CN108872669B - 用于感应分流器的pid控制误差补偿系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于感应分流器的PID控制误差补偿系统及其方法，包括：检测模块、PID误差控制子系统和补偿模块；检测模块用于感应所述辅助铁心T2的磁势，并得到所述感应分流器的等效电流误差量；PID误差控制子系统用于采样等效电流误差量，并将采样信号进行PID处理并得到模拟信号；补偿模块通过模拟信号产生磁势，用于补偿所述感应分流器的等效电流误差量，以使所述主铁心T1中的磁通为零。本发明能抵消感应分流器励磁所产生的误差，降低误差所带来的影响，从而提高感应分流器的测量精度。

Description

用于感应分流器的PID控制误差补偿系统及其方法

技术领域

本发明涉及自动控制中的PID控制领域，具体的说是一种用于感应分流器的PID控制误差补偿系统及其方法。

背景技术

随着交流输变电技术的发展，对于工频交流电的测量和计量上提出了越来越高的要求，尤其是工频电流测量的量程和准确度方面，需要很高的水准。早期工频电流测量器具是一种电阻式的分流器，这种电阻式的分流器结构简单，准确度高，但是在大电流使用下会出现过热的情况。虽然目前电阻式的分流器仍然用于计量工频电流，但是在过热情况下产生的阻值变化和能量损耗已经成为不可忽视的问题。

感应分流器有很多种类，感应分流器包括单盘感应分流器和多盘感应分流器，而单盘感应分流器可以做成单级结构，也可以做成多级结构。常用的双级感应分流器主要由主铁心T1、辅助铁心T2、比例绕组Wx、补偿绕组WC构成。其中，主铁心上均匀绕制补偿绕组，然后在辅助铁心外绕制比例绕组，比例绕组根据需要分段绕制，若是分十段绕制的，包括头尾共有十一个抽头，补偿绕组的匝数与十段比例绕组匝数总和相等。辅助铁心也可以设计成屏蔽结构铁心，同时起到屏蔽杂散磁场的作用。双级感应分流器误差主要由励磁误差、磁性误差和容性误差组成，其中现有的技术能够通过调整感应分流器的绕制方式和容性泄露来减小磁性误差和和容性误差，但是对于感应分流器误差起主导作用的励磁误差仍然无法弥补。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足之处，提供一种用于感应分流器的PID控制误差补偿系统及其方法，以期能抵消感应分流器励磁所产生的误差，降低误差所带来的影响，从而提高感应分流器的测量精度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种用于感应分流器的PID控制误差补偿系统，所述感应分流器为双级式感应分流器，并包括：检测绕组、二次补偿绕组、一次补偿绕组、比例绕组Wx、主铁心T1和辅助铁心T2；其特点是，所述PID控制误差补偿系统包括：检测模块、PID误差控制子系统和补偿模块；

所述检测模块为单层检测绕组W_D，用于感应所述辅助铁心T2的磁势，并得到所述感应分流器的等效电流误差量；

所述PID误差控制子系统包括：信号偏置模块、采样模块、PID控制器、输出模块、锁相模块；

所述信号偏置模块为放大器组成的直流偏置电路，用于接收所述等效电流误差量并进行处理得到带直流偏置的采样信号；

所述采样模块用于对所述采样信号进行消除噪声处理，得到消噪后的采样信号；

所述PID控制器用于对所述消噪后的采样信号进行PID处理，得到误差补偿的数字信号；

所述输出模块利用DA模块，将所述数字信号转为模拟信号并提供给所述补偿模块；

所述锁相模块用于将所述消噪后的采样信号和所述输出模块输出的模拟信号进行锁相处理，使得所述输出模块的输出与所述采样信号同相位；

所述补偿模块为单层补偿绕组W_C，并通过所述模拟信号产生磁势，用于补偿所述感应分流器的等效电流误差量，以使所述主铁心T1(5)中的磁通为零。

本发明一种用于感应分流器的PID控制误差补偿方法的特点是应用于由检测绕组、二次补偿绕组、一次补偿绕组、比例绕组Wx、主铁心T1和辅助铁心T2所组成的双级式感应分流器中；所述PID控制误差补偿方法是按如下步骤进行：

步骤1、利用单层检测绕组W_D感应所述辅助铁心T2的磁势，并得到所述感应分流器的等效电流误差量；

步骤2、通过由放大器组成的直流偏置电路对所述等效电流误差量进行处理，得到带直流偏置的采样信号；

步骤3、对所述带直流偏置的采样信号进行消除噪声处理，得到消噪后的采样信号；

步骤4、初始化n＝1；

步骤5、对所述消噪后的采样信号进行第n次PID处理，得到第n次的误差补偿的数字信号并转换为第n次的模拟信号；

步骤6、将所述消噪后的采样信号和所述第n次的模拟信号进行第n次的锁相处理，使得所述第n次的模拟信号与所述采样信号同相位；

步骤7、根据所述第n次的模拟信号，利用单层补偿绕组W_C产生磁势，用于第n次补偿所述感应分流器的等效电流误差量；

步骤8、将n+1赋值给n，并返回步骤5执行，直到所述等效电流误差量为零。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明PID控制误差补偿系统通是由检测模块、PID误差控制子系统和补偿模块组成，通过PID控制误差补偿子系统提取感应分流器的励磁误差，并将处理后的误差信号作为补偿电流重新注入到补偿模块，从而补偿了感应分流器的励磁误差，减小了感应分流器的测量误差。

2、本发明检测模块由单层绕组绕制，一般应绕制较多的匝数，以提高检测的精确度。通过检测模块，可以检测出感应分流器的励磁误差，将励磁误差以检测电势的形势变现出来。以满足后续放大模块和补偿模块对误差信号的处理和误差补偿。

3、本发明PID误差控制子系统包括：信号偏置模块、采样模块、PID控制器、输出模块、锁相模块；通过PID控制的原理产生满足理想情况下的感应分流器补偿电流，使补偿电流产生合适的磁势与励磁误差相抵，减小了感应分流器在测量过程中的误差，提高了感应分流器的测量精度。

4、本发明补偿模块是由单层绕组绕制，一般应与比例绕组二次匝数相等，以便于补偿感应分流器的励磁误差。输出模块输出的电流在补偿模块中产生补偿电流，保证了主铁心中的磁通为零，使得负载全部由辅助铁心及外加补偿电路产生的磁势承担。

附图说明

图1为现有技术中感应分流器的结构示意图；

图2为本发明PID控制误差补偿系统的工作原理图；

图3为本发明PID控制误差补偿子系统的原理图；

图中标号：1检测绕组W_D；2二次补偿绕组W_C；3一次补偿绕组；4比例绕组Wx；5主铁心T1；6电屏蔽装置；7磁屏蔽装置；8辅助铁心T2。

具体实施方式

本实施例中，一种用于感应分流器的PID控制误差补偿系统，如图1所示，感应分流器为双级式感应分流器，其中包括检测绕组1、二次补偿绕组2、一次补偿绕组3、比例绕组Wx4、主铁心T1和辅助铁心T2；如图2所示，感应分流器的PID控制误差补偿系统包括：检测模块、PID误差控制子系统和补偿模块；

PID误差控制子系统输入端与检测模块的一端相连，用于对感应分流器的误差信号进行接收；PID误差控制子系统的输出端与补偿模块的一端相连，用于对等效电流误差量进行放大处理；PID误差控制子系统的接地端与检测模块的另一端以及补偿模块的另一端为同一地。

检测模块为单层检测绕组W_D，用于感应辅助铁心T2(8)的磁势，并得到感应分流器的等效电流误差量；

检测模块为感应分流器的检测绕组W2，单层650匝绕制，线径为0.51mm。检测模块用以检测出感应分流器二次侧与一次侧等效电流的误差量，即是励磁电流，检测绕组上的感应电势与这个励磁电流成正比。检测模块获取的检测信号被传递至PID误差控制子系统。检测模块用于感应辅助铁心T22的磁势，从而检测感应分流器的等效电流误差量；具体实施中，单层检测绕组W_D应绕制尽可能多的线圈，以提高对误差的检测精度；

如图3所示，PID误差控制子系统包括：信号偏置模块、采样模块、PID控制器、输出模块、锁相模块；

信号偏置模块处理误差信号并传递给采样模块进行采样处理，然后采样处理后的信号进入控制器进行PID处理，处理后的信号转化为模拟信号输出。锁相模块保持采样信号和输出信号同相位。

信号偏置模块为放大器组成的直流偏置电路，用于接收等效电流误差量并进行处理得到带直流偏置的采样信号；

检测模块获取的等效电流误差量是一个标准的正弦信号，对于这种信号的处理，不能直接采样，要将这种模拟信号加上直流偏置然后可方便用于进行采样处理。

采样模块用于对采样信号进行消除噪声处理，得到消噪后的采样信号；

未经处理的检测电流采样数据噪声大，难以进行控制，需要通过求平均值、限幅滤波等处理之后，才能得到比较准确的正弦波数据，然后再对这些数据进行分析，求出正弦波的最大值最小值和中位值；

PID控制器用于对消噪后的采样信号进行PID处理，得到误差补偿的数字信号；

采集到的信号转化为可以由单片机处理的数字量，单片机首先对数字信号进行滤波，消除噪声影响。然后在进入PID算法，将输出信号保持，通过对误差量(采集信号)的不断处理，进而提高输出信号的精确度；

输出模块利用DA模块，将数字信号转为模拟信号并提供给补偿模块；

使用单片机内置的DA模块，输出正弦波的方法是通过建立正弦数据表，然后利用DA从数据表中取数据再输出。具体做法就是首先建立一个数据，这个数组里面的数据是按正弦规律变化的，如果使用100个点来描绘一个正弦波周期，正弦波周期为1s，那么第0sDA输出为sin(0*2*pi/100)，0.01s输出为sin(1*2*pi/100)，0.02s输出为sin(2*2*pi/100)这样1s之后就描绘出一幅正弦波波形，并且可以通过增加正弦波一个周期内取的点的个数来提高质量；

锁相模块用于将消噪后的采样信号和输出模块输出的模拟信号进行锁相处理，使得输出模块的输出与采样信号同相位；

数字电路和模拟电路相位不同步，需要把DA输出的正弦波和输入信号锁相，在这里根据之前采样模块分析出零点，当AD采样器发现输入正弦波过零点使，控制DA输出也和此波形同相位即可。

补偿模块为单层补偿绕组W_C，并通过模拟信号产生磁势，用于补偿感应分流器的等效电流误差量，以使主铁心T1(5)中的磁通为零。

补偿模块用于产生磁势并补偿感应分流器的误差量，从而使主铁心T15中的磁通为零；具体实施中，单层补偿绕组W_C与比例绕组Wx4的匝数相同，使补偿绕组产生的磁势容易与励磁磁势，既是励磁误差，相抵消。进而使感应分流器的误差趋近于零。

本实施例中，感应分流器本身依靠电磁感应的原理进行工作，感应分流器工作时，其比例绕组内发生电磁感应现象。通过比例绕组的电磁感应现象对通过的比例绕组的电流进行测量。

感应分流器由主铁心T1、辅助铁心T2、比例绕组W2、一次补偿绕组WB1和二次补偿绕组WB2构成。

如图3所示PID误差控制子系统为单片机构成的信号处理系统，对感应分流器检测信号进行误差处理，该PID误差控制子系统的信号输入端与单层检测绕组WD的一端相连，PID误差控制子系统的信号输出端与单层补偿绕组WC的一端相连，用于对等效电流误差量进行放大处理；PID误差控制字系统的地线与单层检测绕组WD的另一端和单层补偿绕组WC的另一端共地；

感应分流器误差补偿的方法具体包括如下内容：感应分流器励磁误差存在于感应分流器原理中，对感应分流器的结构优化并不能完全消除励磁误差的存在。检测模块作为一种检测误差的模块，通常绕制较多的匝数，以检测出较为精确的感应分流器励磁误差。PID误差控制子系统作为一种误差补偿的系统，通过PID控制的原理产生满足理想情况下的补偿电流，使补偿电流产生合适的的磁势与励磁误差相抵消。检测电流为励磁磁势与补偿磁势之差在检测绕组内通过的电流。当感应分流器工作时，且比例绕组处于无补偿状态，产生励磁误差，进而感应产生检测电流。检测电流经检测模块测量后经PID误差控制字系统处理注入回补偿模块，补偿模块产生补偿磁势。在补偿磁势与励磁误差大致相等的状态下，感应分流器处于零磁通状态，此时感应分流器拥有较高的测量精度。

有关感应分流器PID补偿方法的理论公式推导如下：

已知通常PID控制的方程表示入选下：

e(t)＝r(t)-y(t) (1)

当感应分流器正常工作时，比例绕组中通过一次电流I₁和二次电流I₂，同时给辅助铁心T2励磁，则有磁势平衡方程：

I₁N₁+I₂N₂＝I₀N₁ (2)

其中，I₀为辅助铁心上励磁电流。

由于主铁心T1嵌套于辅助铁心T2和比例绕组，因此第一级互感器的励磁磁势I₀N₁给主铁心T1励磁，则绕制在主铁心上的检测绕组ND产生感应电流I_D，则有磁势平衡方程：

I₀N₁+I_DN_D＝I_0DN₁ (3)

其中，I_0D为主铁心上励磁电流。

检测绕组ND产生的感应电势通过PID误差补偿系统可以在在补偿绕组NC上产生相应补偿电压和补偿电流I_C。

此时对应PID公式，检测绕组的感应电流I_D即是误差e(t)，实际辅助铁心上的励磁电流I₀即使期望值r(t)，PID系统输出补偿电流I_C即是输出值y(t)。

这样，根据PID的调节原理，就可以将感应分流器的误差降低至最小。

本实例中，一种感应分流器的PID误差补偿方法，具体来说是按如下步骤进行：

步骤1、利用单层检测绕组W_D感应辅助铁心T2(8)的磁势，并得到感应分流器的等效电流误差量；

步骤2、通过由放大器组成的直流偏置电路对等效电流误差量进行处理，得到带直流偏置的采样信号；

步骤3、对带直流偏置的采样信号进行消除噪声处理，得到消噪后的采样信号；

步骤4、初始化n＝1；

步骤5、对消噪后的采样信号进行第n次PID处理，得到第n次的误差补偿的数字信号并转换为第n次的模拟信号；

步骤6、将消噪后的采样信号和第n次的模拟信号进行第n次的锁相处理，使得第n次的模拟信号与采样信号同相位；

步骤7、根据第n次的模拟信号，利用单层补偿绕组W_C产生磁势，用于第n次补偿感应分流器的等效电流误差量；

步骤8、将n+1赋值给n，并返回步骤5执行，直到等效电流误差量为零。

由该方法设计的带PID控制误差补偿的感应分流器具有较高的测量精度。

Claims (1)

1.一种用于感应分流器的PID控制误差补偿方法，其特征是应用于由检测绕组(1)、二次补偿绕组(2)、一次补偿绕组(3)、比例绕组Wx(4)、主铁心T1(5)和辅助铁心T2(8)所组成的双级式感应分流器中；所述PID控制误差补偿方法是按如下步骤进行：

步骤1、利用单层检测绕组W_D感应所述辅助铁心T2(8)的磁势，并得到所述感应分流器的等效电流误差量；

步骤2、通过由放大器组成的直流偏置电路对所述等效电流误差量进行处理，得到带直流偏置的采样信号；

步骤3、对所述带直流偏置的采样信号进行消除噪声处理，得到消噪后的采样信号；

步骤4、初始化n＝1；

步骤5、对所述消噪后的采样信号进行第n次PID处理，得到第n次的误差补偿的数字信号并转换为第n次的模拟信号；

步骤6、将所述消噪后的采样信号和所述第n次的模拟信号进行第n次的锁相处理，使得所述第n次的模拟信号与所述采样信号同相位；

步骤7、根据所述第n次的模拟信号，利用单层补偿绕组W_C产生磁势，用于第n次补偿所述感应分流器的等效电流误差量；

步骤8、将n+1赋值给n，并返回步骤5执行，直到所述等效电流误差量为零。

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