zhǔn)確度，初步滿足電力電網(wǎng)對(duì)電流互感器測量準(zhǔn)確度的要求。