基于单片机的非正弦波平均功率的测量
1 引 言
本文引用地址://m.amcfsurvey.com/article/172097.htm目前,彩显及彩电等电子设备的交直流变换电路基本上都采用开关电源,由于开关电源的输入部分采用二极管整流和电容滤波的形式,致使输入端电压虽为正弦波,但电流波畸变为较大幅度的窄脉冲(图1),输入的电流波形可近似认为是矩形波。
现有的电功率测量仪表多数是针对工频正弦波的,测量含有高次谐波的非正弦电路,误差较大
〔1〕电路理论中定义的平均功率(即有功功率):P=UIcosθ已不能准确地表达电路负载实际消耗的功率。有关功率的测量主要有,时分割乘法器方法
〔2〕和利用单片机的数字测量方法
〔3〕本文介绍的非正弦波平均功率的测量方法不同于文献3介绍的方法,它同样可以较准确地测量出实际电路的平均功率。
2 测量原理
对于交直流变换电路,当输入电流i(t)为非正弦周期波形时,电流中含有基波分量和相当多的高次谐波分量。对图1的电流波形进行傅立叶分解可得下式:
因为只有相同频率的电压和电流才能产生平均功率,当输入电压仅含基波(50Hz)时,其有效值U=U1(基波),因此,输入平均功率除P1以外的P值均为0,即非正弦波周期电流电路的平均功率
基于上式,需要分别测得输入电压的有效值、输入电流的基波(50Hz)有效值以及输入电流基波与输入电压的相位差θ1,通过计算才能得到真正的平均功率。
3 系统硬件电路结构
硬件电路的总原理图示于图2。由于用电压、电流互感器来获取所需的两个模拟信号,A/D的输入通道地址选用了两路。
在A/D转换时间内,最大信号变化幅度应小于A/D转换器的量化误差,当转换时间越长,不影响转换精度所允许的信号其最高频率就越低,这将大大限制A/D转换器的工作频率范围〔4〕。因此,在满足转换精度的条件下提高模拟信号允许的工作频率,在A/D转换器之前采用了采样保持器LF398。LF398具有采样速度高、保持电压下降率低的特点。当外接保持电容选用0.01μF时,其输出电压下降率为3mV/s〔4〕。作为模数转换器的ADC0809属CMOS工艺逐次逼近型、可与微处理器兼容的8通路8位A/D转换器。当模拟输入电压范围为0~5V时,可使用单一的+5V电源。本设计中将ADC0809的正参考端Ref(+)与电源VCC一起接到了基准电压5.12V上,Ref(-)接到了地端GND上,最低位可表示的输入电压值为于 A/D 转换程序里先采样电流后采样电压,若要采集同一时刻里的电流和电压值,就要在电压采样通道里增设一个延时电路。从电压、电流互感器得到的两路信号要先转换为±2.5V的交流电压,再经50Hz带通滤波和电平移位电路,保证A/D转换器的输入为0~5V的模拟电压。开始转换时,ADC0809的EOC端为低电平,转换结束变为高电平,而采样保持器的控制端在高电平时采样、低电平时保持,因此,将ADC0809的EOC作为LF398的控制端,ADC0809 的控制信号来自单片机(图2)。
4 软件设计
4.1 采样次数N的确定
为使采样到的离散信号可与原模拟信号一致,根据采样定理,采样频率f应不小于信号频率的5~10倍。在一个周期Ts内均匀采样N个模拟量点,则采样周期为。单片机80C51的振荡频率设为6MHz,则,ALE输出是1MHz,二分频后作为ADC0809的时钟CLK(500kHz),一次转换需要28μs〔4〕。由下面的程序可以看到,每次同时采样两路,需时约260μs,每路一个周期(20ms)里最多可采样76.9个点。考虑到采样周期太短会对整体电路的速度要求较高、太长又会影响cosθ1的精度,兼顾这两方面,在一个工频周期里每隔5°采样一次。N值设为72,则对两路信号的采样频率是3.6kHz。
4.2 程序流程图
程序流程图如图3所示。
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