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1、基于锁相环与双基于锁相环与双 AD7865的交流采样技术及其应用的交流采样技术及其应用 收藏收藏 | 分类: | 查看: 417 | 评论评论(0) 随着电力系统的快速发展，电网容量的扩大使其结构更加复杂，实时监控、调度的自动化 显得尤为重要； 而在电力调度自动化系统中，对电力参数的测量是最基本的功能。如何快 速、准确地采集各种电力参数则显得更加重要。在微型机应用的初期，电力系统的参数普 遍采用直流采样的技术。直流采样，即采样经过整流后的直流量，此方法软件设计简单，计算方便，对采样值 只需作一次比例变换即可得到被测量的数值。但是直流采样方法存在一些问题，如: 测量 精度直接受整流电路的精度和稳
2、定性的影响； 整流电路参数调整困难，而且受波形因素的 影响较大等。而采用交流采样方法进行数据采集，通过算法运算后获得的电压、电流、有 功功率、功率因数等电力参数有着较好的精确度和稳定度。该系统采用高速 DSP 芯片 T MS320LF2407 作为处理器，通过锁相环和 AD7865 对电力参数进行交流采样。1 交流采样的设计思想交流采样的设计思想若将电压有效值公式：离散化，以一个周期内有限个采样电压数字量来代替一个周期内连续变化的电压函数 值，则式( 1) 变为：式中: Tm 为相邻两次采样的时间间隔； um 为第 m - 1个时间间隔的电压采样瞬时 值； N 为一个周期内的采样点数。若相邻两
3、次采样的时间间隔相等，即T m 为常数T ，考虑到 N = T/，则有：这就是根据一个周期内各采样瞬时值及每周期采样点数计算电压信号有效值的公式。 同样，电流有效值计算公式：计算一相有功功率的公式：式中: im 和 u m 为同一时刻的电流和电压采样值。功率因数为：2 工频信号锁相倍频原理及频率跟踪电路的实现工频信号锁相倍频原理及频率跟踪电路的实现交流采样法包括同步采样法、准同步采样法、非整周期采样法、非同步采样法等几种， 系统采用同步采样法。同步采样法就是整周期等间隔均匀采样，要求被测信号周期 T 与采 样时间间隔t 及一周内采样点数 N 之间满足关系式 T = N t，即采样频率为被测信号
4、频 率的 N 倍。根据提供采样信号方式不同，同步采样法又分为软件同步采样法和硬件同步采 样法两种。本系统采用硬件同步采样。硬件同步采样法是由专门的硬件电路产生同步于被测信号的采样脉冲。一种利用锁相 环频率跟踪原理实现同步等间隔采样的电路如图1 所示。图1 锁相环原理图在相位比较器 PD、低通滤波器 LP、压控振荡器 VCO 构成的锁相环内加入 N 分频器， 输入 f i 为被测信号的频率，作为锁相环的基准频率，输出 f o 为采样频率。f o 经 N 分频 后与 f i 相比较，根据锁相环工作原理,锁定时 f o / N = f i ，即 f o = Nf i 。由于锁相环的 实时跟踪性，当被
5、测信号频率 f i 变化时，电路能自动快速跟踪并锁定，始终满足 f o = Nf i 的关系，即采样频率为被测信号频率的整数(N ) 倍。用该输出去控制采样/ 保持器，并启 动 A/ D 转换，这样就可以使 N 个采样点均匀分布在被测电网信号的一个整周波内，消除 了同步误差，实现了无相位差的同步采样。锁相环相位锁定时,压控振荡器 VCO 能在一定 范围内自动跟踪输入信号的频率变化，在频率有畸变的情况下也能确保数据的同步采样， 保证测量精度。系统中的频率跟踪电路由专用锁相芯片 CD4046和分频芯片 CD4040 组成，以实现工 频信号的锁相倍频，分频比为1/ 64。在工频信号恰好为50 Hz
6、的情况下，该电路的锁相倍 频频率为50 64= 3 200 Hz，相当于一个工频周期内有64 个采样脉冲，频率跟踪锁相电路 接线图如图2所示。图2 锁相环电路由图2 可看出，工频方波信号由 AIN 输入，经过倍频的方波信号由 VCOU T 输出去 触发 A/ D 芯片。3 电压电流调理电路设计电压电流调理电路设计根据原理设计的电压调理电路如图3 所示。图3 电压调理电路设计中采用2 mA/ 2 mA 电流型互感器 TV1013-1,采样电阻为220 k，最大可测电压 有效值为440 V； 调节滑动变阻器大小，通过信号滤波、电压抬升、功率放大将待测信号 转化为0 5 V 的电压信号 Uout ，
7、作为 A/ D 芯片的输入信号； 同时采用过零比较法使 Uout 与抬升零点比较产生工频方波信号，作为锁相环电路的输入信号。电流采集电路与电压采集电路相似，只是电流信号衰减部分使用了 sensor 系列精密 电流互感器 CHG200E 与 TA1905 4 组成的两级电流互感器，转化比例为20 A/ 1. 25 mA，并且去掉了采样电阻。具体电路如图4 所示，电压抬升电路省略； I out 为0 5 V 的电压信号，输入 A/ D 芯片。图4 电流调理电路4 TMS320LF2407 与双与双 AD7865 的接口设计的接口设计4. 1 接口电路设计接口电路设计在交流采样系统设计中，要求精度为
8、0 2% 0 5% ，但 T MS320LF2407 的10 位 A/ D 转换芯片的采样精度为1/ 1 024，近乎0. 1%，但考虑到电路中的其他环节的误差，已很 难做到0. 2% 。为了适应采样法电力参数测量中同时采样多路输入信号及对电压需较宽的 测量范围的要求，为此，本系统采用外接 A/ D 的方法，通过 T MS320LF2407 控制外部 AD7865 转换器对三相交流电压、电流等电力参数进行交流采样。TMS320LF2407 是 T I 公司推出的一种面向数字控制系统开发的新型可编程 DSP 控 制器。它将一个高性能的16 位、定点、低功耗 DSP 核和许多功能外设集成在单芯片上
9、， 提供了较高的集成度和较强的运算能力，采用先进的哈佛结构和多总线形式，外加4 级流 水线操作，使大多数汇编指令能在一个机器周期内完成。AD7865 是美国 AD 公司推出的14 位4 通道高速 A/ D 转换器。其最快采样速度为每 通道2. 4 us； 具有4 路同步采样输入及4 个跟随/ 保持放大器； 可单电源( + 5 V)工作； 具有宽输入范围( 最大为 10 V ) ，低功耗和输入过压保护等功能。根据调理电路设计的 具体要求，这里选择 AD78652 型 A/ D 芯片，其输入的模拟电压范围为0 5 V。对于功率的计算，由式( 5) 可知，im 和 um 必须为同一时刻的电流、电压采
10、样值。 为了简化软件算法，消除电压、电流依次采样的时间差，采用适当的硬件连接，用一条操 作指令同时启动两片 AD7865，同时采样对应的三相电压和电流，使得 im ，um 为同一 时刻的采样值。如图5 所示为 TMS320LF2407与双 AD7865 的接口电路原理图，没有涉及到的管脚 未画出。图5 TMS320LF2407 与双 AD7865 的接口电路两片 AD7865 的14 位数据总线 D0 D13 均可直接连接到 DSP 的数据总线上； 由锁相环电路产生的采样脉冲连接两个 AD7865 的引脚，采样脉冲的上升沿将启动 A/ D 转换； 两片 AD7865 的写控制线直接连接到 DS
11、P 的线上；而 DSP 的与 D15相或连接到 AD7865 ( 1) 的，与相或连接到 AD7865( 2) 的。为了方便读出 A/ D 转换数据，两片 ADC 的片选套用常规方法，由连续地址线译码所得，若在地址0xA000H 0xA007H 范围内 AD7865( 1) 有效， 而 AD7865 ( 2) 的片选则在0xA008H 0xA00FH 地址范围内有效。两片 AD7865 的BUSY 信号相或后连接到 DSP 的端，XINT1 为低电平时，表明两片 AD7865 的 A/ D 转换都已完成，输出数据已准备好, 系统可采用查询方式依次读取两片 AD7865 中的 A/ D 转换结果
12、。4. 2 软件设计软件设计工频交流电标准频率为50 Hz，周期为20 ms。根据 T MS320LF2407 的主频和 AD7865 的 A/ D 转换速度和电力参数实用精度要求，一个工频周期内采样64 个点，即采 样周期定为 312. 5 !s。系统上电运行后，由锁相环电路产生的采样脉冲同时触发两个 AD7865 运行； 每次转换完成后，DSP 按照 I/ O 空间译码地址同时读取两个 AD7865 芯片数据，并根据交流 采样的计算公式即可得出电压、电流、有功功率、功率因数等电力参数。图6 为所设计程 序的流程图。图6 程序流程图5 实验结果实验结果图7 为电压调理电路输出的工频方波信号和锁相环电路产生的采样脉冲信号。图7 锁相环输入、输出波形图8 为220 V 交流信号经过调理电路后的输出波形，从波形可以看出电压值均在0 5 V 之间，达到了 AD7865 的采集范围。图8 电压调理波形6 结结 语语基于锁相环和双 A/ D 的交流采样技术解决了直流采样硬件复杂、实时性差等问题。 在电力参数的测量过程中，简化了外围电路硬件，电参数精确稳定，进一步提高了系统的 可靠性和精度。另外，这种交流采样算法还可以应用于变电站的参数测量、微机继电保护、 故障录波等场合，具有一定的实用和推广价值。
