0 引言
隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,，人們對(duì)供電連續(xù)性、可靠性的要求越來越高,，按國家標(biāo)準(zhǔn)GB50052《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,，一級(jí)負(fù)荷與二級(jí)負(fù)荷要求由兩路電源供電，且對(duì)于一級(jí)負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷,，除要求兩路電源外,，還必須增設(shè)應(yīng)急電源，嚴(yán)禁將其他負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng),，雙電源" title="雙電源">雙電源供電系統(tǒng)已經(jīng)成為重要場(chǎng)合必須配備的裝置,。
通過對(duì)雙電源供電系統(tǒng)的市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，70％的故障出在控制器" title="控制器">控制器,，控制器質(zhì)量的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能,。目前市場(chǎng)上的雙電源供電系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制，處理速度慢,、精度低,、實(shí)時(shí)性差；高性能控制器主要依賴進(jìn)口,，但國外供電標(biāo)準(zhǔn),、供電環(huán)境與國內(nèi)有差異，國外的雙電源系統(tǒng)不能最大程度地體現(xiàn)其優(yōu)越性能,，價(jià)格昂貴,，性價(jià)比低。
目前市場(chǎng)上的雙電源供電系統(tǒng)基本為兩進(jìn)線系統(tǒng),，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,，通過控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)常用電源和備用電路的控制。
1 控制器系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本設(shè)計(jì)方案采用TI公司的TMS320F2812芯片作為控制核心,，通過信號(hào)采集和處理電路對(duì)常用和備用兩路電源的電壓及頻率狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè),，通過繼電器回路進(jìn)行兩路電源的切換，并將實(shí)時(shí)信息通過人機(jī)交互單元進(jìn)行顯示,，該控制器還通過CAN總線,、RS485總線實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程機(jī)的通訊，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,，控制器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示,。
2 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)與仿真
信號(hào)調(diào)理電路主要完成信號(hào)采集和信號(hào)處理，包含信號(hào)采集電路,、全波整流電路,、二階有源低通濾波電路三個(gè)部分。其中信號(hào)采集電路將常用電源和備用電源的220V交流電壓轉(zhuǎn)換" title="轉(zhuǎn)換">轉(zhuǎn)換為0～3V的交流信號(hào),；全波整流電路對(duì)弱交流信號(hào)進(jìn)行全波整流,，得到全波整流信號(hào),；二階有源低通濾波電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波，將基波在內(nèi)的高次諧波進(jìn)行濾除,，得到全波信號(hào)的直流分量,，通過直流分量與有效值的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電壓的測(cè)量。
2．1 信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)
信號(hào)采集電路主要實(shí)現(xiàn)將常用電源和備用電源的220V交流電壓轉(zhuǎn)換為弱電壓信號(hào),，系統(tǒng)是采用電流型電壓互感器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的,，交流電壓信號(hào)采集電路圖如圖3所示。
2．2 全波整流電路的設(shè)計(jì)
(1)全波整流電路的設(shè)計(jì),。全波整流電路由正半波整流電路和反相器構(gòu)成,，如圖4所示。
其中由運(yùn)放器U1A,、二極管D1,、D2和電阻R1、R2構(gòu)成了正半波整流電路,。當(dāng)輸入信號(hào)源Vin處于正半周時(shí),，二極管D1導(dǎo)通，D2截止,，運(yùn)算放大器U1A工作在閉環(huán)狀態(tài),，則由電阻R3、R4,、R5和運(yùn)放器U1C構(gòu)成的加法器輸出為：
令R1=R2=R3=R4=2R5,，則總的輸出電壓為Vout=Vin，顯然當(dāng)Vin為負(fù)半周時(shí),，二極管D1截止,，D2導(dǎo)通，輸出Va=0=0,，總輸出為Vout=-Vin,，由以上分析可知Vout=|Vin|。
(2)全波整流電路的仿真,。將圖5所示的電路在NiMultism 11環(huán)境中進(jìn)行仿真,，其中Vin為50Hz、1Vpk的交流激勵(lì)信號(hào),，接入虛擬示波器后，得出的仿真結(jié)果如圖5所示,。圖中,，Channel A波形為Vin的波形圖，Channel B波形為Vout的波形圖,。
從仿真結(jié)果中可以看到,，Vout的幅值為1Vpk,，頻率為100Hz，沒有信號(hào)失真現(xiàn)象,，效果好,，較好地得到了交流激勵(lì)信號(hào)的全波整流波形，實(shí)現(xiàn)了全波整流,。
(3)全波整流電路信號(hào)分析,。假設(shè)交流激勵(lì)信號(hào)為Vin=Ecos(ω0t)，則交流激勵(lì)信號(hào)經(jīng)過全波整流電路所得到的信號(hào)為Vout=E|cos(ω0t)|,，Vout進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開,，則有：
由上式可見，Vout由直流分量Vd和周期分量Vp兩部分組成,。
其中Vd又稱為直流分量,，為
周期全波余弦信號(hào)的有效值為
信號(hào)的直流分量Vd與有效值V的關(guān)系為
可以看出，信號(hào)的有效值完全可以通過信號(hào)的直流分量計(jì)算得出,，因此在對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理時(shí),，將信號(hào)的周期分量濾除，只留下直流分量,，通過軟件計(jì)算得出信號(hào)的有效值,。
2．3 二階有源低通濾波器的設(shè)計(jì)
二階有源低通濾波器的電路如圖6所示。
(1)二階有源低通濾波器系統(tǒng)傳遞函數(shù),。令圖中R1=R2=R,，C1=C2=C，則系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為
(2)二階有源低通濾波器的仿真結(jié)果,。將圖6所示的二階濾波電路在Ni Multisim 11環(huán)境下進(jìn)行仿真,，令R1=R2=47k，C1=C2=0．22 μf,，輸入為1Vpk的全波余弦信號(hào),，得出該濾波電路的幅頻響應(yīng)與輸出信號(hào)的波形圖分別如圖7、圖8所示,。
通過圖7可以看出,，若周期全波余弦信號(hào)的基波頻率為100Hz時(shí)，幅值衰減33dB,，基本可以忽略,，其三次和高次諧波基本衰減為零。
從圖8中可以看到,，峰值為1．1V的周期全波余弦信號(hào)經(jīng)二階有源濾波電路濾波后,，只剩下幅值為0．694V的直流分量，濾除效果較好,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)周期全波余弦信號(hào)的濾波,。
3 軟件設(shè)計(jì)
電壓檢測(cè)通過DSP" title="DSP">DSP2812的片內(nèi)外設(shè)A／D單元完成,，實(shí)時(shí)檢測(cè)常用電源和備用電源的電壓值，并將測(cè)得的電壓有效值送給液晶顯示,、通訊模塊及故障處理模塊進(jìn)行處理,。
3．1 DSP2812的A／D單元的工作原理
DSP2812的A／D單元共有16個(gè)轉(zhuǎn)換通道，可采集0～3V的電壓信號(hào),，可設(shè)置為軟件觸發(fā)或EV中的事件源觸發(fā)A／D轉(zhuǎn)換,，當(dāng)A／D單元接收到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，自動(dòng)開始模數(shù)轉(zhuǎn)換,，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果自動(dòng)存入結(jié)果寄存器ADCRESULT中,，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)到來時(shí)，進(jìn)入ADCINT中斷服務(wù)程序進(jìn)行相應(yīng)處理,。
3．2 電壓檢測(cè)流程
本系統(tǒng)中,，設(shè)置ADCINB3通道作為系統(tǒng)A／D采樣的通道，EV模塊的通用定時(shí)器GP Timer3的周期中斷作為A／D轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號(hào),，每當(dāng)觸發(fā)信號(hào)SOC(Start of Convert)到來時(shí),，A／D開始轉(zhuǎn)換；當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC(End of Convert)到來時(shí),，進(jìn)入A／D中斷服務(wù)程序,，對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行有效值計(jì)算，并利用混合濾波算法對(duì)有效值進(jìn)行數(shù)字濾波,，得出理想的電壓有效值,。
ADC單元的中斷服務(wù)程序如下所示：
4 硬件測(cè)試與分析
通過Tektronix的TDS2012B數(shù)字示波器對(duì)電路進(jìn)行實(shí)測(cè)，其中測(cè)得的全波整流信號(hào)波形和二階有源濾波器波形如圖9,、圖10所示,。
(1)通過圖9與圖5全波整流信號(hào)仿真圖比較可以看出，仿真波形與實(shí)測(cè)波形吻合,，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了硬件電路中全波整流電路模塊設(shè)計(jì)的正確性,。
(2)通過圖10與圖8二階有源濾波信號(hào)的仿真圖比較可以看出，仿真圖與實(shí)測(cè)圖吻合,，實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了硬件電路中二階有源低通濾波電路模塊設(shè)計(jì)的正確性,。
經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后的信號(hào)通過DSP2812的片內(nèi)AD轉(zhuǎn)換后，得出該信號(hào)的電壓有效值為1．43V,，驗(yàn)證了該模塊軟件設(shè)計(jì)的正確性,，在CCS環(huán)境中進(jìn)行在線調(diào)試，電壓測(cè)試結(jié)果如圖11所示,。
通過軟件調(diào)試結(jié)果可以看出,，軟件測(cè)試、硬件測(cè)試結(jié)果均與系統(tǒng)仿真結(jié)果相同,，驗(yàn)證了系統(tǒng)硬件,、軟件設(shè)計(jì)的正確性。