（电力电子与电力传动专业论文）基于虚拟仪器的变频器测试系统的研究.pdf

a b s t r a c t c o n s i d e r i n g t h ep r o b l e m si nt h et e s to ft h ef r e q u e n c yc o n v e r t e r s ，i nt h i st h e s i s ，at e s t i n gs y s t e m b a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n t si sd e s i g n e d i ti n c l u d e st h ep e r i p h e r a lc i r c u i t sa n dt h es o f t w a r e ， w h i c ha r ec o n n e c t e db yad a q ( d a t aa c q u i s i t i o n ) c a r d a tt h eb e g i n n i n go ft h et h e s i s ，t h ep r o b l e m sr e m a i n i n gi nt h et e s to f t h e 丘e q u e n c yc o n v e r t e r si s f i r s ti n t r o d u c e d w h i c hi sf o l l o w e db yt h ed e v e l o p m e n to ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t s t h ef u n c t i o na n d d e s i g no ft h ed a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i ti st h e nd i s c u s s e dd e t a i l e d l y , w h i c hi n c l u d e st h ed e t e c t i o no ft h e p a r a m e t e r ss u c ha st h ev o l t a g e sa n dc u r r e n t s t h ed e s i g n e do ft h el o w - p a s sf i l t e ra n dt h ea d c o n v e r s i o n b e s i d e st h er o t a t es p e e do ft h em o t o rd r i v e db yt h ef r e q u e n c yc o n v e r t e ri sa l s od e t e c t e d a n das i n g l ec h i pi su s e dt oc a l c u l a t et h ev a l u eo ft h es p e e d t h ed a t ar e c e i v e di sf i n a l l yt r a n s f e r r e d t ot h ec o m p u t e rt h r o u g ht h ed a qc a r d t h ed ac o n v e r s i o nc i r c u i tu s e dt o t e s tt h ep r o t e c t i o n p e r f o r m a n c e sa r ea l s od i s c u s s e di nt h et h e s i s t h ec o r r e c tc o n t r o li s n e c e s s a r yf o rt h en o r m a lo p e r a t i o no ft h ep e r i p h e r a lc i r c u i t s a n d t h e r e f o r et h e i rd r i v i n gp r o g r a m sa r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l yb a s e do nt h ed a qc a r dp c i 一17 51a n di t s d r i v e r t h es o f t w a r ei sq u i t ei m p o r t a n tt ot h ev i r t u a li n s t r u r n e n t s a n di tc o n t a i n st h em o s ti m p o r t a n t f u n c t i o n s ，功ec a l c u l a t i n gm e t h o do fe a c hp a r a m e t e ri sp r e s e n t e d f f ti su s e dt oa n a l y z et h e h a r m o n i cc o m p o n e n t sa n di t st h e o r ya n df l o w c h a r ta r ei n t r o d u c e d f i n a l l yt h eg e n e r a ls t r u c t u r eo f t h ep r o g r a mi si n t r o d u c e d ，a n dt h er e a l i z a t i o no ft w op a r t so ft h ep r o g r a mi se m p h a s i z e d ：t h eb a s i c p e r f o r m a n c e sd e t e c t i o na n dt h ep r o t e c t i o np e r f o r m a n c e sd e t e c t i o n k e yw o r d s ：f r e q u e n c yc o n v e r t e r ；v i r t u a li n s t r u m e n t ；t e s t i n gs y s t e m ；d a t aa c q u i s i t i o n ；h a r m o n i c a n a l y s i s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：噻边鑫日 期：趟。生1 2 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 日 第一章绪论 1 1 交流变频调速系统 第一章绪论 交流变频器是把工频电源变换成各种频率的交流电源以实现电机调速的设备，它是随着电力电子技术 的发展而产生和发展的。 由于直流传动具有良好的调速和启动性能，传统上调速传动采用的都是直流电动机，随着电力电子器 件和电力电子技术的发展，变频调速系统在调速性能方面可以与直流电力拖动媲美，因而获得了越来越广 泛的应用，特别在石化、冶金、汽车、造纸、热点、食品、纺织、包装等领域1 1 。 1 1 1 交流变频调速系统的特点【2 】 与传统的交流调速系统相比，交流变频调速系统具有以下优异特性： ( 1 ) 调速时平滑性好，效率高。低速时，特性静关率较高，相对稳定性好。 ( 2 ) 调速范围较人，精度高。 ( 3 ) 起动电流低，对系统及电网无冲击，节电效果明显。 ( 4 ) 变频器体积小，便于安装、调试、维修简便。 ( 5 ) 易于实现过程自动化。 1 1 2 交流变频调速系统的应用3 】 目前交流变频调速系统已经在各行业得到了广泛的应用，其应用领域主要有下述三个方面： 1 仃能调速 节能调速目前普遍使用在控制精度不高、动态性能要求低的平方率负载上，如风机和水泵。风机和水 泵的机械容量几乎占工业电气传动总容量的一半，使川交流调速系统，每台风机、水泵可以节省2 0 3 0 的电能。而且风机、水泵对调速范罔和动态性能的要求都不高，只要有一般的调速性能就足够了。 2 高性能的交流调速系统和伺服系统 由于交流电动机的电磁转矩难以像直流电动机那样通过电枢电流进行灵活的控制，交流调速系统的控 制性能在一段时期内还赶不上直流调速系统。直至l j 2 0 世纪7 0 年代初发明了矢量控制技术，通过坐标变换， 把交流电动机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，用来分别控制电动机的转矩和磁通，可以获得和直 流电动机相仿的高动态性能，使得交流电动机的调速技术取得了突破性的进展。其后，义陆续提出了直接 转矩控制、解耦控制等方法，形成了一系列可以和直流调速系统媲美的高性能交流调速系统和交流伺服系 统。 3 特人容量、极高转速的交流调速 直流电动机的换向能力限制了它的容量转速积不超过1 0 6 k w r m i n ，否则其设计与制造就非常困难了。 交流电动机没有换向问题，没有这种限制，因此特大容量的电力拖动设备，如厚板轧机、矿井卷扬机等， 以及极高转速的拖动，如高速磨头、离心机等，都以采用交流调速为宜。 东南大学硕士学位论文 1 2 传统变频器测试 1 2 1 变频器测试内容 变频器测试的内容主要包括功能测试、基本性能测试和保护功能测试三部分，具体检测内容如下： ( 1 ) 功能测试：开关电源起振电压、继电器吸合电压、启动、停止、反转、紧急停车、自由停车、外接 模拟电压、外接模拟电流、瞬时停止再启动、点动运行测试、多段速运行测试、模拟输出、故障继电器输 出、制动功能、风扇运行和方向； ( 2 ) 基本性能测试：输出电压平衡度、输出电压、输出电流、输出频率、功率因数、输入功率及效率； ( 3 ) 保护性能测试：过压保护、欠压保护、过流保护、过载保护、短路保护。 其中功能测试主要对于变频器本身的功能是否正常，而基本性能测试和保护性能测试则要关心相关的 数据，而这些数据义是反映变频器性能的重要指标，因而也是测试的重点。 1 2 2 传统变频器测试存在的问题【l 】 传统的变频器性能测试，是利用电压表、电流表、功率表等仪表，采取人工进行接线进行测量、读数、 记录等操作米进行的，这样存在以f 缺陷： 第一，因每个仪表完成的测试任务单一，故所需仪表较多，仪表的购置、维修等费用较高。变频器的 性能测试涉及很多性能参数，其中像功率、效率等参数的测量需要使用多种仪表。而且仪表必须满足测量 精度的要求才能得到较好的测试结果，这就需要仪表有较高的测量精度，从而使测量设备的成本较高。同 时，仪表工作一段时间，后可能会有故障，维修或更换也需要一定的费用。 第二，人丁进行操作，测试速度慢，测试效率低。测试变频器需要较多的接线，人工接线费时费力， 而且换接不方便；不仅如此，读表和记录也比较费时，而且往往要两个人配合完成，这样既浪费时间又浪 费人力。此外，变频器的输出往往有上百伏，手动检测存在一定的危险性。 第三，由。丁：人t 和仪表都会对测鼍结果带来偶然误差，测量的准确性很难保证，很容易山现读数错误 或记录错误等误差现象。仪表的错误也会出现测量结果的不准确。 所以传统的变频器测量方法存在成本高、效率低、误差大等缺点，必然需要一种新的测量方法将其取 代。 1 3 基于虚拟仪器的变频器测试系统 1 3 1 虚拟仪器的概念和发展 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，测试技术与计算机技术的融合正引起测试领域一场新的革 命，山现一种全新的仪器结构概念虚拟仪器。所谓虚拟仪器是在以计算机为核心的硬件平台上，由用 户设计定义、具有虚拟仪器面板、测试功能有测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的基本思想 就是充分利用计算机强人的运算能力，用软件实现数据的运算、分析和处理，将原先由传统仪器完成的各 种功能由软件整合为一个整体。数据的采集、测量与调理则由i 0 设备米完成。图卜l 为虚拟仪器的构成 方式1 4 1 。 2 第一章绪论 。id rn ani 7 ir 乙一u vr 、 被 ，ig p i b 仪器l 。 测 计 信 串口仪器 算 口机 丐 ，iv 仪器l d y t f 口巽i t 1 接口设备 ；一一一一一一j 图1 1 虚拟仪器的构成方式 虚拟仪器的发展最早是由美国国家仪器公司在年提山的，但其雏形可以 追溯到1 年由美国i h i 北仪器系统公司推出的为基础的数字存储示波器。这种仪器与个人计算机 的概念像适应，当时被成为个人仪器 。个人仪器的设计思想代表了仪器技术与计算 机技术相结合的发展趋势，但是当时限于计算机软件发展水平，编写个人仪器的驱动程序和人机交互界面 是一项专门的技术j r 作，须由专业厂商才能完成，这种状况使得个人仪器的推广与应用没有形成工业标准。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，微软公司的操作系统的出现，使得计算机操作系统的图形支持功能 得到很大的提高，计算机可视化编科语言也得剑了很大的发展，像 c + + 、 ，还有n i 公 司的图形化编程语言，这使得虚拟仪器从概念构思变为 ：程师可实现的具体对象【5 j 。 1 3 2 基于虚拟仪器的变频器测试 虚拟仪器技术应用于变频器的测试是对传统的变频器测量方法的一种改革与创新，针对原测试系统的 缺点逐一进行了改进，并实现了全自动测量与控制。它有如下几个特点： 1 将需要测量的交直流电压、电流测颦信号通过基于数据采集卡的数据采集模块集中来完成，功率、 效率等参鼍通过电压、电流的检测结果通过计算来得到。数据采集卡的高采样率保证了检测结果的准确性。 此外，系统还具有频率测龉、频谱分析等多种控制功能，不必再人工组装众多的单一功能的硬件仪器，就 能方便的完成变频器的一系列测试。 2 具有强人的图形交互功能，用户可以方便的读数察看波形来直观的了解变频器的性能，同时也为 变频器设计过程中参数的奄! 定提供依据。 3 采刖虚拟仪器的思想，用软件来完成一系列的硬件测试仪器的功能，这不仅节约了设备的购买和 维修成本，而且在测试过程实现了完全的自动化，测试速度快、效率高，同时也避免了人工参与带来的不 便和人为误差，节省了人力资源。 由上述可知与传统的一对一独立测晕仪器相比，虚拟仪器具有无可比拟的优越性。随着计算机技术的 飞速发展和个人电脑平台运算能力的迅速提升，虚拟仪器也将具有更加强人的功能和性能，并最终取代传 统的硬件仪器成为主流的测试仪器。 1 设计目的和内容安捧 本论文旨在将虚拟仪器的概念运用到变频器的测试中去，设计一个有别于传统变频器测试的综合测试 系统，数据的采集、调理和转换由外围硬件电路配合数据采集卡 来进行，诸多传统测试仪器的功 3 东南大学硕士学位论文 能由软件程序来完成，数据采集卡p c i 一1 7 5 1 将计算机上编制的软4 i ：程序和相应的硬件电路整合为一个完整 的系统，完成变频器基本性能测试和保护性能测试两大功能。本系统软件程序的编制采用v i s u a lc + + 6 0 编 程语言来完成。该系统与南京杰率公司设计的6 0 k w 的牵引变频器相配套，对变频器的研制和性能测试起 到辅助作用。 本论文主要包括一下几个方面的内容： 第一章，简单介绍了变频器的特点和应用、传统变频器测试的问题、虚拟仪器的概念和基于虚拟仪器 的变频器测试的优点，并对文章的内容进行了安排。 第二章，详细阐述了数据采集模块硬件电路的设计，包括电压、电流的测量、转换和电机转速的检测。 第三章，详细阐述了变频器保护性能测试外围硬件电路设计。 第四章，简要介绍了数据采集卡p c i 1 7 5 l ，并详细阐述了外围电路驱动程序的设计。 第五章，详细阐述了计算机机程序的设计，包括变频器基本性能检测和保护性能检测两部分。 第六章，对所设计的系统进行总结，并提出了设计中存在的不足，对今后的工作进行了展望。 4 第二章数据采集模块的硬件设计 第二章数据采集模块的硬件设计 传统变频器测试中，对不同的参量要选用不同的测量仪器，这样就使得整个测试过程非常的不方便， 虚拟仪器的思想就是将所需要测量的参量集中用一个数据采集模块来完成，该模块具有信号检测、信号调 理和a d 转换等功能，为后续的软件处理提供连续的数据。其硬件结构框图如图2 一l 所示。 控制 2 1 需要测量的参量 控制 图2 1 数据采集模块结构框图 本系统需要测量的基本参量主要包括以下几个部分： c 1 ) 输入母线电压u ，输入母线电流； ( 2 ) 输出线电压( 三相) ：、睨； ( 3 ) 输出电流( 三相) ：l 、厶、厶； ( 4 ) 电机转速甩。 因为与本测试系统相配套的变频器主要应用在工矿上，其输入为直流电压，所以输入电压即为母线电 压，输入电流即为母线电流。 通过测鼍以上基本参量，再经过处理和运算得到变频器性能参量，包括输入功率、输出功率、效率、 各次谐波有效值、三相不平衡度、总谐波畸变率等。 5 东南人学硕j ：学位论文 2 2 电压、电流的测量 2 2 1 电流检测方法的选择 常见的电流信号的检测主要有以下儿种方法【6 1 ： ( 1 ) 直接串联电阻取样法 这种方法简单、可靠、不失真、速度快，但是有损耗，而且与后续的电路没有隔离，安全性较差，只 适用于小电流的情况。 ( 2 ) 电流互感器法 这种方法损耗小，与主电路隔离，使用灵活、方便、便宜，但是其线性度较低，工作频带窄( 主要用 来测龟：j ：频量) ，而且还有一定的滞后，多用于高电压大电流的场合。 ( 3 ) 霍尔传感器法 霍尔传感器是一种利用霍尔效廊原理的磁敏传感器，它具有精度高、线性好、频带宽、相应快、过载 能力强和不损火测量电路能量等优点，在通h j 变频器中已经成为电流检测的主力。 由于本论文设计的为变频器的测试系统，不仅关心基波分蹙，对各次谐波分母也需要进行准确的测量， 考虑到霍尔电流传感器的一系列优点，故而选用霍尔电流传感器米测量所需的电流最。 2 2 2 电压检测方法的选择 与电流检测类似，电压的检测具有以下儿种方法【6 】： ( 1 ) 电阻分压法 这种方法是用电阻网络将高压进行分压，得到按比例缩小的低电压。此法使用简单，但其精度受外界 环境( 主要是温度) 影响较大且不能实现隔离，只适用于低压系统。 ( 2 ) 电压互感器法 与电流互感器类似，只能用丁检测交流电压，适用于高压系统中。 ( 3 ) 霍尔电压传感器 原理与霍尔电流传感器类似。 ( 4 ) 线性光耦法 霍尔电压传感器具有反应速度快和精度高的优点，但是相对来说霍尔传感器的成本昂贵，而采用高性 能的线性光耦可以降低成本。线性光耦的原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加 改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电 路的非线性特性都是一样的，这样，就可以通过反馈通路的非线性米抵消直通通路的非线性，从而达到实现线 性隔离的目的。 最后根据各种方法的特点，对直流母线电压的测量选用线性光偶法，对变频器输出三相电压的测量采 用霍尔电压传感器。 2 2 3 霍尔传感器的选择 本论文设计的系统与一台6 0 k w ( 2 5 0 v d c ) 的牵引变频器相配套，所以要根据该变频器的参数来设 计电压电流检测电路。该变频器的额定功率为6 0 k w ，输入母线电压为2 5 0 v ( 直流) 。我们需要通过霍尔 传感器测萤的电压、电流参量以及其特点如下： ( 1 ) 输入电流( 直流) ：即为母线电流，输入电流的火小和母线电压以及变频器的功率有关，在保持额 定功率6 0 k w 不变，母线电压为2 5 0 v d c + 4 0 的条件下，母线电流波动的上限为4 0 0 a 。 6 第二章数据采集模块的硬件设计 ( 2 ) 变频器输出电流( 三相交流) ：变频器输出电流的频率根据变频器的运行状态而确定，本文中的变 频器输出电流基波频率范围为0 5 h z 一- , 1 5 0 h z ( p w m ) 。变频器的输出视在功率即为异步电动机的输入视在功 率，对异步电动机而言，且不论其输入电压和电流的相位关系，在转差率一定的情况下，输入电压值越高， 则输入电流值越大，所以说当变频器输出电压值最人时，异步电动机有最大的输入视在功率。 因为输山功率为p = 3 u i c o s o ，如果负载确定，那么功率冈数c o s 0 也是确定的，所以在变频器保持 额定功率不变的情况下，输出电压和输出电流的有效值早反比。 变频器采用s v p w m 控制时，逆变器输出线电压基波最人值为直流侧电压，所以当变频器直流侧电压 为最大值2 5 0 x 1 4 0 = 3 5 0 v 时，输出电压也为最大。由此我们可以计算线电压基波最大值为u l m - 3 5 0 v ，线 电压有效值u i 卑4 7 5 v ，相电压有效值u 、r = 1 4 3 v 。 当母线电压为最小值2 5 0 x 4 0 = 1 5 0 v 时，输出电流最大。此时线电压基波最大值为u l m = 1 5 0 v ，线电 压有效值为u l = 1 0 6 v ，相电压有效值u s = 6 2 v 。由于与本系统相配套的牵引变频器功率比较大，在实际应 用中带的负载也比较大，所以其功率冈数就比较高，在0 9 左右，在此就取c o s 0 = 0 9 。根据p = 3 u i c o s 0 我们可以计算出在额定输出容量下的输出电流，= 3 5 8 a 。所以输出电流的变化上限为3 5 8 a 。 本系统的霍尔传感器选择南京中旭电子科技有限公司的产品，该公司是我国研制、生产和销售霍尔元 器件以及霍尔传感器的主要骨干企业。下面对于电压和电流的测量选择合适型号的霍尔传感器。 1 电流测量 对于母线电流和输出电流的测量，选择h d c 5 0 0 e 系列霍尔电流传感器，其能够在电隔离条件下测鼍 直流、交流、脉冲以及各种不规则波形的电流。其中型号为h d c 5 0 0 e 的霍尔电流传感器的主要参数是额 定测量电流为5 0 0 a ，额定输出电压范围为4 v + 1 。 根据上面计算出的电流变化范嗣上限，对于母线电流和输出电流的测量，该型号的霍尔电流传感器都 能满足测量要求，而且其它性能指标也符合要求。 2 电压测量 对于输出电压的测量，选择h n v - 5 0 0 t 系列霍尔电压传感器，其能够测量直流、交流及各种波形的电 压，同时在电气上是高度绝缘。其中型号为h n v - 5 0 0 t 的霍尔电压传感器的主要参数是额定输入电压为 5 0 0 v ，额定输出电压为4 v 。 测量输山电压只能测量线电压，然后再通过计算得剑三相电压，根据关于输出电压的计算结果，该型 号的霍尔电压传感器满足测量要求，而且其它性能指标也符合要求。 2 2 4 基于霍尔传感器的检测电路 不。 采用霍尔传感器检测的信号包括输入电流、三相输出电流以及三相输出电压。其检测电路如图2 2 所 7 东南火学硕上学位论文 -15y!r 图2 2 霍尔传感器检测电路 其中v 。、v b 、v 。为变频器输出的三相电压；a 相电流、b 相电流、c 相电流为检测到的三相输出电流； 母线电流为测得的母线电流；线电压v 矗、线电压v k 、线电压v 为检测到的三相输出线电压 2 2 - 5 基于线性光耦的母线电压检测电科7 】 市场上的线性光耦有几种可选择的芯片，如a g i l e n t 公司的h c n r 2 0 0 2 0 1 ，t i 子公司t o a s 的 t i l 3 0 0 ，c l a r e 的l o c l l l 等，这里选择h c n r 2 0 0 ，其内部结构框图如图2 3 。 其中1 脚、2 脚作为隔离信号的输入端，3 脚、4 脚用于反馈，5 脚、6 脚用于输出。l 脚、2 脚之间的 电流记作，3 脚、4 脚之间和5 脚、6 脚之间的电流分别记作l 和2 。输入信号经过电压- 电流转化， 电压的变化体现在电流上，。和：基本与厶成线性关 8 第二章数据采集模块的硬件设计 2 3 多f l r b 一oh c oh c t e 阿( 系，线性系数分别记为k 和，即 k 寺黔等 图2 3h c n r 2 0 0 内部结构框图 5 ( 2 1 ) k 与k 一般很小，h c n r 2 0 0 是0 5 0 ，并且随温度变化较大( h c n r 2 0 0 的变化范围在0 2 5 到0 7 5 之间) ，但芯片的设计使得k 和k 2 相等，在合理的外围电路葭计中，真正影响输出输入比值的是二者的 比值坞，线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。 根据h c n r 2 0 0 应用的典型电路，设计母线电压的检测电路如图2 4 所示。 图2 4 母线电压检测电路 该电路中为变频器的母线电压，v m g n d 为母线电压的接地端，形为我们测得的母线电压的信号。 电路中心l 和r 2 为两个分压电阻，其中心2 为l o o k l 2 ，r l 为5 k q 的电位器，通过调节r l 得到 堕：土 心2 7 9 从而可以在心的两端得到一个较小的电压k 。 9 ( 2 2 ) 东南大学硕，i ：学位论文 我们可以通过推导得出该电路的输出电压形和检测电压k 之间的关系为 k = 咯k ( 2 3 ) 由此可以得知在上述电路中，输出和输入成正比，并且比例系数只由墨和局、如确定。为了确保光耦 隔离前后的电压值保持不变，应该取 见13 = = 一= 一 曷q20(2-4) h c n r 2 0 0 器件手册上推荐正常工作时在2 5 m a 左右，由此确定恐= 5 v 2 5 m a = 2 0 0 q 。 2 3 信号调理模块的设计 信号调理模块的功能是对传感器模块得到的检测信号进行必要的调整，使其能够满足a d 转化器采样 的需要。 该模块设计的依据主要有三个方面： 1 )滤除高频分量，保存有用分量，尽量降低f f t 分析时的频谱泄漏； 2 )满足采样定理的需要： 3 )在去除在高频分量的基础上，尽量保持信号不失真。 为此在该模块中主要需要设计一个低通滤波器，滤除高次谐波，保存需要的谐波分量。 2 3 1 低通滤波器的选择 理想的低通滤波器应该能使所有低于截止频率的信号无损通过，而所有高于截1 f = 频率的信号都应该被 无限的衰减，从而在幅频特性曲线上呈现矩形，故而也称为矩形滤波器( b r i c k - w a l lf i l t e r ) 。遗憾的是，如 此理想的特性是无法实现的，所有的设计只不过是力图逼近矩形滤波器的特性而已。根据所选的逼近函数 的不同，可以得到不同的响应，比较常用的滤波器有以下三种1 8 l ： ( 1 ) b u t t e r w o r t h 滤波器 巴特沃斯响应能够最大化滤波器的通带平坦度。 止频率点为3 d b ，最终逼近2 0 n d b d e c a d e 的衰减率， 用，其对于维护增益的平坦性来说非常重要。 ( 2 ) c h e b y s h e v 滤波器 该响应非常平坦，接近d c 信号，然后慢慢衰减至截 n 为滤波器阶数。巴特沃斯滤波器特别适用于低频应 切比雪夫滤波器( 又译车比雪夫滤波器) 是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。在通 带波动的为“i 型切比雪夫滤波器”，在阻带波动的为“i i 型切比雪夫滤波器”。切比雪夫滤波器在过渡带比巴 特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应 曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。 ( 3 ) e l l i p t i c 滤波器 椭恻滤波器的幅值响应在通带和阻带内都是等波纹的，对于给定的阶数和给定的波纹要求，椭圆滤波 器能获得较其它滤波器为窄的过渡带宽，就这点而言，椭圆滤波器是最优的。 图2 5 是四种滤波器的同阶频率响应比较图。 l o 第二章数据采集模块的硬件设计 b u n d 屯n h c h e b y s h e vt y p e2日l i l x i c 图2 5 四种滤波器的同阶频率响应比较 因为本文设计的变频器测试系统关心测量电压和电流的基波与低次谐波的幅值，所以应尽量保证滤波 之后的信号在需要的频带内保持原来的状态。b u t t e r w o r t h 低通滤波器是一全极点型的滤波器，和其他低通 滤波器相比，它具有通态最平幅值逼近特性。 b u r e t w o r t h 低通滤波器的特性完全由其阶数决定，阶数越高，幅值在通带内的更大范围内更接近1 ， 在阻带内更迅速的接近于零，这样其幅频特性更接近于理想的矩形幅频特性。基于这个原因，同时为更好 的保存信号，滤波器的阶数要尽可能的选择高一些。 考虑到滤波效果和电路的复杂程度及成本，信号调理模块采用4 阶b u t t e r w o r t h 滤波器进行滤波。 2 3 2 滤波器的设计方法选择咖 实现b u t t e r w o r t h 滤波器的设计，有三种方案可以选择 1 、利用专用芯片m a x 2 7 4 2 7 5 ； 2 、利用基本元器件手工搭 3 、采用数字方法 方法l 和方法2 比较：方法1 只需要外接4 个电阻，这样电阻等基本元器件的误差对整个滤波电路的 性能的影响相对2 降低不少。但是方法1 中的m a x 2 7 4 2 7 5 成本比较高，而方法2 只需要一个运放和基本 的电阻电容，成本低很多 方法3 和方法l 、2 比较：方法3 不需要系统另外添加硬件，因此也就不会增加系统成本，同时由于 是软件实现，该方法也不会出现由于器件而造成的精度的降低。但是该方法必须是对经过采样和a d 转换 之后对得到的数据进行的，而本系统测量的变频器输出的电压信号是p w m 波，必须经过必要的低通滤波， 滤除高次分鼍，才会得到连续的正弦波供a d 转换。而且数字滤波器的计算会占片j 不少的系统执行时间， 在实时性要求很高的情况下有限制。 综合以上的分析，本系统采用方法2 设计。 2 33b u t t e r w o r t h 低通滤波器的设计【9 】 b u t t e m o n h 滤波器的设计i j j 千i _ | 钳柑剑，但足这样比较船时坍j j ，也赃以确保；- t 掉的h e 确性。为此， 搬引商”发，擘fj 的滤波器吐计软什，川户只要根槲白乙的需婴输入棚心的滤波器类_ l 参数指舶、，就 一，以r _ 动z 剑滤波器的传递雨数乖棚麻的l u 路，这人人简化r 姑波器世计。水文采川f i l t e rs o l u t i o n s 滤 波器醴“软竹米进行b u t t e n v o n h 滤波器的设计。浚软r i 儿竹以f 、优一i ： 能吐计低频、- 岳频、微被并滤波器； 能设计多达i1 种的模拟滤波器和数宁滤波器： 滤波器婀端的h l 抗t 以址实m i 抗，也町_ 以足复阻抗，l | i 方蚀地i “眦你的电j e ；： 田为! ，水系统配奁的变频器输山的杖高额率为i5 0 h z ，而扯后而的特波分析f l t 需要计算到1 5 敞l 自波 所以低通滤波器的锕带槭i l 频牢至少为1 5 0 h z x l 5 = 2 2 5 0 e i z ，考虑剑定的衔避，取3 0 0 0 1 i z 。 f i l t e r s o l u t i o n 的h | 广羿自l 如刚2 - 6 所1 i 。 m b i w 40 * j a t , ：1 。0 b a n df q p 2 p a t i3 4 1 粤i 坠! ! ! ! 一。岫e q 妇 ；2 篇! 篙铿b a m 严“絮。；黜詈黑 m ed m d ：酝篙嚣ir , o s 擎。 m o i i 1 i j iut h f w “m xt m 5 n l 口p e “l 一n i d wl o j g i4 b 一lh 。pl e 削26f i l t e r s o l u t i o n 川户啦置抖i m 选川旧阶b u t l e r w o r t h 低通滤波器确定j 通频俯为3 0 0 0 h z ，j c 他具体的改“参数如h2 6 示。醍氍 先牛肝，l 一“c i r c u i t s ，得刮h2 - 7 所示的i u 踏 瓣踌艇。止薄。 m扣n r 削2 7f i l t e rs o l u l i o n “生的4 阶b u t t e n v o r t h 滤波u 路 越过软什也- 以褂到该滤波器的 递两数 8 1 x 1 0 s 4 + 7 8 3 9 s 3 + 30 7 3 1 0 7 s 2 + 7 05 5 s + 8 1 1 0 1 接r 束i , f 以观察所醴汁滤波器的幅频曲线，得到如刚2 。8 所示。从削。hr i 以知道，、j 变频器输n j 的牡 蛳! 山15 0 h z 时+ 儿i5 玖i h 波印2 2 5 0 h z 的幅度为滤波l 前的9 55 。返个柑度完个，以满足柑垭的篮求。 第t 数“愫燕模m 耻什鞋l 削2 - 8 软仆醴计的叫阶b u t t e r w o r t h 滤波器的幅频特性 fr t j l i 划2 - 5 中的i b 持为训捭的坪想l u 蹄，吐讣 越i q 定, l i j h f j m 恤，为i o k o 而计算得到的【u 释 值并小能个挪拒实际一l i 拭褂，此需要时电袢的择能进行稠整。特代的i u 弈蛐表2 - l 。 止2 - l 【u 辑替代表 延放选样l m 3 2 4 ，电阻精度选川i 的，则叱弈替代后的l u 路变为l 刳2 - 9 ，对这个l u 蹄进行频域分析 得到的蝴自i 特性如i # 12 - 1 0 所示。此时，枉通带内现r 尖峰，经检删尖峰屋人处的幅m 。l 为滤波河1 0 2 2 2 5 0 h z 的 * 度为滤波l w 的9 97 。- 见变换后的f u 路仍然能够得到比较好的幅优特性。 h2 - 9 实际叫阶b u t t c r w o r t h 滤波l u 蹄 2 4a d 转换模块的设计 2 41a d d 转换模块的设计要求 传感器检测剑的信0 经过信号渊功l u 路历需要经过a d 转换转变为数宁甘以便能够供给计算机j 编制f n 软引进行处理。封该模块的要求自ir 能够埘8 路信号进 r a d 转换，乜捕雌线【u 压u ，坪线 u 流l ；输| 相l u h 、u o 、仉、虬；输 需要对8 路佑j 进行同时采样，以确保衍续计算的“确性 n tj 足够的分辨牢，砷保转换肝数据的准确性： 儿 j 较岛们转换述：牝 冈为检删的1 f 交流信譬，所以必颁t 1 _ y i 烈极吧的输入。 24 2a d 转换芯片的选择 l 州设婴求，选样m a x i m 公口jm x 1 ：0 8 束_ i r a d 转换。m a x i3 0 8 为1 2 化的并 ra d 转换搽， 木系统测爿呐 uj 1f n h 为4 0 0 v i u 流的l ：m 为4 0 0 a ，似垃输l u 坼目l u 流均选j l 艇们，m 典分辨：# 山4 0 0 2 1 20 0 9 8 v ，jl 4 , i 上 | ：宽个满足划试的* 蛭，所以m a x i3 0 8 比较遥川j 水文设的变频器测试系 统。 q a x i3 0 8 仃咀f 特点 独”8 路a d 转拽： - 独“的乐十f 慊 t ( 1 i i ) l u 蹄为锥个垭道提供_ 】j i | 时采样：j 1 4 第二章数据采集模块的硬件设计 - 输入采样电路具有2 0 m h z 的小信号带宽： 5 vn + 5 v 的输入范围，满足双极性输入； 快速的转换时间，子1 9 8l as 内完成8 个通道的转换； 高吞吐率，8 个通道转换时每个通道的吞吐率为4 5 6 k s p s ； 1 2 位、2 0 m h z 双向并行数据总线输出转换结果，并可接受数字输入分别激活每一路通道； 内部1 5 m h z 的时钟或外部的时钟： + 2 5 v 的内部基准或+ 2 v 至+ 3 v 外部基准： 4 8 引脚t q f p 封装( 7 r a m x 7 r a m 外形) 。 m a x l 3 0 8 土要应用于以i - ) 1 , 个领域： s i n c o s 位置编码器； 多相电机控制； 多相电源监视； 电网同步： 功率因数监测； 振动与波形分析。 2 4 3m a x l 3 0 8 功能介绍【1 0 】 起。 m a x l 3 0 8 的封装图和各管脚定义如图2 1l 所示。 图2 1 1m a x l 3 0 8 封装图 m a x l 3 0 8 的功能原理图如图2 1 2 所示。其管脚功能介绍如下： ( 1 ) a v d d ：转换器模拟部分的电源输入，在该管脚施n + 5 v 的电源，应用时将所有a v d d 引脚连在一 ( 2 ) a g n d ：a v d d 的电源返同地，应用时将所有a g n d 引脚连在一起。 ( 3 ) c h 0 一c h 7 ：8 路模拟输入。 1 5 咖町阢们叻眦 啪伽咖洲删眦啪嘶邮哪 东南火学硕：i ：学位论文 ( d ) t c l 列e x t c l k ：时钟模式选择输入，选择内部时钟时，将该管脚连接到a v 叩；选择外部时钟 时，将外部时钟连接至i j c l k ，将i n t c l k e x t c l k 连接至i j a g n d 。 ( 5 ) r e f m s ：中值基准旁路或输入，该管脚通过个5 k q 的电阻连接剑内部+ 2 5 v 带隙基缓冲器。由于 m a x l 3 0 8 为双极性器件，将该管脚与r e f 相连接。内部基准模式f ，熘一个不低于0 0 l 心的电容将 r e f m s r e , f - 1 y 点旁路至i j a g n d ；外部基准模式下，用+ 2 v 至+ 3 v 的外部q 三压驱动r e f m s m e f 节点。 ( 6 ) r e f ：a d c 基准旁路或输入，r e f 通过一个5 k q 的电阻连接剑内部+ 2 5 v 带隙基缓冲器。在内部基 准模式下，用一个不低于0 0 1 旷的电容将r e f 旁路；在外部基准模式下，对于m a x l 3 0 8 0 ( 极性器件，将用 + 2 v 至+ 3 v 的外部电压驱动r e f t s r e f = 1 了点。 图2 1 2m a x l 3 0 8 功能原理图 ( 7 ) r e f + 、r e f ：r e f + 为止基准旁路，r e f 为负基准旁路。应用中用一个0 1 1 t f 的电容将r e f + 和r e f 旁路到a g n d ，同时用一个2 2 1 x f 电容和一个0 1 旷电容将r e f + 旁路到r e f 。 ( 8 ) c o m ：基准公共端旁路。应用中用一个2 2 灯电容和一个0 1 妒电容将c o m 端旁路剑a g n d 。 v c o m = 1 3 2 5xa v d d 。 ( 9 ) d v d d ：数字电源输入，为转换器的数字部分供电，包括并行接口。在d v d d 管脚施加+ 2 7 v + 5 2 5 v 电压。应用中用一个o 1 p f 的电容将d v d d 旁路剑d g n d ，并将所有的d v d d 引脚迮在一起。 0 0 ) d o d 1 1 ：1 2 为并行数据总线，当i m = l 或c s = i 时呈现高阻状态。 a de o c ：转换结束输出。e o c 跳变到低电平表明一次转换的结束，在下一个c l k 上升沿或c o n v s t 下降沿跳变同高电平。 凹e o l c ：最后转换结束输出。该引脚跳变到低电平表明晟后一个通道a d 转换结束。当c o n v s t 跳变到低电平为下一次转换时序做准备时，巨面乏跳回到商电平。 1 6 第二章数据采集模块的硬件设计 o 匀r d ：读输入。将r d 置为低电平将启动一次并行数据的读指令。 0 4 ) w r ：写输入。将w r 置为低电平将启动一次写指令，用d o d 7 米配置器件。 c s ：片选输入。将c s 置为低电平将激活数字接口。c s 保持电平时，d o d 1 1 为高阻状态。 0 0c o n v s t ：启动转换输入。将c o n v s t 驱动为高电平来启动转换过程。模拟输入在c o n v s t 的 上升沿采样。 0 7 ) c l k ：外部时钟输入。 o 毋s h d n ：关断输入。s h d n 驱动为高电平时将器件置为关断模式。标准工作模式下将s h d n 与d g n d 连接。 o 毋c h s h d n ：模拟输入通道关断控制输入端，低电平有效。将c h s h d n 置为低电平时，配置寄存 器中未被选择进行转换的模拟输入通电被关断。将c h s h d n 驱动为高电平时，无论在配置寄存器中是否 被选择进行转换，所有模拟输入通道都有效。 m s v ：中值电压旁路。对于双极性的m a x l 3 0 8 ，应用中将m s v 连接剑a g n d 。 2 4 4a d 转换电路的设计 根据上面介绍的引脚定义和应用时的注意事项，再参考典型应用电路，以m a x l 3 0 8 为核心，构建a d 转换电路如图2 1 3 所示。 1 7 东南大学硕= j ：学位