本发明公开了一种基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源，属于电变量测量领域。三相交流标准源包括微处理器、回采单元、模数转换单元和输出调节部分，还包括软件幅值控制单元、幅值数模转换单元、二级滤波单元、波形数模转换单元和硬件幅值控制单元。本发明对三相交流标准源控制信号进行波形‑幅值的分离式控制，一方面通过设计软件幅值控制单元与硬件幅值控制单元克服了传统功率源在小量程下控制信号进行数模转换时分辨率不足的问题，另一方面通过设计含有二级滤波单元的分离控制方式解决了三相交流标准源数模转换时谐波含量大、幅值控制准确率低和相位控制误差大的问题，实现了三相交流标准源的全量程高精度输出。
1.一种基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源，包括微处理器（5）、回采单元（3）、模数转换单元（4）和输出调节部分；所述回采单元（3）与设备负载（13）相连接，还通过模数转换单元（4）与微处理器（5）相连接；所述回采单元（3）用于进行信号回采，所述模数转换单元（4）用于将回采的模拟量信号转换为数字量信号，其特征在于：还包括软件幅值控制单元（7）、幅值数模转换单元（8）、二级滤波单元（9）、波形数模转换单元（6）和硬件幅值控制单元（10）；
所述微处理器（5）与波形数模转换单元（6）的第一输入端相连接，用于将波形控制信号输出至波形数模转换单元（6）；
所述微处理器（5）还与软件幅值控制单元（7）相连接，用于将软件幅值控制信号下发至软件幅值控制单元（7）；
所述软件幅值控制单元（7）通过幅值数模转换单元（8）与二级滤波单元（9）的第一输入端相连接；软件幅值控制单元（7）用于根据软件幅值控制信号通过控制算法生成软件幅值控制数字信号；幅值数模转换单元（8）用于将软件幅值控制数字信号转换为软件幅值控制模拟信号；
所述回采单元（3）还通过硬件幅值控制单元（10）与二级滤波单元（9）的第二输入端相连接；硬件幅值控制单元（10）用于通过硬件进行幅值控制输出的精细调节，生成硬件幅值控制模拟信号；
所述二级滤波单元（9）的输出端与波形数模转换单元（6）的第二输入端相连接；所述二级滤波单元（9）用于将软件幅值控制模拟信号和硬件幅值控制模拟信号合成并滤除噪声，生成幅值控制信号；
所述波形数模转换单元（6）的输出端通过输出调节部分与设备负载（13）相连接；波形数模转换单元（6）用于将数字量的波形控制信号转换为模拟量信号后与幅值控制信号合并，并控制输出调节部分进行带载输出；
用于接收回采单元（3）输出信号的硬件幅值控制单元（10）输入端与电阻R3一端相连接，电阻R3的另一端通过电容C2连接至运算放大器D1的同向输入端，运算放大器D1的同向输入端还通过电阻R4接地；电阻R3的另一端还通过电容C3接地；
运算放大器D1的反向输入端通过电阻R1与电阻R3的另一端相连接，并与运算放大器D1的输出端相连接；
所述硬件幅值控制单元（10）还包括运算放大器D2；
所述运算放大器D1的输出端通过电阻R2与运算放大器D2的反向输入端相连接，同时运算放大器D2的反向输入端通过电容C1连接至硬件幅值控制单元（10）的输出端，运算放大器D2的同向输入端接地；
二级滤波单元（9）的第二输入端通过电阻R9连接至运算放大器D4的反相输入端，同时二级滤波单元（9）的第一输入端通过电阻R10连接至运算放大器D4的反相输入端，运算放大器D4的反相输入端还通过电阻R8连接至运算放大器D4的输出端；运算器D4的同相输入端接地；
运算放大器D4的输出端通过电阻R5与电阻R6的一端相连接，电阻R6的另一端连接至运算放大器D3的同向输入端，同时运算放大器D4的输出端通过电容C5与电容C6的一端相连接，电阻C6的另一端连接至运算放大器D3的同向输入端；电阻R6的一端还通过电容C4接地，电容C6的一端还通过电阻R7接地，运算放大器D3的反相输入端与二级滤波器的输出端相连接。
2.如权利要求1所述的基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源，其特征在于：软件幅值控制单元（7）采用的控制算法为：对设备负载（13）电流进行回采，设微处理器（5）的采样间隔为dt，每次采样后进行如下计算：
1）计算当前给定电流与回采电流之间的误差值Err：
其中，Isat为微处理器（5）接收到或设置的给定电流；Ifb为来自于模数转换单元（4）的回采电流；
2）对误差值进行时域积分，得到误差时域积分值Init：
Diff_Now=(Err‑Last_Err)/dt；
其中，Last_Err为上一次采样时给定电流与回采电流之间的误差值；
4）根据当前误差的时域微分Diff_Now和上一次采样时的误差时域微分计算值Diff_Last，计算本次的误差时域微分计算值Diff：Diff=a* Diff_Now +(1‑a)*Diff_Last；
然后，将本次的误差时域微分计算值Diff赋值给Diff_Last，供下一次计算使用；
Out=KP*Err+KI*Init+KD*Diff；
其中，KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数。
3.如权利要求2所述的基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源，其特征在于：所述dt小于等于0.001s。
4.如权利要求2所述的基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源，其特征在于：所述a取值范围为0.5‑0.8。
5.如权利要求1所述的基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源，其特征在于：还包括上位机（1）和通信单元（2），所述上位机（1）通过通信单元（2）与微处理器（5）相连接，向微处理器（5）下发控制指令，微处理器（5）根据控制指令生成波形控制信号和软件幅值控制信号。
6.如权利要求1至5任一所述的基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源，其特征在于：所述输出调节部分包括功率放大单元（11）和升压升流单元（12），功率放大单元（11）用于提供带负载能力，升压升流单元（12）用于提供负载所需电压和电流；所述波形数模转换单元（6）依次通过功率放大单元（11）及升压升流单元（12）与设备负载（13）相连接。
基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源
技术领域
[0001] 本发明属于电变量测量领域，具体涉及一种交流标准源。
背景技术
[0002] 三相交流标准源是测量、校验和高精度信号源输出的重要仪器。随着工业技术的更新迭代与实际需求的日益增长，亟须对传统的控制方式与结构特征进行针对性改造与完善。
[0003] 现有技术中的三相交流标准源的控制方式多基于差值法和过零点触发的数字式闭环控制，同时输出控制信号的波形与幅值。这种方式的缺陷在于：在满足大量程控制信号的精准输出的同时，小量程下控制信号在进行数模转换时会出现分辨率不足，引起谐波增大，造成幅值控制的准确率低和相位控制误差大等问题，无法实现三相交流标准源的高精度输出。
发明内容
[0004] 本发明提出了一种基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源，其目的是：确保三相交流标准源在大量程与小量程的情况下都能够精准、高效、稳定的输出。
[0005] 本发明技术方案如下：
[0006] 一种基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源，包括微处理器、回采单元、模数转换单元和输出调节部分；所述回采单元与设备负载相连接，还通过模数转换单元与微处理器相连接；所述回采单元用于进行信号回采，所述模数转换单元用于将回采的模拟量信号转换为数字量信号，还包括软件幅值控制单元、幅值数模转换单元、二级滤波单元、波形数模转换单元和硬件幅值控制单元；
[0007] 所述微处理器与波形数模转换单元的第一输入端相连接，用于将波形控制信号输出至波形数模转换单元；
[0008] 所述微处理器还与软件幅值控制单元相连接，用于将软件幅值控制信号下发至软件幅值控制单元；
[0009] 所述软件幅值控制单元通过幅值数模转换单元与二级滤波单元的第一输入端相连接；软件幅值控制单元用于根据软件幅值控制信号通过控制算法生成软件幅值控制数字信号；幅值数模转换单元用于将软件幅值控制数字信号转换为软件幅值控制模拟信号；
[0010] 所述回采单元还通过硬件幅值控制单元与二级滤波单元的第二输入端相连接；硬件幅值控制单元用于通过硬件进行幅值控制输出的精细调节，生成硬件幅值控制模拟信号；
[0011] 所述二级滤波单元的输出端与波形数模转换单元的第二输入端相连接；所述二级滤波单元用于将软件幅值控制模拟信号和硬件幅值控制模拟信号合成并滤除噪声，生成幅值控制信号；
[0012] 所述波形数模转换单元的输出端通过输出调节部分与设备负载相连接；波形数模转换单元用于将数字量的波形控制信号转换为模拟量信号后与幅值控制信号合并，并控制输出调节部分进行带载输出。
[0013] 作为所述基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源的进一步改进：软件幅值控制单元采用的控制算法为：
[0014] 对设备负载电流进行回采，设微处理器的采样间隔为dt，每次采样后进行如下计算：
[0015] 1）计算当前给定电流与回采电流之间的误差值Err：
[0016] Err=(Isat‑Ifb)；
[0017] 其中，Isat为微处理器接收到或设置的给定电流；Ifb为来自于模数转换单元的回采电流；
[0018] 2）对误差值进行时域积分，得到误差时域积分值Init：
[0019] Init=Init+Err*dt；
[0020] 3）计算当前误差的时域微分Diff_Now：
[0021] Diff_Now=(Err‑Last_Err)/dt；
[0022] 其中，Last_Err为上一次采样时给定电流与回采电流之间的误差值；
[0023] 4）根据当前误差的时域微分Diff_Now和上一次采样时的误差时域微分计算值Diff_Last，计算本次的误差时域微分计算值Diff：
[0024] Diff=a* Diff_Now +(1‑a)*Diff_Last；
[0025] 其中，a为微分滤波器系数；
[0026] 然后，将本次的误差时域微分计算值Diff赋值给Diff_Last，供下一次计算使用；
[0027] 5）生成软件幅值控制数字信号Out：
[0028] Out=KP*Err+KI*Init+KD*Diff；
[0029] 其中，KP为比例系数，KI为积分系数，KD为微分系数。
[0030] 作为所述基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源的进一步改进：所述dt小于等于0.001s。
[0031] 作为所述基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源的进一步改进：所述a取值范围为0.5‑0.8。
[0032] 作为所述基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源的进一步改进：所述硬件幅值控制单元包括运算放大器D1；
[0033] 用于接收回采单元输出信号的硬件幅值控制单元输入端与电阻R3一端相连接，电阻R3的另一端通过电容C2连接至运算放大器D1的同向输入端，运算放大器D1的同向输入端还通过电阻R4接地；电阻R3的另一端还通过电容C3接地；
[0034] 运算放大器D1的反向输入端通过电阻R1与电阻R3的另一端相连接，并与运算放大器D1的输出端相连接。
[0035] 作为所述基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源的进一步改进：所述硬件幅值控制单元还包括运算放大器D2；
[0036] 所述运算放大器D1的输出端通过电阻R2与运算放大器D2的反向输入端相连接，同时运算放大器D2的反向输入端通过电容C1连接至硬件幅值控制单元的输出端，运算放大器D2的同向输入端接地。
[0037] 作为所述基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源的进一步改进：所述二级滤波单元包括运算放大器D4；
[0038] 二级滤波单元的第二输入端通过电阻R9连接至运算放大器D4的反相输入端，同时二级滤波单元的第一输入端通过电阻R10连接至运算放大器D4的反相输入端，运算放大器D4的反相输入端还通过电阻R8连接至运算放大器D4的输出端；运算器D4的同相输入端接地。
[0039] 作为所述基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源的进一步改进：所述二级滤波单元还包括运算放大器D3；
[0040] 运算放大器D4的输出端通过电阻R5与电阻R6的一端相连接，电阻R6的另一端连接至运算放大器D3的同向输入端，同时运算放大器D4的输出端通过电容C5与电容C6的一端相连接，电阻C6的另一端连接至运算放大器D3的同向输入端；电阻R6的一端还通过电容C4接地，电容C6的一端还通过电阻R7接地，运算放大器D3的反相输入端与二级滤波器的输出端相连接。
[0041] 作为所述基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源的进一步改进：还包括上位机和通信单元，所述上位机通过通信单元与微处理器相连接，向微处理器下发控制指令，微处理器根据控制指令生成波形控制信号和软件幅值控制信号。
[0042] 作为所述基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源的进一步改进：所述输出调节部分包括功率放大单元和升压升流单元，功率放大单元用于提供带负载能力，升压升流单元用于提供负载所需电压和电流；所述波形数模转换单元依次通过功率放大单元及升压升流单元与设备负载相连接。
[0043] 相对于现有技术，本发明具有以下积极效果：
[0044] （1）本发明对三相交流标准源控制信号进行波形‑幅值的分离式控制，一方面通过设计软件幅值控制单元与硬件幅值控制单元相互协作，克服了传统功率源在小量程下控制信号进行数模转换时分辨率不足的问题，另一方面通过设计二级滤波单元解决了谐波增大、幅值控制的准确率低和相位控制误差大的问题，最终达到了三相交流标准源在大量程与小量程的情况下都能够精准、高效、稳定的输出目的。
[0045] （2）软件幅值控制单元在传统PID控制器的基础上增加微分滤波器，设计控制差分方程，抑制噪声干扰的同时提高了软件幅值控制单元的相位裕度与幅值增益。
[0046] （3）硬件幅值控制单元通过低通滤波器和高通滤波器构成带通滤波器，滤除50Hz以上的高频噪声、50Hz以下的低频噪声和电压电流直流量，从而滤除回采信号输入中非50Hz频率的噪声信号，保证回采信号输入的低失真度和低畸变率。同时通过积分补偿器补偿软件幅值控制单元调节后的残差，进一步提高三相交流功率源的小信号输出精度。
[0047] （4）二级滤波单元通过同向加法器保证软件幅值控制单元与硬件幅值控制单元同时参与幅值控制，同时构成双T型陷波滤波器滤除50Hz附近的频段数据，降低二级滤波器的纹波输出，保证二级滤波器输出质量，从而提高了三相交流功率源的输出精度与稳定度。
附图说明
[0048] 图1为本发明的整体结构示意图；
[0049] 图2为硬件幅值控制单元电路原理图；
[0050] 图3为二级滤波单元电路原理图。
[0051] 图中：
[0052] 1、上位机；2、通信单元；3、回采单元；4、模数转换单元；5、微处理器；6、波形数模转换单元；7、软件幅值控制单元；8、幅值数模转换单元；9、二级滤波单元；10、硬件幅值控制单元；11、功率放大单元；12、升压升流单元；13、设备负载。实施方式
[0053] 下面结合附图详细说明本发明的技术方案：
[0054] 如图1，一种基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源，包括微处理器5、回采单元3、模数转换单元4和输出调节部分。所述回采单元3与设备负载13相连接，还通过模数转换单元4与微处理器5相连接。所述回采单元3用于进行信号回采，降低电压、电流以满足模数转换单元4的控制信号回采需要。所述模数转换单元4用于将回采的模拟量信号转换为数字量信号。
[0055] 所述基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源还包括软件幅值控制单元7、幅值数模转换单元8、二级滤波单元9、波形数模转换单元6和硬件幅值控制单元10。
[0056] 所述微处理器5与波形数模转换单元6的第一输入端相连接，用于将波形控制信号输出至波形数模转换单元6。所述微处理器5还与软件幅值控制单元7相连接，用于将软件幅值控制信号下发至软件幅值控制单元7。
[0057] 所述软件幅值控制单元7通过幅值数模转换单元8与二级滤波单元9的第一输入端相连接。软件幅值控制单元7用于根据软件幅值控制信号通过控制算法生成软件幅值控制数字信号。幅值数模转换单元8用于将软件幅值控制数字信号转换为软件幅值控制模拟信号。
[0058] 所述回采单元3还通过硬件幅值控制单元10与二级滤波单元9的第二输入端相连接。硬件幅值控制单元10用于通过硬件进行幅值控制输出的精细调节，生成硬件幅值控制模拟信号。
[0059] 所述二级滤波单元9的输出端与波形数模转换单元6的第二输入端相连接。所述二级滤波单元9用于将软件幅值控制模拟信号和硬件幅值控制模拟信号合成并滤除噪声，生成幅值控制信号。
[0060] 所述波形数模转换单元6的输出端通过输出调节部分与设备负载13相连接。波形数模转换单元6用于将数字量的波形控制信号转换为模拟量信号后与幅值控制信号合并，并控制输出调节部分进行带载输出。
[0061] 所述基于波形‑幅值分离控制的三相交流标准源还包括上位机1和通信单元2。所述上位机1通过通信单元2与微处理器5相连接，向微处理器5下发控制指令，微处理器5根据控制指令生成波形控制信号和软件幅值控制信号。
[0062] 所述输出调节部分包括功率放大单元11和升压升流单元12，功率放大单元11用于提供带负载能力，升压升流单元12用于提供负载所需电压和电流。所述波形数模转换单元6依次通过功率放大单元11及升压升流单元12与设备负载13相连接。
[0063] 具体的，软件幅值控制单元7在传统PID控制器的基础上，增加微分滤波器，以此抑制噪声干扰，同时提高软件幅值控制单元7的相位裕度与幅值增益。其采用的控制算法为：
[0064] 对设备负载13电流进行回采，设微处理器5的采样间隔为dt，为保证控制精度，所述dt小于等于0.001s。
[0065] 每次采样后进行如下计算：
[0066] 1）计算当前给定电流与回采电流之间的误差值Err：
[0067] Err=(Isat‑Ifb)；
[0068] 其中，Isat为微处理器5接收到或设置的给定电流；Ifb为来自于模数转换单元4的回采电流；
[0069] 2）对误差值进行时域积分，得到误差时域积分值Init：
[0070] Init=Init+Err*dt；
[0071] 3）计算当前误差的时域微分Diff_Now：
[0072] Diff_Now=(Err‑Last_Err)/dt；
[0073] 其中，Last_Err为上一次采样时给定电流与回采电流之间的误差值；
[0074] 4）根据当前误差的时域微分Diff_Now和上一次采样时的误差时域微分计算值Diff_Last，计算本次的误差时域微分计算值Diff：
[0075] Diff=a* Diff_Now +(1‑a)*Diff_Last；
[0076] 其中，a为微分滤波器系数。为保证微分精度与抗扰能力，所述a取值范围为0.5‑0.8。
[0077] 然后，将本次的误差时域微分计算值Diff赋值给Diff_Last，供下一次计算使用；
[0078] 5）生成软件幅值控制数字信号Out：
[0079] Out=KP*Err+KI*Init+KD*Diff；
[0080] 其中，KP为比例系数，用于将三相交流功率源实际输出电流迅速逼近给定电流。KI为积分系数，用于保证稳态情况下的电流输出精度。KD为微分系数，用于抑制控制器超调震荡，增强控制器鲁棒性。
[0081] 如图2，所述硬件幅值控制单元10包括运算放大器D1。
[0082] 用于接收回采单元3输出信号的硬件幅值控制单元10输入端与电阻R3一端相连接，电阻R3的另一端通过电容C2连接至运算放大器D1的同向输入端，运算放大器D1的同向输入端还通过电阻R4接地；电阻R3的另一端还通过电容C3接地。
[0083] 运算放大器D1的反向输入端通过电阻R1与电阻R3的另一端相连接，并与运算放大器D1的输出端相连接。
[0084] 进一步的，所述硬件幅值控制单元10还包括运算放大器D2。
[0085] 所述运算放大器D1的输出端通过电阻R2与运算放大器D2的反向输入端相连接，同时运算放大器D2的反向输入端通过电容C1连接至硬件幅值控制单元10的输出端，运算放大器D2的同向输入端接地。
[0086] 所述电阻R3、电容C3构成一阶低通滤波器，滤除工频50Hz以上的高频噪声。所述电阻R1、电容C2、电阻R4与运算放大器D1构成一阶高通滤波器，滤除工频50Hz以下的低频噪声及电压电流直流量。从而，所述电阻R3、R1、R4以及电容C3、C2共同构成二阶带通滤波器，滤除回采信号输入非50Hz频率噪声信号，保证回采信号输入的低失真度，低畸变率。进一步的，所述电阻R2、电容C1及运算放大器D2共同组成积分补偿器，用于补偿软件幅值控制单元7调节后的残差，提高三相交流功率源的小信号输出精度。所述积分补偿器的控制器增益不宜过大，优选0.05‑0.1。
[0087] 如图3，所述二级滤波单元9包括运算放大器D4。
[0088] 二级滤波单元9的第二输入端通过电阻R9连接至运算放大器D4的反相输入端，同时二级滤波单元9的第一输入端通过电阻R10连接至运算放大器D4的反相输入端，运算放大器D4的反相输入端还通过电阻R8连接至运算放大器D4的输出端；运算器D4的同相输入端接地。
[0089] 进一步的，所述二级滤波单元9还包括运算放大器D3。
[0090] 运算放大器D4的输出端通过电阻R5与电阻R6的一端相连接，电阻R6的另一端连接至运算放大器D3的同向输入端，同时运算放大器D4的输出端通过电容C5与电容C6的一端相连接，电阻C6的另一端连接至运算放大器D3的同向输入端。电阻R6的一端还通过电容C4接地，电容C6的一端还通过电阻R7接地，运算放大器D3的反相输入端与二级滤波器的输出端相连接。
[0091] 所述电阻R8、R9、R10与运算放大器D4共同组成同向加法器，用于将软件幅值控制输入与硬件幅值控制输入信号求和，保证软件幅值控制单元7与硬件幅值控制单元10同时参与幅值控制。所述电阻R5、R6、R7以及电容C4、C5、C6共同构成双T型陷波滤波器，滤除50Hz附近的频段数据，降低二级滤波器的纹波输出，保证二级滤波器输出质量，提高三相交流功率源的输出精度与稳定度。
[0092] 如图1，工作时，上位机1通过通信单元2向微处理器5下发控制指令。微处理器5根据控制指令进行控制信号波形与幅值的输出，微处理器5将波形控制信号输出至波形数模转换单元6，将软件幅值控制信号下发至软件幅值控制单元7。软件幅值控制单元7进行软件幅值控制输出，将生成的软件幅值控制数字信号输出至幅值数模转换单元8转换为二级滤波单元9可输入的软件幅值控制模拟信号。与此同时，硬件幅值控制单元10通过积分补偿器进行幅值控制输出的精细调节，补偿软件幅值控制单元7调节后的残差，进一步提高三相交流功率源的小信号输出精度。幅值控制过程中，由二级滤波单元9组成的同向加法器保证软件幅值控制单元7与硬件幅值控制单元10同时参与幅值控制，并滤除50Hz附近的频段数据。波形数模转换单元6将波形控制信号转换为模拟量信号后与二级滤波单元9输出的幅值控制信号合并输出控制信号，控制信号驱动功率放大单元11进行带载输出，然后经升压升流单元12升压升流后输出至设备负载13。回采单元3进行反馈信号回采，并输出至模数转换单元4和硬件幅值控制单元10，实现闭环控制调节。
