可编程交流电源输出信号质量分析系统的设计

　　摘要：针对可编程交流电源中输出信号质量分析的需要，本文设计了一种基于DSP的可编程交流电源输出信号质量分析系统。该系统以电源输出的电压、电流信号为测试对象，实时分析电源的电压/电流有效值、电压/电流峰值因素、视在功率、有功功率、功率因素、基频、谐波等参数，并将分析结果传送给电源控制模块和显示模块，实现整个可编程交流电源系统的闭环控制和人机交互。该系统可以方便地嵌入到可编程交流电源中，并通过串口与其它模块相连。

　　前言

　　近年来，电力电子技术发展迅速，电源在社会生产、生活中应用日益广泛，电源的种类越来越多，例如：UPS电源、PWM逆变电源、变频电源、可编程电源等，并且用户对电源输出信号的性能指标要求也越来越高。因此，对电源输出信号的质量进行实时监测是十分必要的。

　　目前，新型数字电源要求设备自带可以实时检测输出信号质量的功能，特别是高精度的可编程交流电源还要求根据输出的信号质量优劣情况实时调整内部驱动，精密调控输出信号参数。可编程交流电源是指某些功能或者参数可以通过计算机软件编程进行控制的电源[1-2]，可以便捷地模拟各种供电状态、供电失真，可以方便地进行电力特性测量与分析，广泛应用在研发、生产等领域[3-4]。但可编程交流电源输出信号形式灵活，频率、幅度、相位可变，这就给电源的输出信号质量分析带来困难，需要性能强大的信号质量分析系统。本文针对这一具体问题，设计一种基于DSP的电源信号分析系统，实时对可编程交流电源的输出信号进行监测，利用DSP处理器强大的数字运算能力，对数据采集模块送来的数字信号进行计算分析，得到电压/电流有效值、电压/电流峰值因素、视在功率、有功功率、功率因素、基频、谐波等参数，并将处理后的数据通过串口传输给系统的控制模块和显示模块，实现整个可编程交流电源系统的闭环控制和人机交互。

　　信号质量分析系统硬件设计

　　信号质量分析系统的硬件结构如图1所示，主要由电压、电流提取电路，信号调理电路，低通滤波电路，AD转换电路及DSP处理器组成。

　　数据采集模块

　　数据采集模块包括电压、电流提取电路，信号调理电路，低通滤波电路及AD转换电路。其中，电压、电流提取电路是对电源输出信号作适当取样，可以由电压、电流互感器完成[5]。电压、电流互感器分别选用高精度的电压互感器HPT205NBJ-1、电流互感器HCT206NB[6]，分别将被测电压、电流转换成后级电路适合的小电压信号，实现强电到弱电的转换。电压、电流提取电路采集的电源输出信号再经过信号调理电路进行比例放大、限幅等预处理，得到比较适合的幅值供后级电路进一步处理。

　　在AD转换之前还必须进行抗混叠滤波。抗混叠滤波器一般选用低通滤波器，滤掉高次谐波成分。低通滤波器的截止频率要根据应用场合的不同，适当的选取。例如，本文涉及的可编程交流电源输出信号的频率为15Hz~2500Hz，因此，应该在AD转换器前设计一个截止频率为2500Hz的低通滤波器。

　　AD转换器可选用高精度的AD转换器AD7690[7]。AD7690是18位AD转换器，数字输出可输出负值。若信号的输入方式为差分输入，并且参考电压设置为4.096V，则理论上能分辨出的最小电压为 31.25 mV，电压分辨率较高。此外，AD7690最高采样频率可达到400kHz，能够满足本设计的需求。AD转换器的实际采样频率由DSP控制。

　　DSP处理器

　　DSP处理器是整个信号分析模块的核心，主要负责AD转换器的控制和数据的计算处理。本设计中选用TI公司的TMS320F28335数字信号处理器[8]。TMS320F28335是TI公司推出的高性能浮点型数字信号处理器，最高工作频率150MHz，集成浮点运算单元，可以直接处理浮点型数据，运算能力非常卓越。

　　DSP收集到AD转换器传送的数据后进行运算处理，并将处理后的数据保存到扩展的存储器中，以供随时查询和调用。DSP也可以将处理后的数据通过串口传输给系统的控制模块和显示模块，实现整个可编程交流电源系统的闭环控制和人机交互。

　　算法分析

　　如图2所示，DSP接收到数据采集模块传送来的电压、电流数据后，分别进行时域参数的分析和频域参数的分析，得到电压有效值、电流有效值、电压峰值因素、电流峰值因素、视在功率、有功功率、功率因素及基波、谐波、相位等参数。

　　时域分析

　　电压有效值：

　　式(1)~(7)中，V是电压有效值， I是电流有效值， CFV是电压峰值因素，Vpeak是电压峰值，CFi是电流峰值因素， Ipeak是电流峰值，S是视在功率，P是有功功率，PF是功率因素，v(n) 、i(n)为离散时刻电压电流的采样值，N为采样的点数。

　　频域分析

　　可编程交流电源输出信号分析中的频域分析主要就是指谐波分析。快速傅立叶运算(FFT)具有简单和易于工程实现的特点，在谐波分析中使用广泛。但在进行实际谐波分析时很难做到同步采样和整数周期截断，由此会造成频谱泄露和栅栏效应，影响分析结果的准确性。对于频谱泄露的问题，采用性能优良的窗函数可以减少由此造成的误差。对于栅栏效应，可以采用插值方法对FFT计算结果进行插值修正，减少栅栏效应引起的误差。本系统采用文献[9]中基于Nuttall窗双谱线插值FFT算法来分析可编程交流电源的谐波，该算法简单、容易实现，且不需要实现同步采样，采样频率设置灵活。通过加窗插值FFT运算后就可以计算出电源输出信号的基波和各次谐波含量。

　　软件设计

　　本设计中DSP处理器主要完成AD转换器的控制和数据的分析处理。如图4所示，信号质量分析模块启动后，程序先完成一系列的初始化操作。初始化工作完成后，DSP首先控制数据采集模块以较高的采样速率快速地预采集一些样本数据，通过FFT算法粗略地计算出信号的频率，然后根据分析到的信号频率及时调整AD转换器的采样频率，正式采集数据。当采集到足够的数据时，数据分析任务就会启动。通过时域分析和频域分析，得到电压有效值、电流有效值、电压峰值因素、电流峰值因素、视在功率、有功功率、功率因素及基波、谐波、相位等参数。其中，时域上的电参量可以快速地反映出电源输出的异常情况。因此，在进行完时域分析后，若发现数据有异常，立刻反馈给电源的控制模块。如果分析结果在误差范围内，则进行下一步的频域分析。同样的，如果频域分析发现结果有异常，也把异常结果反馈给电源控制模块。若分析的结果都没有问题，则把分析得到的相关参数保存到存储器当中，等待其他模块的调用。存储器中的数据在下一次计算结果到来之前都不被覆盖，以便随时查看和调用。

　　结论

　　本文设计基于DSP的可编程交流电源输出信号分析模块，充分发挥了浮点型DSP TMS320F28335强大的运算能力，可以实时准确地分析电源输出信号的电压有效值、电流有效值、电压峰值因素、电流峰值因素、视在功率、有功功率、功率因素及基波、谐波、相位等参数。模块结构简单，功能完善，并且可以通过串口与可编程交流电源中其他模块互连，可以很方便地嵌入到可编程交流电源系统中完成信号分析任务。

　　参考文献：

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　　[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] 牛胜锁，郭经，梁志瑞.基于ARM和DSP的嵌入式电能质量监测仪的设计[J].电测与仪表，2011，48，(551)：72-75

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　　[7] 王进军，闰怀海，高大庆.AD7690在高精度数字电源上的应用[J].核电子学与探测技术，2009，29，(3)：680-683

　　[8] 刘陵顺，高艳丽，张树团等.TMS320F28335DSP原理及开发编程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011

　　[9] 卿柏元，滕召胜，高云鹏，温和.基于Nuttall 窗双谱线插值FFT的电力谐波分析方法[J].中 国电机工程学报，2008，28，(25)：153-158

　　王晗 李敏浩 邹星家 梁恒军 蔡念 陈新

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