楊帆　王進(jìn)

摘要：文章從相位檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路分析八手，論述了三相交流電相位檢測系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方法。期望通過本文的研究能夠?qū)θ嘟涣麟娤辔粰z測精度的提升有所幫助。

關(guān)鍵詞：三相交流電 相位檢測 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1相位檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

三相交流電簡稱三相電我國電廠生產(chǎn)和配送的均為三相電，具體是指由三個(gè)頻率完全相同、電勢振幅相等且三相之間的相位差互為120°的正弦交流電組合，而相位差檢測是非常重要的測量內(nèi)容之一。在很長一段時(shí)期內(nèi)，相位檢測系統(tǒng)依托的是過零檢測法，雖然基于該方法設(shè)計(jì)出來的相位檢測系統(tǒng)也能對三相交流電的相位差進(jìn)行測量，但是由于過零噪聲的存在，加之檢測中會(huì)受到各種干擾，致使精度并不是很高。不僅如此，當(dāng)三相電的相位差比較小時(shí)，測得的精度也會(huì)隨之降低，如果被測信號(hào)中存在諧波分量，那么將會(huì)導(dǎo)致測量誤差進(jìn)一步增大。鑒于過零檢測法在相位檢測過程中存在的不足，本文提出一種基于全相位預(yù)處理的方法，這種檢測方法最為突出的技術(shù)優(yōu)勢在于能夠有效防止諧波對測量精確度的影響，并且基本不會(huì)受到信號(hào)頻率的干擾，可使相位檢測精度獲得大幅度提升，通過該檢測系統(tǒng)能夠?qū)θ嚯娙方涣麟妷盒盘?hào)相位及電流信號(hào)相位以及二者之間的相位差進(jìn)行檢測。下面依托該方法對三相電相位檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析。

2三相交流電相位檢測系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方法

在集成電路快速發(fā)展的推動(dòng)下，使便攜式檢測設(shè)備的研發(fā)成為一項(xiàng)較為重要的研究課題，確保實(shí)時(shí)、高精度的檢測結(jié)果是對檢測設(shè)備最為基本的要求之一?；谶@一前提，依托全相位預(yù)處理技術(shù)，對三相電相位檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，具體過程如下：

2.1系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊介紹

在本次設(shè)計(jì)開發(fā)的系統(tǒng)中，有以下幾個(gè)重要的模塊：現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）芯片、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交互模塊等。

2.1.1現(xiàn)場可編程門陣列模塊。該模塊是整個(gè)相位檢測系統(tǒng)的核心組成部分，其除了要對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之外，還要對系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作進(jìn)行控制。如全相位預(yù)處理、采樣處理等等。由于該芯片自帶多個(gè)硬件乘法器，故此，在進(jìn)行全相位預(yù)處理時(shí)，并不會(huì)占用過多的硬件資源，而且還能確保計(jì)算速度。

2.1.2數(shù)據(jù)采集模塊。該模塊采用的是數(shù)模轉(zhuǎn)換器，為了能夠準(zhǔn)確采集到三相電的電壓及電流信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器應(yīng)當(dāng)具備6路通道，且每一路的數(shù)據(jù)采集速率應(yīng)不低于600ksps。

2.1.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與交互模塊。該模塊為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，即RAM.顯存空間為2MB，可通過串行FLASH對現(xiàn)場可編程門陣列的相關(guān)配置文件進(jìn)行存儲(chǔ)，由此能夠避免程序掉電丟失的問題發(fā)生。同時(shí)薄膜晶體管式顯示屏為檢測系統(tǒng)提供了顯示窗口，該顯示屏具有觸摸功能，可作為系統(tǒng)輸入端，以便用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互。

2 2系統(tǒng)軟件的主要功能

本次設(shè)計(jì)的相位檢測系統(tǒng)主要是對三相電進(jìn)行相位測量，為確保系統(tǒng)對相關(guān)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、高效處理，數(shù)據(jù)的采樣與傳輸在Quart us環(huán)境中，借助硬件描述語言進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，為保證系統(tǒng)界面交互的便捷性，通過C語言對系統(tǒng)界面及觸摸屏進(jìn)行控制。圖l為該相位檢測系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)示意圖。

2.3系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，通過采樣板來完成數(shù)據(jù)采集。由于系統(tǒng)的測量精度主要與信號(hào)源的采集精度有關(guān)，所以采樣板的設(shè)計(jì)成為系統(tǒng)開發(fā)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為達(dá)到預(yù)期的精度要求，必須確保A/D轉(zhuǎn)換器的性能。

2.3.1選取A/D轉(zhuǎn)換器。對于三相電相位檢測系統(tǒng)而言，A/D轉(zhuǎn)換器的性能與系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的性能密切為相關(guān)，為此，必須對A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行優(yōu)選，具體選擇的過程中應(yīng)當(dāng)滿足如下要求：本系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要為三相電電壓信號(hào)，為確保能夠?qū)θ冯妷哼M(jìn)行同時(shí)采集，要保證所選的A/D轉(zhuǎn)換器具備多通道模數(shù)轉(zhuǎn)換功能;數(shù)據(jù)采集的精度必須滿足檢測系統(tǒng)測量精度要求.A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)當(dāng)具備數(shù)字接口;數(shù)據(jù)采集速率不宜過高。結(jié)合上述要求，考慮經(jīng)濟(jì)性和可靠性原則，對A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行選擇。

2.3.2采樣板電路。采樣板由三個(gè)部分組成，即A/D模塊、緩沖跟隨器及外圍電源。其中緩沖跟隨器的主要作用是最大限度地減小A/D轉(zhuǎn)換器運(yùn)行過程中對信號(hào)源的影響，從而保證數(shù)據(jù)采集精度;外圍電源則可為采集板進(jìn)行供電。

2.4相位檢測專用模塊的設(shè)計(jì)

2.4.1 ADC驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)。這是一個(gè)接口模塊。ADC驅(qū)動(dòng)除了具有數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能之外，其還能向波形預(yù)顯示模塊采樣數(shù)據(jù)。通過ADC的處理，可使系統(tǒng)的頻率分辨率得到可靠保障，并且還可以確保波形的真實(shí)性。

2.4.2預(yù)處理模塊。該模塊是整個(gè)檢測系統(tǒng)中較為重要的模塊之一，為達(dá)到相位檢測精度的要求，在對該模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用單精度浮點(diǎn)的方式，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，整個(gè)處理過程分為兩個(gè)階段，即加窗處理和浮點(diǎn)數(shù)加法處理。

2.4.3域變換模塊。在本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，域變換模塊的主要作用是將時(shí)域信號(hào)譜線的相位信息轉(zhuǎn)換為頻譜率。該模塊的IP內(nèi)核選用的是變化流模式數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最為突出的優(yōu)勢在于變換精度高、實(shí)時(shí)性好，有助于簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。

2.4.4反正切模塊。這是本系統(tǒng)中一個(gè)相對比較重要的模塊，其性能對系統(tǒng)的整體性能具有一定的影響。為了達(dá)到高精度和實(shí)時(shí)性的要求，在對該模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，采用有限項(xiàng)級(jí)數(shù)算法。

2.4.5指令模塊。該模塊的作用是實(shí)現(xiàn)上層程序與下層程序之間的數(shù)據(jù)交互，由此可使上層系統(tǒng)對下層系統(tǒng)中的相關(guān)模塊進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)相位檢測操作。

2.5系統(tǒng)測試

為了驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在三相電相位檢測中的應(yīng)用效果，利用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測量，將采樣頻率設(shè)定為1250Hz，實(shí)測周期為3次/s。由測試結(jié)果可知，三相電的各項(xiàng)電信號(hào)可以保持相差120°，系統(tǒng)的檢測精度達(dá)到l°。

3結(jié)論

綜上所述，基于過零檢測法的三相電相位檢測系統(tǒng)具有測量誤差大的問題，為有效解決這一問題，依托全相位預(yù)處理方法，設(shè)計(jì)三相電相位檢測系統(tǒng)。由測試結(jié)果可知，該系統(tǒng)的相位測量精度可以達(dá)到l度，能夠滿足三相交流電檢測的需要。在未來一段時(shí)期，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)加大對相位檢測技術(shù)的研究力度，通過對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而使其滿足三相電相位檢測精度的需要。

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