基于FPGA的程控三相功率源设计与实现

张 羽，杜 民，孙存强

（1.国网技术学院 山东 济南250002；2.积成电子股份有限公司深圳研发中心 广东 深圳 518000；3.山东新北洋信息技术有限公司 山东 威海250100）

基于FPGA的程控三相功率源设计与实现

张 羽1，杜 民2，孙存强3

（1.国网技术学院 山东 济南250002；2.积成电子股份有限公司深圳研发中心 广东 深圳 518000；3.山东新北洋信息技术有限公司 山东 威海250100）

程控三相功率源用于检测三相电能表，功率表，取代了传统的电磁式校验装置。性能、指标上都有了很大的改进，但是也存在电路比较复杂，电路板面积比较大，容易出现故障，稳定性差等缺点，本设计基于FPGA直接数字合成技术，实现了高精度功率信号的产生，开发出一种成本低、性能稳定、结构简单、集成度高以及操作灵活简单的三相交流功率信号源。通过友好的人机交互界面，可以方便地调节输出信号的频率、相位、幅度。同时保证输出的信号具有高的电流、电压、频率精度和超低的波形失真度。

三相功率源；程控；FPGA；NCO

程控三相功率源用于三相功率表、三相电能表等的检测，广泛应用于测量、检定系统中，它包含三相交流电压源和三相交流电流源，六路输出信号。具有频率、相位、幅度可调的特点。基于FPGA的程控三相功率源采用直接数字合成技术（DDS）实现了信号源的产生，并通过后级功率放大对FPGA产生的信号进行功率放大。同时，采集输出信号作为反馈，形成闭环控制，可以实现高精度的控制和输出。通过FPGA作为控制器，利用FPGA的强大功能，可以方便地调节输出信号的频率、相位、幅度。文中从硬件设计和软件架构方面对方案进行了阐述。最后，通过实验验证了文中提出方案的可行性。

测量测试用的三相功率源，主要应用于电力测量与测试，如三项电能表，三相功率表的测量，它的发展经历3个阶段。1）电磁式功率源，是使用传统的电磁感应调压器、升流器、移相器，从供电网的市电三相电取电，调节出所需三相信号。这种方式应用了很长时间。这种测试方式的缺点是非常明显的，调节非常困难，仅仅调节出三相平衡的电压信号就非常困难，各相之间相互影响。且电压电流的输出易受到市电带来信号波动和畸变。2）上世纪八十年代，有了电子式的三相功率源，由分立的电子元件组成的振荡电路组成，相比电磁式三相功率源，性能有了很大提高，但由于电路结构复杂，故障率较高，没有得到广泛应用，上世纪九十年代，出现MCU控制的程控三相功率源，属于第三代交流功率测试源，性能有了很大提高，目前，程控三相功率源的设计多采用MCU的方案实现。配合适当的外围电路，MCU可以方便地控制三相功率源输出信号的频率、幅值和相位。它的基本原理是：把波形数据存在数据存储器中，例如：正弦波一个周期取100点，把这一百个点的对应的相位，查表得出的值填在数据存储器中，当需要信号输出时，用MCU把数据按照一定的的时间间隔调出，送给D/A转换器输出，产生波形，送出的波形只是一个阶梯波，在经过低通滤波器才能得到平滑的正弦波。然而，基于MCU的方案需要依赖于大量的外围电路，成本高，并且稳定性受外围电路影响比较大[1-8]。

本设计是基于FPGA的程控三相功率源，其外围电路更少，其方案的实现是在基于FPGA的片上系统实现，简化了电路设计，节约了系统成本，提高了系统的稳定性。应该算是第四代三相功率源。

结合程控三相功率源的特点和FPGA的优势，实现了基于FPGA的程控三相功率源的设计，并通过仿真和实验验证了方案的可行性。

1 信号发生器设计

相比于以往的基于MCU数字波形合成技术，DDS从相位控制的概念出发，通过控制输入的频率控制字来产生所需频率的信号，并且具有频率切换速度快、频率分辨率高和相位连续可调等优点[3]。

基于FPGA的DDS技术中的核心为NCO—数字控制振荡器（NCO，Numerically Controlled Oscillator），是软件无线电、直接数据频率合成器（DDS，Direct Digital Synthesizer）、快速傅立叶变换（FFT，Fast Fourier Transform）等的重要组成部分，同时也是决定其性能的主要因素之一，用于产生可控的正弦波或余弦波[2-11]。

NCO的实现方法有传统方法是采用查表法（LUT），为了提高数控振荡器的频率分辨率，往往需要扩大波形存储器的容量，造成存储资源的大量消耗。而且，当需要外挂RAM来存储波形时，由于受到RAM读取速度的影响，数控振荡器的输出速率必然受到制约。因此，当需要设计高速、高精度的数控振荡器时，不宜采用查表法[14]。

新型基于FPGA的处理方法为基于矢量旋转的CORDIC算法，该算法主要用于计算三角函数、双曲函数及其它一些基本函数运算。它有线性的收敛域和序列的特性，只要迭代次数足够，即可保证结果有足够的精度[16]。

在本设计中采样Altera的Cyclone V系列FPGA实现直接数字频率合成。系统框图如下所示。在图中信号产生部分的NCO采用CORDIC迭代算法来实现[7]。

NCO的顶层框图如图1所示：其中Phi_inc_i为频率控制字，用来设置输出信号的频率，fsin_o为波形的数字输出，用来控制DAC产生正弦波形信号。clken为时钟使能，可以通过这个控制信号来决定波形产生的起始，从而实现相位调制。

图1 NCO的顶层框图

在FPGA中，通过通信接口控制模块同输出控制单元进行通信，用来接受并解析命令，对频率控制模块、相位控制模块、幅度控制模块发送控制命令[4]。

频率控制模块采用控制NCO的Phi_inc_i来实现。本设计采用32位的控制字，可以达到相当高的控制精度。

各路信号之间的相位控制由相位控制模块采用实现。在相位控制模块中，采用高速时钟进行计数，控制依次打开NCO的时钟使能，从而实现精确控制各路信号的相位[5]。

幅度调制采用乘法型DA转化器AD5668。幅度控制通过电压型DAC，AD5445产生模拟电压。通过控制乘法型DAC的参考端便可以实现波形的幅度调整。采用16位的AD5445可以充分保证模拟出的波形的平滑。

使用另一个DAC控制DAC1的参考电压。当给DACI相同的数字量，改变施加在参考电压端的电压DAI的输出电压会随之改变。DACI采用DACXXX为16位以保证具有足够的调节细度。调节细度达1/65 536之一。有如此调节细度，只要保证后级功率放大器的足够稳定性就可以选出标准功率源，即可以输出达到一定准确值得电压和电流值。

时钟使能端，实际上就是控制正弦波信号发生的起始过零点从而实现六路电压电流信号的相位控制，而且客服有些功率源设计中，调节相位只有先把电压电流幅值降到零再调节相位的缺点[15]。

频率调节实际上就是调节波形模拟时发送出DAC的两点数据之间的时间间隔。如果是准确的50 Hz信号，一个周期需要100个点进行波形模拟时，每点的周期是20 ms，每点时间间隔就是20 ms/100=0.2 ms。

2 功率放大电路实现

信号发生器模块产生的信号包含了功率源所必须的频率、幅值、相位等信息，但是该信号幅度较低、功率较小，用它无法直接驱动负载，需要通过功率放大电路增强功率源的驱动能力。

功率放大电路主要包含3部分：预放大电路、高电压放大电路和保护模块。预放大电路起过渡作用，连接信号发生器和功率放大电路，将信号进行初步处理，优化波形，降低信噪比。高电压放大电路主要是通过高压功率三极管搭建功率放大电路，在外部直流高压电源的驱动下，实现信号功率放大。保护模块在输出功率超过额定值时起作用，避免因为功率过大导致系统损坏[9]。

前级采用集成功率放大器，加后级大功率三极管对管组成。这种组合的优点是集成功率放大器使用可以简化电路，此类4件可以选用。但是这种集成功放不会有太大功率。如果我们需要输出功率比较大时显然是不够的，或者价格非常昂贵。合理方案是集成功放和达林顿三极管的组合。达林顿大功率三极管的价格非常便宜。最后一级是输出变压器，接在功放三极管的之后。输出变压器可以使输出达到我们更多要求。基本量程电压100 V，电流5 A，这是常规的量程[13]。

图2 硬件电路总体框图

3 反馈电路实现

为实现三相功率源频率、相位和幅值的精确控制，需引入负反馈系统，利用PI调节实现无差调节。以幅值为例，利用AD采集输出信号的幅值作为反馈，同给定的幅值进行比较，利用误差作为控制量，实现动态调节。图3为反馈电路实现的框图。

把交流信号经互感器（此互感器精度要足够高）。经运放调整幅度送至真有效值变换电路送入A/D，此A/D选12位ADXXX。

当FPGA产生正弦波信号，再经反馈回路送回主控MCU，MCU判断送出值与反馈值一致时，经正常工作，如果反馈值明显低于输出值，可以判断输出端过载，这时需要撤掉输出信号，防止时间过载造成的系统损坏。

图3 反馈电路实现框图

4 输出控制单元实现

程控三相功率源的频率、相位和幅值要求可以调节，并且该系统中频率调节范围为45～55 Hz，相位0～360°可调，幅值0～100 V的基本量程内可调。其中，频率、相位和幅值的调节通过控制单元实现。将控制信号通过输入系统送给FPGA，FPGA调节输出信号的频率、相位和幅值。

频率和相位的调节通过控制DDS模块实现。DDS通过控制输入频率控制字来实现输出波形的控制。基于FPGA的DDS系统中，可以通过选择波形数据存储器中的数据来实现频率和相位的调节。幅值的控制通过调节功率放大器中预放大电路和功率放大电路的放大倍数实现。FPGA输出控制信号经过DA输出，调节放大电路的参考电压，进而实现幅值的控制。如果测量电能表时，由于目前电能表的量限跨度很大，电压标准量限100 V，220 V，380 V，根据需要可以设置更多的量限。目前有企业开发出10 kV电能表，电流量限也比较大，市场上能看出的电能表电流量程有100 A或者更大，那么检测电能表的三相功率源必须有同样大的量程才能满足检测电能表的要求。更多的的量程可以通过设计多抽头升压变压器和升流器，由FPGA送出的开关量信号控制继电器，来切换量程。

5 软件系统设计

该软件系统包括底层的嵌入式软件系统和上层控制软件系统。

嵌入式软件系统的硬件平台采用基于FPGA的SOPC技术来实现。MCU采用FPGA内部的NIOS II软核来实现。不需要独立的MCU。嵌入式软件系统包括输入输出信号控制、AD和DA的数据转换控制、以及三相功率源频率、相位和幅值的控制。通过接受上层控制软件的命令与配置参数，控制信号发生器模块和外设电路。同时监控系统状态并反馈到上层控制软件[12]。

上层控制软件，可以安装在台式电脑或笔记本电脑上，程序由VB编制。上层控制软件具有友好的人机交互界面，通过串口向FPGA主控板发出控制命令和控制参数，如电压值、电流、相位、频率值。

6 系统指标

该程控三相功率源的主要技术指标如下：输出相电压基本量程100 V，电流范围 0～5 A频率范围 45～55 Hz，每相输出功率100 W，电压、电流调节步长0.01%，输出电压、电流精度＜0.05%，输出频率精度 ＜0.01 Hz，输出正弦波波形失真度＜0.05%[6]。

图4 软件系统框图

7 结束语

该系统设计了基于FPGA的程控三相功率源系统，输出信号频率、相位和幅值可以调节。通过信号采样和反馈调节提高了输出信号的精确性。使用FPGA作为控制器，可以方便实现信号的生成和整个系统的控制。将整个控制系统在基于FPGA的片上系统实现，大大提高了系统的可靠性。基于FPGA的程控三相功率源系统将为电力、计量等领域的应用提供更方便的解决方案。

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Design and implementation of programmable three-phase power signal source based on FPGA

ZHANG Yu1，DU Min2，SUN Cun-qiang3
（1.State Grid of China Technology College，Jinan 250002，China；2.Integrated Electronic Limited by Share Ltd Shenzhen Research and Development Center，Shenzhen 518000，China；3.Shandong New Beiyang Information Technology Co.，Ltd.，Weihai 250100，China）

Programable three-phase power source is used in the detection of three-phase power meter，three-phase watt-hour meter，etc instead of troditional dlectic magenatic equpiment.programmable three-phase power source based on the FPGA using direct digital synthesis（DDS）has realized the generation of signal source，and through the power amplification circuit for FPGA signal power amplifier.The powerful function of FPGA，you can easily adjust the frequency，phase and amplitude of the output signal.In this paper，from the aspects of hardware and software architecture of scheme are expounded.The feasibility of the scheme is verified by experiment.

three-phase；power source；FPGA；NCOS

TN99

A

1674－6236（2016）24-0091-04

2015-12-27 稿件编号：201512270

张 羽（1964—），男，山东济南人，高级工程师。研究方向：电能计量，电力测试。