南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 董招輝 陽璞瓊 歐陽宏志 陳文光

簡易電能質(zhì)量檢測儀的設(shè)計(jì)

南華大學(xué)電氣工程學(xué)院 董招輝 陽璞瓊 歐陽宏志 陳文光

本文以2016年湖南省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽C題為依據(jù)，設(shè)計(jì)的簡易電能質(zhì)量監(jiān)測電路以STM32F407ZGT6單片機(jī)為控制核心，通過STM32F407芯片內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器、32位定時(shí)器采集、捕獲經(jīng)過硬件衰減電路及波形變換電路的輸入交流電壓、電流信號(hào)，結(jié)合STM32F407的DSP處理功能（FFT）對輸入信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，可以快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對工頻交流電的頻率、相位差、電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率、功率因素、諧波等參數(shù)進(jìn)行測量，測量的參數(shù)、波形等均可顯示在TFT顯示屏上。

電能質(zhì)量監(jiān)測；STM32F407；移相網(wǎng)絡(luò)

0 引言

2016年湖南省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽C題要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)能同時(shí)對工頻交流電各參量進(jìn)行測量的數(shù)字式單相電能質(zhì)量檢測儀。能測量并顯示電壓、電流有效值，頻率，功率因數(shù)，有功功率P，無功功率Q，視在功率S；并能同時(shí)顯示一個(gè)周期的輸入電壓、輸出電流曲線，并在曲線上計(jì)算并標(biāo)出它們的相位差，指出負(fù)荷性質(zhì)；測量并顯示電壓、電流各次諧波有效值和各次諧波含量（測量至5次諧波）；要求測量準(zhǔn)備度在±1%以內(nèi)，測量誤差≤1%。為方便設(shè)計(jì)與制作，待測的100～500V交流輸入電壓（有效值）、10～50A交流輸入電源（有效值）均已經(jīng)由相應(yīng)的變換器轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的1～5交流電壓（有效值）。到單片機(jī)定時(shí)器中進(jìn)行捕獲實(shí)現(xiàn)頻率和相位的測量。單片機(jī)處理完數(shù)值后將結(jié)果顯示在液晶屏上。

主控制器采用ST公司的STM32F407，其內(nèi)部具有FPU浮點(diǎn)運(yùn)算功能，結(jié)合內(nèi)部外設(shè)能夠簡單有效的對外部信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理及顯示。

移相電路采用全通濾波器模擬移相電路。一階全通濾波器的移相范圍接近180°，所以通過設(shè)計(jì)兩級濾波則可使移相范圍接近360°，此電路簡單可靠。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1 方案設(shè)計(jì)與論證

2 理論分析與計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，該系統(tǒng)選用的整體方案框圖如圖1所示。首先，由信號(hào)發(fā)生器輸出的等效1～5V交流電壓分成兩路，一路直接進(jìn)行信號(hào)處理，另一路經(jīng)過移相電路得到等效的交流電流信號(hào)后再進(jìn)行信號(hào)處理。每一路信號(hào)經(jīng)過兩次信號(hào)變換，一次變換為：先經(jīng)過衰減電路，衰減到單片機(jī)能夠處理的電壓范圍，再進(jìn)行電壓抬升，使輸入單片機(jī)的電壓為正電壓，最后通過濾波網(wǎng)絡(luò)，濾掉高頻分量后送入單片機(jī)，然后在單片機(jī)的控制下進(jìn)行A/D采樣、計(jì)算及軟件FFT運(yùn)算，進(jìn)行有效值和各次諧波的測量；另一次變換為：將交流變換為矩形波，輸送

2.1 電能質(zhì)量指標(biāo)分析

根據(jù)題目要求，通過硬件中的波形變換電路，將工頻交流電信號(hào)變換為電流和電壓的等效方波信號(hào)送至STM32F4，由STM32F4內(nèi)置定時(shí)器捕獲模式計(jì)算出相位差和頻率。通過硬件中的衰減電路、抬升電路及抗混疊濾波[1]后送至STM32F4，由STM32F4內(nèi)部A/D采樣計(jì)算出輸入電壓電流信號(hào)的有效值。根據(jù)相位差和電壓電流的有效值計(jì)算出有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)，利用FFT（快速傅里葉變換）[2]計(jì)算諧波電壓含有率及諧波電流含有率[3]。應(yīng)用取點(diǎn)法，采集波形顯示的相應(yīng)點(diǎn)，在液晶屏上顯示出來。

圖2 信號(hào)調(diào)理電路

具體公式如下所示：

有效值電壓U：

同理有效值電流I：

移相是指兩種同頻的信號(hào)，以其中一路為參考，另一路相對于該參考做超前或滯后的移動(dòng)，即稱為相位的移動(dòng)。模擬移相電路的放大倍數(shù)：

寫成模和相角的形式為：

其中：

合理的設(shè)計(jì)R、C參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)-90度到90度的移相。

3 系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1.1 前級信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

題目中給出輸入信號(hào)為1V～5V，為使A/D能夠有效采樣信號(hào)，需要對輸入信號(hào)進(jìn)行衰減，即兩個(gè)電阻串聯(lián)分壓；再對衰減了的信號(hào)進(jìn)行抬升，使其沒有負(fù)的信號(hào)；最后經(jīng)過濾波電路濾除干擾信號(hào)將有用信號(hào)送入單片機(jī)中進(jìn)行A/D采樣。其原理圖如圖2所示。

3.1.2 移相電路和波形轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用模擬移相電路。模擬移相電路其實(shí)是一個(gè)全通濾波器，其相移范圍接近180°，所以本設(shè)計(jì)采用2個(gè)一階全通濾波器串聯(lián)，使得整個(gè)移相電路能接近360°的相移范圍。

由于系統(tǒng)需要監(jiān)測電路的功率與頻率，而測量功率需要檢測輸入電路電壓與電流之間的相位差，單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對兩路正弦波相位差的監(jiān)測比較麻煩，而對方波信號(hào)的檢測相對比較容易，因此我們把正弦波整形成同頻率的方波，通過對方波上升沿的采樣，計(jì)算可以得出輸入信號(hào)的頻率與相位差。兩者原理圖如圖3所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是對鍵盤進(jìn)行掃描、A/D采樣、FFT變換、有效值電壓電流等各參數(shù)的計(jì)算、顯示波形及各測量值的顯示。流程圖如圖4所示。

圖4 軟件流程圖

4 結(jié)論

本系統(tǒng)以STM32F407ZGT6單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)并制作了簡易電能質(zhì)量檢測儀，利用波形變換法（將正弦波變成矩形波）可以快速獲得頻率和相位差，利用FFT（快速傅立葉變換）對輸入信號(hào)進(jìn)行處理，能快速計(jì)算輸入電壓電流有效值等參數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，完成了任務(wù)要求的所有功能。

[1]郭紅玉.一種抗混疊濾波器的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2015,23(03): 110-112.

[2]解蕾,解大,張延遲.新型電能質(zhì)量表的算法及實(shí)現(xiàn)[J].電測與儀表,2008,45(09):1-4,10.

[3]國家質(zhì)量都督檢驗(yàn)檢疫總局,國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).電能質(zhì)量.公用電網(wǎng)諧波:GB/T 14549-1993[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1993.

通迅作者：陽璞瓊，男，博士，南華大學(xué)電氣工程學(xué)院講師。

董招輝（1980—），女，碩士，講師，從事電子技術(shù)理論教學(xué)、電力電子技術(shù)、儀器儀表研究工作。

課題項(xiàng)目：2016年南華大學(xué)校級教改課題“電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)與大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)培養(yǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行機(jī)制研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2016XJG-ZZ01）。