一种针对伺服调速系统输出电参量的有效值测量方法

2018-07-05纪海燕徐余法钟后鸿

上海电机学院学报 2018年3期

纪海燕，徐余法，钟后鸿

(1.上海电机学院电气学院，上海 201306；2.上海电气电站设备有限公司发电机厂，上海 200240)

在科学生产和实践研究中，会遇到大量的非正弦波，传统测量仪表采用的是平均值转换法对其进行测量，然而，此种方法仅仅适用于波形为工频的正弦波。在调速节能伺服等领域，由于交流输出广泛采用脉宽调制技术，从而使得电压、电流中包含大量高次谐波，波形发生严重畸变，交流电压和电流的有效值是描述电机电功率和控制电动机正常运行的重要参数。因此，有效值大小的计算精确度在信号分析过程中显得尤为重要[1-4]。

交流信号有效值测量的方法主要有热耦式、电子式RMS/DC运算测量法和数字采样法等，前两种方法通过将交流信号有效值转化成为直流信号进行测量，其弊端是不能对一个周期内信号的有效值进行实时测量[5];数字采样法是基于信号有效值的定义，通过均方根法最终实现有效值的计算[6-7]。

文献[6]中利用电压和电流采样值直接进行小波变换,从而实现对电压和电流有效值的测量；文献[8]中提出了一种新的交流信号真有效值数字测量方法，提供了一种新的真有效值测量手段；文献[9]中采用热等效法和公式计算法搭建测量电路,对不同频率正弦波有效值进行测量，分析比较了两种方法的测量精度和频率响应；文献[10]中利用目前常用的软件定时同步采样技术,提出了测量交流信号真有效值的两种实用改进方法；文献[11]中介绍了一种交流电压真有效值测量电路；文献[12]中提出了非正弦交流电信号的采样测量方法，并分析了同步误差的两个主要来源；文献[13]中在正弦交流电的前提下,提出了一种可显著提高交流电有效值测量精度的改进方法。现有成果实现了非正弦交流电信号的测量以及正弦交流信号有效值的测量，但并未涉及到非正弦交流电信号有效值的测量。本文提出了一种针对伺服调速系统的非正弦交流变频信号的有效值计算方法，实现了对非正弦交流波有效值的计算。

1 算法理论

(1)

式中:f(t)为采样正弦信号;T为采样周期。

由于工频不稳定、采样间隔总是时钟周期的整数倍等原因，使得实现同步采样较困难。虽然增加测量的周期数可以减少同步误差,但又会降低测量的响应速度[12-15]。交流信号有效值计算公式为

(2)

式中:x1，x2,…,xn为采样信号采样时刻的瞬时值，系统的采样周期为0.1 μs;N为采样点的个数，N=T/0.1 μs。

本系统在频率实时变化的情况下,采用数字离散同步采样法对不规则变频交流信号进行离散采样；同时将5次及以上谐波滤除，得到一系列离散信号瞬时值，将瞬时值存入到数字寄存器，通过式(2)得出有效值；最后通过示波器采集数据与系统电路显示值进行对比分析，最终得出结论。

2 非正弦波有效值测量控制系统

本算法通过借助无刷直流电动机双闭环控制系统进行验证，无刷直流电动机在实际运行时输出的电压与电流的波形是典型的非正弦波，而电动机在运行时，随着电动机转速的改变，电动机的频率也会随之变化，参考公式n=60f/p，控制系统如图1所示。

图1控制系统框图

通过CAP口检测到电动机的霍尔脉冲信号，位置传感器得到无刷直流电动机的位置信号机械角度，计算到当前的实际转速，并将实际的转速作为负反馈与给定转速做差，再将差值信号送入PI调节器，得到给定电流信号。同样，通过电流霍尔传感器对无刷直流电动机的驱动电流进行采样，与给定电流做差，再经过PI调节器调节，输出占空比，以对应不同的电压值，最终形成脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)信号，驱动逆变电路。最后,通过逆变电路的电压信号驱动无刷直流电动机运行，系统用ADC模块采集电动机的电流、电压，将数据输入到CPU，再经过有效值计算,通过液晶屏显示出来。

图2所示为控制系统程序流程图，主要是在AD中断程序中进行，AD中断程序一方面对电动机进行调速控制，在调速控制时对硬件电路进行过流保护;另一方面，有效值的计算与显示也在AD中断进行。

图2 AD模块程序流程图

3 实验验证

本文采用实验方法来验证所提算法的可行性，采用TI公司生产的TMS320F2812为主控制芯片，处理采集到的数据和发送控制命令，包括EVA和EMB等特定的外围设备，用于实现机电设备控制的多种必要功能[16]。电动机驱动框图如图3所示。

图3电机驱动框图

电动机驱动电路主要包括DSP 2812芯片PWM模块、光耦隔离电路和IPM驱动芯片3部分。数字信号控制芯片DSP 2812的 PWM模块输出q1，q2，q3，q4，q5，q66路PWM控制信号。其中:q1，q2为一组；q3，q4为一组；q5，q6为一组。3组信号经光耦隔离电路处理后，IPM驱动芯片，从而实现对电动机的控制。本设计采用电流传感器检测法，首先,电流传感器串入电动机母线回路，将电流值转换成电压值输出;其次,输出的电压值经过后续电路处理，送入DSP的采样口，以供芯片读取，实现模拟量的数字化。电压采集则使用电阻分压法，再通过运算放大器进行放大，最终通过显示器显示。

实验样机所涉及的参数如表1所示。实验借助实验室无刷直流电动机与测功机平台进行验证，电动机转速为300 r/min，给定电压为110 V，实验数据如图4所示。

表1 样机参数

图4 300 r/min电流

此时，通过示波器对电动机电压的输出端进行测量，示波器探头的衰减比为10，示波器的电压波形如图5所示。

图5 示波器电压波形

示波器显示的为该非正弦波的瞬时值波形，根据公式法得出有效值为112 V，而显示电路的值为108 V，是通过电阻分压后由硬件采样计算所得的值，即该非正弦波的有效值。万用表所测得的数值为36.6 V，该值是正弦波的平均值。由实验数据可知：万用表与示波器所示数值为正弦波与非正弦波的对比，正弦波约为非正弦波的1/3；而通过示波器所示波形由公式法所得的有效值与通过硬件采样计算所得值相比仅相差4 V。考虑电路板的谐波干扰及示波器探头间的干扰等误差干扰原因，可以说明算法的准确性。

4 结语

本文从有效值的定义出发，采用TMS320 F2812对电动机输入的非正弦交流信号进行同步采样和有效值计算，提出了一种针对变频非正弦波波形测量有效值的算法，并通过实验的方式对此算法进行了验证，通过示波器采集的数据与控制系统显示电路的显示值进行对比，在误差允许的范围内验证了算法的可行性,保证了一定程度的精确度，实现了真正意义上的实时测量。

[1] 夏永洪,黄劭刚. 励磁电流脉动对电枢绕组空载电压波形的影响[J]. 电机与控制学报,2012,16(9):21-25.

[2] 王爱元. 一种用变频调速装置的电参量有效值测量算法[J]. 电机与控制应用,2013,40(5):49-52.

[3] 李立,黄松柏,汪洪亮. 基于电压/电流控制模式的组合式三相逆变器[J]. 电机与控制学报,2011,15(2):63-70.

[4] 王东,吴新振,郭云珺,等. 非正弦供电十五相感应电机谐波电压确定[J]. 中国电机工程学报,2012,32(24):126-133,20.

[5] 陈志辉,姜长生,严仰光. 数字电压调节器三相电压数字测量方法的研究[J]. 电工技术学报,2002,17(2):96-100.

[6] 沈国峰,王祁,王华. 利用小波变换进行有效值测量的研究[J]. 电测与仪表,2003,40(6):9-11.

[7] 庞吉耀. 一种获得交流信号真有效值方法[J]. 现代电子技术,2015,444(13):53-55.

[8] 徐垦.交流信号真有效值数字测量方法[J].华中科技大学学报(自然科学版),2006,34(2):51-54.

[9] 王尧君,刘冲,蒋慧. 两种测量电压有效值方法的比较[J].中国测试,2013,39(3):27-30.

[10] 孙俊香. 提高交流信号真有效值测量精度的改进方法[J].电测与仪表,2011,48(11):20-23.

[11] 史延龄,邹来智,闫志强. 交流电压真有效值的测量[J]. 电气应用,2003(5):34-35,38.

[12] 李华曦,李敏远. 非正弦波交流电参量实时测量系统的研究[J]. 电测与仪表,2007,44(3):13-16,21.