CN206020966U - 一种动态调整采样、控制精度的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种动态调整采样、控制精度的装置，该装置包括模拟信号调理模块，用于对模拟信号进行放大或跟踪；模数转换模块；信号处理输出控制模块，用于采集模拟信号并进行运算处理，根据处理结果生成并输出相应的控制信号，调整采样精度和/或控制精度；模数转换模块的模拟信号输入端和数字信号输出端分别连接模拟信号调理模块的模拟信号输出端和信号处理输出控制模块的采样信号输入端；信号处理输出控制模块控制连接模拟信号调理模块。该装置既有效解决了电能质量治理设备和新能源发电设备在中小功率下输出电能质量差的问题，又降低了大功率输出时的有功损耗，从而使设备在全部输出范围内都能保持很好的输出电能质量和较低的有功损耗。

Description

一种动态调整采样、控制精度的装置

技术领域

本实用新型涉及一种动态调整采样、控制精度的装置，具体涉及一种电能质量治理和新能源发电领域应用的动态调整采样、控制精度的装置。

背景技术

新能源发电(风力发电和太阳能发电)，作为清洁的可再生能源，得到了政府的大力支持，近年来实现了跨越式发展。其能量的传递和转换都是建立在电力电子技术的基础上，大规模的新能源发电设备并网使得大量的电力电子转换器引入到电力系统中；随着电力电子技术的广泛应用和发展，大量的非线性负载也加入到了供电系统中，因此，大规模新能源发电设备的引入会对电力系统造成严重的污染，产生更为严重的电能质量问题。

随着科技的发展，用户对电能质量的要求也越来越高。改善电能质量对于电网的安全、经济运行，保障工业产品质量和科学实验的正常进行以及降低能耗等均有重要意义。我国电能质量治理产业已经快速崛起，在电能质量治理设备领域取得了不俗的成绩。

现有电能质量治理设备和新能源发电设备均存在一个普遍现象，在额定功率下输出效果都相对比较理想，但在中小功率下输出电能质量差，电流波形畸变严重，污染电网。而且在大功率下过高的采样精度和控制精度，造成采样信号溢出，设备损耗较高。

实用新型内容

本实用新型提供了一种动态调整采样、控制精度的装置，以解决现有电能质量治理设备和新能源发电设备的采样精度和控制精度过高或过低导致其输出电能质量差，设备损耗较高的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型的动态调整采样、控制精度的装置包括：

模拟信号调理模块，用于对模拟信号进行放大或跟踪；

模数转换模块，用于模拟信号到数字信号的转换；

信号处理输出控制模块，用于采集模拟信号并进行运算处理，根据处理结果生成并输出相应的控制信号，实现对采样精度和/或控制精度的调整；

所述模数转换模块的模拟信号输入端Pin2和数字信号输出端Pout2分别连接模拟信号调理模块的模拟信号输出端Pout1和信号处理输出控制模块的采样信号输入端Pin3；所述信号处理输出控制模块控制连接所述模拟信号调理模块，用于调节模拟信号调理模块的放大倍数。

所述信号处理输出控制模块控制连接所述模数转换模块，用于调节模数转换模块的模拟输入范围。

所述模拟信号调理模块包括运放和增益电阻调节电路，增益电阻调节电路包括并联的至少两个串联支路，所述串联支路由电阻和由信号处理输出控制模块控制通断的开关串联组成；所述增益调节电路连接在运放的反相输入端与地之间。

所述模拟信号调理模块包括三运放仪表放大器和增益电阻调节电路，所述增益电阻调节电路包括并联的至少两个串联支路，所述串联支路由电阻和由信号处理输出控制模块控制通断的开关串联组成。

所述模拟信号调理模块为可编程增益放大器。

本实用新型的有益效果是：本实用新型的装置能够使电能质量治理设备和新能源发电设备在不同输出功率下动态调整采样精度或/和控制精度，在中小功率下提高采样精度和控制精度，以提高输出的电能质量；在大功率下降低采样精度和控制精度，以避免采样信号溢出，降低设备损耗。既有效解决了电能质量治理设备和新能源发电设备在中小功率下输出电能质量差的问题，又降低了大功率输出时的有功损耗，从而使设备在全部输出范围内都能保持很好的输出电能质量和较低的有功损耗。

本实用新型设计简单，实用性高，可移植性强。

附图说明

图1为本实施例的动态调整采样、控制精度装置的结构图；

图2为本实施例的动态调整采样、控制精度方法的工作流程图；

图3为标准三运放仪表放大器；

图4为本实施例的动态调整采样、控制精度装置的电路原理图；

图5为本实施例的一种模拟开关的典型应用图。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步详细介绍。

如图1所示，本实施例的装置包括模拟信号调理模块101，模数转换模块102，信号处理输出控制模块103。

其中，模拟信号调理模块，用于模拟信号前端处理，对模拟信号进行放大或跟踪，提高驱动能力，使其满足模数转换芯片的要求，具有数字输入控制接口；

模数转换模块102，用于模拟信号到数字信号的转换，使模拟信号转换为控制芯片可识别的数字信号，具有数字输入控制接口；

信号处理输出控制模块103，用于产生模拟信号调理控制信号、模数转换控制信号和PWM控制信号，通过采集模拟信号并进行运算处理，根据处理结果生成并输出相应的控制信号，实现对采集精度和控制精度的调节。

模拟信号调理模块101具有核心器件放大器，包括模拟信号输入端Pin1、调理信号输出端Pout1和控制信号输入接口Pcnt1。其中模拟信号输入端Pin1连接外部传感器信号，当外部输入信号较小时通过控制信号输入端Pcnt1提高调理信号放大系数，使调理信号输出端Pout1输出信号幅值增大，从而使采样精度得到提高；当调理信号输出端Pout1输出信号接近模数转换模块102输入信号限值时，通过控制信号输入端Pcnt1降低调理信号放大系数，使调理信号输出端Pout1输出信号幅值降低，避免采样信号溢出。

放大器为普通的运放及电阻组成的放大器或可编程增益放大器。模拟信号调理模块具体采用开关器件动态调整放大器增益电阻阻值，从而使模拟信号放大系数得到动态调整；或直接采用可编程增益放大器，可编程增益放大器的开关器件由信号处理输出控制模块发出控制信号控制通断，从而动态调整模拟信号放大系数。

模数转换模块102具有核心器件ADC，包括模拟信号输入端Pin2、数字信号输出端Pout2和控制信号输入接口Pcnt2。其中，模拟信号输入端Pin2接收来自模拟信号调理模块101输出的信号，数字信号输出端Pout2将模数转换结果输出给信号处理输出控制模块103。当模拟信号输入端Pin2输入信号过小时，通过控制信号输入接口Pcnt2减小模数转换芯片模拟输入范围，提高模数转换结果精度；当输入信号接近当前模拟输入范围，通过控制信号输入接口Pcnt2增大模数转换芯片模拟输入范围，避免采样信号溢出。

模拟信号调理模块101与模数转换模块102动态调整采样精度的方法既可单独使用，也可联合使用以获得更大的动态范围。

信号处理输出控制模块103具有核心控制器件CPU，包括采样信号输入端Pin3、PWM控制信号输出端PWM和采样控制信号输出端Pcnt3。其中，核心控制器件CPU通过采样信号输入端Pin3接收来自模数转换模块102输出的信号，分析处理采样信号后通过PWM控制信号输出端PWM将控制信号送至电力电子开关器件，通过调节开关通断使系统输出满足需求的电流；核心控制器件CPU根据采样结果，综合判断下一次采样所需的信号放大系数和模数转换模拟输入范围，并产生相应的控制信号通过采样控制信号输出端Pcnt3将相应的控制信号送至模拟信号调理模块101和模数转换模块102。

下面详细介绍采用上述实施例的装置动态调整采样和控制精度的具体过程：

在电能质量治理设备和新能源发电设备运行过程中，通过动态调整模拟输入信号放大系数和/或动态调整模数转换芯片输入范围达到动态调整采样精度的目的；通过动态调整PWM输出控制信号频率达到动态调整控制精度的目的。在中小功率下通过软件动态调整，提高采样精度和控制精度，以提高输出的电能质量；在大功率下通过软件动态调整，降低采样精度和控制精度，以避免采样信号溢出，降低设备损耗。具体的实时步骤如下：

如图2所示，在步骤201中，信号处理输出控制模块103控制模数转换模块102进行信号采样，并通过采样信号输入端Pin3读取采样结果。

在步骤202、203中，信号处理输出控制模块103根据采样结果判断采样精度是否过高(采样值接近溢出值)或过低(采样值过小)，并采取相应的措施降低或提高采样精度。

在步骤204中，信号处理输出控制模块103通过采样控制信号输出端Pcnt3将相应控制信号送至模拟信号调理模块101和模数转换模块102，为下一次采样做好准备。

在步骤205、206中，信号处理输出控制模块103根据数据处理结果判断控制精度是否过高(损耗过大)或过低(输出电能质量过差)，并采取相应措施降低或提高控制精度。

在步骤207中，信号处理输出控制模块103根据步骤205、206判断结果，调节PWM输出频率，以提高或降低控制精度，达到较好电能质量或较低有功损耗的目的。

图4给出了一种采用三运放仪表放大器作为模拟信号放大电路的动态调整采样、控制精度装置，三运放仪表放大器为一种现有技术，如图3所示，其具体结构不再详细阐述。在该实施例中，该动态调整采样、控制精度装置包括：

放大器A1、A2、A3，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8……Rn，开关器件S1、S2……Sn，ADC芯片U2，CPU芯片U1。其中放大器A1、A2、A3以及电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6构成三运放仪表放大器104，其与电阻R7、R8……Rn以及开关器件S1、S2……Sn构成上述模拟信号调理模块101，ADC芯片U2构成上述模数转换模块102，CPU芯片U1构成上述信号处理输出控制模块103。

采用三运放仪表放大器104的模拟信号调理模块的具体结构为：其中放大器A1正输入端接该动态调整采样、控制精度装置的模拟输入端Vin，放大器A1的负输入端与放大器A2的负输入端之间设置有增益电阻调节电路，增益电阻调节电路包括若干个串联支路，每个串联支路由开关器件和电阻串联组成；所述放大器A2的输出端和放大器A1的输出端分别连接放大器A3的正、负输入端，放大器A3的输出端用于连接ADC芯片U2的输入端，放大器A1、A2、A3的输出端分别通过电阻反馈连接负输入端，放大器A2、A3的负输入端接地。CPU芯片U1接收ADC芯片U2的转换结果，并输出PWM控制信号PWM和采样控制信号。放大器A1的输出端与放大器的负输入端之间连接有电阻R1，放大器A2和放大器A3的正输入端之间连接有电阻R3。放大器A3的负输入端通过电阻R4接地。

尽管附图4中以模拟开关的符号来代表开关器件S1、S2……Sn，但应理解，开关器件S1、S2……Sn并不限于模拟开关，而是可以采用继电器等其他类型的开关器件。

核心控制器件CPU通过ADC芯片采样模拟输入信号，综合分析处理采样信号后通过PWM输出端将控制信号送至电力电子开关器件，通过调节开关通断使系统输出满足需求的电流；核心控制器件CPU根据采样结果，综合判断下一次采样所需的信号放大系数和模数转换模拟输入范围，并产生相应的控制信号，通过ADC芯片的RANGE SEL管脚来调节ADC芯片模拟输入范围，通过开关器件S1、S2……Sn来调节前级信号的放大系数。

当外部输入信号较小时提高信号放大系数或减小ADC芯片模拟输入范围，使采样精度得到提高；当采样信号较大时降低信号放大系数或增大ADC芯片模拟输入范围，避免采样信号溢出。

CPU根据数据处理结果判断控制精度是否过高(损耗过大)或过低(输出电能质量过差)，并调节PWM输出频率，以提高或降低控制精度，达到较好电能质量或较低有功损耗的目的。

图5显示了一种模拟开关的典型应用图，其输入端S允许的输入信号最大可达±15V，控制输入端IN输入信号为TTL信号，开关导通阻抗R_DS(on)一般为10Ω左右。

以上给出了具体的实施方式，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。本实用新型的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本实用新型的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本实用新型明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种动态调整采样、控制精度的装置，其特征在于，该装置包括：

用于对模拟信号进行放大或跟踪的模拟信号调理模块；

用于模拟信号到数字信号的转换的模数转换模块；

用于采集模拟信号并进行运算处理，根据处理结果生成并输出相应的控制信号，实现对采样精度和/或控制精度的调整的信号处理输出控制模块；

所述模数转换模块的模拟信号输入端Pin2和数字信号输出端Pout2分别连接模拟信号调理模块的模拟信号输出端Pout1和信号处理输出控制模块的采样信号输入端Pin3；所述信号处理输出控制模块控制连接所述模拟信号调理模块，用于调节模拟信号调理模块的放大倍数。

2.根据权利要求1所述动态调整采样、控制精度的装置，其特征在于，所述信号处理输出控制模块控制连接所述模数转换模块，用于调节模数转换模块的模拟输入范围。

3.根据权利要求1所述动态调整采样、控制精度的装置，其特征在于，所述模拟信号调理模块包括运放和增益电阻调节电路，增益电阻调节电路包括并联的至少两个串联支路，所述串联支路由电阻和由信号处理输出控制模块控制通断的开关串联组成；所述增益调节电路连接在运放的反相输入端与地之间。

4.根据权利要求1所述动态调整采样、控制精度的装置，其特征在于，所述模拟信号调理模块包括三运放仪表放大器和增益电阻调节电路，所述增益电阻调节电路包括并联的至少两个串联支路，所述串联支路由电阻和由信号处理输出控制模块控制通断的开关串联组成。

5.根据权利要求1所述动态调整采样、控制精度的装置，其特征在于，所述模拟信号调理模块为可编程增益放大器。