电子信息工程毕业设计文献综述开题报告电参数测量系统设计文档格式.docx

1、1.3.3 基于对离散频谱分析模型的研究现状21.3.4 基于对数字信号处理器的国内外研究现状21.4 课题研究的主要内容32 电参数测量的标准及方案设计42.1 交流电参数的测量标准及问题42.1.1 交流电参数测量的标准42.1.2 电参数测量的问题52.2 电参数测量系统的方案设计52.2.1 系统设计的规则要求52.2.2 系统总体方案的确定63 测量与信号处理的算法研究83.1 FIR 滤波器模型的建立83.1.1 FIR 数字滤波器简介83.1.2 FIR 滤波器的算法实现93.2 基于周期法测量各参数的算法实现93.2.1 周期测量法93.2.2 傅里叶变换测量法104 电参数测

2、量系统的硬件设计124.1 硬件平台的总体设计124.1.1 系统硬件部分的设计原则124.1.2 硬件部分的总体设计方案124.2 系统硬件各模块的实现134.2.1 信号处理模块134.2.2 A/D 转换模块134.2.3 DSP 数据处理模块144.2.4 逻辑控制模块174.2.5 通信接口显示模块195.1 控制部分软件设计215.1.1 软件系统程序流程的设计215.1.2 系统软件部分程序225.2 DSP 部分软件设计255.2.1 DSP 程序设计概述255.2.2 数据的采集265.2.3 频率的计算265.2.4 其它电参数的计算275.2.5 与 PC 口的串行通信2

3、76 总结29参考文献30致 谢31附 录321 绪论1.1 课题的来源近些年来，随着我们国家在电力电子技术、自动控制技术、测量技术以及计算机技术等高新技术方面的迅猛发展，电能质量的好坏对于一个电力系统的安全经济运行，保证产品质量和科学实验的正常进行以及有效地降低能耗等方面均有重要的意义。为了彻底地改善这种状况，对一个电力电子系统进行完整地分析和监测，就成为了检测技术的一个重要的研究方向。因此，能否准确、完整地对各种电量的参数进行测量和分析是成功的关键所在。1.2 课题的意义众所周知，电力系统正常、安全、高效的运行对于国民经济和社会的健康 发展都有着极为重要的意义。在各种工业生产和人们的日常生

4、活中，电力对社 会和个人有着密切的关系，因为电压、电流的过高和过低，均能影响到各种电 器设备的正常使用，所以对电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数以及 频率等电量参数进行精确地检测可以很快地掌握各供电线路和设备的运行状况， 并能够及时发现电路中存在的各种隐患，进而采取一些合理有效地措施来保证 各系统及设备的良好运转。随着我国经济的高速度发展，在化工、冶金、电力等行业，以及家用电器中非线性负荷的使用日渐增多，特别是一些大功率设备的大量应用，导致在电力系统中产生大量的高次谐波，进而引起电压、电流的波形发生畸变，电力谐波不仅会严重危害各种供电设备和仪器仪表，促使其供电质量下降，从而不能准确地反映

5、电力系统运行的情况，损害了用户的切身利益，同时也会对电力系统本身造成不良影响和严重的危害。从以上的研究可知，研制出一种较实用的电量参数测量系统装置具有非常重要的意义，它不仅可以对电压、电流、功率、功率因数和频率等重要的电力参数进行实时检测，还可以对各种电力系统中的高次谐波进行实时的分析，从而使人们可以采取进一步的措施，减少谐波的污染，保证电能的质量，保证电力系统能够安全、可靠、经济地运行。1.3 电参数测量系统国内外发展现状1.3.1 基于对正余弦周期信号模型的研究现状从正余弦信号的变化情况出发，利用正余弦函数的特性，从若干个采样值43中计算出各信号的参数，如采样值累计算法、最大值算法、采样值

6、积算法、Mann-Morrison 导数算法、三采样值算法和解方程算法等。以上这些算法的特点是原理简单，信号观测时间短、采样点数较少，因而计算量较小、响应速度较快，但是容易受到高次谐波，随机干扰信号的影响。1.3.2 基于对非周期信号模型的研究现状该算法是对信号观测模型进行数学变换，将待测量的数值表示为样本值来估计。该算法简明，计算量不大，较传统的周期法稍有所改进，但难以适应非稳定频率下的测量，即使在稳定的条件下，也必须有严格的前置滤波环节，且算法推导过程较复杂，精确度总体不高。1.3.3 基于对离散频谱分析模型的研究现状DFT（离散傅里叶变换）或其快速算法（FFT）是频谱分析的主要方法，目

7、前在电量参数测量领域中应用较为广泛。DFT（FFT）是一种典型的数字滤波技术， 它可以分离出信号的基波分量和高次谐波分量，进而得到信号各频率分量的幅 值、频率和相位。DFT 能够准确地求出信号的参数，其准确度和稳定度都较好， 而且计算量相对较小。但如果信号的采样没有保持同步的话，DFT 法就会产生频谱泄漏和栅栏效应，导致测试出现偏差，尤其是相位误差和高次谐波参数检 测误差大。1.3.4 基于对数字信号处理器的国内外研究现状1982 年，美国 TI 公司推出了 TMS320 系列 DSP 芯片中的第一代 DSPTMS320010 及其系列芯片，之后又相继推出了第二代 DSP 芯片 TMS3200

8、20，第三代 DSP 芯片 TMS320C30/C31/C32/C33C,第四代 DSP 芯片 TMS320C40/C44，第五代DSP 芯片 TMS320C5x/C54x 以及目前速度最快的第六代 DSP 芯片TMS320C62x/C67x 等。TI 公司的系列 DSP 产品已经成为了当今世界最有影响的DSP 芯片，TI 公司已成为世界上最大的 DSP 芯片供应商1。20 多年来，DSP 芯片得到了迅猛的发展，随着其应用的不断扩展和深入， 今后 DSP 芯片将会发展更快。主要体现在以下几方面：1） 在生产工艺上，采用先进的 CMOS 工艺制造和砷化镓集成电路制造技术， 使芯片的集成度更高、功

9、耗更低。2） 研制高速、高性能 DSP 器件将以 RISC（精简指令系统计算机）基本结构为主导。3） 模拟/数字混合式 DSP 芯片（集滤波、A/D、D/A 及 DSP 处理于一体）将有很大的发展空间，应用领域将会进一步扩大。今后模数混合式 DSP 芯片将成为 DSP 发展的主要方向。4） 将 DSP 技术与嵌入式技术相结合，在 DSP 芯片中嵌入相应的模块，这样可以进一步扩大 DSP 的逻辑控制能力。1.4 课题研究的主要内容本文研究的目的是研究电参数测量系统的控制和实现，通过认真学习、研究和总结，力求达到更高的实时性和更高的精度，具体研究内容如下：（1） 根据目前电参数测量仪的发展趋势和现

10、有的设计条件，设计了电参数测量系统的整体方案和技术要求。（2） 分析了各种算法的优点和缺点以及实现的可能性，并针对频率测量和参数计算算法的重点和难点，同时考虑到实用性，最终决定用快速傅里叶变换的方法来提高系统测量的精确度。（3） 电参数测量系统的硬件部分的设计是基于 TI 公司的 TMS320F2812DSP 芯片，设计了信号的采集与处理电路、AD 转换电路、CPLD 逻辑控制电路以及 DSP 数据计算电路。（4） 软件部分的设计是把软件部分模块分成了逻辑控制模块和 DSP 数据处理模块来分别进行设计，最后给出了相应的程序流程图和部分程序源代码。（5） 结合系统的软件部分在 PC 机上运行并显

11、示，具有方便直观等优点。2 电参数测量的标准及方案设计2.1 交流电参数的测量标准及问题本系统是在理想的交流电源供电的情况下对电路中各电量进行参数的测量和分析，其中主要包括了电流、电压、无功功率、有功功率、视在功率、频率以及功率因数等。2.1.1 交流电参数测量的标准针对正余弦情况下的各电参数的数学表达式，再结合本系统的实际情况， 下面列出了在三相正弦系统下对各种电量参数定义的表达式。三相电流信号定义如下：ia = 2I sin（wt -q）（2-1）ib = 2I sin（wt -q- 120o ）2）ic = 2I sin（wt -q+ 120o ）3）同样三相电压也有类似下式：Va =

12、2V ln sin（wt）（2-4）Vb = 2V ln sin（wt - 120o ）（2-5）其中V ln 为相电压。瞬时功率如下：vc = 2V ln sin（wt + 120o ）P = vaia + vbib + vcic（2-6）G17）有功功率如下：无功功率如下：P = KTG+ KT pdt（2-8）10）视在功率如下：功率因数如下：| Q |=S 2 - P2S = 3V ln I（2-9）p2 + Q2cosj = p =pS（2-11）2.1.2 电参数测量的问题传统的测量方法存在的一些问题如下：（1）测量的精度低交流采样是通过对输入波形离散数字化后，通过一定的算法得出表

13、征输入波形的各种参数。排除信号调理电路的误差及转换的误差外，测量精度取决于 2 个方面：一是采样的速率；二是算法。在一个交流周期内对输入信号采样点越多，则对波形的描叙越细致，计算精度也越高。（2）实时性较差采用 FFT 变换进行频域处理的问题是计算量大，反应速度慢，因此也限制了它的应用。2.2 电参数测量系统的方案设计2.2.1 系统设计的规则要求本系统作为一种对电量进行智能测量的仪表，它与传统的测量装置有一些差别，因为它采用的是高精度的数字信号处理器来实现，在采样、元件的选择和运算等方面都采用了最新的技术，因此要想成功设计出本系统必须要遵循一定的设计原则：1） 根据设计对象的要求和实际的要求

14、条件列出详细的设计目标，而且目标要符合实际的要求。2） 将硬件和软件部分相协调起来，进一步优化你的设计方案。3） 任何仪表都有可能出现使用故障，所以应该设计出具有能够进行自诊断和异常处理功能的系统，这样可以提高产品的可利用性和维护性。下面给出一些在实际设计中应该引起注意的地方：（1） 系统精度的设计在实际的测量中，测量的结果往往会或多或少地偏离被测量的真实值。在这其中系统的误差对其影响很大，它的来源主要包括测量设备误差、测量方法或原理不完善等所带来的误差。（2） 采样频率的选择采样定理说明了要使采样信号不失真传输的采样条件是要求采样频率 fs 要 大于等于信号截止频率 fc 的 2 倍，fs

15、就称为奈奎斯特频率。这只是给实际采样 的频率提供了理论上的依据，而往往在实际过程中的信号根本不存在理论上的 截止频率 fc，因此采样频率 fs 的选择就不能仅仅根据奈奎斯特采样定理来确定。要使采样的信号不失真传输，我们可以选择充分大的采样频率 fs。但是根据具体的情况采样频率也不能过大也不能过小。因此从奈奎斯特采样定理出发， 再结合实际的采样过程，我们可以按下式计算出采样的频率：fs = （3 4） f max（2-12）霍尔电流传感器（三相）式中，fmax 是系统最高工作频率。2.2.2 系统总体方案的确定确定电参数测量系统的总体方案，是进行系统设计前的重要而又关键的一步。从某种意义上讲，总

16、体方案设计的好坏，可以直接影响到整个控制系统的运行好坏。目前，基于 DSP 的测量控制系统在工业领域中得到了广泛的应用， 但随着我国电力电子技术的飞速发展，对测量设备的要求也是越来越高，因为测量的环境中经常会有高次谐波的存在，所以要选择运算速度和精度更高的器件来实现更复杂的功能23。结合交流电源的电参数特性，设计了整个测量控制系统，以美国 TI 公司生产的 TMS320F2812DSP 芯片为开发核心，同时结合了高精度的 16 位芯片DSPADS 8364PC双口RAM滤波放大电路霍尔电压传感器（三相）交流电源ADS8364 来实现，在系统的时序控制方面采用了 CPLD 来控制。具体的测量方案

17、见图 2-1：液晶显示CPLD图 2-1 交流电源电参数测量系统硬件框图系统的工作原理为：将交流电源三相电压信号和三相电流信号，首先经过霍尔传感器将所测得的信号变为标准信号送入滤波放大环节，然后再通过 AD 模数转换器进行同步采样以保证输入电信号相位的同步，最后由 DSP 进行各项参数的计算和处理，整个采样过程的时序控制和频率测量均由 CPLD 来完成。该设计方案采用标准化、模块化的设计，各部分结构联系紧密，具有较高的可靠性和实用性，其功能可归纳如下：（1） 本系统采用了 16 位高精度六路同步 AD 转换芯片，结合高速采样，在DSP 中用 FIR 滤波器算法来测量瞬时频率。（2） 硬件和软件

18、采用开放式，系统为标准化的结构设计，具有灵活的配置可适应不同要求的需要。（3） 由系统功能分析，既能用做交流电源的电参数测量，也可作为标准的电能质量监测系统。（4） 由于采用高速的 DSP2812 芯片和双口 RAM，可以大大提高实时性能4。3 测量与信号处理的算法研究根据对系统总体方案的研究，得知我们要计算的数据主要包括对频率的计 算和其它电参数的测量。而在这其中最主要的是对频率的计算，如果信号受到 某些干扰就会造成较大的偏差，鉴于此种情况我们先分析了数字滤波器的特点， 并且建立了数字滤波器的模型来对信号进行加工和处理，最后再利用周期法进 行其他电参数的计算。3.1 FIR 滤波器模型的建立

19、为了使频率测量准确无误，我们建立了数字滤波的实现，对经采样转换后的离散数字信号进行滤波处理。数字滤波器是一种用来过滤离散时间信号的数字系统，它是一种用硬件、固件再结合软件来实现的数字算法，通过对抽样数据进行离散数学处理从而达到频域滤波的目的。数字滤波器按照单位冲激响应 h（n）的时域特性可以分为有限长单位冲激响应（FiniteImpulseResponse,FIR）数字滤波器和无限长单位冲激响应（Infinite Impulse Response, IIR）数字滤波器。IIR 滤波器为递归的结构，它能够以较低的阶数而达到预期的目的。但对于一个给定的响应, IIR 与 FIR 相比较,它对存储空

20、间的要求较少, 而且执行循环的次数也少很多。而 FIR 数字滤波器是非递归结构的, 它可以提供理想的线性相位响应, 从而在整个频带上获得常数群时延,这正是要测量准确的信号所需要的, 而且 FIR 与 IIR 相比较, 它可以采用十分简单的算法来实现7。3.1.1 FIR 数字滤波器简介FIR 数字滤波器实际上就是一个采用有限精度算法实现的线性时不变离散系统，其设计包括下列四步：（1） 滤波器系数的计算和优化。（2） 滤波器所要求的技术和条件。（3） 利用合理的结构实现滤波器。（4） 对数字滤波器性能的有限字长的效应分析。有限长冲激响应（FIR）数字滤波器的基本结构是一个分节的延时线，把每一节的

21、输出加权累加，就可得到滤波器的输出。其数学表达式为：n-1y（n） =m=0h（n）x（n - m）（3-显然，这是线性移不变系统的卷积和公式，同时也是 x（n）的延时链的横向结构，如图 3-1 所示，称为横截型结构或卷积型结构，也可称为直接型结构。h（0）h（1）h（2）h（n-2）h（n-1）1/Z图 3-1 FIR 滤波器的横截型结构6根据上式可知，FIR 数字滤波器涉及到大量的卷积运算，使用常规硬件设计的基本部件包括延迟器、乘法器和加法器，实现时会占用大量的资源。实际信号一般都会含有高次谐波和系统随机噪声等,要对信号进行瞬时频率估计,就必须要滤除噪声,根据 FIR 数字滤波器滤波的规律

22、,我们可以逐级将这些噪声和高次谐波滤掉。因为它在结构上是非递归型的，所以 FIR 数字滤波器具有以下的一些特点7：（1） 系统的单位冲激响应 h（n）在有限个 n 值处不为零；（2） 系统函数 H（z）在|z|0 处收敛，在|z|0 处只有零点，即在有限 z 平面内只有零点，而它的全部极点都在 z=0 处，也就是说它是一个因果系统；（3） 因为 FIR 数字滤波器的单位脉冲响应 h（n）是有限长的序列，故 FIR滤波器不存在不稳定的问题；（4） 因为它在结构上主要是非递归型结构，所以在有限精度运算下，一般不会出现递归结构中极性震荡等不稳定的现象，而且误差相对比较小。3.1.2 FIR 滤波器的

23、算法实现FIR 数字滤波器的一般输入输出差分方程可以表示为：L-1y（n） = b0 x（n） + b1x（n - 1） + bL - 1x（n - L + 1） =b1x（n - 1）l =0（3-2）上式中 bl 为 FIR 数字滤波器的冲激响应系数。该方程把 FIR 数字滤波器的输出表示成了输入量与系统冲激响应的卷积和的形式。下面给出 FIR 数字滤波器的系统函数表达式：H （z） = b0 + b1z-1 + . + bL - 1z-（ L-1）q= b1Z -1（3-3.2 基于周期法测量各参数的算法实现3.2.1 周期测量法在工业生产中常用有效值来衡量交流电压和交流电流信号的大小，并参考实际标准定义，周期性变化的电压、电流信号的有效值如下： 1T2i （t）dt电流有效值：I =u （t）dt电压有效值：U =（3-4）（3-5）其中，i（t）、u（t）分别为交流电流和交流电压的瞬时值，T 为信号的周期。3.2.2 傅里叶变换测量法该方法通常在每个交流电周期采样 N（为了计算 FFT8方便，通常选取N=2M）点，对这点 N 进行 FFT 运算，利用 FFT 的运算结果计算各种参量，具体的表达式如下：N2N/2 ai（i） + bi（i）-122i=1I =（3-/2 au（i） + bu（i）6）U =（3-7）N /2-1