可編程交流電源輸出信號質量分析系統的設計

　　式(1)~(7)中，V是電壓有效值， I是電流有效值， CF_V是電壓峰值因素，V_peak是電壓峰值，CF_i是電流峰值因素， I_peak是電流峰值，S是視在功率，P是有功功率，PF是功率因素，v(n) 、i(n)為離散時刻電壓電流的采樣值，N為采樣的點數。

　　頻域分析

　　可編程交流電源輸出信號分析中的頻域分析主要就是指諧波分析。快速傅立葉運算(FFT)具有簡單和易于工程實現的特點，在諧波分析中使用廣泛。但在進行實際諧波分析時很難做到同步采樣和整數周期截斷，由此會造成頻譜泄露和柵欄效應，影響分析結果的準確性。對于頻譜泄露的問題，采用性能優良的窗函數可以減少由此造成的誤差。對于柵欄效應，可以采用插值方法對FFT計算結果進行插值修正，減少柵欄效應引起的誤差。本系統采用文獻^[9]中基于Nuttall窗雙譜線插值FFT算法來分析可編程交流電源的諧波，該算法簡單、容易實現，且不需要實現同步采樣，采樣頻率設置靈活。通過加窗插值FFT運算后就可以計算出電源輸出信號的基波和各次諧波含量。

　　軟件設計

　　本設計中DSP處理器主要完成AD轉換器的控制和數據的分析處理。如圖4所示，信號質量分析模塊啟動后，程序先完成一系列的初始化操作。初始化工作完成后，DSP首先控制數據采集模塊以較高的采樣速率快速地預采集一些樣本數據，通過FFT算法粗略地計算出信號的頻率，然后根據分析到的信號頻率及時調整AD轉換器的采樣頻率，正式采集數據。當采集到足夠的數據時，數據分析任務就會啟動。通過時域分析和頻域分析，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。其中，時域上的電參量可以快速地反映出電源輸出的異常情況。因此，在進行完時域分析后，若發現數據有異常，立刻反饋給電源的控制模塊。如果分析結果在誤差范圍內，則進行下一步的頻域分析。同樣的，如果頻域分析發現結果有異常，也把異常結果反饋給電源控制模塊。若分析的結果都沒有問題，則把分析得到的相關參數保存到存儲器當中，等待其他模塊的調用。存儲器中的數據在下一次計算結果到來之前都不被覆蓋，以便隨時查看和調用。

　　結論

　　本文設計基于DSP的可編程交流電源輸出信號分析模塊，充分發揮了浮點型DSP TMS320F28335強大的運算能力，可以實時準確地分析電源輸出信號的電壓有效值、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。模塊結構簡單，功能完善，并且可以通過串口與可編程交流電源中其他模塊互連，可以很方便地嵌入到可編程交流電源系統中完成信號分析任務。

　　參考文獻：
　　[1] 黃慶探,付紅橋,張智海等.基于FPGA的可編程電壓源系統設計[J].現代電子技術, 2009,32,(24):192-194
　　[2] 楊李杰,沈頌華,白小青等.基于DSP的可編程交流電源[J].電力電子技術,2005,39,(4):100-102
　　[3] Chuanbiao Peng,Zhenyi Hou, Shaokun Wang, Yaying Cui.Study on a Hybrid Control of Inverter for Programmable AC Power Source[C]. The Ninth International Conference on Electronic Measurement & Instruments,2009
　　[4] F. R. S. Vincenzi1, L. Silva1, L. C. Gomes de Freitas .Programmable AC power source used to analyze electronic equipment performance in the electrical power system quality concept [C]Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2008. APEC 2008. Twenty-Third Annual IEEE
　　[5] 牛勝鎖,郭經,梁志瑞.基于ARM和DSP的嵌入式電能質量監測儀的設計[J].電測與儀表,2011,48,(551):72-75
　　[6] 李大生.可編程電源及負載模擬裝置[D].哈爾濱工程大學,2011:32-33
　　[7] 王進軍,閏懷海,高大慶.AD7690在高精度數字電源上的應用[J].核電子學與探測技術,2009,29,(3):680-683
　　[8] 劉陵順,高艷麗,張樹團等.TMS320F28335DSP原理及開發編程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2011
　　[9] 卿柏元,滕召勝,高云鵬,溫和.基于Nuttall 窗雙譜線插值FFT的電力諧波分析方法[J].中 國電機工程學報,2008,28,(25):153-158