一種針對伺服調速系統輸出電參量的有效值測量方法

紀海燕， 徐余法， 鐘后鴻

(1.上海電機學院 電氣學院， 上海 201306；2.上海電氣電站設備有限公司發電機廠， 上海 200240)

在科學生產和實踐研究中，會遇到大量的非正弦波，傳統測量儀表采用的是平均值轉換法對其進行測量，然而，此種方法僅僅適用于波形為工頻的正弦波。在調速節能伺服等領域，由于交流輸出廣泛采用脈寬調制技術，從而使得電壓、電流中包含大量高次諧波，波形發生嚴重畸變，交流電壓和電流的有效值是描述電機電功率和控制電動機正常運行的重要參數。因此，有效值大小的計算精確度在信號分析過程中顯得尤為重要[1-4]。

交流信號有效值測量的方法主要有熱耦式、電子式RMS/DC運算測量法和數字采樣法等，前兩種方法通過將交流信號有效值轉化成為直流信號進行測量，其弊端是不能對一個周期內信號的有效值進行實時測量[5];數字采樣法是基于信號有效值的定義，通過均方根法最終實現有效值的計算[6-7]。

文獻[6]中利用電壓和電流采樣值直接進行小波變換,從而實現對電壓和電流有效值的測量；文獻[8]中提出了一種新的交流信號真有效值數字測量方法，提供了一種新的真有效值測量手段；文獻[9]中采用熱等效法和公式計算法搭建測量電路,對不同頻率正弦波有效值進行測量，分析比較了兩種方法的測量精度和頻率響應；文獻[10]中利用目前常用的軟件定時同步采樣技術,提出了測量交流信號真有效值的兩種實用改進方法；文獻[11]中介紹了一種交流電壓真有效值測量電路；文獻[12]中提出了非正弦交流電信號的采樣測量方法，并分析了同步誤差的兩個主要來源；文獻[13]中在正弦交流電的前提下,提出了一種可顯著提高交流電有效值測量精度的改進方法。現有成果實現了非正弦交流電信號的測量以及正弦交流信號有效值的測量，但并未涉及到非正弦交流電信號有效值的測量。本文提出了一種針對伺服調速系統的非正弦交流變頻信號的有效值計算方法，實現了對非正弦交流波有效值的計算。

1 算法理論

(1)

式中:f(t)為采樣正弦信號;T為采樣周期。

由于工頻不穩定、采樣間隔總是時鐘周期的整數倍等原因，使得實現同步采樣較困難。雖然增加測量的周期數可以減少同步誤差,但又會降低測量的響應速度[12-15]。交流信號有效值計算公式為

(2)

式中:x1，x2,…,xn為采樣信號采樣時刻的瞬時值，系統的采樣周期為0.1 μs;N為采樣點的個數，N=T/0.1 μs。

本系統在頻率實時變化的情況下,采用數字離散同步采樣法對不規則變頻交流信號進行離散采樣；同時將5次及以上諧波濾除，得到一系列離散信號瞬時值，將瞬時值存入到數字寄存器，通過式(2)得出有效值；最后通過示波器采集數據與系統電路顯示值進行對比分析，最終得出結論。

2 非正弦波有效值測量控制系統

本算法通過借助無刷直流電動機雙閉環控制系統進行驗證，無刷直流電動機在實際運行時輸出的電壓與電流的波形是典型的非正弦波，而電動機在運行時，隨著電動機轉速的改變，電動機的頻率也會隨之變化，參考公式n=60f/p，控制系統如圖1所示。

圖1控制系統框圖

通過CAP口檢測到電動機的霍爾脈沖信號，位置傳感器得到無刷直流電動機的位置信號機械角度，計算到當前的實際轉速，并將實際的轉速作為負反饋與給定轉速做差，再將差值信號送入PI調節器，得到給定電流信號。同樣，通過電流霍爾傳感器對無刷直流電動機的驅動電流進行采樣，與給定電流做差，再經過PI調節器調節，輸出占空比，以對應不同的電壓值，最終形成脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation,PWM)信號，驅動逆變電路。最后,通過逆變電路的電壓信號驅動無刷直流電動機運行，系統用ADC模塊采集電動機的電流、電壓，將數據輸入到CPU，再經過有效值計算,通過液晶屏顯示出來。

圖2所示為控制系統程序流程圖，主要是在AD中斷程序中進行，AD中斷程序一方面對電動機進行調速控制，在調速控制時對硬件電路進行過流保護;另一方面，有效值的計算與顯示也在AD中斷進行。

圖2 AD模塊程序流程圖

3 實驗驗證

本文采用實驗方法來驗證所提算法的可行性，采用TI公司生產的TMS320F2812為主控制芯片，處理采集到的數據和發送控制命令，包括EVA和EMB等特定的外圍設備，用于實現機電設備控制的多種必要功能[16]。電動機驅動框圖如圖3所示。

圖3電機驅動框圖

電動機驅動電路主要包括DSP 2812芯片PWM模塊、光耦隔離電路和IPM驅動芯片3部分。數字信號控制芯片DSP 2812的 PWM模塊輸出q1，q2，q3，q4，q5，q66路PWM控制信號。其中:q1，q2為一組；q3，q4為一組；q5，q6為一組。3組信號經光耦隔離電路處理后，IPM驅動芯片，從而實現對電動機的控制。本設計采用電流傳感器檢測法，首先,電流傳感器串入電動機母線回路，將電流值轉換成電壓值輸出;其次,輸出的電壓值經過后續電路處理，送入DSP的采樣口，以供芯片讀取，實現模擬量的數字化。電壓采集則使用電阻分壓法，再通過運算放大器進行放大，最終通過顯示器顯示。

實驗樣機所涉及的參數如表1所示。實驗借助實驗室無刷直流電動機與測功機平臺進行驗證，電動機轉速為300 r/min，給定電壓為110 V，實驗數據如圖4所示。

表1 樣機參數

圖4 300 r/min電流

此時，通過示波器對電動機電壓的輸出端進行測量，示波器探頭的衰減比為10，示波器的電壓波形如圖5所示。

圖5 示波器電壓波形

示波器顯示的為該非正弦波的瞬時值波形，根據公式法得出有效值為112 V，而顯示電路的值為108 V，是通過電阻分壓后由硬件采樣計算所得的值，即該非正弦波的有效值。萬用表所測得的數值為36.6 V，該值是正弦波的平均值。由實驗數據可知：萬用表與示波器所示數值為正弦波與非正弦波的對比，正弦波約為非正弦波的1/3；而通過示波器所示波形由公式法所得的有效值與通過硬件采樣計算所得值相比僅相差4 V。考慮電路板的諧波干擾及示波器探頭間的干擾等誤差干擾原因，可以說明算法的準確性。

4 結 語

本文從有效值的定義出發，采用TMS320 F2812對電動機輸入的非正弦交流信號進行同步采樣和有效值計算，提出了一種針對變頻非正弦波波形測量有效值的算法，并通過實驗的方式對此算法進行了驗證，通過示波器采集的數據與控制系統顯示電路的顯示值進行對比，在誤差允許的范圍內驗證了算法的可行性,保證了一定程度的精確度，實現了真正意義上的實時測量。

[1] 夏永洪,黃劭剛. 勵磁電流脈動對電樞繞組空載電壓波形的影響[J]. 電機與控制學報,2012,16(9):21-25.

[2] 王愛元. 一種用變頻調速裝置的電參量有效值測量算法[J]. 電機與控制應用,2013,40(5):49-52.

[3] 李立,黃松柏,汪洪亮. 基于電壓/電流控制模式的組合式三相逆變器[J]. 電機與控制學報,2011,15(2):63-70.

[4] 王東,吳新振,郭云珺,等. 非正弦供電十五相感應電機諧波電壓確定[J]. 中國電機工程學報,2012,32(24):126-133,20.

[5] 陳志輝,姜長生,嚴仰光. 數字電壓調節器三相電壓數字測量方法的研究[J]. 電工技術學報,2002,17(2):96-100.

[6] 沈國峰,王祁,王華. 利用小波變換進行有效值測量的研究[J]. 電測與儀表,2003,40(6):9-11.

[7] 龐吉耀. 一種獲得交流信號真有效值方法[J]. 現代電子技術,2015,444(13):53-55.

[8] 徐墾.交流信號真有效值數字測量方法[J].華中科技大學學報(自然科學版),2006,34(2):51-54.

[9] 王堯君,劉沖,蔣慧. 兩種測量電壓有效值方法的比較[J].中國測試,2013,39(3):27-30.

[10] 孫俊香. 提高交流信號真有效值測量精度的改進方法[J].電測與儀表,2011,48(11):20-23.

[11] 史延齡,鄒來智,閆志強. 交流電壓真有效值的測量[J]. 電氣應用,2003(5):34-35,38.

[12] 李華曦,李敏遠. 非正弦波交流電參量實時測量系統的研究[J]. 電測與儀表,2007,44(3):13-16,21.

[13] 李大斌,譚薇,程榮貴. 采樣法測量有效值的一種改進方法[J]. 現代電子技術,2006,29(2):134-135,138.

[14] 廖曉東. 基于CS5460A的非正弦波電參量的測量儀表設計與實現[J]. 福建師范大學學報(自然科學版),2005,21(2):39-42.

[15] 祝敏. 基于霍爾傳感器電參量測量系統的設計[J]. 現代電子技術,2009,32(8):142-144.

[16] 段麗娜,趙金. 基于DSP的無刷直流電機控制系統的研究[J]. 微電機,2014,47(3):60-63,68.