摘要：從變頻電源電參量實時測量的應(yīng)用需求出發(fā)，針對變頻電源可調(diào)頻率范圍寬的特點，以FPGA和DSP為硬件。設(shè)計出一種基于變步長自適應(yīng)采樣方法的數(shù)據(jù)采集計算系統(tǒng).該系統(tǒng)具有實時性強.集成度高及擴展性靈活等特點

　　在電力系統(tǒng)中，變頻系統(tǒng)作為一種電力電子設(shè)備，其輸出側(cè)的電壓.電流含有豐富的高次諧波，并且具有可調(diào)節(jié)頻率變化范圍大和速度快的特點.當(dāng)系統(tǒng)中諧波含量達到一定程度時，對電力系統(tǒng)及電力用戶帶來一定的影響和危害.在進行諧波分析時，若信號頻率和采樣周期不匹配，或者在整個采樣周期間隔內(nèi)，波形不是周期性的，就會產(chǎn)生頻譜泄漏誤差.如果能夠?qū)崿F(xiàn)同步基波的頻率，使截斷的采樣數(shù)據(jù)個數(shù)正好是基波信號周期的整數(shù)倍，就能解決被測信號采樣在開始和終止的地方不連續(xù)的問題.

　　筆者采用自適應(yīng)實時調(diào)整采樣率的方法，實時跟蹤信號基波頻率，采用軟同步的方法實現(xiàn)交流同步采樣利用以FPGA和DSP為控制的硬件系統(tǒng)，實行多路同步采樣，能夠有效地減少頻譜泄漏而引起的測量誤差.一方面由此方法計算得出三相電壓.電流的基波和各次諧波的幅值及相位比按工頻正弦量的計算方法來計算電參量要；另一方面又能以計算得出的各次諧波為參考，加入適當(dāng)?shù)耐庵脼V波器或算法消除諧波對系統(tǒng)和測量的影響.

　　1 變頻電源測量系統(tǒng)總體設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，三相電壓和三相電流信號經(jīng)過傳感器之后送至濾波電路，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊進行六路同步采樣，不丟失相位信息，由DSP進行參數(shù)計算和處理.采用雙口RAM作為A/D轉(zhuǎn)換模塊與DSP雙向通信的緩沖芯片，雙口RAM芯片具有兩套獨立的控制線.地址線和數(shù)據(jù)線，可以對任何一個端口進行獨立的操作.整個數(shù)據(jù)采集電路的時序控制都由FPGA完成，有利于DSP全速執(zhí)行數(shù)據(jù)運算，從而保證了采樣的持續(xù)性和實時性.

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)中使用的電壓傳感器為閉環(huán)補償電壓的霍爾傳感器LV25一P,電流傳感器為L眄8-S7,具有高.線性度好及帶寬高等特點.濾波電路采用四階巴特沃斯濾波器（圖2），截止頻率為10kHzH?A/D轉(zhuǎn)換芯片采用Analog Device新型器件AD7606是一種高速.低功耗.8通道同步采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包含低噪聲.高輸入阻抗信號調(diào)理放大器，1MQ模擬輸入阻抗，同時AD7606集成了一個衰減約為40dB的前端二階抗混疊模擬濾波器，能以高達200kS/s的快速吞吐率進行采樣.雙口RAM采用IDT公司64K×16bit的雙口芯片IDrl70V28?選擇Altem CycloneⅡ系列EP2C8Q208為硬件，CycloneⅡ是基于StratixⅡ的90nm工藝推出的FPGA?它具有8 256個邏輯單元（LE），內(nèi)置4K Byte RAM,兩個鎖相環(huán)（PLL）以及18個乘法器模塊.圖3所示為DSP與FPGA以及雙口RAM和AD芯片之間的主要功能引腳接口電路圖.

　　系統(tǒng)采用EZ-USB Fx2系列的CY7C68013.56芯片與Pc的USB端口連接，工作于slaveFIFO批量傳輸16位數(shù)據(jù)線模式.,電路連接如圖4所示.

　　FPGA采用50MHz頻率的晶振，對通過濾波電路的電壓或電流信號進行頻率測量，然后FP-GA內(nèi)部倍頻電路產(chǎn)生相應(yīng)的倍頻頻率作為A/D采樣芯片的控制信號，從而保證采樣時間間隔z。

　　與被測量信號周期r在一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)Ⅳ成為一個整數(shù)關(guān)系N=T/T,由此可以保證在頻率變動相當(dāng)大時，也能夠保持整周期采樣.

　　在Quanus II集成開發(fā)環(huán)境中，采用VHDL和Verilog語言∞.實現(xiàn)FPGA對整個系統(tǒng)的時序控制，工程頂層圖如圖5所示，其中部分功能引腳仿真結(jié)果如圖6所示，其中cLK-AD7606是FPGA發(fā)出給AD7606的采樣轉(zhuǎn)換信號；CS是讀使能信號；RD是數(shù)據(jù)讀出信號，低電平有效；IDT-RW和addrin是發(fā)給雙口RAM的寫使能信號和地址信號.從圖6中可以看出，各信號都滿足工作時序要求.

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　DSP中系統(tǒng)軟件使用c語言編程，上位機程序采用Vc編寫，系統(tǒng)軟件初始化上電之后，開始采集數(shù)據(jù)，采集過程中的設(shè)計流程如圖7所示.

　　系統(tǒng)始終對6路模擬信號進行同時采集，每個采樣周期開始前FPGA都更新采樣率，采集到的數(shù)據(jù)由FPGA控制直接存儲在雙口RAM中，由FPGA發(fā)出中斷信號通知DSP讀取，之后DSP進行相關(guān)的電參量運算并且將數(shù)據(jù)通過USB接口與上位機進行通信.

　　4實驗與分析

　　在實驗室中利用橫河WT30和由兩臺VSIl00系列矢量變頻器與兩臺三相異步電機（1lkW,380V,22.6A,△接法）組成的測試系統(tǒng)做分析對比實驗.在空載時讀出的部分數(shù)據(jù)見表l的電參量實驗數(shù)據(jù)，每一項的上一排是WT230測量的數(shù)據(jù)，下一排是系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù).

　　觀察實驗數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)設(shè)計原理是正確的，相對誤差較小，數(shù)據(jù)波動比較大時可以采用滑動平均的方法來作為電參量的參考值.

　　5結(jié)束語

　　筆者設(shè)計的變頻電源電參數(shù)測量系統(tǒng)是以FPGA和DSP為控制，采用新型A/D采樣器件實現(xiàn)了一種變頻電源同步測量系統(tǒng)，應(yīng)用于變頻電源的實時諧波分析及電參量的測量.通過實驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了系統(tǒng)設(shè)計的正確性和可行性，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在高速的實時測控領(lǐng)域有著很高的應(yīng)用價值和實際意義.