專利名稱：一種功率單元體直流電壓檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對鏈?zhǔn)絊VG和鏈?zhǔn)紸PF的功率單元體直流電壓進(jìn)行檢測的裝置及方法。
背景技術(shù)：
鏈?zhǔn)絊VG和鏈?zhǔn)紸PF裝置的主回路由若干相同的功率單元體級聯(lián)而成，為了滿足裝置可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的需要，成套裝置的主控制器必須對每一個功率單元體直流支撐電容兩端的直流電壓進(jìn)行實(shí)時檢測。傳統(tǒng)技術(shù)的檢測方案一般分為兩步第一步安裝霍爾傳感器直接測量直流電壓，將直流電壓從大信號轉(zhuǎn)化為小信號，采用專用AD采樣芯片或者集成了 AD采樣功能的處理器對小信號的進(jìn)行計(jì)算，將模擬信號離散為數(shù)字信號； 第二步通過通訊接口將數(shù)字信號編碼后變?yōu)槿舾晌坏拇行盘柊l(fā)送至主控制器，主控制器接收串行信號后進(jìn)行解碼，從而獲得了表征功率單元體直流電壓的數(shù)字信號。上述方案雖然可以實(shí)現(xiàn)對功率單元體直流電壓的實(shí)時監(jiān)測，但是存在如下不足I、霍爾傳感器價格很高，還需要配置相應(yīng)的輔助電路，不利于提高裝置的價格競爭力；2、功率單元體內(nèi)是強(qiáng)電磁干擾環(huán)境，模擬或者數(shù)字電路都容易受到干擾，在功率單元體內(nèi)對直流電壓進(jìn)行離散化，轉(zhuǎn)化出的數(shù)字信號容易出現(xiàn)錯誤；3、采樣精度和通訊可靠性之間的矛盾難以協(xié)調(diào)，為了保證電壓采樣精度，表征直流電壓的數(shù)字信號位數(shù)越多越好，為了降低通訊誤碼率，數(shù)字信號的位數(shù)越少越好。4、多位數(shù)的數(shù)字信號傳輸必然包含了信息編碼和信息解碼的過程，這一過程需要解決通訊時鐘同步、信息校驗(yàn)和誤碼糾錯等諸多問題，即消耗了芯片資源，也增大了實(shí)現(xiàn)難度。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決鏈?zhǔn)絊VG和鏈?zhǔn)紸PF功率單元體直流電壓的檢測問題，本發(fā)明提供一種功率單元體直流電壓檢測裝置及方法，能夠準(zhǔn)確采樣直流電壓，同時無需安裝霍爾傳感器，避免在功率單元體內(nèi)進(jìn)行直流電壓離散化，省去了多位數(shù)的數(shù)字信號傳輸，從而降低了裝置成本，簡化了軟、硬件設(shè)計(jì)，具有很高的工程應(yīng)用價值。本發(fā)明提供的一種功率單元體直流電壓檢測裝置，包括依次連接的分壓電路、調(diào)理電路、壓頻轉(zhuǎn)化電路、傳輸電路、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列及數(shù)字信號處理器；所述分壓電路對功率單元體內(nèi)直流支撐電容的直流電壓進(jìn)行取樣，并將取樣電壓傳輸給調(diào)理電路進(jìn)行濾波，得到濾波后的電壓信號；所述壓頻轉(zhuǎn)化電路將來自調(diào)理電路的電壓信號轉(zhuǎn)化為矩形波信號，矩形波信號經(jīng)傳輸電路傳輸至現(xiàn)場可編程邏輯門陣列；現(xiàn)場可編程邏輯門陣列對相鄰兩次矩形波信號高電平之間的高頻脈沖個數(shù)N進(jìn)行計(jì)數(shù)；數(shù)字信號處理器根據(jù)分壓電路的比例系數(shù)K1、壓頻轉(zhuǎn)化電路的比例系數(shù)K2、高頻脈沖的周期t和高頻脈沖的個數(shù)N計(jì)算出功率單元體內(nèi)直流支撐電容的直流電壓。優(yōu)選地，所述現(xiàn)場可編程邏輯門陣列對相鄰兩次矩形波信號高電平之間的高頻脈沖個數(shù)N進(jìn)行計(jì)數(shù)之前，還對矩形波信號的毛刺進(jìn)行濾除。從而有效地對傳輸后的矩形波信號進(jìn)行防錯處理。本發(fā)明提供的一種功率單元體直流電壓檢測方法，包括以下步驟SI、電阻分壓將待檢測功率單元體內(nèi)直流支撐電容的直流電壓Ud。按照分壓比例系數(shù)K1縮小為一個電壓信號U1 ；S2、壓頻轉(zhuǎn)化將分壓后的電壓信號U1轉(zhuǎn)化為矩形波信號；矩形波信號的頻率Fjxb和分壓后電壓信號的幅值成正比，壓頻轉(zhuǎn)化比例系數(shù)為K2 ；S3、光纖傳輸將矩形波信號通過光纖進(jìn)行傳輸； S4、濾除毛刺采用壓縮高電平時間的方式，濾除矩形波信號中的毛刺；S5、脈沖計(jì)數(shù)采用周期為Tp的高頻脈沖信號對矩形波信號的周期進(jìn)行計(jì)算，對相鄰兩次矩形波信號高電平之間的高頻脈沖個數(shù)N進(jìn)行計(jì)數(shù)，= NXTp,TJxb為F#的倒數(shù)；S6、根據(jù)分壓比例系數(shù)K1、壓頻轉(zhuǎn)化比例系數(shù)K2、高頻脈沖的周期Tp和高頻脈沖的個數(shù)N計(jì)算待檢測功率單元體內(nèi)直流支撐電容的直流電壓Udc。優(yōu)選地，步驟SI與S2之間還包括以下步驟電壓限幅采用參考電壓UMf和減法器對分壓后的電壓信號進(jìn)行限幅，得到限幅后的電壓信號U2 = Uref-U1, Uref為參考電壓；在所述步驟S2中，將限幅后的電壓信號轉(zhuǎn)化為矩形波信號；矩形波信號的頻率Fjxb和限幅后的電壓信號的幅值成正比。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下本發(fā)明將直流電壓分壓后轉(zhuǎn)化為矩形波信號，利用矩形波的頻率反映直流電壓的幅值，采用高頻脈沖度量矩形波信號的周期，從而通過計(jì)算高頻脈沖的個數(shù)，實(shí)現(xiàn)對直流電壓的檢測。本發(fā)明提供的方法無需霍爾傳感器和多位數(shù)的串行信號傳輸，簡化了電路結(jié)構(gòu)，降低了裝置成本。


圖I是本發(fā)明所涉及的直流電壓檢測方法流程圖；圖2是本發(fā)明采用的電路圖；圖3是濾除毛刺的時序圖；圖4是脈沖計(jì)數(shù)的時序圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。實(shí)施例本發(fā)明所涉及的功率單元體直流電壓檢測方法的流程圖如圖I所示，直流電壓依次經(jīng)過電阻分壓、電壓限幅、壓頻轉(zhuǎn)化、光纖傳輸、濾除毛刺和脈沖計(jì)數(shù)六個環(huán)節(jié)，各個環(huán)節(jié)的作用如下
I)電阻分壓將直流電壓按照分壓比例系數(shù)降低為一個電壓信號；2)電壓限幅采用參考電壓和減法器對分壓后的電壓信號進(jìn)行限幅，得到限幅后的電壓信號；3)壓頻轉(zhuǎn)化將電壓信號轉(zhuǎn)化為矩形波信號，矩形波信號的頻率與電壓信號的幅值成正比；4)光纖傳輸將矩形波信號通過光纖進(jìn)行傳輸，也就是先將矩形波信號從電信號轉(zhuǎn)化為光信號從功率單元體發(fā)出，到達(dá)主控制器后再將光信號復(fù)原為電信號，復(fù)原后矩形波信號的頻率保持不變；5)毛刺濾除采用壓縮高電平時間的辦法，濾除復(fù)原后的矩形波信號中存在的毛刺(電平非正常翻轉(zhuǎn))，濾除毛刺后對比濾除毛刺前，矩形波的高電平時間有所減少，但是頻率保持不變；
6)脈沖計(jì)數(shù)采用固定周期的高頻脈沖信號對濾除毛刺后的矩形波信號的周期進(jìn)行計(jì)算。本實(shí)施例以圖2所示電路構(gòu)成及其的工作過程來進(jìn)行詳細(xì)的說明。功率單元體內(nèi)的直流支撐電容CdcI兩端的電壓，就是待檢測的直流電壓Udc,由四個分壓電阻Ri、R2、R3和R4串聯(lián)構(gòu)成的分壓電路2與直流支撐電容CdcI并聯(lián)，經(jīng)過分壓電路2后將直流電壓Udc轉(zhuǎn)化為分壓后的電壓信號U1，轉(zhuǎn)化關(guān)系如下式U1=K1XUdc式中=U1為分壓后的電壓信號，K1為分壓比例系數(shù)，Udc為待檢測功率單元體的直流電壓。分壓電路2的分壓比例系數(shù)K1計(jì)算公式如下式所示
^KK1 =-~~~—
+1{~, + +調(diào)理電路3的輸入端與分壓電路2的&相連，使分壓后的電壓信號U1依次通過R5、C1構(gòu)成的低通濾波器和R6、運(yùn)放OPl構(gòu)成的電壓跟隨器，調(diào)理電路的作用是吸收高次諧波，提高信號穩(wěn)定性，可以認(rèn)為經(jīng)過調(diào)理電路3后電壓信號U1保持不變。限幅電路4的輸入端與調(diào)理電路3的輸出端相連，限幅電路由參考電壓Uref和減法器構(gòu)成，減法器中的電阻R7、R8、R9和Rltl阻值相等，即R7=R8=R9=R10因此經(jīng)過限幅電路4后，分壓后電壓信號U1被轉(zhuǎn)化為限幅后的電壓信號U2，轉(zhuǎn)化關(guān)系如下式所示U2=Uref-U1式中U2為限幅后的電壓信號，Uref為參考電壓。壓頻轉(zhuǎn)化電路5的輸入端與限幅電路4的輸出端相連，將限幅后的電壓信號U2轉(zhuǎn)化為一個矩形波信號，該矩形波信號的頻率F#與限幅后的電壓信號U2的幅值成正比，轉(zhuǎn)化關(guān)系如下Fjxb=K2XU2式中F_為矩形波信號的頻率，K2為壓頻轉(zhuǎn)化比例系數(shù)。壓頻轉(zhuǎn)化電路5采用VFC32作為壓頻轉(zhuǎn)化芯片，壓頻轉(zhuǎn)化比例系數(shù)K2的計(jì)算公式如下式所示7500xR7xC2光纖傳輸電路6的輸入端與壓頻轉(zhuǎn)化電路5的輸出端相連,矩形波信號經(jīng)過驅(qū)動芯片DS75451和光電發(fā)送器HFBR1521后，從電信號變?yōu)楣庑盘?，光信號由光纖Fibre進(jìn)行傳輸，光纖接收器HFBR2521接收后再將光信號復(fù)原為電信號,且頻率與光纖傳輸電路6輸入端的矩形波信號相等，仍為Fjxb?，F(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA) 7的輸入引腳與光纖傳輸電路6的輸出端相連，接收復(fù)原后的矩形波信號，采用壓縮高電平時間的辦法，濾除復(fù)原后的矩形波信號中存在的毛刺，濾除毛刺的過程如圖3所示。圖3中，W1是壓頻轉(zhuǎn)化電路5輸出的矩形波信號，W2是現(xiàn)場可編程邏輯門陣列 (FPGA)7輸入的復(fù)原后的矩形波信號，由于矩形波傳輸通道上存在干擾，W2波形中出現(xiàn)了一個毛刺(如圖中3虛線框內(nèi)所示的位置)，毛刺信號高電平維持的時間為tM?，F(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA) 7在接收到高電平后啟動內(nèi)部的計(jì)時器，將所有高電平的維持時間進(jìn)行壓縮，壓縮的時間稱為濾波時間因此所有維持時間短于\的高電平都將被濾除。由于W2中毛刺信號高電平的維持時間tM短于濾波時間即tM〈\，所以毛刺信號將被濾除。胃3是現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA) 7濾除毛刺后矩形波波形，對比W1和W3可以發(fā)現(xiàn)，矩形波的高電平時間有所減少，但是頻率保持不變，并且不會出現(xiàn)毛刺信號。濾波時間\應(yīng)該大于毛刺信號高電平的維持時間，同時小于矩形波正常的高電平維持時間，一般設(shè)定在10—20微秒?，F(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA) 7同時接收時鐘信號Clk作為高頻脈沖的信號源，使高頻脈沖信號的周期Tp為O. I微秒，在現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)7內(nèi)測量濾除毛刺后的矩形波的周期T#，累計(jì)在矩形波信號兩次上升沿之間的高頻脈沖的個數(shù)N (即累計(jì)相鄰兩次矩形波信號高電平之間的高頻脈沖的個數(shù)N)，矩形波的周期與高頻脈沖個數(shù)的關(guān)系如下式Tjxb=NXTp式中Τ#為矩形波信號的周期，N為高頻脈沖的個數(shù)，Tp為高頻脈沖的周期。矩形波信號的周期Tjxb和頻率Fjxb是互為倒數(shù)的關(guān)系，如下式所示Tjxb = l/FJxb累計(jì)高頻脈沖的時序如圖4所示，在第一次和第二次上升沿之間高頻脈沖的個數(shù)為NI，第二次和第三次高頻脈沖之間的個數(shù)為N2，NI和N2的數(shù)值不同說明矩形波信號的周期在發(fā)生變化，也就是待檢測的直流電壓在發(fā)生變化。數(shù)字信號處理器(DSP)S通過數(shù)據(jù)總線與現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)7相連，讀取高頻脈沖的個數(shù)N，并根據(jù)分壓比例系數(shù)K1、壓頻轉(zhuǎn)化比例系數(shù)K2、高頻脈沖的周期t和高頻脈沖的個數(shù)N計(jì)算直流電壓Udc,計(jì)算公式如下Udc = —X ("V -"人,τ )經(jīng)過上述過程，數(shù)字信號處理器(DSP) 8可以計(jì)算得出待檢測功率單元體直流電壓的數(shù)值，完成了對直流電壓的檢測。
通過具體實(shí)施過程可以總結(jié)出本發(fā)明提供的直流電壓檢測方法分為電阻分壓、電壓限幅、壓頻轉(zhuǎn)化、光纖傳輸、濾除毛刺和脈沖計(jì)數(shù)六個環(huán)節(jié)，通過計(jì)算高頻脈沖的個數(shù)，實(shí)現(xiàn)對功率單元體直流電壓的檢測。
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種功率単元體直流電壓檢測裝置，其特征在于，包括依次連接的分壓電路、調(diào)理電路、壓頻轉(zhuǎn)化電路、傳輸電路、現(xiàn)場可編程邏輯門陣列及數(shù)字信號處理器；所述分壓電路對功率單元體內(nèi)直流支撐電容的直流電壓進(jìn)行取樣，并將取樣電壓傳輸給調(diào)理電路進(jìn)行濾波，得到濾波后的電壓信號；所述壓頻轉(zhuǎn)化電路將來自調(diào)理電路的電壓信號轉(zhuǎn)化為矩形波信號，矩形波信號經(jīng)傳輸電路傳輸至現(xiàn)場可編程邏輯門陣列；現(xiàn)場可編程邏輯門陣列對相鄰兩次矩形波信號高電平之間的高頻脈沖個數(shù)N進(jìn)行計(jì)數(shù)；數(shù)字信號處理器根據(jù)分壓電路的比例系數(shù)K1、壓頻轉(zhuǎn)化電路的比例系數(shù)K2、高頻脈沖的周期t和高頻脈沖的個數(shù)N計(jì)算出功率単元體內(nèi)直流支撐電容的直流電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率単元體直流電壓檢測裝置，其特征在于，所述調(diào)理電路包括相連接的低通濾波器和電壓跟隨器，低通濾波器與分壓電路連接，電壓跟隨器與壓頻轉(zhuǎn)化電路連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率単元體直流電壓檢測裝置，其特征在于，所述壓頻轉(zhuǎn)化電路采用VFC32作為壓頻轉(zhuǎn)化芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率単元體直流電壓檢測裝置，其特征在于，還包括連接在調(diào)理電路與壓頻轉(zhuǎn)化電路之間的限幅電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的功率単元體直流電壓檢測裝置，其特征在于，所述限幅電路為減法器。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的功率単元體直流電壓檢測裝置，其特征在于，所述現(xiàn)場可編程邏輯門陣列對相鄰兩次矩形波信號高電平之間的高頻脈沖個數(shù)N進(jìn)行計(jì)數(shù)之前，還對矩形波信號的毛刺進(jìn)行濾除。
7.—種功率単元體直流電壓檢測方法，其特征在于，包括以下步驟 51、電阻分壓將待檢測功率単元體內(nèi)直流支撐電容的直流電壓Ud。按照分壓比例系數(shù)K1縮小為一個電壓信號U1 ； 52、壓頻轉(zhuǎn)化將分壓后的電壓信號U1轉(zhuǎn)化為矩形波信號；矩形波信號的頻率！^b和分壓后電壓信號的幅值成正比，壓頻轉(zhuǎn)化比例系數(shù)為K2 ； 53、光纖傳輸將矩形波信號通過光纖進(jìn)行傳輸； 54、濾除毛刺采用壓縮高電平時間的方式，濾除矩形波信號中的毛刺； 55、脈沖計(jì)數(shù)采用周期為Tp的高頻脈沖信號對矩形波信號的周期進(jìn)行計(jì)算，對相鄰兩次矩形波信號高電平之間的高頻脈沖個數(shù)N進(jìn)行計(jì)數(shù)，= NXTp,TJxb為F#的倒數(shù)； 56、根據(jù)分壓比例系數(shù)K1、壓頻轉(zhuǎn)化比例系數(shù)K2、高頻脈沖的周期Tp和高頻脈沖的個數(shù)N計(jì)算待檢測功率単元體內(nèi)直流支撐電容的直流電壓Udc。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的功率単元體直流電壓檢測方法，其特征在干，步驟SI與S2之間還包括以下步驟 電壓限幅采用參考電壓Uref和減法器對分壓后的電壓信號進(jìn)行限幅，得到限幅后的電壓信號U2 = Uref-U1, Uref為參考電壓； 在所述步驟S2中，將限幅后的電壓信號轉(zhuǎn)化為矩形波信號；矩形波信號的頻率和限幅后的電壓信號的幅值成正比。
全文摘要
本發(fā)明提供一種功率單元體直流電壓檢測裝置及方法，經(jīng)過電阻分壓、電壓限幅、壓頻轉(zhuǎn)化、光纖傳輸、濾除毛刺和脈沖計(jì)數(shù)六個環(huán)節(jié)，將電壓幅值轉(zhuǎn)化為矩形波信號，通過計(jì)算相鄰兩次矩形波信號高電平之間的高頻脈沖個數(shù)N達(dá)到了檢測功率單元體內(nèi)直流支撐電容的直流電壓的目的。由于本發(fā)明提供的技術(shù)方案無需使用霍爾傳感器，大大降低了裝置的價格，同時避免了多位數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸，簡化了軟硬件設(shè)計(jì)，提高了直流電壓檢測的準(zhǔn)確率。
文檔編號G01R19/25GK102854374SQ20121031429
公開日2013年1月2日 申請日期2012年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月30日
發(fā)明者石磊, 吳勝兵, 崔鵬琨 申請人:廣州智光電氣股份有限公司