基于单片机的非正弦波平均功率的测量
基于单片机的非正弦波平均功率的测量
南京气象学院电子工程系 (南京210044) 赵志伟 周 欣 陈忠荣
Ξ
The M easurem en t of Average Power for Non -Si nuso idal W aveform s
Based on Ch ip M icrocom puter
【摘 要】 介绍了非正弦周期电流电路的平均功率测量原理。设计了一套含有模数转换器和单片机的硬件电路, 并给出了软件设计框图。用汇编语言编制了相应的程序, 在伟福(W ave ) 仿真器上进行了测试验证。
关键词:平均功率, 非正弦电路, 模数转换器, 单片机【Abstract 】 T he m easu rem en t p rinci p le of the average pow er fo r non 2sinu so idal p eri od cu rren t circu it is in troduced in th is p ap er . A hardw are circu it com po sed by a ch i p m icrocom p u ter and an A D converter is designed . T h is p ap er also show s the softw are flow chart . It verifies the last resu lt by the W ave si m u lato r .
Keywords :average power , non -si nuso ida l c ircu it , A D converter , ch ip m icroco m puter
sin5Ξ1t ++) 5
1 引 言
目前, 彩显及彩电等电子设备的交直流变换电路基本上都采用开关电源, 由于开关电源的输入部分采用二极管整流和电容滤波的形式, 致使输入端电压虽为正弦波, 但电流波畸变为较大幅度的窄脉冲(图1) , 输入的电流波形可近似认为是矩形波
。
现有的电功率测量仪表多数是针对工频正弦波的, 测量含有高次谐波的非正弦电路, 误差较大〔1〕。电路理论中定义的平均功率(即有功功率) :P =U I co s Η已不能准图1
确地表达电路负载实际消耗的功率。有关功率的测量主
要有, 时分割乘法器方法〔2〕和利用单片机的数字测量
〔3〕
方法。本文介绍的非正弦波平均功率的测量方法不同于文献〔3〕介绍的方法, 它同样可以较准确地测量出实际电路的平均功率。
+(1)
2U sin Ξ1t ,
根据电路理论, 设输入交流电压u =
周期为T , 基波电流i 1=2I 1sin (Ξ1t +Η1) , 第n 次谐波电流i n =2I n sin (n Ξ1t +Ηn ) , 则输入平均功率
P =
T
T
p d t =u i d t
T 0
T
=P 0+P 1+++P n
因为只有相同频率的电压和电流才能产生平均功率,
当输入电压仅含基波(50H z ) 时, 其有效值U =U 1(基波) , 因此, 输入平均功率除P 1以外的P 值均为0, 即非正弦波周期电流电路的平均功率
P =P 1=U 1I 1co s Η1
基于上式, 需要分别测得输入电压的有效值、输入电流
的基波(50H z ) 有效值以及输入电流基波与输入电压的相位差Η。1, 通过计算才能得到真正的平均功率
2 测量原理
对于交直流变换电路, 当输入电流i (t ) 为非正弦
周期波形时, 电流中含有基波分量和相当多的高次谐波分量。对图1的电流波形进行傅立叶分解可得下式:
i (t ) =
3 系统硬件电路结构
硬件电路的总原理图示于图2。由于用电压、电流
互感器来获取所需的两个模拟信号, A D 的输入通道地址选用了两路。 在A D 转换时间内, 最大信号变化幅度应小于A D 转换器的量化误差, 当转换时间越长, 不影响转换精度所允许的信号其最高频率就越低, 这将大大限
Π
sin Α(sin Ξ1t +
sin3Ξ1t 3
Ξ收稿日期:2002—10—08
・31・
制A D 转换器的工作频率范围〔4〕。因此, 在满足转换精度的条件下提高模拟信号允许的工作频率, 在A D 转换器之前采用了采样保持器L F 398。L F 398具有采样速度高、保持电压下降率低的特点。当外接保持电容选用0. 01ΛF 时, 其输
〔4〕
出电压下降率为3mV s 。作为模数转换器的ADC 0809属C M O S 工艺逐次逼近型、可与微处理器兼容的8通路8位A ～5V D 转换器。当模拟输入电压范围为0
时, 可使用单一的+5V 电源。本设计中将ADC 0809的正参考端R ef (+) 与电源V CC 一起接到了基准电压5. 12V 上, R ef (-) 接到了地端GND 上, 最低位可表
示的输入电压值为:=20mV 。由于A D 转换程
28
序里先采样电流后采样电压, 若要采集同一时刻里的电流和电压值, 就要在电压采样通道里增设一个延时电路。从电压、电流互感器得到的两路信号要先转换为±2. 5V 的交流电压, 再经50H z 带通滤波和电平移位电路, 保证A ～5V 的模拟电压。D 转换器的输入为0
开始转换时, ADC 0809的EO C 端为低电平, 转换结束变为高电平, 而采样保持器的控制端在高电平时采样、低电平时保持, 因此, 将ADC 0809的EO C 作为L F 398的控制端, ADC 0809的控制信号来自单片机(图2) 。
图2
址译码输出信号逻辑提供。ADC 0809当作80C 51的一个I O 扩展口, 取P 2. 6低电平有效作为片选信号, 则I N 0～I N 1这2个地址通道号分别为B FF 8H 和B FF 9H 。因本设计中有两路输入, 所以, B 和C 接地。每执行一条输出指令, 选通一个通道启动一次A D 转换。单片机启动A D 转换后, 延时等待128Λs , 再到ADC 0809中读取转换结果。转换程序如下
:
4 软件设计
4. 1 采样次数N 的确定
为使采样到的离散信号可与原模拟信号一致, 根据采样定理, 采样频率f 应不小于信号频率的5～10倍。在一个周期T s 内均匀采样N 个模拟量点, 则采样周期为。单片机80C 51的振荡频率设为6M H z , 则, AL E 输出是1M H z , 二分频后作为ADC 0809的时钟
〔4〕
CL K (500kH z ) , 一次转换需要28Λs 。由下面的程序可以看到, 每次同时采样两路, 需时约260Λs , 每路一个周期(20m s ) 里最多可采样76. 9个点。考虑到采样
N
图3
OR G 2000; 启动ADC 0809
M OV R 0, #10H ; R 0是存入电流值的缓冲器指针M OV R 1, #60H ; R 1是存入电压值的缓冲器指针M OV R 2, #48H ; R 2存放采样次数
LOO P 1:M OV D PTR , #0BFF 8H ; ADC 0809口地址送D PTR
M OV A , #00H ; 选通0通道I N 0M OV X @D PTR , A ; 启动I N 0输入A CALL W A IT ; 转延时子程序M OV X A , @D PTR ; 读入电流数据M OV @R 0, A ; 存入缓冲器I N C R 0; 修改A D 转换结果存放地址
M OV D PTR , #0BFF 9H ; ADC 0809口地址送D PTR M OV A , #01H ; 选通1通道I N 1
周期太短会对整体电路的速度要求较高、太长又会影
响co s Η1的精度, 兼顾这两方面, 在一个工频周期里每隔5°采样一次。N 值设为72, 则对两路信号的采样频率是3. 6kH z 。4. 2 程序流程图
程序流程图如图3所示。4. 3 A D 转换主程序
由图2可见, 80C 51的AL E 作为ADC 0809的时钟CL K , A D 转换器的启动信号STA R T 和8路模拟输入地址允许信号AL E 由单片机的写信号W R 及地・32・
(下转第53页)
陈明清, 等:IGBT 驱动模块M 57962AL 的应用研究
M 57962AL 外围应用电路如图3所示。图3所示实际应用电路具有IGB T 过流过压保护功能。当检测
表1 额定值(T A =25℃)
参 数供电电压V CC
V
EE
输入电压U I 输出电压U p 输出电流I OHP
I OL P
条 件直流直流
加在13和14端高电平输出脉宽2Λs , f =20kH z 正弦60kH z , 1m in
隔离电压U iso 外壳温度工作温度T op
r 存贮温度T stg 故障输出电流I FO
检测电压U R I
在8端加在1端
额定值18V -15V -1V ～7V V CC -5A 5A 2500V 85℃-20℃～60℃-20℃～100℃
20mA 50到输入1端的电压为7V 时, 模块判定为电路短路, 立即通过光耦输出关断信号关断, 从而使其5端输出低电平将IGB T 的GE 两端置于负向偏置, 可靠关断。同时, 输出误差信号使故障输出端8端为低电平, 从而驱动外接的保护电路工作。延时2～3秒后, 若检测到13端为高电平, 则M 57962AL 恢复工作。稳压管Z 1用于防止D 1击穿而损坏M 57962AL , R G 为限流电阻, D Z 2和D Z 3起限幅作用, 以确保IGB T 可靠开通与关断, 而不被误导通或击穿。
4 结束语
IGB T 自身工作频率高, 响应速度快, 工作于开关状态下其开关损耗大, 这就对其驱动可靠安全性提出了更高的要求。采用专用驱动模块M 57962AL 能够驱动大电流大功率的应用, 能实现对IGB T 的过流过压保护, 同时, 所设计的外围应用电路采用限制基极限流电阻和基射极限幅器, 确保了IGB T 基极不被烧坏
和击穿。此模块的应用电路已经在实际中获得成功应用。
参 考 文 献
1 李序葆, 赵永健. 电力电子器件及其应用. 北京:机械工业
出版社, 19962 史平君. 实用电源技术手册:电源元器件分册. 沈阳:辽宁科学技术出版社, 19993 史平君. 绝缘栅双极晶体管(IGBT ) 的驱动和保护. 火控雷
达技术, 1996(3) ■
图3 驱动外围应用电路原理图
(上接第32页)
M OV X @D PTR , A ; 启动I N 1输入
A CALL W A IT ; 转延时子程序M OV X A , @D PTR ; 读入电压数据M OV @R 1, A ; 存入缓冲器I N C R 1; 修改A D 转换结果存放地址DJN Z R 2LOO P 1; 若A D 全部采样完毕, 顺序向下执行, 否则转向LOO P 1
::
; 延时子程序
W A IT :M OV R 3, #3EH ; 延时128Λs D ELA Y :DJN Z R 3, D ELA Y R ET
计里给予考虑, co s Η。要1值提前存放在数据存储区里
确保采样到一个周期里的电流电压值, 需不断修正延时程序的时间设置。为验证测试结果, 分别在开关电源纯阻性和感性负载的条件下, 在50H z 带通滤波之后接入CA 8020(20M H z ) 双踪示波器和E M 2172交流电压表监测其相位差和有效值。结果表明, 所测数据比较准确、快捷, 具有较高的性价比, 可作为实验室数字功率表推广使用。
参 考 文 献
1 唐统一, 陆瑶海. 工频电网中畸变波形对一些通用仪表运
行情况的影响. 电测与仪表, 1983(7) 2 任国海, 商洪等. 非正弦波功率表的研制. 浙江大学学报
(工学版) , 1999(4) :436～4403 程肇基, 何青. 微机采样式非正弦波电参数的测量. 浙江大学学报, 1992(5) :574～5794 谢剑英, 贾青. 微型计算机控制技术. 北京:国防工业出版
社, 2001 ■
5 结束语
基于此, 在伟福(W ave ) 仿真器上进行了在线仿真测试。电流互感器、电压互感器的匝比、50H z 带通滤波电路的放大倍数均在求解电压、电流有效值的程序设
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