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基于單片機的非正弦波平均功率的測量

時間:2007-12-14 09:15:00來源:zhaohy

導語:?介紹了非正弦周期電流電路的平均功率測量原理。設計了一套含有模數(shù)轉換器和單片機的硬件電路,并給出了軟件設計框圖。用匯編語言編制了相應的程序,在偉福(Wave)仿真器上進行了測試驗證
摘 要 介紹了非正弦周期電流電路的平均功率測量原理。設計了一套含有模數(shù)轉換器和單片機的硬件電路,并給出了軟件設計框圖。用匯編語言編制了相應的程序,在偉福(Wave)仿真器上進行了測試驗證。 關鍵詞:平均功率,非正弦電路,模數(shù)轉換器,單片機   1 引 言    目前,彩顯及彩電等電子設備的交直流變換電路基本上都采用開關電源,由于開關電源的輸入部分采用二極管整流和電容濾波的形式,致使輸入端電壓雖為正弦波,但電流波畸變?yōu)檩^大幅度的窄脈沖(圖1),輸入的電流波形可近似認為是矩形波。
[IMG=輸入的電流波形]/uploadpic/THESIS/2007/12/2007121409132877180Q.jpg[/IMG]
現(xiàn)有的電功率測量儀表多數(shù)是針對工頻正弦波的,測量含有高次諧波的非正弦電路,誤差較大〔1〕。電路理論中定義的平均功率(即有功功率):P=UIcosθ已不能準確地表達電路負載實際消耗的功率。有關功率的測量主要有(1)時分割乘法器方法〔2〕和利用單片機的數(shù)字測量方法。本文介紹的非正弦波平均功率的測量方法不同于文獻介紹的方法,它同樣可以較準確地測量出實際電路的平均功率。 2 測量原理    時分割乘法器方法時分割乘法器方法對于交直流變換電路,當輸入電流i(t)為非正弦周期波形時,電流中含有基波分量和相當多的高次諧波分量。對圖1的電流波形進行傅立葉分解可得下式:
[IMG=公式]/uploadpic/THESIS/2007/12/2007121409222576211O.jpg[/IMG]
[IMG=公式]/uploadpic/THESIS/2007/12/20071214091334352016.jpg[/IMG]
因為只有相同頻率的電壓和電流才能產(chǎn)生平均功率,當輸入電壓僅含基波(50Hz)時,其有效值U=U1(基波),因此輸入平均功率除P1以外的P值均為0,即非正弦波周期電流電路的平均功率
[IMG=平均功率]/uploadpic/THESIS/2007/12/2007121409134055543I.jpg[/IMG]
基于上式,需要分別測得輸入電壓的有效值、輸入電流的基波(50Hz)有效值以及輸入電流基波與輸入電壓的相位差θ1,通過計算才能得到真正的平均功率。 3 系統(tǒng)硬件電路結構    硬件電路的總原理圖示于圖2。由于用電壓、電流互感器來獲取所需的兩個模擬信號,A/D的輸入通道地址選用了兩路。      在A/D轉換時間內(nèi),最大信號變化幅度應小于A/D轉換器的量化誤差,當轉換時間越長,不影響轉換精度所允許的信號其最高頻率就越低,這將大大限制A/D轉換器的工作頻率范圍〔4〕。因此,在滿足轉換精度的條件下提高模擬信號允許的工作頻率,在A/D轉換器之前采用了采樣保持器LF398。LF398具有采樣速度高、保持電壓下降率低的特點。當外接保持電容選用0.01μF時,其輸出電壓下降率為3mV/s〔4〕。作為模數(shù)轉換器的ADC0809屬CMOS工藝逐次逼近型、可與微處理器兼容的8通路8位A/D轉換器。當模擬輸入電壓范圍為0~5V時,可使用單一的+5V電源。本設計中將ADC0809的正參考端Ref(+)與電源VCC一起接到了基準電壓5.12V上,Ref(-)接到了地端GND上,最低位可表示的輸入電壓值為于A/D轉換程序里先采樣電流后采樣電壓,若要采集同一時刻里的電流和電壓值,就要在電壓采樣通道里增設一個延時電路。從電壓、電流互感器得到的兩路信號要先轉換為±2.5V的交流電壓,再經(jīng)50Hz帶通濾波和電平移位電路,保證A/D轉換器的輸入為0~5V的模擬電壓。開始轉換時,ADC0809的EOC端為低電平,轉換結束變?yōu)楦唠娖?,而采樣保持器的控制端在高電平時采樣、低電平時保持,因此,將ADC0809的EOC作為LF398的控制端,ADC0809的控制信號來自單片機(圖2)。
[IMG=圖2]/uploadpic/THESIS/2007/12/2007121409140260887I.jpg[/IMG]
4 軟件設計 4.1 采樣次數(shù)N的確定 為使采樣到的離散信號可與原模擬信號一致,根據(jù)采樣定理,采樣頻率f應不小于信號頻率的5~10倍。在一個周期Ts內(nèi)均勻采樣N個模擬量點,則采樣周期為。單片機80C51的振蕩頻率設為6MHz,則ALE輸出是1MHz,二分頻后作為ADC0809的時鐘CLK(500kHz),一次轉換需要28μs〔4〕。由下面的程序可以看到,每次同時采樣兩路,需時約260μs,每路一個周期(20ms)里最多可采樣76.9個點??紤]到采樣周期太短會對整體電路的速度要求較高、太長又會影響cosθ1的精度,兼顧這兩方面,在一個工頻周期里每隔5°采樣一次。N值設為72,則對兩路信號的采樣頻率是3.6kHz。 4.2 程序流程圖    程序流程圖如圖3所示。
[IMG=程序流程圖]/uploadpic/THESIS/2007/12/2007121409141865128K.jpg[/IMG]
4.3 A/D轉換主程序    由圖2可見,80C51的ALE作為ADC0809的時鐘CLK,A/D轉換器的啟動信號START和8路模擬輸入地址允許信號ALE由單片機的寫信號WR及地址譯碼輸出信號邏輯提供。ADC0809當作80C51的一個I/O擴展口,取P2.6低電平有效作為片選信號,則IN0~IN1這2 個地址通道號分別為BFF8H和BFF9H。因本設計中有兩路輸入,所以,B和C接地。每執(zhí)行一條輸出指令,選通一個通道啟動一次A/D轉換。單片機啟動 A/D轉換后,延時等待128μs,再到ADC0809中讀取轉換結果。轉換程序如下:
[IMG=轉換程序]/uploadpic/THESIS/2007/12/2007121409142429368K.jpg[/IMG]
MOVX@DPTR,A;啟動IN1輸入 ACALL WAIT;轉延時子程序 MOVX A,@DPTR;讀入電壓數(shù)據(jù) MOV@R1,A;存入緩沖器 INCR1;修改A/D轉換結果存放地址 DJNZR2 LOOP1;若A/D全部采樣完畢,順序向下執(zhí)行,否則轉向LOOP1 延時子程序 WAIT:MOV R3,#3EH;延時128μsDELAY:DJNZR3,DELAY RET 5 結束語    基于此,在偉福(Wave)仿真器上進行了在線仿真測試。電流互感器、電壓互感器的匝比、50Hz帶通濾波電路的放大倍數(shù)均在求解電壓、電流有效值的程序設 計里給予考慮,cosθ1值提前存放在數(shù)據(jù)存儲區(qū)里。要確保采樣到一個周期里的電流電壓值,需不斷修正延時程序的時間設置。為驗證測試結果,分別在開關電源純阻性和感性負載的條件下,在50Hz帶通濾波之后接入CA8020(20MHz)雙蹤示波器和EM2172交流電壓表監(jiān)測其相位差和有效值。結果表明,所測數(shù)據(jù)比較準確、快捷,具有較高的性價比,可作為實驗室數(shù)字功率表推廣使用。 參考文獻 1 唐統(tǒng)一,陸瑤海.工頻電網(wǎng)中畸變波形對一些通用儀表運行情況的影響.電測與儀表,1983(7) 2 任國海,商洪等.非正弦波功率表的研制.浙江大學學報(工學版),1999(4):436~440 3 程肇基,何青.微機采樣式非正弦波電參數(shù)的測量.浙江大學學報,1992(5):574~579 4 謝劍英,賈青.微型計算機控制技術.北京:國防工業(yè)出版社,2001

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