功率放大器的电流信号非接触检测与分析系统设计开题报告

 2021-08-08 12:08

全文总字数:3793字

1. 研究目的与意义

功率放大器的电流信号非接触检测与分析的研究不仅仅对功放电路的特性分析有帮助,该电路的特点是在测量时不影响原来的电路结构,保证了电路结构的完整性,对一些精密仪器的电流分析也具有参考意义,电机等复杂电路发生故障后定然不会破坏原有的电路串接测量仪器进行检测,这就可以用无接触式的方法在保证电路完整的条件下找到问题所在,还可以分析出各次谐波分量。

2. 国内外研究现状分析

该课题的研究覆盖了很多方面,电流的频谱分析,快速傅里叶的使用,信号的放大处理,单片机片内AD转换的使用等等,每个方面都有很多的研究课题与研究结论,对知识的掌握要求也更加严格了。

2000年,邱宽民和赵胜凯对DFT与FFT在实际应用时的性能进行了比较,得出了在某些具体的应用场合,DFT与它的快速算法FFT相比可能更有优势,而FFT却存在某些局限性在只需要求出部分频点的频率谱线时DFT的运算时间大为减少,所需的数据内存星也大为减小。DFT与FFT相比还具有变换点数或采样率选择更灵活、实时性更好、更容易控制溢出和动态范围、运算编程简单、可方便地在非DSP芯片中编程实现等优点。因此在实际应用中可以从具体条件出发来比较、选择DFT或FFT, 而不应片面地由于FFT是所谓的DFT的快速算法而只选用FFT的结论。

梅森在2010年在《基于FFT频谱分析算法的虚拟示波器的研制》中融合DSP技术和虚拟仪器技术,构建了测试信号处理分析系统,利用下位机DSP模块完成了数据采集功能和数据处理功能,避免了海量数据传输的问题,提高了系统实时性。

2010年章连生,赵兴建,陈晓强在《频谱分析在滚动轴承轴电流故障中的应用》中通过对电机的动态检测,适时采集数据并利用频谱分析,可以有效检测出轴电流对滚动轴承的损伤,准确把握设备运行状态趋势,避免轴承损伤甚至烧毁事故,同时也为消除这一故障提供了技术支持。

2010年马征,张国钢,柯春俊在《一种基于高频电流频谱分析的故障电弧检测方法》中提出了一种基于FFT及数学形态滤波的用于故障电弧检测的电流频谱特征提取方法。利用罗氏线圈和触发电路采集故障电弧引起的高频电流,然后进行FFT和数学形态滤波处理,提取出信号频谱的轮廓特征构造特征向量作为识别故障电弧的特征参数。

2007年杨勇在《电流频谱分析在电动机故障诊断中的应用》一文中指出理想的电动机电流信号是一个纯50Hz正弦波,在频谱上应当只有一个峰值存在。但实际上,电动机的信号频谱中往往有很多峰值,包括工频及其谐波。某些谐波随电源而来,一般不太重要,重要的是由于各种机械和电气故障,导致电动机内部磁通分布发生变化而产生的谐波。这些谐波是-些中间谐波,标准的谐波分析仪无法检测到。由于电动机故障产生的谐波只在电流频谱中出现,而电压谐波中没有,因此从电流和电压的频潜比较中可以很容易区分。合理的运用电流频谱分析能够有效的帮助我们解决问题,因此他得出结论由于电动机电流可被任何引起负荷波动或冲击的因素所调制,电流频谱分析还可用于检测受驱动设备故障问题。目前,

中原油田正逐步将电流频谱分析技术应用于受驱动设备的性能状态检测上,增加了压缩机组、注水泵机组等的故障诊断技术手段。实践表明,该项技术除应用于交流感应电动机外,还可用于发电机、同步电机、变频驱动电机和直流电机。因此,电流频谱分析技术的推广运用必将大大提高油田设备的管理与维护水平。

2012年叶芳,焦彦军,周丹在《一种基于傅立叶算法的高精度测频方法》中针对传统软件测频方法存在的问题,提出了一种新的基于傅立叶算法的频率测量方法。首先仔细研究傅立叶修正系数测频法的误差情况,调整了修正系数的计算方法,提出傅立叶修正系数测频法的改进算法。然后根据信号频率偏移时傅立叶算法误差较大这一问题,提出根据信号近似频率进行插值,对插值后新序列进行傅立叶计算。为了提高含有谐波时的测频精度,对频率进行迭代计算,直至达到精度要求或迭代次数达到限值。最后对含谐波、不含谐波两种信号进行仿真计算,对比其频率计算误差。结果表明,该算法计算精度高,计算量小且实现了频率的高精度跟踪,可以满足电力系统实时性要求。

2005年李兰芳和刘开培在《基于FFT和小波变换的电能质量分析方法》中指出变换域分析法是一种有效的分析方法,目前它在电能质星分析起到很重要的作用。它包括傅立叶(Fourier) 变换方法,短时傅立叶变换方法和小波变换。FFT及其改进算法在谐波和间谐波等稳态信号的分析中是很有优势的,但它对非平稳信号的分析就有限了。相反,小波变换具有良好的时频局部化特征,可以聚焦到信号的任意细节,能够很好地处理突变信号,特别适合于非稳态畸变波形问题的分析,但它不能准确地测星谐波分量的幅值。为此,基于信号的奇异性检测理论,利用小波分解的高频系数是否具有模极大值作为区分稳态和非稳态现象的判据。利用快速傅立叶变换方法对谐波、间谐波和纯正弦波等稳态现象进行分析。利用小波变换的快速算法一Mallat算法来确定非稳 态扰动的持续时间和扰动波形,从而区分各种非稳态扰动现象。

2011年董涛, 程培源, 樊波, 等在《功率频谱在异步电动机故障诊断中的应用》中针对异步电动机故障特征难以提取的问题,引入基于功率频谱的故障诊断方法。 三相平均功率频谱将定子电流中的基波变换为功率频谱中的直流分星,从而达到突出故障特征、准确分离复合故障的效果,但必须考虑电源和负载的对称度。单相功率频谱无法诊断定子绕组故障,却对诊断转子断条故障非常有效。理论推导与仿真表明,功率频谱 具有故障特征明显、信息丰富、诊断灵敏度高、对采样分辨率要求低的优点,可用于异步电动机的故障诊断。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容:

对功率放大器的输出电流进行非接触测量,使用单片机对测量数据进行信号处理,编写频谱分析程序并由LED液晶显示。

1、功率放大电路

功率放大电路使用TDA2030芯片,将输入信号进行放大,该芯片电路具有以下特点:(1)外接元件少。(2)输出功率较大,Po=18W(RL=4Ω)。(3)采用超小型封装(TO-220),可提高组装密度。(4)开机冲击极小。(5)内含各种保护电路,因此工作安全可靠。主要保护电路有:短路保护、热保护、地线偶然开路、电源极性反接(Vmax=12V)以及负载泄放电压反冲等。(6)TDA2030A能在6V到22V的电压下工作。在19V、8Ω阻抗时能够输出16W的有效功率,THD≤0.1%。同时在小电流时它的波形更加完好。

同时它的注意事项也有如下几点:

(1)TDA2030A具有负载泄放电压反冲保护电路,如果电源电压峰值电压40V的话,那么在5脚与电源之间必须插入LC滤波器,二极管限压(5脚因为任何原因产生了高压,一般是喇叭的线圈电感作用,使电压等于电源的电压)以保证5脚上的脉冲串维持在规定的幅度内。

(2)热保护:限热保护有以下优点,能够容易承受输出的过载(甚至是长时间的),或者环境温度超过时均起保护作用。

(3)与普通电路相比较,加散热片可以使其有更高的安全系数。万一结温超过时,也不会对器件有所损害,如果发生这种情况,Po=(当然还有Ptot)和Io就被减少。

(4)印刷电路板设计时必须较好的考虑地线与输出的去耦,因为这些线路有大的电流通过。

(5)装配时散热片与之间不需要绝缘,引线长度应尽可能短,焊接温度不得超过260℃,12秒。

(6)虽然TDA2030A所需的元件很少,但所选的元件必须是品质有保障的元件。

2、谐波分析

离散傅里叶变换(DFT),是傅里叶变换在时域和频域上都呈现离散的形式,将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换(DTFT)频域的采样。在形式上,变换两端(时域和频域上)的序列是有限长的,而实际上这两组序列都应当被认为是离散周期信号的主值序列。即使对有限长的离散信号作DFT,也应当将其看作经过周期延拓成为周期信号再作变换。在实际应用中通常采用快速傅里叶变换

以高效计算DFT。

3、电流感应电路

电流感应电路使用磁环感应电流,通过采样电阻将电流转换成电压,通过INA128将电压放大,处理后进入单片机分析。采样电阻使用10Ω 20W的功率电阻,能够承受电路最大功率,同时不会被电阻发热影响过多。

4、总结

功率放大器的电流信号非接触检测与分析的研究不仅仅对功放电路的特性分析有帮助,查阅参考文献后可以发现与之相关的课题研究也是很多的,因为该电路的特点是在测量时不影响原来的电路结构,保证了电路结构的完整性,对一些精密仪器的电流分析也具有参考意义。

计划:

2019年1月10日-2019年2月19日查阅相关资料,拟定初步设计方案;

2019年2月20日-2019年3月31日原理图设计和硬件设计;

2019年4月01日-2019年4月30日硬件调试和联机调试;

2019年5月01日-2019年5月31日论文撰写及修改、准备答辩。

4. 研究创新点

快速傅里叶变换在51单片机里应用速度可能会受到影响,相比于stm32而言,51单片机实现该功能会有些难度,但如果用stm32来做该课题就没有研究意义了,因此本次研究用51单片机,在电路设计不复杂的基础上增加难度。

同时该研究也可以为以后对非接触测量电流幅频特性的研究提供参考。

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