一种三级式变频交流发电系统数字采样系统
阅读说明：本技术 一种三级式变频交流发电系统数字采样系统 (Digital sampling system of three-level variable-frequency alternating-current power generation system ) 是由 李伟林 王雨峰 董润 徐梓潇 杨敬儒 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种三级式变频交流发电系统数字采样系统。采用隔离措施避免损坏采样和输出设备；对不同类型的信号采用了结构相似的设计,降低了系统的复杂程度；通过该方法能够进一步提升采样的精度和速度,有效提升了系统的可靠性和效率。设计了专用的电压隔离结构,该结构在进行电压隔离的同时,使用3个光耦隔离器共同检测电压,由于使用了不同的光耦隔离器,其非线性的范围也不同,再结合电压计算模型的使用,避免了由于光耦隔离器的非线性效应带来的误差。(The invention relates to a digital sampling system of a three-level variable-frequency alternating-current power generation system. Isolation measures are adopted to avoid damaging sampling and output equipment; the design with similar structure is adopted for different types of signals, so that the complexity of the system is reduced; by the method, the sampling precision and speed can be further improved, and the reliability and efficiency of the system are effectively improved. The special voltage isolation structure is designed, when voltage isolation is carried out, the structure uses 3 optical coupler isolators to jointly detect voltage, different optical coupler isolators are used, the nonlinear ranges of the optical coupler isolators are different, and errors caused by the nonlinear effect of the optical coupler isolators are avoided by combining with the voltage calculation model.)
技术领域
本发明涉及电气设备及电气工程领域，尤其涉及应用于民用航空领域的高压变频交流三级式变频交流发电系统数字采样系统。
背景技术
电压稳定控制装置，或称为发电机调压器(Generator Control Unit,GCU)，是机载电源系统的主控制器。目前，我国飞机电源系统采用的数字电压稳定控制装置主要是半数字式电压稳定控制装置。这种半数字式GCU以单片机为核心，集成了电源系统控制功能、电源系统实时保护功能、GCU自检测功能、GCU故障诊断隔离功能和上位机通讯功能等。这种以单片机为核心的电压稳定控制装置的性能受限于单片机芯片的机能，相比于数字信号处理芯片，首先，单片机在响应速度、可调用资源和精度等方面都处于劣势，其次，半数字GCU应用在动态特性较高的电压调节环境下需要借助模拟电路实现电压稳定功能；最后，由于半数字式GCU需要借助外部模拟电路实现调压功能，这使得半数字式GCU在维护性、拓展性和可靠性方面都存在劣势，且存在自动化程度低和响应速度慢等缺点。这使得半数字GCU不再符合电压稳定控制装置设计的高精度、高速和高通用性的发展方向。
针对现有技术存在的问题，提出了以高性能的数字信号处理芯片(DigitalSignal Processor，DSP)为核心的新型全数字式GCU结构。这样的结构充分体现出DSP高速、高精度和高兼容性的特点，能够利用其强大的数字信号处理能力高速完成高精度复杂算法的运算。
为了实现使用DSP进行电压稳定控制的功能，需要对系统的发电情况进行实时监控。与传统的半数字式电压稳定控制装置不同，数字信号处理芯片只能对数字信号进行处理。因此，需要将模拟信号进行采样和调理，并通过***电路对采样信号进行合理的滤波，将模拟信号转化为数字信号，才能通过DSP的内部算法对系统的实时情况进行数字化重构。
对于电压稳定控制设备，系统的瞬时电压和电流都是必要的系统参数，高精度的模拟信号采样和高保真度的调理是系统控制精度的前提。另外，机载电源设备功率密度大，实时功率高，对信号进行采集的同时需要对功率电路和数字电路进行隔离，避免对设备造成损坏。
随着变频电源系统的逐步推广，传统的模拟式GCU和半数字式GCU已经无法适应变频电源系统的调压和保护需求。为了能够使全数字式电压稳定控制装置发挥作用，开发一种变频交流发电系统数字采样方法是十分必要的。
此外，进行高压采用一般需要进行电压隔离，应用最多的就是光耦隔离器，但是由于光耦隔离器其本身的属性决定其不同的光耦件都有一定的非线性范围，如果电压范围较大时其可能误差较大。
发明内容
针对上述内容，为解决上述问题，提供一种三级式变频交流发电系统数字采样系统。
对于电压稳定控制设备，系统的瞬时电压和电流都是必要的系统参数，高精度的模拟信号采样和高保真度的调理是系统控制精度的前提。本发明采用了调理和滤波的混合结构，针对数字信号处理芯片的I/O口的输入范围，将模拟信号进行等比例缩小后，经过滤波输入数字信号处理芯片。
本发明采用的技术方案是：
电压采样采用了隔离-调理-滤波的方法。首先，数字信号处理芯片是典型的数字电路器件。数字电路精度高，功率小，模拟信号的波动很容易造成采样电路的损坏。因此，模拟信号在进入数字电路前，需要通过隔离电路，避免模拟信号的波动对数字电路造成不可逆影响。其次，数字信号处理芯片的型号各不相同，因此，在对电压瞬时值进行调理的过程中，需要针对数字信号处理芯片的型号进行电路设计，使调理后信号的范围在DSP芯片I/O口的电压输入。第三，调理电路会将数字电路中电源的干扰引入调理后的电压信号。因此，在DSP芯片的I/O接口与调理电路输出之间需要引入低通滤波器进行纹波抑制和过滤。经过以上三个步骤，电压稳定控制装置所需要的电压信号瞬时值才能够精确的输入DSP芯片供算法使用。
电流采样结构与电压采样结构类似，需要经过信号转换-调理-滤波三个过程。信号转换是指，数字信号处理芯片的I/O接口无法识别电流信号，所以需要利用采样电阻或互感器等方式将电流信号转换为电压信号。这一步骤根据采用的具体方法可以实现隔离功能。其次，经过采样的电流信号以电压信号的形式需要通过调理电路，本步骤的主要目的是使电流信号的最大值尽量接近DSP的I/O接口的输入范围，同时留有裕量，避免过载发生时引起的DSP损坏。最后，调理输出接口和DSP的输入接口之间接入瞬态抑制器等滤波措施，避免浪涌脉冲对设备的不良影响。
包括电压采样部和电流采样部；电压采样部包括电压隔离模块、电压调理模块、电压滤波模块和电压I/O模块；电流采样部包括电流互感器、电流调理模块、电流滤波模块和电流I/O模块；
电压隔离模块连接至发电机三相输出，将输入电压进行隔离；电压隔离模块的输出信号发送至电压调理模块将发电系统的115VAC变频信号调理成0～3.3V直流数字信号；之后电压滤波模块利用瞬态抑制器和低通滤波器组合的形式对信号进行滤波和纹波抑制，之后将其输入DSP的电压I/O模块；
电流互感器将发电机的三相输出电流转换成电压信号进行输出，然后电流调理模块将电流互感器输出的交流信号调理成0～3.3V直流数字信号，最后电流滤波模块利用瞬态滤波器对信号进行浪涌抑制，之后将其输入DSP的电流I/O模块。
电压隔离模块包括分压模块和光耦隔离模块；分压模块内包括3个完全相同的分压输出，3个分压输出对应分压模块内的3个串联的分压电阻，3个分压输出信号均将输入的电压信号降低100倍；
每一路分压输出信号连接至一个光耦隔离器，且保证3路分压输出信号对应的3个光隔离器非线性范围互不相同；即3路完全相同的分压输出至3个不同的光隔离器；光隔离器输出的电压信号经过电压调理模块、电压滤波模块和电压I/O模块输入DSP；
从而发电机输出的3路电压信号U1、U2、U3的每一路都被分压模块分成3路分压输出，共9路电压信号，分别为U11、U12、U13、U21、U22、U23、U31、U32、U33；这9路电压信号均经过处理后输入DSP；DSP将9路输入的电压信号分成3组，每一组对应发电机三相电的一路输出，即U11、U12、U13为一组，U21、U22、U23为一组，U31、U32、U33为一组；
DSP将每一组的电压信号输入电压计算模型，得到一个准确的电压值，即将U11、U12、U13为一组输入电压计算模型，得到U10，U21、U22、U23为一组输入电压计算模型，得到U20，U31、U32、U33为一组输入电压计算模型，得到U30。
一种三级式变频交流发电系统数字采样系统的电压计算模型的建模方法，其特征在于包括如下步骤：
1)搭建高压电压源，使得高压电压源的最大输出电压大于发电机的电压输出峰值电压，且高压电压源具有自身的电压输出信号，可以直接被计算机采集；
2)将与发电机相同的电压采样部连接至高压电压源，即要求与高压电压源连接的电压采样部具有与实际连接至发电机使用的电压采样部完全相同；
3)开启测试，使得高压电压源进行电压扫描，扫描范围覆盖从0至发电机的电压输出峰值电压；高压电压源输出的电压被电压采样部的分压模块分成3路分压输出；这3路电压信号均经过电压调理模块、电压滤波模块和电压I/O模块处理后输入DSP；DSP将3路输入的电压信号V1、V2、V3发送至计算机；计算机同步获取高压电压源直接输入的电压信号V4；
4)在计算机内建立矩阵(V1,V2,V3,V4)；经过多次扫频后可以得到一个数据库，使得任何一个V4，都有对应的多组(V1,V2,V3)与之对应；
5)构建模型，模型具有3个输入量X、Y、Z，分别对应DSP获取的每一组的电压输入量；1个输出量M，对应实际的变压器器输出电压，M的计算方法为先计算K＝(X-V1)2+(Y-V1)2+(Z-V1)2。在步骤4)得到的数据库内遍历计算K，M等于当K最小时的(V1,V2,V3,V4)中的V4，建模完成。
此时由于不同的光耦隔离器其工作的非线性效应不同，因此将多个光耦隔离器共同使用，针对一个电压进行多次测量，并将测量结果输入电压计算模型，由于模型的建立条件是和真实测量相同的，在建模时就将非线性效应等误差考虑进去，这就很大程度上避免了由于非线性效应造成的误差。
本发明的有益效果为：采用隔离措施避免损坏采样和输出设备；对不同类型的信号采用了结构相似的设计，降低了系统的复杂程度；通过该方法能够进一步提升采样的精度和速度，有效提升了系统的可靠性和效率。
设计了专用的电压隔离结构，该结构在进行电压隔离的同时，使用3个光耦隔离器共同检测电压，由于使用了不同的光耦隔离器，其非线性的范围也不同，再结合电压计算模型的使用，避免了由于光耦隔离器的非线性效应带来的误差。
附图说明
被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。
图1为电压采样方法原理示意图；
图2为电流采样方法原理示意图；
图3为电压采样的电压隔离模块的原理示意图；
图4为电压计算模型建模方法的示意图。
具体实施方式
本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。
结合图1-2，一种三级式变频交流发电系统数字采样系统。
本实施例的电压采样方法如图1所示，电流采样方法如附图2所示，包括以下部分：
电压信号采样包含以下步骤。首先，采用隔离芯片将电压信号输入和输出进行电器隔离，实现保护调理电路和数字信号处理芯片的功能。其次，采用模拟电路和运算放大器组成调理电路，将发电系统的115VAC变频信号调理成0～3.3VDC数字信号，使DSP能够识别和读取。最后，输出至DSP前利用瞬态抑制器和低通滤波器组合的形式对信号进行滤波和纹波抑制，提升信号采集的精度。通过以上步骤完成对电压信号的采集。
电流信号采样包含以下步骤。首先，采用电流互感器进行信号转换，将电流信号转换成电压信号的形式。由于采用了电流互感器，这一步实际包含了电气隔离的功能。其次，采用调理电路，将交流的电流信号的电压信号形式调理至0～3.3VDC范围内。最后利用瞬态滤波器对信号进行浪涌抑制，电路进行保护。通过以上步骤完成对电流信号的采集。
包括电压采样部和电流采样部；电压采样部包括电压隔离模块、电压调理模块、电压滤波模块和电压I/O模块；电流采样部包括电流互感器、电流调理模块、电流滤波模块和电流I/O模块；
电压隔离模块连接至发电机三相输出，将输入电压进行隔离；电压隔离模块的输出信号发送至电压调理模块将发电系统的115VAC变频信号调理成0～3.3V直流数字信号；之后电压滤波模块利用瞬态抑制器和低通滤波器组合的形式对信号进行滤波和纹波抑制，之后将其输入DSP的电压I/O模块；
电流互感器将发电机的三相输出电流转换成电压信号进行输出，然后电流调理模块将电流互感器输出的交流信号调理成0～3.3V直流数字信号，最后电流滤波模块利用瞬态滤波器对信号进行浪涌抑制，之后将其输入DSP的电流I/O模块。
电压隔离模块包括分压模块和光耦隔离模块；分压模块内包括3个完全相同的分压输出，3个分压输出对应分压模块内的3个串联的分压电阻，3个分压输出信号均将输入的电压信号降低100倍；
每一路分压输出信号连接至一个光耦隔离器，且保证3路分压输出信号对应的3个光隔离器非线性范围互不相同；即3路完全相同的分压输出至3个不同的光隔离器；光隔离器输出的电压信号经过电压调理模块、电压滤波模块和电压I/O模块输入DSP；
从而发电机输出的3路电压信号U1、U2、U3的每一路都被分压模块分成3路分压输出，共9路电压信号，分别为U11、U12、U13、U21、U22、U23、U31、U32、U33；这9路电压信号均经过处理后输入DSP；DSP将9路输入的电压信号分成3组，每一组对应发电机三相电的一路输出，即U11、U12、U13为一组，U21、U22、U23为一组，U31、U32、U33为一组；
DSP将每一组的电压信号输入电压计算模型，得到一个准确的电压值，即将U11、U12、U13为一组输入电压计算模型，得到U10，U21、U22、U23为一组输入电压计算模型，得到U20，U31、U32、U33为一组输入电压计算模型，得到U30。
结合图3-4，一种三级式变频交流发电系统数字采样系统的电压计算模型的建模方法，其特征在于包括如下步骤：
1)搭建高压电压源，使得高压电压源的最大输出电压大于发电机的电压输出峰值电压，且高压电压源具有自身的电压输出信号，可以直接被计算机采集；
2)将与发电机相同的电压采样部连接至高压电压源，即要求与高压电压源连接的电压采样部具有与实际连接至发电机使用的电压采样部完全相同；
3)开启测试，使得高压电压源进行电压扫描，扫描范围覆盖从0至发电机的电压输出峰值电压；高压电压源输出的电压被电压采样部的分压模块分成3路分压输出；这3路电压信号均经过电压调理模块、电压滤波模块和电压I/O模块处理后输入DSP；DSP将3路输入的电压信号V1、V2、V3发送至计算机；计算机同步获取高压电压源直接输入的电压信号V4；
4)在计算机内建立矩阵(V1,V2,V3,V4)；经过多次扫频后可以得到一个数据库，使得任何一个V4，都有对应的多组(V1,V2,V3)与之对应；
5)构建模型，模型具有3个输入量X、Y、Z，分别对应DSP获取的每一组的电压输入量；1个输出量M，对应实际的变压器器输出电压，M的计算方法为先计算K＝(X-V1)2+(Y-V1)2+(Z-V1)2。在步骤4)得到的数据库内遍历计算K，M等于当K最小时的(V1,V2,V3,V4)中的V4，建模完成。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉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以所述权利要求的保护范围为准。
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