CN105974181B - 基于fpga板卡技术的交流电压rms值快速检测方法 - Google Patents

基于fpga板卡技术的交流电压rms值快速检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA板卡技术的交流电压RMS值快速检测方法,包括如下步骤:定时采集交流电波形瞬时电压值；采用模拟周期测量函数定阀值方式测量实时电压波形周期；利用电压波形周期值取整作为存储器大小，求实时电压值平方后循环存入存储器；利用电压平方值求得交流电的RMS。本发明采用窗口滑动式解析方式，利用高速采样和运算能力的FPGA板卡，对每获取一个或若干个电压瞬时值，实时运算出该时刻上推一个周期内RMS值，运算时间优于0.1ms，克服了现有交流电RMS测量技术误差大、实时性差的缺陷，有着很好的工程应用价值。

Description

基于FPGA板卡技术的交流电压RMS值快速检测方法
技术领域
本发明属于测控领域，特别涉及一种信号的解析算法，用于交流发电机系统输出电压周期均方根值的连续、快速、精确实时检测，并可将检测技术应用于交流发电机数字调压器。
背景技术
电压的交流有效值(RMS)又叫均方根值，物理意义为交流电在一段时间内发生功率的等效直流电压，数学意义为一段连续波形内均方根值，目前测控领域主要有模拟解析和计算机数采解析两种检测方式。模拟解析的方法主流真有效值检测芯片有AD536和AD736，对输入信号而言带宽从1kHz至几百kHz不等，但偏向于交流RMS转直流的稳定性，输出要求低通滤波，实测解析信号动态响应时间一般在10ms左右或更长。计算机数采解析由于计算机用户运算速度的限制，以美国NI虚拟仪器labview为代表，目前测控领域针对交流电压RMS解析通常为过零周期检测算法，相对于航空中频发电机400Hz左右的交流电压而言，一个电压周期，即2.5ms以上才能解析出一个RMS值，如果是工频50Hz交流电，至少需要20ms才能解析出一个RMS值，解析原理决定，与采样率和带宽无关。
而通常发电机动态响应主要表现为负载特性，即加载或减载后电压(RMS值)波动范围与恢复时间，拿400Hz中频电来说，负载特性曲线有效波动范围一般根据负载的轻重以及调压器的性能不同在几ms至几十ms之间，国军标对幅值波动和恢复时间有明确的要求，时间分辨率不够的话，我们得到的测试曲线在有效波动时间范围内看到的是相距很“远”的离散的点，连起来是一段一段的折线，这样我们无法获得RMS值波动的准确阈值和时间。目前行业内主要采用事后拟合分析的方式，即将发电机电压连续采集保存下来，事后将已知数据逐周期解析出RMS值，再通过数学手段拟合成相对平滑的曲线。
但这种方式是“分析”出来的，而不是“测量”出来的，通常被测对象数学模型是不确定的，而且调试过程中关键参数都在根据需要进行调整变化，因此时间和阈值测量误差较大甚至原理性错误，不适用于临界条件分析，而且不是实时数据，无法作为电压反馈进行数字化闭环调压应用。而且针对航空发电机电压动态测试而言，有效数据解析间隔时间至少要优于0.1ms，才能获得比较理想的动态响应曲线，现有技术无法满足测试要求。
发明内容
为解决上述背景技术的不足,本发明提出了基于FPGA板卡技术的交流电压RMS值快速检测方法,来克服现有交流电RMS测量误差大、测量周期长、实时性差的缺陷。
为实现上述目的，本发明公开了一种基于FPGA板卡技术的交流电压RMS值快速检测方法,包括如下步骤:
第一步，定时采集交流电波形瞬时电压值，分别存入终端缓存1和终端缓存2；
第二步，读取所述终端缓存1中存储的交流电瞬时电压值，采用模拟周期测量函数定阈值方式测量实时电压波形周期，以采样点数表示，并将结果写入寄存器；
第三步，读取所述寄存器内电压波形周期值，取整作为存储器大小，读所述取终端缓存2中的实时电压值，求平方后循环存入存储器；
第四步，循环读取所述存储器内保存的电压平方值，并累加求和、求平均、开方后求得所述交流电的RMS；
进一步地，所述采用模拟周期测量函数定阈值方式测量实时电压波形周期，是采用窗口滑动式解析方式，每获取一个或若干个电压瞬时值，实时运算出该时刻上推一个周期内RMS值。
进一步地，所述实时运算一个周期内RMS值是采用具备高速采样和运算能力的FPGA板卡，确保每获取一个或若干个电压瞬时值，在优于0.1ms时间内即可根据下式计算出所述交流电一个周期内的RMS值，
式中N表示一段时间内采样点总数，xi为第i个采样点的电压值。
本发明的有益效果:采用窗口滑动式解析方式，利用高速采样和运算能力的FPGA板卡，对每获取一个或若干个电压瞬时值，实时运算出该时刻上推一个周期内RMS值，运算时间优于0.1ms。克服了现有交流电RMS测量技术误差大、实时性差的缺陷。另外，本发明可实时测量交流发电机负载特性曲线，提高时间分辨率；可提高发电机电压RMS值保护速度，防止误动作；解析的交流电压RMS值作为反馈用于发电机数字调压器可大大降低反馈环节时间常数，提高闭环控制动态响应，有着很好的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中算法流程图；
图2为本发明的一个实施例中定时采集电压瞬时值G语言图形化编程实现；
图3为本发明的一个实施例中采用模拟周期测量函数定阈值方式测量实时电压波形周期G语言图形化编程实现；
图4为本发明的一个实施例中求实时交流电压值平方值G语言图形化编程实现；
图5为本发明的一个实施例中循环读取所述存储器内保存的电压平方值，并累加求和、求平均、开方求交流电RMS值G语言图形化编程实现；
图6为本发明的一个实施例中实测某次发电机负载响应动态波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种基于FPGA板卡技术的交流电压RMS值快速检测方法,，参考图1所示，包括如下步骤:
第一步，定时采集交流电波形瞬时电压值，分别存入终端缓存1和终端缓存2；
第二步，读取所述终端缓存1中存储的交流电瞬时电压值，采用模拟周期测量函数定阈值方式测量实时电压波形周期，以采样点数表示，并将结果写入寄存器；
第三步，读取所述寄存器内电压波形周期值，取整作为存储器大小，读所述取终端缓存2中的实时电压值，求平方后循环存入存储器；
第四步，循环读取所述存储器内保存的电压平方值，并累加求和、求平均、开方后求得所述交流电的RMS；
进一步地，所述采用模拟周期测量函数定阈值方式测量实时电压波形周期，是采用窗口滑动式解析方式，每获取一个或若干个电压瞬时值，实时运算出该时刻上推一个周期内RMS值。
进一步地，所述实时运算一个周期内RMS值是采用具备高速采样和运算能力的FPGA板卡，确保每获取一个或若干个电压瞬时值，在优于0.1ms时间内即可根据下式计算出所述交流电一个周期内的RMS值，
式中N表示一段时间内采样点总数，xi为第i个采样点的电压值；
本发明另一实施例中，请参考图2～图5，采用LEM公司高带宽高压电压传感器CV3-500，额定电压0～500V，信号输出0～10V，带宽DC-300kHz，对发电机高压信号进行调理后送入数据采集板卡；采用NI公司USB-7855R，内置FPGA处理器，最大采样率1MS/s，板载时钟频率40MHz，支持倍频到80MHz。采用Labview编程，G语言图形化编程，快速便捷，包括以下四步：
第一步，请参考图2，定时采集电压瞬时值，主频80MHz，定时100个时钟周期，即采样率0.8MS/s，同步写入预先创建的两个终端缓存，其中一个用于同步检测电压波形周期，另一个用于实时RMS值运算；
第二步，请参考图3，读取其中一个缓存内存储的瞬时值，采用模拟周期测量函数定阈值方式测量实时电压波形周期，以采样点数表示，写入寄存器；
第三步，请参考图4，读取寄存器内周期值，取整作为存储器大小，将实时电压值求平方后循环存入存储器；
第四步，请参考图5，循环读取存储器内保存的电压值得平方并累加求和、求平均、开方后写入预先创建的终端到主机的缓存，留作上位机定时获取波形数据。
本发明另一实施例中，以400Hz航空发电机测试,在频率随时间变化的情况下，周期检测更新时间为一个波形周期2.5ms，以额定拖动转速8000rpm的发电机为例，目前接触到的最极限的测试情况是，速度斜坡2000rpm/s，也就是说频率变化率最大达到100Hz/s，以过零点为参考，设下一个波形周期为x，因为频率变化率已知，那么有以下等式：
400Hz±100Hz/s*x＝1/x；
加速时x≈2.4984ms，减速时，x≈2.5015ms，因数字采样是离散点，设板卡设置采样率为1MS/s，每秒采样数据1M，周期为2.5ms时我们采样2500点，可以理解为下一个波形周期内增/减1～2个点，由于波形周期的渐变特性，中间的窗口采样点可以认为几乎不变，即便这1～2个点全部落在峰值附近，相对整个波形周期内2500个离散点的RMS值计算，影响也是微乎其微的。按最大值估算，因频率变化对该解析算法的附加误差最大不足测量值的0.04％，正常测试情况下还要低得多。
请参考图6，为利用本发明实测某次发电机负载响应动态波形。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.基于FPGA板卡技术的交流电压RMS值快速检测方法,其特征在于，包括如下步骤:
第一步，定时采集交流电波形瞬时电压值，分别存入终端缓存1和终端缓存2；
第二步，读取所述终端缓存1中存储的交流电瞬时电压值，采用模拟周期测量函数定阈值方式测量实时电压波形周期，以采样点数表示，并将结果写入寄存器；
第三步，读取所述寄存器内电压波形周期值，取整作为存储器大小，读取所述终端缓存2中的实时电压值，求平方后循环存入存储器；
第四步，循环读取所述存储器内保存的电压平方值，并累加求和、求平均、开方后求得所述交流电的RMS；
所述采用模拟周期测量函数定阈值方式测量实时电压波形周期，是采用窗口滑动式解析方式，每获取一个或若干个电压瞬时值，实时运算出上推一个周期内RMS值。
2.如权利要求1所述基于FPGA板卡技术的交流电压RMS值快速检测方法,其特征在于，所述实时运算一个周期内RMS值是采用具备高速采样和运算能力的FPGA板卡，确保每获取一个或若干个电压瞬时值，在优于0.1ms时间内即可根据下式计算出所述交流电一个周期内的RMS值，
式中N表示一段时间内采样点总数，xi为第i个采样点的电压值。
3.如权利要求2所述基于FPGA板卡技术的交流电压RMS值快速检测方法,其特征在于，计算出所述交流电一个周期内的RMS值附加误差最大不足测量值的0.04％。
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