一種基于FPGA的全光纖電流互感器控制電路設計

　　圖2 FPGA閉環(huán)控制時(shí)序圖

　　2.4 數模轉換及驅動(dòng)電路

　　該部分功能是把200 kHz固定方波和數字階梯波疊加生成模塊所輸出的數字信號轉變?yōu)槟M電壓信號，經(jīng)過(guò)功率驅動(dòng)部分的放大和幅度調節控制相位調制器(在D/A滿(mǎn)量程輸出時(shí)，產(chǎn)生的模擬電壓值為相位控制器半波電壓的兩倍)，從而在光纖傳感環(huán)中產(chǎn)生一個(gè)附加的反饋相移，抵消掉本次閉環(huán)控制周期內檢測到的相位差。D/A選擇主要考慮模擬信號輸出建立時(shí)間、增益誤差、輸出線(xiàn)性度以及分辨率幾個(gè)指標。D/A輸出信號建立時(shí)間不僅對閉環(huán)控制帶寬具有重要影響，而且當其建立時(shí)間較長(cháng)時(shí)，會(huì )對輸出階梯波臺階的前、后沿影響很大，導致模數轉換器前端輸入信號的尖峰脈沖拉長(cháng)，而有效采樣時(shí)間窗口變短，因此建立時(shí)間越短越好。D/A的增益誤差和輸出線(xiàn)性度決定了輸出模擬信號的誤差和線(xiàn)性度，而模擬信號的誤差和線(xiàn)性度施加在相位調制器上后或直接影響反饋相位的控制誤差，因此需選擇增益誤差和輸出線(xiàn)性度小的模數轉換器。D/A的分辨率直接決定相位控制的最小分辨精度，其分辨率最好大于A(yíng)/D的分辨率。設計中采用16位的高速D/A芯片AD9726實(shí)現該模數轉換功能。由于該芯片為電流型輸出，所以后端采用高速運放AD81l實(shí)現電流輸出轉電壓輸出和電壓幅度放大功能。

　　3 實(shí)驗驗證及討論

　　為驗證上述控制電路性能，結合前端光纖電流傳感頭模塊搭建了全光纖電流互感器裝置。同時(shí)，采用大電流發(fā)生器(交流，有效值0 ~ 5 000A,50 Hz)作為測試電流源，并以0.0l級(誤差低于0.0l%)的標準電流互感器為基準，按照國標要求，搭建了一套準確度校檢系統，以之校檢該全光纖電流互感器的測量準確度，從而驗證上述控制電路的指標和功能。圖3是上層控制界面通過(guò)串口獲得的50 Hz交流電信號的截圖，可見(jiàn)通過(guò)上述控制電路可以有效解調出50 Hz交流電信號的周期和幅度信息，從而實(shí)現對光纖傳感頭的閉環(huán)控制功能。

　　圖3 上層控制界面獲得的50 Hz交流電信號

　　在本控制電路基礎上搭建的全光纖電流互感器裝置樣機額定一次電流值Ipr設定為100A-4000A,根據國標要求，在Ipr的l%-120%范圍內，實(shí)測電流值i測的測量誤差如表1所示，其中標準電流值i標指0.01級標準電流互感器對待測電流進(jìn)行檢測得到的電流值(有效值，與真實(shí)值之間的誤差低于0.0l%)，單位為A;樣機解調信號的數字輸出指樣機對待測電流進(jìn)行解調后輸出的數字量;樣機解調出的電流值i解，指樣機解調信號的數字輸出乘以一個(gè)固定變比得到的數值，表征解調輸出的電流值(有效值)，單位為A;電流誤差為i標和i解之間的誤差。

　　圖4 全量程范圍的實(shí)測誤差曲線(xiàn)

　　根據表1的數據，可得到全量程范圍內的誤差曲線(xiàn)，如圖4所示?？梢灾庇^(guān)看出全量程范圍內的實(shí)測誤差均滿(mǎn)足0.2 S級測量準確度的要求。即設計的電路完成了對光纖傳感頭的閉環(huán)控制和測試數據解調。

　　本文初步研究了用于全光纖電流互感器的閉環(huán)檢測控制電路，基于單片FPGA實(shí)現信號采集、數據輸出以及與計算機通信等控制和數據解調、積分濾波、階梯波產(chǎn)生等算法，完成了對光纖電流互感器傳感頭輸出信號的檢測以及閉環(huán)控制。該控制電路具有結構簡(jiǎn)單、集成度高、閉環(huán)控制速度快、控制精度高等特點(diǎn)，為研制滿(mǎn)足電力電網(wǎng)測試需求的全光纖電流互感器奠定了基礎。此外，基于該控制電路研制的全光纖電流互感器樣機，經(jīng)測試，其額定一次電流100 A~4000 A范圍內均實(shí)現了0.2 S級測量準確度，初步滿(mǎn)足電力電網(wǎng)對電流互感器測量準確度的要求。