变频调速中的电压测量技术

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.05.012 第16卷第5期 北京科技大学学报 Vol.16 No.5 1994年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0t.1994 变频调速中的电压测量技术 吴红斌 赵家贵 北京科技大学自动化信息工程学院，北京100083 摘要以MCS8098单片机为核心，提出一种新的测量技术.在硬件上采用同步采样技术，在软 件上实现准同步算法，并且采取了预先存准同步采样权系数和正、余弦值在EEPROM2864中的方 法，提高其实时性，利用傅立叶变换，得到频域的各次谐波结果，准确地在线测量了变颍调速 的谐波，并给出了实验结果. 关键词变频调速，同步采样，傅立叶变换，电压测量 中图分类号TM930.9 A Technique of Measuring Voltage in VVVF Frequency Convert Speed Control Wu Hongbin Zhao Jiagui Automation and Information Engineering College,USTB,Beijing 100083 ABSTRACT A new technique of measuring voltage in VVVF frequency converting speed control is presented.Basing on single chip microcomputer MCS-8098,the technique uses synchronous sampling in har dware and quasisynchrouous sampling in programming.Some other techniques speeding up the running velocity of programming are also suggested.By DFT,an accuate result can be obtained for each harmonics. KEY WORDS frequency control of motor speeds,synchronigation sampling,Fqurier transform, voltage measurement 由于可控硅功率变换器的功率因数0$0变坏及输出波形为基波频率可变的非正弦信号， 对电源侧将产生基波和谐波的无功功率，以至影响供电电源质量，同时也将不可避免地使电 动机的特性恶化；另外，高次谐波还会使电动机产生转矩的脉动，使损耗增大.因此，检测分 析交流调速的电压波形，不但为检验调速装置性能的优劣提供了有力方便的手段，同时也为 改善交流调速输出波形，减少高次谐波成分，从而提高电机运行质量，节约能源奠定了基 础 1994-03-27收稿 第一作者男24岁硕士

第 卷 第 期 北 京 科 技 大 学 学 报 州年 月 “ 上 。 望玛 变频调 速 中的 电压测量技术 吴红 斌 赵家贵 北 京科 技大 学 自动化信 息工 程 学 院 ， 北 京 众 摘 要 以 的 单片机为核心 ， 提 出一种新 的测量技术 在硬 件 上 采 用 同步 采样 技 术 ， 在 软 件上 实现准 同步算法 ， 并且采取 了预先存准 同步采样权系数和 正 、 余弦值在 研 中的方 法 ， 提 高其 实时性 利 用 傅 立 叶 变 换 ， 得 到 频 域 的各次谐波结果 ， 准确地在 线测 量 了变频调 速 的谐波 ， 并 给 出 了 实验结果 关 健词 变频调 速 ， 同步采样 ， 傅立 叶变换 ， 电压测量 中图分类号 而 扮 万洲 右 卯 坦 川七 们曰 幼 卿 ， ， 吻 桂℃ 咖 以 “ 月 而 一 ， 以上 止田 巴 成对 刀丁 … ， 以 此 以 喇 ， 正 田 ， 硕 恤 ， 坦 由于 可控硅 功率变换 器 的功率 因数 职 变 坏及 输 出波形 为基波 频率 可 变 的非 正 弦 信 号 ， 对 电源侧将产生基波和谐波 的无 功 功率 ， 以 至影 响供 电 电源 质量 ， 同 时也 将不 可避 免地 使电 动机 的特性 恶化 另外 ， 高次谐波 还 会使 电动机产 生转矩 的脉动 ， 使损耗增大 因此 ， 检测分 析交流调 速 的 电压波形 ， 不但 为检验调 速装置性 能 的优 劣提供 了有 力 方便 的手段 ， 同时也为 改善交 流调 速输 出波形 ， 减 少 高次谐波 成 分 ， 从而 提 高 电机 运 行 质 量 ， 节 约 能 源 奠 定 了基 础 卯 一 一 收稿 第一作 者 男 岁 硕士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．05．012

…460. 北京科技大学学报 1994年No.5 1信号检出 由于变频调速的交流电压幅值较大，在测量时所含的高次谐波衰减应很小，选用的电压 传感器的测量范围、测量精度、响应时间、频率响应、高频衰减等具体参数都有一定的要 求，瑞士LEM公司生产的LEM电压传感器的各项指标均能达到上述要求，且原边电路 与副边电路完全绝缘，具体应用时，只须确定原边绕阻的串联电阻以及外接的测量电阻的参 数即可.如图1所示： +HT一 R U 1 LEM M U.-HT- 图1LM电压传感器 Fig.1 LEM transducer on voltage 2采样技术 对一个连续信号X(①)进行数字处理时，必须对其进行采样： Xwm=XO∑δ-Nm () 式中，Xwn为X()抽样所生成的序列，T为抽样间隔 对于具有高次谐波的变频周期信号而言，提高精度的最大障碍是混叠现象和泄漏效应 针对上述情况分别采取以下措施： 如果抽样率过高，则一定时间里抽样点数过多，这样使AD转换时间难以保证，也使微 机存储量的需要过大和计算时间过长；若抽样率过低，则在DFT运算中将在频域出现混叠现 象，形成频谱失真，在AD的预处理部分用六阶巴特袄斯低通滤波器进行滤波处理，使连续信 号的抽样频率大于奈奎斯特频率，为滤波后所测谐波的最高频率的6~8倍即可， 泄漏效应是由于在时域中对信号进行截断而引起的.截断相当于将序列乘以一矩形窗口 W(),变频调速的电压频率不可能固定，因此其截断长度并不正好是周期的整数倍.根据频域 卷积定理，时域中的X(NT)*W)相对于频域的X(j2T)与WUQ)进行卷积.这里， XUQT与W(U2)分别是时域中X(NT)和W(t)的傅立叶变换.泄漏效应的产生是由于矩 形窗函数的傅立叶变换中具有旁瓣且主瓣也有一定带宽而引起的，如图2所示. 实验结果表明，泄漏效应给高次谐波带来严重失真，从而影响了测量.减少泄漏效应的 传统方法是引进各种窗函数，即将时域被测函数与某种低瓣特性的函数相乘后，再进行DT 运算，这种方法使有效频率信号带宽变模糊，此处采用同步采样技术抑制泄漏，它最早由 TURGAL R S提出m. 具体方案如图3所示.图中各部分的作用为：(1)LP℉用于消除频域混叠，其低通频率 针对0~60Hz变频调速电压信号，取3000Hz,(2)限幅放大用以保证采保正常工作，信号

北 京 科 技 大 学 学 报 男峙年 信号检 出 由于 变频调 速 的交流 电压 幅值较大 ， 在 测量 时所含 的高次谐波衰减 应很小 ， 选 用 的 电压 传 感 器 的 测 量 范 围 、 测 量 精 度 、 响 应 时 间 、 频 率 响 应 、 高 频 衰 减 等 具 体 参 数 都 有 一 定 的 要 求 瑞士 公 司生产 的 电压传感器 的各项 指 标 均 能 达 到 上 述 要 求 ， 且 原 边 电路 与 副边 电路完 全 绝 缘 具体应 用 时 ， 只须确 定 原边 绕 阻 的 串联 电阻 以及 外 接 的测 量 电阻 的参 数 即可 如 图 所示 呱呱 目 目 白 图 竹 电压传感器 龟 凡 妇， 扭 “ 笼， 叨 咖缪 采 样 技 术 对一 个 连续信号 进行 数字处理 时 ， 必 须 对其进行采 样 戈 。 二 艺占卜 式 中 ， 为 抽样所 生成 的序列 ， 为抽 样 间隔 对于 具有 高次谐波 的变频周 期 信号而 言 ， 提 高精度 的 最 大 障碍 是 混 叠 现 象 和 泄 漏 效应 针对上 述 情 况分别 采 取 以 下措施 如果抽 样 率过 高 ， 则 一 定 时 间里抽 样 点数过 多 ， 这 样 使 转 换 时 间难 以 保 证 ， 也使 微 机存储量 的需要 过大 和计算 时 间 过长 若抽样 率过低 ， 则在 ， 运算 中将 在 频 域 出现 混 叠 现 象 ， 形 成 频谱失真 在 妇 的 预处理部 分 用 六 阶 巴 特 袄斯低通 滤 波器进行滤 波处理 ， 使 连 续 信 号 的抽样 频率大 于 奈奎 斯特频率 ， 为滤 波后 所测谐波 的最高频率 的 一 倍 即可 泄 漏效 应是 由于 在 时域 中对信号进行 截 断而 引起 的 截 断相 当于 将 序 列 乘 以 一 矩 形 窗 口 叫 ， 变频调 速 的 电压频率不 可 能 固定 ， 因此其截 断长度并 不 正 好是 周 期 的 整 数 倍 根 据 频 域 卷 积 定 理 ， 时 域 中 的 相 对 于 频 域 的 与 仃 进 行 卷 积 这里 ， 刀 与 分别 是 时域 中 和 的傅立 叶变换 泄 漏 效 应 的产 生 是 由于 矩 形 窗 函 数 的傅 立 叶变换 中具有 旁瓣且 主瓣也有 一定 带宽而 引起 的 如 图 所 示 实验结果表 明 ， 泄 漏效 应 给高次谐波带来严重失 真 ， 从而 影 响 了测 量 减少泄漏效应的 传 统方 法是 引进各种 窗 函 数 ， 即将 时域被 测 函 数 与某种 低瓣特性 的 函 数 相 乘后 ， 再进行 运算 ， 这 种方 法 使有 效 频率信 号 带 宽变 模 糊 ， 此 处采 用 同步 采 样 技 术 抑 制 泄 漏 ， 它 最 早 由 〕 提 出 ， 具体方 案如 图 所示 图 中各部分 的作 用 为 用 于 消除频域混 叠 ， 其低 通 频率 针对 一 变频 调 速 电压信号 ， 取 限 幅 放大 用 以 保 证 采 保 正 常 工 作 ， 信 号

Vol.16 No.5 吴红斌等：变烦调速中的电压测量技术 .461. (b) W() (a) 1.0r t 主 0.132π 2π// -/2 0t/2 -0.22x】 旁瓣 图2矩形窗口图形(a)时域(b)频域 Fig2 Diagram of rectangle window (a)in time and (b)frequence field 限幅为一10~10V;(3)过零比较器产生与信号频率相同的方波信号，输入锁相环，为消除 小干扰，比较器带有子回差；(4)分频器中N的取值综合考虑精度要求和AD转换时间限 制两因素，取N为128；（⑤）信号衰减部分是为了采保部分减少保持阶跃；(6)锁相环路的 跟踪频率范围针对具体应用场合确定，选定合适外围参数， 保证覆盖其频率范围. 被测信号 六阶LPF 限幅放大 采样保持 AD转换 Y 过零比较 锁相环 信号衰减 分频 图3同步采样框图 Fig.3 Block diagram of synchromous 对于AD转换，它的精度、转换时间是分析谐波的重要指标.若精度允许，采用NTEL 公司的MCS-8098的内部AD.否则就外接A/D,并根据要求选定位数、转换时间等，如 AD574,AD578等. 综合上述，电压传感器输出信号经滤波器滤去高频以后，一路经限幅放大后接采保输入 端；另一路接比较器输人端，比较器的输出与输人信号同频的方波信号作为锁相环输入，同 时与单片微机一外部中断口相连，锁相环的输出脉冲经过衰减后接8098另一外部中断口. 8098单片机接受AD数据，再用软件进行适当处理. 3信号处理 由于硬件锁相环路的跟踪误差，同步误差总是存在的，理论研究表明：当采样误差大于 01%时，系统误差将会较快的增大，为尽可能克服同步误差，在软件中采取准同步技术冈 准同步技术是在同步采样技术的基础上，通过适当增加采样点数以及采用相应算法进行数据 处理的一种新技术. 在[T,T+JTws]区间上，等间隔采样N次数据F(T。+iTNs/N),进行如下定义：

吴 红斌等 变频调 速 中的 电压测 量技术 习 图 矩形 窗 口 图形 时域 频域 瑰 自 戏军 飞 口向 加 恤理 出日 肋 示邓 皿 犯 限幅为 一 一 过零 比较器产生 与信号频率相 同的方波信 号 ， 输入 锁 相 环 ， 为 消 除 小 干扰 ， 比较器 带有子 回差 分频器 中 的取值综合考虑精度要 求和 妇 转换 时 间限 制 两 因素 ， 取 为 信号 衰减 部分是 为 了采 保部分 减 少 保 持 阶跃 锁 相 环 路 的 跟踪 频率范 围针 对具体应用 场合 确定 ， 选定 合 适外 围参数 ， 保证覆 盖其频 率范 围 被 测 信号 卜叫 六 阶 廿 曰 限 幅放大 曰 采样保持 曰 转换 过零 比较 曰 锁相 环 洲 信号 衰减 分 频 图 同步采样框图 飞 倪 曲 川出阴拟 对 于 转 换 ， 它 的精度 、 转换 时 间是分析谐波 的重要 指 标 若精度 允许 ， 采 用 公 司 的 一 的 内 部 妇 否 则 就 外 接 ， 并根 据 要 求 选 定 位 数 、 转 换 时 间等 ， 如 ， 等 综合 上述 ， 电压传感 器输 出信号 经 滤 波 器 滤 去 高频 以 后 ， 一 路 经 限 幅放大后 接采保输 人 端 另 一路接 比较器输入端 比较器 的输 出与输人信号 同频 的方波信 号 作 为 锁 相 环 输 人 ， 同 时与单片微机一外部 中断 口 相 连 锁相 环 的输 出脉冲经过 衰减 后 接 另 一 外 部 中断 口 单片机接受 妇 数据 ， 再 用 软件进行 适 当处理 信 号 处 理 由于 硬件锁相 环路 的跟踪 误差 ， 同步误差 总是 存 在 的 理论研究表 明 当采 样误 差大 于 时 ， 系 统误差将 会较快 的增 大 为尽 可 能 克服 同步 误 差 ， 在 软 件 中采 取 准 同步 技 术 准 同步 技术是在 同步采样技术 的基 础上 ， 通 过适 当增 加采 样 点数 以 及 采 用相 应算 法 进行 数据 处理 的一种新技术 在「兀 ， 几 、 】 区 间上 ， 等 间隔采样 卿 次数据 兀 几 ， 进行 如下 定 义

462. 北京科技大学学报 1994年No.5 2N-+6 F=wA,f+'os(2mmN）（m=1,2,M 2p: (2) 2N6 Fa-Σf+)'sin(2mmi 2p: 1N-1+6 -N-T (m=1,2,,M;n=2,3,…,J) N-1+6 (3) 式中，上标”为递推序号，。为递推起点，P,为所取的数值求积公式的权系数，则 Fn= [《Faa)2+Fab]2 【FaP+(F月号 (4) 在一定条件下，FA≈Am,limF=Am· 在实际软件实现时，为提高程序运算速度，对准同步算法进行进一步处理，将上式(3) 定义的递推运算展开： 2N+6 Fma-N-Ttio 1N+6 P,f+is)·os(2miN) (5) ∑p, 2nN-)+6 Fa.FrΣnfx+)os2 i/N）) (⑤ 21: = 2N+= P品交名giN∵fwg小cos2mmN） (7) 2 式中，i>(N-)n+时，”：f+兴，二0. 当采样起点与递推起点重合时，将上式记为： 二1 .cos(2mmi/N) (8) f0r网号) :爱)=g可 (9) j-0 同理 PB-家安oen) (10)

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 匹巡 年 一 ， 吉 “ ， 探 · 可寻下 急 ‘ 山 丛刀 ‘ 责 ， ，… ， 一 勺 烈 。 一 一 叱 履 ‘ 艺 沃 ‘ 丛 、 · 二习叼 一 与 一万 一 勺 艺只凡引 一 ， 二 ， 。 一 ，，’ ， 入 ‘ 一 与 礁 一 勺 艺户‘ 艺 ‘ 耗 ’ 式 中 ， 上 标 为递 推序 号 ， 为 递 推起点 ， ‘ 为所 取 的数值求积公式 的权 系数 ， 则 凡 蕊二 ’ ’ 气尸几石 ’ ’ ” ， 【 篇丫 嘿泪 丁 在 一定 条件下 ， 凡 “ 。 ， 典 二凡 一 ， · 在 实 际 软 件 实 现 时 ， 为 提 高程 序 运算速度 ， 对准 同步算法 进行进一 步处理 ， 将上 式 定义 的递 推运算展 开 一 七 艺只 ‘ ” 一 勺 凡 。 二 号 一 勺 艺八 互 ‘关 一 令 · ‘ ，‘ ， 月 一 勺 嵘 。 各 。 ‘关 一 介 。 · ， 何 凡 。 一 川杯刁下蕊 一 七 一 叉。 艺 属 ” ‘· · 。 ，粤 卜 二 式 中 ， 一 · ” 十 时 ， 。 ，关 午 一 当采 样起 点 与递推起 点 重 合 时 ， 将 上式记 为 月 一 尺 。 艺夕‘，丛 、 · ‘ ’ 二 玉查 召 一 。 洲 一 ” 。 ‘ “ 忍 万八 子 了 ‘ 八 瑞 卜 一吮‘ ’ ’ 川 嘟 。肠 同理 熙 ， 丛 、 · 川 二

Vol.16 No.5 吴红斌等：变频调速中的电压测量技术 463. 其中M:+Y预先算出值存在EEPROM中，使准同步算法转化为一般的的DFT运算 为验证此技术的可行性，在实验室条件下用固纬公司的GFG一8016G信号源进行了实 测，结果见附表· 附表理论值与实测值的比较（单位：V) Table The comparision of value for practice and theory (A)三角波(54Hz) 项目 一次谐波 二次谐波 三次谐波 四次谐波 五次谐波 六次谐波 七次谐波 理论值 1.2260 0.0000 0.1362 0.0000 0.0490 0.0000 0.0250 实测值 1.2265 0.0123 0.1373 0.0044 0.0493 0.0021 0.0254 (B)方波(47Hz) 项目 一次谐波 二次谐波 三次谐波 四次谐波 五次谐波 六次谐波 七次谐波 理论值 2.0590 0.0000 0.6863 0.0000 0.4118 0.0000 0.2941 实测值 2.0589 0.0137 0.6861 0.0114 0.4118 0.0144 0.2940 实验结果表明，所测各次谐波的引用误差均小于1.0%，而且每运行一次程序仅需 1200ms. 4结论 以MCS-8098单片微机为主体，采用同步采样和准同步技术实现变频调速的电压测量 是可行的，并且具有一定的柔性和较高的性能价格比，有一定的实用性， 参考文献 1 Turgal R S.Digital Wattmeter Using a Sampling Method.IEEE Trans,1974,IM-23 (8):337~341 2戴先中.准同步采样应用中的若干问题.电测与仪表，1988(2)：2~7

昊 红斌等 变频调 速 中的 电压测 量 技术 · 其 中 爪 尹 预先算 出值存在 中 ， 使 准 同步算法 转化 为一 般 的 的 运算 为验证此技术 的可行性 ， 在 实验室 条 件 下 用 固 纬 公 司 的 一 信 号 源 进 行 了 实 测 ， 结果见 附表 附表 理论值与实测值的比较 单位 缺 口 】 犯 卿侧油 明目理 哪川晚 出日 洲盯 三角波 义 比 项 目 一 次谐波 二次谐波 三次谐波 四 次谐波 五次谐波 六 次谐波 七 次谐波 理论值 《 刃 〕 以 砚 幻 实测值 《 日 以 田 方波 叨 项 目 一 次谐波 二次谐波 三次谐波 四 次谐波 五次谐波 六 次谐波 七 次谐波 理论值 《】刀 旧 仪幻 实测值 实验 结 果 表 明 ， 所 测 各 次 谐 波 的 引 用 误 差 均 小 于 ， 而 且 每 运 行 一 次 程 序 仅 需 】 书 结论 以 侥 一 单 片微 机 为 主 体 ， 采 用 同步 采 样 和 准 同步 技 术 实现变频 调 速 的 电压测 量 是 可 行 的 ， 并且具有 一定 的柔 性 和 较高 的性 能价格 比 ， 有 一定 的实用性 参 考 文 献 刻 ℃ 正 ， ， 一 一 戴 先 中 准 同步 采 样 应用 中的若干 问题 电测 与 仪表 ， 一