专利名称：电功率表相位检测控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电功率表的校正方法，特别是公开一种电功率表相位检测控制系统，通过全相360°范围内检测电压、电流的相位差，实现各类功率准确校正。
背景技术：
电功率表校正过程中需要校正有功功率、无功功率、视在功率等，这就需要在电流输入端输入一个相对与电压信号可调相位的电流信号来测试。以往的方法是固定电流与电压相位差0°、30°、60°、90°、120°等有限的几个点来测试，这样不能准确地描绘出电功率表的相位特性曲线。
发明内容
本发明的目的是利用DDS技术，可以精确检测电压、电流的相位差，并可控制电流输出相位相对于电压输出以0.03°的步长，在全相360°范围内连续可调。这样可以详细地描绘出电功率表的电压、电流特性曲线，使得各类功率校正更准确。本发明是这样实现的一种电功率表相位检测控制系统，其特征在于包括微控制器、有源晶振、电压波形发生器、电流波形发生器、电压功率驱动器、电流功率驱动器、鉴相器和被测电功率表组成相位检测控制系统。由有源晶振输出时钟同步驱动微控制器和电压波形发生器、电流波形发生器，由微控制器分别控制电压电流波形发生器输出同步频率的正弦波，经电压功率驱动器和电流功率驱动器分别启动被测电功率表的电压、电流输入端，同时电压、电流正弦波馈入鉴相器，鉴相器的两个输出端分别输出一个表示电流信号相对于电压信号的相位超前/滞后的电平信号Q到微控制器的I/O输入/输出端口，鉴相器的另一个输出信号C表示电压、电流相位差，将其输出到微控制器的CCI (捕捉)端口，微控制器设置CCI端口为上下沿均捕捉模式。所述的微控制器记录相位差信号的上下沿之间捕捉到的计数值，计数器的计数频率与微控制器的时钟频率成正比；由于电压波形发生器、电流波形发生器输出的正弦波频率与电压波形发生器、电流波形发生器的时钟频率成正比，且电压波形发生器、电流波形发生器的时钟频率与微控制器的时钟频率采用同一有源晶振的时钟源，故计数器的计数频率与电压波形发生器、电流波形发生器输出的正弦波频率成正比；将计数值乘以计数频率再乘以比例因子，即可得到电压电流信号的相位差。通过相位差信号的上升/下降沿，微控制器捕捉上下沿之间的定时器计数变化值 b。由DDS (Direct Digital Synthesizer，直接数字合成器)的特性可知，其输出正弦波的频率与其时钟频率及控制字相关
fo = fsXFTW+248
其中fQ 输出正弦波频率-’fs =DDS时钟频率；FTW =DDS输出频率控制字。当FTW固定时，fQ与&成正比。即有DDS时钟的一个脉冲相当于输出正弦波的相位角度值(单位为度)
a = (foX360) + fs
由于DDS与微控制器使用同一时钟源，且微控制器定时器的脉冲当量与微控制器时钟相同，即有定时器脉冲当量等于DDS时钟的脉冲当量，用这个脉冲当量a乘以微控制器的定时器计数变化值b，即可得到电压、电流相位差值。微控制器根据由鉴相器检测到得的电压电流相位差信号，控制电压波形发生器、 电流波形发生器对电流信号进行连续移相，即控制输出电流的DDS的14Bit移相控制字， 可以调节输出电流相对于输出电压的相位，调节精度可达0.0219°。从而可以通过连续移动电流相位的方法，详细地描绘出单向电功率表的电压、电流特性曲线，进而算出其有功功率、无功功率、视在功率等特性参数。本发明的有益效果是利用DDS技术，可以精确检测电压、电流的相位差，并可控制电流输出相位相对于电压输出以0.03°的步长，在全相360°范围内连续可调。从而通过连续移动电流相位的方法，详细地描绘出单向电功率表的电压、电流特性曲线，进而算出其有功功率、无功功率、视在功率等特性参数，使得各类功率校正更准确。
图1是本发明电功率表相位检测控制系统原理框图。图2是本发明电压、电流、相位差转换波形图。图中1、微控制器；2、电压波形发生器；3、电流波形发生器；4、有源晶振；5、 电压功率驱动器；6、电流功率驱动器；7、被测电功率表；8、鉴相器。管脚说明0SC 晶振驱动；I/O 输入/输出口； CCI 微控制器捕捉端口 ； SPI 通用串行总线；SINA:电压波形输出；SINB:电流波形输出；V:电压输出；I:电流输出；Q 电流相对与电压相位超前/滞后；C 相位差。
具体实施例方式根据附图1，本发明采用微控制器1作为主控制器，通过SPI总线驱动电压波形发生器2和电流波形发生器3输出同频率的两路正弦波信号。通过各自的电压功率驱动器5、 电流功率驱动器6，输出电压信号V和电流信号I给被测电功率表7。同时V和I还馈入鉴相器8，鉴相器8输出一个电平信号Q到微控制器1的I/O端口，其中的高低电平分别表示电流信号相对于电压信号的相位超前/滞后。鉴相器输出的另一个脉冲信号C表示电压电流相位差，将其输出到微控制器1的CCI端口。微控制器1设置CCI端口为上下沿均捕捉模式。根据附图2，其左边是电流信号I滞后电压信号V的波形，Q输出高电平；右边是电流信号I超前电压信号V的波形，Q输出低电平。无论电流I超前或滞后，鉴相器8的C端都输出一个与相位差相应的脉宽信号。这个脉宽信号C的上升沿通过CCI端口触发微控制器内的捕捉寄存器记录下此时的16Bit计数器值C1，其下降沿再触发捕捉寄存器记录下此时的计数器值c2，两者相减，即可得到计数器在相位差脉宽C期间的计数值c = C1- C20将计数器的计数频率分频设置为微控制器的时钟频率的l/n(n=l，2，4，8)，由于微控制器的时钟频率与两个DDS的时钟频率同为一个有源晶振4提供，即有微控制器的计数器的计数频率fc为DDS的时钟频率fs的1/n，即 fc = fs / η
而DDS输出的电压/电流正弦波频率与其时钟频率的关系为 fo = fsXFTW+248
其中FTW =DDS输出频率控制字，当FTW固定时，f0与fs成正比。即有DDS时钟的一个脉冲相当于输出正弦波的相位角度值(单位为度) a = (foX360) + fs 将fc = fs / η代入上式，即有 fc = (foX360) Xn + a
将计数值乘以计数频率，就可得到相位差C的脉宽值Tc，单位是度。即有 Tc = fcXc
上述方法中之所以设置计数频率的分频比，是考虑到微控制器和DDS的时钟频率fs为 20MHz数量级，而计数器只有16bit，当输出频率fo较低，且相位差值较大时，计数器会溢出。故可以根据输出频率fo的高低，设置分频比η (η=1，2，4，8)。本发明具体实施方式
中采用的微控制器为美国德克萨斯仪器公司(Texas Instruments)生产的型号为MSP430F419微控制器、电压波形发生器(DDS)和电流波形发生器(DDS)为美国模拟器件公司(Analog Devices)生产的型号为AD99M的DDS、有源晶振为日本电波公司(Nihon Dempa Kogyo)生产的型号为NDK7711AC的有源晶振；其余均为通用
市售产品。本发明利用了 DDS和微控制器的时钟频率与输出频率及计数器计数频率的相关性，以及DDS的移频特性，简便地实现了电流相对于电压的相位检测及移相控制。相比相位脉宽低通滤波再模数转换的方法，具有没有转换误差、精度高，方法简便的特点。采用同样的原理，若采用多个DDS器件及相应的驱动器和鉴相器，本发明的方法可以检定三相电功率表。
权利要求
1.一种电功率表相位检测控制系统，其特征在于包括微控制器、有源晶振、电压波形发生器、电流波形发生器、电压功率驱动器、电流功率驱动器、鉴相器和被测电功率表组成相位检测控制系统；由有源晶振输出时钟同步驱动微控制器和电压波形发生器、电流波形发生器，由微控制器分别控制电压电流波形发生器输出同步频率的正弦波，经电压功率驱动器和电流功率驱动器分别启动被测电功率表的电压、电流输入端，同时电压、电流正弦波馈入鉴相器，鉴相器输出一个电平信号Q到微控制器的I/O输入/输出端口，鉴相器的另一个输出信号C表示电压、电流相位差，将其输出到微控制器的CCI端口，微控制器设置CCI 端口为上下沿均捕捉模式。
2.根据权利要求1所述的电功率表相位检测控制系统，其特征在于所述的微控制器记录相位差信号的上下沿之间捕捉到的计数值，计数器的计数频率与微控制器的时钟频率成正比；由于电压波形发生器、电流波形发生器输出的正弦波频率与电压波形发生器、电流波形发生器的时钟频率成正比，且电压波形发生器、电流波形发生器的时钟频率与微控制器的时钟频率采用同一有源晶振的时钟源，故计数器的计数频率与电压波形发生器、电流波形发生器输出的正弦波频率成正比；将计数值乘以计数频率再乘以比例因子，得到电压电流信号的相位差。
3.根据权利要求1所述的电功率表相位检测控制系统，其特征在于微控制器根据由鉴相器检测到得的电压电流相位差信号，控制电压波形发生器、电流波形发生器对电流信号进行连续移相，调节精度达0.0219°，从而达到详细检测电功率表电压电流有功功率、 无功功率、视在功率特性的目的。
全文摘要
本发明为一种电功率表相位检测控制系统，其特征在于包括微控制器、有源晶振、电压波形发生器、电流波形发生器、电压功率驱动器、电流功率驱动器、鉴相器和被测电功率表组成相位检测控制系统；由有源晶振输出时钟同步驱动微控制器和电压波形发生器、电流波形发生器，由微控制器分别控制电压电流波形发生器输出同步频率的正弦波，经电压功率驱动器和电流功率驱动器分别启动被测电功率表的电压、电流输入端，同时电压、电流正弦波馈入鉴相器，鉴相器输出一个电平信号Q到微控制器的I/O输入/输出端口，鉴相器的另一个输出信号C表示电压、电流相位差，将其输出到微控制器的CCI端口。本发明能详细地描绘出电功率表的电压、电流特性曲线。
文档编号G01R35/04GK102426346SQ20111031794
公开日2012年4月25日 申请日期2011年10月19日 优先权日2011年10月19日
发明者李晨, 滕华强, 王俊, 郭佳伟, 钟小滨, 韩之文 申请人:上海仪器仪表研究所