２０１３拒 仪表技术与传感器 ２０１３ 第９期 Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｏ．９ 基于双ＤＳＰ的变频电源电参数同步测试系统 刘其春 ，任旭虎 ，白金强 （１．中石化胜利石油工程有限公司地质录井公司，山东东营２５７０６４； ２．中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，山东青岛２６６５５５） 摘要：针对变频电源特性，结合目前电参数测试方法，设计了基于双ＤＳＰ的变频电源电参数同步测试系统，利用ｓＤ 卡实现了大容量存储，利用双端口ＲＡＭ实现了变频电源输入、输出端电气参数数据的交互。现场测试表明，系统测量精 度较高，能分析３—２１次谐波，为分析变频电源的性能提供了有效的数据，具有相当大的应用价值。 关键词：变频测试；谐波测量；ＳＤ卡存储；数字信号处理；数据交互；同步测试 中图分类号：ＴＭ９３３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２—１８４１（２０１３）０９—００３５—０３ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｔｅｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄｕａｌ ＤＳＰ ＬＩＵ Ｑｉ・ｃｈｕｎ ，ＲＥＮ Ｘｕ－ｈｕ ，ＢＡＩ Ｊｉｎ－ｑｉａｎｇ２ （１．Ｇ∞Ｉ删 ａＩ Ｌｏｇｇｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｓｈｅｎｇｌｉ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｄｏｎｇｙｉｎｇ ２５７０６４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｆｏ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｆｏ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ，ＱｉｎｇＤａｏ ２６６５５５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｕａｌ ＤＳＰ，ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｃａ－ ｐａｃｉｔｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｕｓｉｎｇ ＳＤ ｃａｒｄ，ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉｂａｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｎｐｕｔ，ｏｕｔｐｕｔ ｔｅｒｍｉｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｄａｔａ ｕｓｉｎｇ ｄｕａｌ－ｐｏｒｔ ＲＡＭ．Ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ，ｃａｎ ａｎａｌｙｚｅ ３ ｔｏ ２１ ｔｉｍｅｓ ｈａｒｍｏｎｉｃ，ｐｒｏｖｉｄｅ ｅｌ－ ｆｅｃｔｉｖｅ ｄａｔａ ｆｏｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ａｎｄ ｈａｓ ｔｈｅ ｑｕｉｔｅ ｂｉｇ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｖａｌｕｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｅｓｔ；ｈａｒｍｏｎｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ＳＤ ｃａｒｄ ｓｔｏｒａｇｅ；ＤＳＰ；ｄａｔａ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｉｎｇ ０引言 近年来，变频调速、变频软启动在石油、石化行业得到广泛 应用…，但变频电源的非线性使用对公用电网造成了严重的谐 波污染＿２ Ｊ。如何对变频电源的电参数进行有效测试引起了众 多工程师的关注。对于变频电源来说，需要同时测试变频电源 输入、输出端电气参数，才能有效地分析变频电源。目前，许多 仪器频率测量范围比较窄，不能同步采集数据进行测试。 近年来，随着数字信号处理器（ＤＳＰ）的广泛应用和多种电 测专用集成芯片的成功开发，电测仪表的发展进入高潮时 期 Ｊ。因此，文中采用双ＤＳＰ设计出了一套能够同步测试变频 电源输入、输出端电气参数的测试系统。 图１ 系统硬件电路原理框图 １系统方案设计 者利用无线通讯方式将数据远传。显示数据有基波频率、基波 变频电源电参数测试分为输入、输出端电气参数测试两部 及各次谐波的电压、电流、有功功率、功率因数等电气参数。 分，分别由２个ＤＳＰ负责采集处理数据，其中主ＤＳＰ还负责数 ２系统的硬件设计 据显示、存储以及两ＤＳＰ之间的通信，如图１所示。 ２．１大容量存储器ＳＤ卡接口电路设计 变频电源输人、输出端的电压、电流信号经电压探头、电流 因文中设计的电参数同步测试系统，需要保存历史数据以 互感器后接入该系统测试接口，再经信号调理电路将电压、电 便对变频电源性能做出评价，数据量很大，而目前市场上的ＥＥ— 流信号转化为适合ＡＤ采集的电压信号，ＤＳＰ对ＡＤ采集的数 ＰＲＯＭ、ＦＬＡＳＨ等存储器的容量都很小，不能满足系统要求，因 据进行计算。从ＤＳＰ将数据存人双端口ＲＡＭ，主ＤＳＰ通过双 此文中采用ｓＤ卡来存储历史电气参数。系统采用 端口ＲＡＭ将从ＤＳＰ中的数据读出，然后根据用户需要进行显 ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５的ＳＰＩ接口来控制ｓＤ卡的读写 ］，如图２所 示或存人ｓＤ卡，用户可利用ＵＳＢ设备将ｓＤ卡中数据读走，或 示。当有ＳＤ卡插入时，ＤＳＰ才会启动ＳＰＩ接口工作并根据系 统运行需要对ｓＤ卡进行读写操作，以降低系统功耗及延长ｓＤ 收稿日期：２０１２—１２—０５收修改稿日期：２０１３—０６—２５ 卡使用寿命。 ３６ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｓｅｐ．２０１３ 储器完全一样，存取速度完全适合高速、实时的通信系统。 ａ２位地址线 、、Ｊ 主ＤＳＰ ２Ｓ、ＷＥ ＲＤ ＩＤ．ｒ７０Ｖ２４ ／ｌ ｅＳ ＷＥ、ＲＥ 从ＤＳＰ ｒＳＴ．ＢｕｓＹ￣ ＼Ｊ 图２ ＳＤ卡接口电路原理图 图３ ＤＳＰ间信息交互通道原理图 ２．２主、从ＤＳＰ间数据通信通道设计 ２．３电流信号调理电路设计 变频电源或变频器输入、输出端电流比较大，有时干扰比 由于主、从ＤＳＰ之间存在大量的数据交换以及数据共享， 因此它们需要访问同一段存储区域，为了防止数据、地址总线 的冲突 ｊ，文中采用双端口ｍ Ｍ—ＩＤ１－７Ｏｖ２４来完成它们之间 的数据交换。 如图３所示，ＩＤＴ７０Ｖ２４芯片配有两套完全的数据线、 地址线、读／写控制线，允许主从控制器对双端口存储器的同一 单元进行同时存取；两套的“忙”逻辑，保证了２个ＤＳＰ同 时对同一单元读／写操作的正确性；读／写时序与普通单端口存 较严重，为了提高系统的可靠性，需要利用电流互感器进行电 气隔离。文中选用Ｉ４，００电流互感器，其变比为１ ０００＂１，互感器 最大输出电流为４００ ｍＡ．如图４所示，互感器输出的电流信号 经高精度取样电阻后转换为微弱的电压信号，由同相比例放大 电路对电压信号进行放大。当输入电压信号比较大时，程控放 大器放大比例为１：１；当输入电压信号比较小时，程控放大器放 大比例为１：１０。 ７ 圈４电流信号调理电路原理圈 由于互感器输出的是双极性信号，经过同相比例放大电路 放大后其范围是一３～＋３ Ｖ，而ＴＭＳ３２０Ｆ２８３３５的内部Ａ／Ｄ转 换只能为单极性信号，其范围是０～＋３ Ｖ，因此需要进行信号 的极性转换；电阻Ｒ 和Ｒ∞组成的分压电路可将其转换为单极 器，起变比是２ ｍＡ／２ ｍＡ．因此需要将电压转换为小于２ ｍＡ的 电流信号，如图５所示，电阻Ｒ； （由多个大功率、高精度电阻串 联实现）就是将现场的大电压信号转换为小电流信号。 运算放大器Ｕ４Ａ和电阻 ∞、 。组成的电流电压转换电路 性信号，同时利用电压跟随器（Ｕ４Ｃ）来提高输出阻抗。 为防止现场的冲击信号烧毁ＤＳＰ端口，需要对ＤＳＰ的ＡＤ 输入端口进行保护。文中采用双向肖特基二极管ＢＡＴ５４Ｓ进行 保护，当跟随器的输出大于３ Ｖ或小于０ Ｖ时，其中的１个二极 管导通，将电压嵌位在３ Ｖ或０ Ｖ．将互感器输出的电流信号转换为电压信号，其范围是一３一＋３ Ｖ．其中电容ｃ３５是为了防止放大电路产生自激振荡；电容ｃ 和 电阻 用于校正互感器原边、副边之间的相位差。反并联的 两个二极管ＤＩＯ和Ｄ１１用于保护后级电路，防止烧毁运放及 ＤＳＰ等贵重元器件。 ２．４电压信号调理电路设计 与电流信号类似，电压信号也需要利用互感器进行电气隔 离。文中选用星格互感器ＳＰＴ２０４，该互感器是电流型电压互感 电压信号调理电路中的电压极性转换以及ＡＤ输入端口保 护电路和电流信号调理电路中完全一致，此处不再赘述。 ＿ＤｌＤ 厂■ Ｉ—ｌ 二二一 亡 卜—— 山亡 卜———一 ＿ＩＣ § ４Ｂ ７ …’ … 。 曰４ｕ ＰｌⅢ＾ｎＣ 一￣１５ｖ￣ ３．０ｖ ＲＥ ７ 圈５电压信号调理电路原理圈
