基于ADS1202单数据链路的变流器电气量检测

蔡宗举，徐荣，杨 森，张宏伟

基于ADS1202单数据链路的变流器电气量检测

蔡宗举1，徐荣2，杨 森1，张宏伟1

（1．中国船舶工业系统工程研究院，北京 10094；2 江苏大全凯帆电器股份有限公司，南京 211100）

针对多相大功率变流器需要采集并处理的温度、电流及电压等电气量数量多、空间分布分散的特点，本文设计了一种基于ADS1202的单数据链路的电气量检测方法。采用曼彻斯特码完成单数据链路信号传输，通过FPGA编程实现曼彻斯特码自同步解码，并使用Sink3数字滤波器对电气量进行处理。实验验证了信号调理、转换和后处理的有效性和可靠性，并实际应用于多相大功率变流器装置中电气量的分布检测。

多相变流器 电气量检测 曼彻斯特码 Sink3滤波器

0 引言

随着电力电子技术及其控制技术的发展，大功率变流器逐渐取代了传统机械和燃气动力及其相关的能量变换装置，成为电力传动和输配电领域的主要技术路线[1]。限于绝缘和散热需求以及电力器件固有的物理尺寸等因素，大功率变流器体积通常较大，使得变流器电气状态（电压、电流、温度等）表现出强烈的空间分散性。加之，变流器内部功率开关器件及电磁元件产生的强电磁干扰等环境，使得传感器输出弱电信号的可靠传输和精确检测受到严重威胁。常规的模拟传输和检测方法，即将各检测模拟小信号通过硬线连接到集中控制板上进行模数转换，以供控制算法使用。然而，较长的传输线和强干扰环境势必导致检测信号受干扰、检测误差大，影响系统的反馈控制性能，甚至导致系统不稳定运行[2]。

因此，在实际大功率变流器应用中，通常采用电气量就近检测、转换，并采用光纤信号进行传输的技术路线[3]。

文献[4]针对并联型有源电力滤波器快速变化的电流，研究了一种带预测功能的电流检测方法，在多变量检测中，算法的处理将增加控制系统的任务量。文献[5]分析了D-S调节器ADS1202的基本原理和其在电量检测上的应用，为变流器电气检测提供了参考。文献[6]针对磁滞电流控制，采用一个检测MOSFET和比较器实现极限电流的检测，较小的检测范围和较低的精度降低了其实用性。文献[7]利用统一电能质量控制器解决了多重电压、电流质量问题的特性及需求，推导出电压电流检测的方法。同样，此种方法依然依赖于控制器的运算才能实现检测。另外，针对检测数据的光纤传输，常规的同步串行数据传输、CAN数据传输等需要至少2根光纤数据链路，这在电气检测量较多时，将极大的增加控制器的IO接口、连线复杂度和系统成本。为此，可以借鉴通信领域的编码技术，将检测数据经过编码后再传输，实现少数据链路的数据传输。文献[8][9]采用曼彻斯特码作为传输数据媒介，数据单向传输仅需1根数据线，通过FPGA简单编程即可实现检测数据的转换接收。曼彻斯特码特有的自同步编解码具有很强的抗干扰特性，特别适合大功率变流器系统的数据传输通信应用[10]。

本文针对大功率变流器分布电气量精确检测和可靠传输的应用需求，基于D-S调节器ADS1202设计了电压电流等模拟电气量的检测和转换、单数据链路传输方案。

1 大功率变流器电气量检测、转换和处理

1.1 D-S调节器ADS1202简介

D-S调节器ADS1202芯片是专为电机控制及电气量检测、转换而设计的，主要用于DC 39 kHz的中高分辨率的AD转换。采用单5 V供电方式，能灵活地集成在控制板中。差分模拟输入能方便地和转换器或小信号相连。设计合适的数字滤波器参数和转换速率，可实现高信噪比（85 dB以上）条件下，高达16bit分辨率的AD转换，完全满足大功率变流器的电气量检测应用。其基本原理是，基于过采样方式，将模拟信号转化为串行“0”和“1”数据流，单位时间内数据流的平均值和模拟输入量呈高度的线性关系。

基于内部10 MHz高频调制器，ADS1202将量化噪声调制到高频段，并在接收端采用数字低通滤波器滤除高频噪声，以提高低频有效信号的信噪比。同时，还能通过低通滤波器将高速单路串行数据流转换为低速的并行数据字。数字处理器DSP或FPGA均可容易地实现数字低通滤波器的功能。

在后端串行数据处理中，通过设计合适的过采样率和低通滤波器，可实现不同的采样速率和采样精度，满足实际应用需要。

在转换输出模式上，可配置2种输出模式：同步时钟+数据输出模式和曼彻斯特码输出模式。其中，同步输出模式包含两条数据链路；曼彻斯特码输出模式仅由1条数据链路。调制器通过将时钟信息调制在串行数据流中，接收端通过从串行数据流中同步解码出同步时钟，以降低数据传输的硬件开销。

1.2 模拟小信号检测和调理

在大功率变流器中，电气检测量基本包括电压、电流、温度、湿度等。为减小电磁干扰，传感器检测输出基本都是模拟电流信号。为方便进行信号调理、采样和量化，通常将模拟电流信号经高精度检测电阻转换成电压信号。所获得的原始电压信号经信号调理，实现幅值缩放和干扰滤波，以供AD转换器进行模数转换，也即ADS1202将调理后的模拟电压信号转换成数字“0”和“1”的串行数据流。为实现强电磁干扰下的可靠数据传输，AD转换数据流经电/光转换，进行光信号传输，并在控制器端进行光/电转换。控制器将接收到的串行数据流经数字滤波，滤除高频噪声，并还原成并行数据字。整个基于单数据链路的电气量检测原理如图1 所示。其中，模拟信号调理及数据解码和滤波是本检测方法的重要内容。

信号调理的原理如图2所示，其主要目标是：调理信号幅值，使其满足AD转换输入需求；对模拟信号进行滤波，以滤除噪声和干扰，提高信号的信噪比。

图1 电气模拟量检测示意图

图2中，输入信号in1首先经过由运放OP1组成的跟随环节，以消除信号调理环节的低输入阻抗对原始信号检测的影响，其满足的电气关系为：

运放OP2在实现输入信号in2的幅值调节的同时，采用1和4组成的低通滤波器，对信号中的高频噪声进行滤波，相应的信号幅值比例和滤波截止频率为：

(2)