基于ADS1202單數據鏈路的變流器電氣量檢測

蔡宗舉，徐榮，楊 森，張宏偉

基于ADS1202單數據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．中國船舶工業系統工程研究院，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量多、空間分布分散的特點，本文設計了一種基于ADS1202的單數據鏈路的電氣量檢測方法。采用曼徹斯特碼完成單數據鏈路信號傳輸，通過FPGA編程實現曼徹斯特碼自同步解碼，并使用Sink3數字濾波器對電氣量進行處理。實驗驗證了信號調理、轉換和后處理的有效性和可靠性，并實際應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

隨著電力電子技術及其控制技術的發展，大功率變流器逐漸取代了傳統機械和燃氣動力及其相關的能量變換裝置，成為電力傳動和輸配電領域的主要技術路線[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（電壓、電流、溫度等）表現出強烈的空間分散性。加之，變流器內部功率開關器件及電磁元件產生的強電磁干擾等環境，使得傳感器輸出弱電信號的可靠傳輸和精確檢測受到嚴重威脅。常規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行模數轉換，以供控制算法使用。然而，較長的傳輸線和強干擾環境勢必導致檢測信號受干擾、檢測誤差大，影響系統的反饋控制性能，甚至導致系統不穩定運行[2]。

因此，在實際大功率變流器應用中，通常采用電氣量就近檢測、轉換，并采用光纖信號進行傳輸的技術路線[3]。

文獻[4]針對并聯型有源電力濾波器快速變化的電流，研究了一種帶預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的任務量。文獻[5]分析了D-S調節器ADS1202的基本原理和其在電量檢測上的應用，為變流器電氣檢測提供了參考。文獻[6]針對磁滯電流控制，采用一個檢測MOSFET和比較器實現極限電流的檢測，較小的檢測范圍和較低的精度降低了其實用性。文獻[7]利用統一電能質量控制器解決了多重電壓、電流質量問題的特性及需求，推導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算才能實現檢測。另外，針對檢測數據的光纖傳輸，常規的同步串行數據傳輸、CAN數據傳輸等需要至少2根光纖數據鏈路，這在電氣檢測量較多時，將極大的增加控制器的IO接口、連線復雜度和系統成本。為此，可以借鑒通信領域的編碼技術，將檢測數據經過編碼后再傳輸，實現少數據鏈路的數據傳輸。文獻[8][9]采用曼徹斯特碼作為傳輸數據媒介，數據單向傳輸僅需1根數據線，通過FPGA簡單編程即可實現檢測數據的轉換接收。曼徹斯特碼特有的自同步編解碼具有很強的抗干擾特性，特別適合大功率變流器系統的數據傳輸通信應用[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的應用需求，基于D-S調節器ADS1202設計了電壓電流等模擬電氣量的檢測和轉換、單數據鏈路傳輸方案。

1 大功率變流器電氣量檢測、轉換和處理

1.1 D-S調節器ADS1202簡介

D-S調節器ADS1202芯片是專為電機控制及電氣量檢測、轉換而設計的，主要用于DC 39 kHz的中高分辨率的AD轉換。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換器或小信號相連。設計合適的數字濾波器參數和轉換速率，可實現高信噪比（85 dB以上）條件下，高達16bit分辨率的AD轉換，完全滿足大功率變流器的電氣量檢測應用。其基本原理是，基于過采樣方式，將模擬信號轉化為串行“0”和“1”數據流，單位時間內數據流的平均值和模擬輸入量呈高度的線性關系。

基于內部10 MHz高頻調制器，ADS1202將量化噪聲調制到高頻段，并在接收端采用數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，還能通過低通濾波器將高速單路串行數據流轉換為低速的并行數據字。數字處理器DSP或FPGA均可容易地實現數字低通濾波器的功能。

在后端串行數據處理中，通過設計合適的過采樣率和低通濾波器，可實現不同的采樣速率和采樣精度，滿足實際應用需要。

在轉換輸出模式上，可配置2種輸出模式：同步時鐘+數據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據鏈路；曼徹斯特碼輸出模式僅由1條數據鏈路。調制器通過將時鐘信息調制在串行數據流中，接收端通過從串行數據流中同步解碼出同步時鐘，以降低數據傳輸的硬件開銷。

1.2 模擬小信號檢測和調理

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。為方便進行信號調理、采樣和量化，通常將模擬電流信號經高精度檢測電阻轉換成電壓信號。所獲得的原始電壓信號經信號調理，實現幅值縮放和干擾濾波，以供AD轉換器進行模數轉換，也即ADS1202將調理后的模擬電壓信號轉換成數字“0”和“1”的串行數據流。為實現強電磁干擾下的可靠數據傳輸，AD轉換數據流經電/光轉換，進行光信號傳輸，并在控制器端進行光/電轉換。控制器將接收到的串行數據流經數字濾波，濾除高頻噪聲，并還原成并行數據字。整個基于單數據鏈路的電氣量檢測原理如圖1 所示。其中，模擬信號調理及數據解碼和濾波是本檢測方法的重要內容。

信號調理的原理如圖2所示，其主要目標是：調理信號幅值，使其滿足AD轉換輸入需求；對模擬信號進行濾波，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首先經過由運放OP1組成的跟隨環節，以消除信號調理環節的低輸入阻抗對原始信號檢測的影響，其滿足的電氣關系為：

運放OP2在實現輸入信號in2的幅值調節的同時，采用1和4組成的低通濾波器，對信號中的高頻噪聲進行濾波，相應的信號幅值比例和濾波截止頻率為：

(2)