基于ADS1202單數(shù)據(jù)鏈路的變流器電氣量檢測

蔡宗舉，徐榮，楊 森，張宏偉

基于ADS1202單數(shù)據(jù)鏈路的變流器電氣量檢測

蔡宗舉1，徐榮2，楊 森1，張宏偉1

（1．中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 10094；2 江蘇大全凱帆電器股份有限公司，南京 211100）

針對多相大功率變流器需要采集并處理的溫度、電流及電壓等電氣量數(shù)量多、空間分布分散的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種基于ADS1202的單數(shù)據(jù)鏈路的電氣量檢測方法。采用曼徹斯特碼完成單數(shù)據(jù)鏈路信號傳輸，通過FPGA編程實(shí)現(xiàn)曼徹斯特碼自同步解碼，并使用Sink3數(shù)字濾波器對電氣量進(jìn)行處理。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了信號調(diào)理、轉(zhuǎn)換和后處理的有效性和可靠性，并實(shí)際應(yīng)用于多相大功率變流器裝置中電氣量的分布檢測。

多相變流器 電氣量檢測 曼徹斯特碼 Sink3濾波器

0 引言

隨著電力電子技術(shù)及其控制技術(shù)的發(fā)展，大功率變流器逐漸取代了傳統(tǒng)機(jī)械和燃?xì)鈩?dòng)力及其相關(guān)的能量變換裝置，成為電力傳動(dòng)和輸配電領(lǐng)域的主要技術(shù)路線[1]。限于絕緣和散熱需求以及電力器件固有的物理尺寸等因素，大功率變流器體積通常較大，使得變流器電氣狀態(tài)（電壓、電流、溫度等）表現(xiàn)出強(qiáng)烈的空間分散性。加之，變流器內(nèi)部功率開關(guān)器件及電磁元件產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾等環(huán)境，使得傳感器輸出弱電信號的可靠傳輸和精確檢測受到嚴(yán)重威脅。常規(guī)的模擬傳輸和檢測方法，即將各檢測模擬小信號通過硬線連接到集中控制板上進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以供控制算法使用。然而，較長的傳輸線和強(qiáng)干擾環(huán)境勢必導(dǎo)致檢測信號受干擾、檢測誤差大，影響系統(tǒng)的反饋控制性能，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

因此，在實(shí)際大功率變流器應(yīng)用中，通常采用電氣量就近檢測、轉(zhuǎn)換，并采用光纖信號進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)路線[3]。

文獻(xiàn)[4]針對并聯(lián)型有源電力濾波器快速變化的電流，研究了一種帶預(yù)測功能的電流檢測方法，在多變量檢測中，算法的處理將增加控制系統(tǒng)的任務(wù)量。文獻(xiàn)[5]分析了D-S調(diào)節(jié)器ADS1202的基本原理和其在電量檢測上的應(yīng)用，為變流器電氣檢測提供了參考。文獻(xiàn)[6]針對磁滯電流控制，采用一個(gè)檢測MOSFET和比較器實(shí)現(xiàn)極限電流的檢測，較小的檢測范圍和較低的精度降低了其實(shí)用性。文獻(xiàn)[7]利用統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器解決了多重電壓、電流質(zhì)量問題的特性及需求，推導(dǎo)出電壓電流檢測的方法。同樣，此種方法依然依賴于控制器的運(yùn)算才能實(shí)現(xiàn)檢測。另外，針對檢測數(shù)據(jù)的光纖傳輸，常規(guī)的同步串行數(shù)據(jù)傳輸、CAN數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃枰辽?根光纖數(shù)據(jù)鏈路，這在電氣檢測量較多時(shí)，將極大的增加控制器的IO接口、連線復(fù)雜度和系統(tǒng)成本。為此，可以借鑒通信領(lǐng)域的編碼技術(shù)，將檢測數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后再傳輸，實(shí)現(xiàn)少數(shù)據(jù)鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。文獻(xiàn)[8][9]采用曼徹斯特碼作為傳輸數(shù)據(jù)媒介，數(shù)據(jù)單向傳輸僅需1根數(shù)據(jù)線，通過FPGA簡單編程即可實(shí)現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換接收。曼徹斯特碼特有的自同步編解碼具有很強(qiáng)的抗干擾特性，特別適合大功率變流器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸通信應(yīng)用[10]。

本文針對大功率變流器分布電氣量精確檢測和可靠傳輸?shù)膽?yīng)用需求，基于D-S調(diào)節(jié)器ADS1202設(shè)計(jì)了電壓電流等模擬電氣量的檢測和轉(zhuǎn)換、單數(shù)據(jù)鏈路傳輸方案。

1 大功率變流器電氣量檢測、轉(zhuǎn)換和處理

1.1 D-S調(diào)節(jié)器ADS1202簡介

D-S調(diào)節(jié)器ADS1202芯片是專為電機(jī)控制及電氣量檢測、轉(zhuǎn)換而設(shè)計(jì)的，主要用于DC 39 kHz的中高分辨率的AD轉(zhuǎn)換。采用單5 V供電方式，能靈活地集成在控制板中。差分模擬輸入能方便地和轉(zhuǎn)換器或小信號相連。設(shè)計(jì)合適的數(shù)字濾波器參數(shù)和轉(zhuǎn)換速率，可實(shí)現(xiàn)高信噪比（85 dB以上）條件下，高達(dá)16bit分辨率的AD轉(zhuǎn)換，完全滿足大功率變流器的電氣量檢測應(yīng)用。其基本原理是，基于過采樣方式，將模擬信號轉(zhuǎn)化為串行“0”和“1”數(shù)據(jù)流，單位時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)流的平均值和模擬輸入量呈高度的線性關(guān)系。

基于內(nèi)部10 MHz高頻調(diào)制器，ADS1202將量化噪聲調(diào)制到高頻段，并在接收端采用數(shù)字低通濾波器濾除高頻噪聲，以提高低頻有效信號的信噪比。同時(shí)，還能通過低通濾波器將高速單路串行數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為低速的并行數(shù)據(jù)字。數(shù)字處理器DSP或FPGA均可容易地實(shí)現(xiàn)數(shù)字低通濾波器的功能。

在后端串行數(shù)據(jù)處理中，通過設(shè)計(jì)合適的過采樣率和低通濾波器，可實(shí)現(xiàn)不同的采樣速率和采樣精度，滿足實(shí)際應(yīng)用需要。

在轉(zhuǎn)換輸出模式上，可配置2種輸出模式：同步時(shí)鐘+數(shù)據(jù)輸出模式和曼徹斯特碼輸出模式。其中，同步輸出模式包含兩條數(shù)據(jù)鏈路；曼徹斯特碼輸出模式僅由1條數(shù)據(jù)鏈路。調(diào)制器通過將時(shí)鐘信息調(diào)制在串行數(shù)據(jù)流中，接收端通過從串行數(shù)據(jù)流中同步解碼出同步時(shí)鐘，以降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布_銷。

1.2 模擬小信號檢測和調(diào)理

在大功率變流器中，電氣檢測量基本包括電壓、電流、溫度、濕度等。為減小電磁干擾，傳感器檢測輸出基本都是模擬電流信號。為方便進(jìn)行信號調(diào)理、采樣和量化，通常將模擬電流信號經(jīng)高精度檢測電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號。所獲得的原始電壓信號經(jīng)信號調(diào)理，實(shí)現(xiàn)幅值縮放和干擾濾波，以供AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，也即ADS1202將調(diào)理后的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字“0”和“1”的串行數(shù)據(jù)流。為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電磁干擾下的可靠數(shù)據(jù)傳輸，AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)流經(jīng)電/光轉(zhuǎn)換，進(jìn)行光信號傳輸，并在控制器端進(jìn)行光/電轉(zhuǎn)換。控制器將接收到的串行數(shù)據(jù)流經(jīng)數(shù)字濾波，濾除高頻噪聲，并還原成并行數(shù)據(jù)字。整個(gè)基于單數(shù)據(jù)鏈路的電氣量檢測原理如圖1 所示。其中，模擬信號調(diào)理及數(shù)據(jù)解碼和濾波是本檢測方法的重要內(nèi)容。

信號調(diào)理的原理如圖2所示，其主要目標(biāo)是：調(diào)理信號幅值，使其滿足AD轉(zhuǎn)換輸入需求；對模擬信號進(jìn)行濾波，以濾除噪聲和干擾，提高信號的信噪比。

圖1 電氣模擬量檢測示意圖

圖2中，輸入信號in1首先經(jīng)過由運(yùn)放OP1組成的跟隨環(huán)節(jié)，以消除信號調(diào)理環(huán)節(jié)的低輸入阻抗對原始信號檢測的影響，其滿足的電氣關(guān)系為：

運(yùn)放OP2在實(shí)現(xiàn)輸入信號in2的幅值調(diào)節(jié)的同時(shí)，采用1和4組成的低通濾波器，對信號中的高頻噪聲進(jìn)行濾波，相應(yīng)的信號幅值比例和濾波截止頻率為：

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