基于FPGA和DSP的变频电源测量系统设计

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在电力系统中，变频系统作为-种电力电子设备，其输出侧的电压、电流含有丰富的高次谐波 ，并且具有可调节频率变化范围大和速度快的特点。当系统中谐波含量达到-定程度时，对电力系统及电力用户带来-定的影响和危害。在进行谐波分析时，若信号频率和采样周期不匹配，或者在整个采样周期间隔内，波形不是周期性的，就会产生频谱泄漏误差。如果能够实现同步基波的频率，使截断的采样数据个数正好是基波信号周期的整数倍，就能解决被测信号采样在开始和终止的地方不连续的问题 。

笔者采用自适应实时调整采样率的方法，实时跟踪信号基波频率，采用软同步的方法实现交流同步采样 。利用以 FPGA和 DSP为控制核心的硬件系统，实行多路同步采样，能够有效地减少频谱泄漏而引起的测量误差。-方面由此方法变频电源电压传感器电流传感器滤波电路计算得出三相电压、电流的基波和各次谐波的幅值及相位比按工频正弦量的计算方法来计算电参量要精确；另-方面又能以计算得出的各次谐波为参考，加入适当的外置滤波器或算法消除谐波对系统和测量的影响。

1 变频电源测量系统总体设计数据采集系统结构如图 1所示，三相电压和三相电流信号经过传感器之后送至滤波电路，再经过 A/D转换拈进行六路同步采样，不丢失相位信息，最后由 DSP进行参数计算和处理。采用双口RAM作为A/D转换拈与 DSP双向通信的缓冲芯片，双口 RAM芯片具有两套独立的控制线、地址线和数据线，可以对任何-个端口进行独立的操作。整个数据采集电路的时序控制都由FPGA完成，有利于 DSP全速执行数据运算，从而保证了采样的持续性和实时性。

双 口RAM图 1 系统结构示意图2 系统硬件设计系统中使用的电压传感器为闭环补偿电压的霍尔传感器 LV25-P，电流传感器为 LT58.s7，具有精度高、线性度好及带宽高等特点。滤波电路采液晶面板工控机用 四阶 巴特沃斯滤波器 (图2)，截止频率为收稿日期：2012-12-lS(修改稿)基金项目：湖南势学技术厅科学计划项目(2009GK3075)；湖南省自科湘潭联合基金项 目(10J9009)234 化 工 自 动 化 及 仪 表 第40卷10kHz 。A/D转换芯片采用 Analog Device新型器件 AD7606，AD7606是-种高速、低功耗、8通道同步采样的模数转换器，包含低噪声、高输入阻抗信号调理放大器，1MQ模拟输入阻抗，同时 AD7606集成了- 个衰减约为40dB的前端二阶抗混叠模拟滤波器，能以高达200kS/s的快速吞吐率进行采样。双口RAM 采 用 IDT公 司 64K×16bit的 双 口 芯 片IDT70V28。选择Altera Cyclone lI系列 EP2C8Q208为硬件核心，Cyclone 1I是基于 Stratix lI的90nm工艺推出的 FPGA。它具有8 256个逻辑单元(LE)，内置4K Byte RAM，两个锁相环(PLL)以及 18个乘法器拈。图3所示为 DSP与 FPGA以及双口RAM和 AD芯片之间的主要功能引脚接口电路图。

图2 四阶巴特沃斯滤波器工作原理CONVST DB[0：1 5]BUSYCS AD7606RDRESETDR[0：15] AR[O：15 OER R/WR CERIDT70V28 INTLDL[O：15 AL[O：15 OEL R/WL CELXD[O：15 XA[0：15] XDR XDA XZCS0DSP2812 XINT1图 3 接 口电路系统采用 EZ.USB FX2系列的 CY7C68013-56芯片与 Pc的 USB端 口连接，工作于 SlaveFIFO批量传输 16位数据线模式 ，电路连接如图 4所示。

24MHz晶振PA0 PBOPB7PA1 PD0PD7PA2 SLRDPA3 SLW R； A C68013-56PA6 FLAGAPA7 FLAGBD FLAGCD-DSPFIFO emptyQ。 !!I- I图4 CY7C68013-56连线示意图FPGA采用50MHz频率的晶振，对通过滤波电路的电压或电流信号进行频率测量，然后 FP-GA内部倍频电路产生相应的倍频频率作为 A/D采样芯片的控制信号，从而保证采样时间间隔与被测量信号周期 在-个周期内的采样点数 Ⅳ成为-个整数关系 N ，由此可以保证在频率变动相当大时，也能够保持整周期采样。

在 Quartus I集成开发环境中，采用VHDL和Verilog语言 实现 FPGA对整个系统的时序控制，工程顶层图如图5所示，其中部分功能引脚仿真结果如图 6所示，其中CLK-AD7606是 FPGA发出给AD7606的采样转换信号；CS是读使能信号；RD是数据读出信号，低电平有效；IDT-RW 和addrin是发给双口RAM的写使能信号和地址信号。从图6中可以看出，各信号都满足工作时序要求 。

E第 2期 黄 鹤等.基于 FPGA和 DSP的变频电源测量系统设计 235图5 Quartus I工程顶层图 6 QuartusII仿真3 系统软件设计DSP中系统软件使用 C语言编程，上位机程序采用 VC编写，系统软件初始化上电之后，开始采集数据，采集过程中的设计流程如图7所示。

图 7 系统采集过程的工作流程系统始终对 6路模拟信号进行同时采集，每个采样周期开始前 FPGA都更新-次采样率，采集到的数据由 FPGA控制直接存储在双口 RAM中，由FPGA发出中断信号通知 DSP读取，之后DSP进行相关的电参量运算并且将数据通过 USB接口与上位机进行通信。

4 实验与分析在实 验室 中利 用横 河 w，I23O和 由两 台VSI100系列矢量变频器与两台三相异步电机(11kW，380V，22.6A，A接法)组成的测试系统做分析对比实验。在空载时读出的部分数据见表 1的电参量实验数据，每-项的上-排是 WT230测量的数据，下-排是系统测量的数据。

表 1 电参量实验数据频率/Hz 50.0 48.5 40.0 30.0 20.0V rms/V 371.84 363.17 299.39 224.25 148.91372.04 363.62 299.57 223.96 149.04/rms/A 7.111 1 7.051 0 7.080 0 7.082 0 7.232 06.988 9 7.029 0 7.O5l 1 7.041 1 7.042 2有功功率/w 787.50 765.30 589.90 414.60 263.60797.21 776.92 589.87 400.69 265.54无功功率/w 4 476.7 4 410.3 3 626.1 2 701.4 1 818.44 409.9 4 398.8 3 595.9 2 685.1 1 790.3视在功率/VA 4 539.50 4 485.20 3 672.10 2 731.70 1 846.504 481.35 4 466.90 3 643.94 2 714.86 l 809.92功率因数 0.173 5 0.170 6 0.160 6 0.151 8 0.142 70.177 9 0.173 9 0.16l 9 0.147 6 0.146 7观察实验数据可以看出，系统设计原理是正确的，相对误差较小，数据波动比较大时可以采用滑动平均的方法来作为电参量的参考值。

化 工 自 动 化 及 仪 表 第40卷5 结束语笔者设计的变频电源电参数测量系统是以FPGA和 DSP为控制核心，采用新型 A/D采样器件实现了-种变频电源同步测量系统，应用于变频电源的实时谐波分析及电参量的测量。通过实验数据的对比，验证了系统设计的正确性和可行性，该数据采集系统在高速的实时测控领域有着很高的应用价值和实际意义。