摘要：从变频电源电参量实时测量的应用需求出发，针对变频电源可调频率范围宽的特点，以FPGA和DSP为硬件。设计出一种基于变步长自适应采样方法的数据采集计算系统.该系统具有实时性强.集成度高及扩展性灵活等特点

　　在电力系统中，变频系统作为一种电力电子设备，其输出侧的电压.电流含有丰富的高次谐波，并且具有可调节频率变化范围大和速度快的特点.当系统中谐波含量达到一定程度时，对电力系统及电力用户带来一定的影响和危害.在进行谐波分析时，若信号频率和采样周期不匹配，或者在整个采样周期间隔内，波形不是周期性的，就会产生频谱泄漏误差.如果能够实现同步基波的频率，使截断的采样数据个数正好是基波信号周期的整数倍，就能解决被测信号采样在开始和终止的地方不连续的问题.

　　笔者采用自适应实时调整采样率的方法，实时跟踪信号基波频率，采用软同步的方法实现交流同步采样利用以FPGA和DSP为控制的硬件系统，实行多路同步采样，能够有效地减少频谱泄漏而引起的测量误差.一方面由此方法计算得出三相电压.电流的基波和各次谐波的幅值及相位比按工频正弦量的计算方法来计算电参量要；另一方面又能以计算得出的各次谐波为参考，加入适当的外置滤波器或算法消除谐波对系统和测量的影响.

　　1 变频电源测量系统总体设计

　　数据采集系统结构如图1所示，三相电压和三相电流信号经过传感器之后送至滤波电路，再经过A/D转换模块进行六路同步采样，不丢失相位信息，由DSP进行参数计算和处理.采用双口RAM作为A/D转换模块与DSP双向通信的缓冲芯片，双口RAM芯片具有两套独立的控制线.地址线和数据线，可以对任何一个端口进行独立的操作.整个数据采集电路的时序控制都由FPGA完成，有利于DSP全速执行数据运算，从而保证了采样的持续性和实时性.

　　2系统硬件设计

　　系统中使用的电压传感器为闭环补偿电压的霍尔传感器LV25一P,电流传感器为L眄8-S7,具有高.线性度好及带宽高等特点.滤波电路采用四阶巴特沃斯滤波器（图2），截止频率为10kHzH?A/D转换芯片采用Analog Device新型器件AD7606是一种高速.低功耗.8通道同步采样的模数转换器，包含低噪声.高输入阻抗信号调理放大器，1MQ模拟输入阻抗，同时AD7606集成了一个衰减约为40dB的前端二阶抗混叠模拟滤波器，能以高达200kS/s的快速吞吐率进行采样.双口RAM采用IDT公司64K×16bit的双口芯片IDrl70V28?选择Altem CycloneⅡ系列EP2C8Q208为硬件，CycloneⅡ是基于StratixⅡ的90nm工艺推出的FPGA?它具有8 256个逻辑单元（LE），内置4K Byte RAM,两个锁相环（PLL）以及18个乘法器模块.图3所示为DSP与FPGA以及双口RAM和AD芯片之间的主要功能引脚接口电路图.

　　系统采用EZ-USB Fx2系列的CY7C68013.56芯片与Pc的USB端口连接，工作于slaveFIFO批量传输16位数据线模式.,电路连接如图4所示.

　　FPGA采用50MHz频率的晶振，对通过滤波电路的电压或电流信号进行频率测量，然后FP-GA内部倍频电路产生相应的倍频频率作为A/D采样芯片的控制信号，从而保证采样时间间隔z。

　　与被测量信号周期r在一个周期内的采样点数Ⅳ成为一个整数关系N=T/T,由此可以保证在频率变动相当大时，也能够保持整周期采样.

　　在Quanus II集成开发环境中，采用VHDL和Verilog语言∞.实现FPGA对整个系统的时序控制，工程顶层图如图5所示，其中部分功能引脚仿真结果如图6所示，其中cLK-AD7606是FPGA发出给AD7606的采样转换信号；CS是读使能信号；RD是数据读出信号，低电平有效；IDT-RW和addrin是发给双口RAM的写使能信号和地址信号.从图6中可以看出，各信号都满足工作时序要求.

　　3系统软件设计

　　DSP中系统软件使用c语言编程，上位机程序采用Vc编写，系统软件初始化上电之后，开始采集数据，采集过程中的设计流程如图7所示.

　　系统始终对6路模拟信号进行同时采集，每个采样周期开始前FPGA都更新采样率，采集到的数据由FPGA控制直接存储在双口RAM中，由FPGA发出中断信号通知DSP读取，之后DSP进行相关的电参量运算并且将数据通过USB接口与上位机进行通信.

　　4实验与分析

　　在实验室中利用横河WT30和由两台VSIl00系列矢量变频器与两台三相异步电机（1lkW,380V,22.6A,△接法）组成的测试系统做分析对比实验.在空载时读出的部分数据见表l的电参量实验数据，每一项的上一排是WT230测量的数据，下一排是系统测量的数据.

　　观察实验数据可以看出，系统设计原理是正确的，相对误差较小，数据波动比较大时可以采用滑动平均的方法来作为电参量的参考值.

　　5结束语

　　笔者设计的变频电源电参数测量系统是以FPGA和DSP为控制，采用新型A/D采样器件实现了一种变频电源同步测量系统，应用于变频电源的实时谐波分析及电参量的测量.通过实验数据的对比，验证了系统设计的正确性和可行性，该数据采集系统在高速的实时测控领域有着很高的应用价值和实际意义.