可編程交流電源輸出信號質量分析系統(tǒng)的設計

　　摘要：針對可編程交流電源中輸出信號質量分析的需要，本文設計了一種基于DSP的可編程交流電源輸出信號質量分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)以電源輸出的電壓、電流信號為測試對象，實時分析電源的電壓/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)，并將分析結果傳送給電源控制模塊和顯示模塊，實現(xiàn)整個可編程交流電源系統(tǒng)的閉環(huán)控制和人機交互。該系統(tǒng)可以方便地嵌入到可編程交流電源中，并通過串口與其它模塊相連。

　　前言

　　近年來，電力電子技術發(fā)展迅速，電源在社會生產(chǎn)、生活中應用日益廣泛，電源的種類越來越多，例如：UPS電源、PWM逆變電源、變頻電源、可編程電源等，并且用戶對電源輸出信號的性能指標要求也越來越高。因此，對電源輸出信號的質量進行實時監(jiān)測是十分必要的。

　　目前，新型數(shù)字電源要求設備自帶可以實時檢測輸出信號質量的功能，特別是高精度的可編程交流電源還要求根據(jù)輸出的信號質量優(yōu)劣情況實時調整內部驅動，精密調控輸出信號參數(shù)。可編程交流電源是指某些功能或者參數(shù)可以通過計算機軟件編程進行控制的電源^[1-2]，可以便捷地模擬各種供電狀態(tài)、供電失真，可以方便地進行電力特性測量與分析，廣泛應用在研發(fā)、生產(chǎn)等領域^[3-4]。但可編程交流電源輸出信號形式靈活，頻率、幅度、相位可變，這就給電源的輸出信號質量分析帶來困難，需要性能強大的信號質量分析系統(tǒng)。本文針對這一具體問題，設計一種基于DSP的電源信號分析系統(tǒng)，實時對可編程交流電源的輸出信號進行監(jiān)測，利用DSP處理器強大的數(shù)字運算能力，對數(shù)據(jù)采集模塊送來的數(shù)字信號進行計算分析，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)通過串口傳輸給系統(tǒng)的控制模塊和顯示模塊，實現(xiàn)整個可編程交流電源系統(tǒng)的閉環(huán)控制和人機交互。

　　信號質量分析系統(tǒng)硬件設計

　　信號質量分析系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示，主要由電壓、電流提取電路，信號調理電路，低通濾波電路，AD轉換電路及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，信號調理電路，低通濾波電路及AD轉換電路。其中，電壓、電流提取電路是對電源輸出信號作適當取樣，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]，分別將被測電壓、電流轉換成后級電路適合的小電壓信號，實現(xiàn)強電到弱電的轉換。電壓、電流提取電路采集的電源輸出信號再經(jīng)過信號調理電路進行比例放大、限幅等預處理，得到比較適合的幅值供后級電路進一步處理。

　　在AD轉換之前還必須進行抗混疊濾波。抗混疊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)應用場合的不同，適當?shù)倪x取。例如，本文涉及的可編程交流電源輸出信號的頻率為15Hz~2500Hz，因此，應該在AD轉換器前設計一個截止頻率為2500Hz的低通濾波器。

　　AD轉換器可選用高精度的AD轉換器AD7690^[7]。AD7690是18位AD轉換器，數(shù)字輸出可輸出負值。若信號的輸入方式為差分輸入，并且參考電壓設置為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最高采樣頻率可達到400kHz，能夠滿足本設計的需求。AD轉換器的實際采樣頻率由DSP控制。

　　DSP處理器

　　DSP處理器是整個信號分析模塊的核心，主要負責AD轉換器的控制和數(shù)據(jù)的計算處理。本設計中選用TI公司的TMS320F28335數(shù)字信號處理器^[8]。TMS320F28335是TI公司推出的高性能浮點型數(shù)字信號處理器，最高工作頻率150MHz，集成浮點運算單元，可以直接處理浮點型數(shù)據(jù)，運算能力非常卓越。

　　DSP收集到AD轉換器傳送的數(shù)據(jù)后進行運算處理，并將處理后的數(shù)據(jù)保存到擴展的存儲器中，以供隨時查詢和調用。DSP也可以將處理后的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給系統(tǒng)的控制模塊和顯示模塊，實現(xiàn)整個可編程交流電源系統(tǒng)的閉環(huán)控制和人機交互。

　　算法分析

　　如圖2所示，DSP接收到數(shù)據(jù)采集模塊傳送來的電壓、電流數(shù)據(jù)后，分別進行時域參數(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)。

　　時域分析

　　電壓有效值：