一种基于神经网络的仪器交流电源谐波检测装置的制作方法

本实用新型涉及人工智能领域，具体是指一种基于神经网络的仪器交流电源谐波检测装置。

背景技术：

随着各种电子仪器和非线性负荷的大量应用，电子仪器系统的谐波污染日益严重，给电子仪器的安全经济运行带来了极大的危害。谐波能够产生很大的危害，由于电子仪器的电源电线具有一定的阻抗，这个阻抗是随频率变化的，各次谐波电流流过电线时会产生一定的电压降，此电压降叠加在供电电压上，引起输入电压波形畸变，使电能质量下降，影响电子仪器的安全运行，缩短了电子仪器的寿命。

现有仪器交流电源谐波检测的技术主要包括以下几种：模拟滤波装置、自适应谐波检测装置、快速傅里叶变换装置、基于小波分析的检测装置。这几种装置的缺点分别如下：误差大、实时性差、电线过电频率变化时尤其明显、对电子仪器的电路元件参数十分敏感、参数变化时检测效果明显变差；动态响应较慢、在电线过电压不对称时谐波电流的检测误差较大；计算量大导致实时性较差、对非整数次谐波的检测有频谱泄漏和栅栏现象等缺点，检测出的谐波幅值、相角和频率有误差；混叠现象的普遍存在导致其精度低。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有的仪器交流电源谐波检测装置存在的上述缺陷，提供一种基于神经网络的仪器交流电源谐波检测装置。

一种基于神经网络的仪器交流电源谐波检测装置，包括变送器，分别与变送器连接的隔离器和低通滤波器，与低通滤波器相连接的VOC压控振荡器，与VOC压控振荡器连接的AD转换器，与AD转换器连接的DSP芯片，与DSP芯片连接的ARM芯片，与ARM芯片连接的缓存器，以及与缓存器连接的控制器；所述控制器还与ARM芯片连接；

隔离器，用于抑制仪器交流电源电荷中的尖峰脉冲，并对仪器交流电源电荷中的高频交流进行分量；

变送器，用于将电荷量转换成电信号同时放大；

低通滤波器，用于降低输出电平中的混叠频率分量；

VOC压控振荡器，用于改变信号振荡回路谐振频率；

DSP芯片，用于数字信息的处理；

ARM芯片，用于交换数据，同时减少数据交换时对控制器的占比；

AD转换器，用于将模拟信号转换为数字信号；

缓存器，用于数字信号的追踪缓存；

控制器，用于对缓存器中的数据库内的数据进行查询，并用于设定所要检测的电压等级、谐波次数、超限标准以及数据存盘间隔参数；实现对历史数据的保存，并能够统计仪器交流电源的运行参数，分析各个参数的变化趋势，根据各个参数的变化趋势得出谐波电压畸变最大值及最大值出现的时间。

进一步的，所述VOC压控振荡器包括场效应管Q，与场效应管Q的漏极连接的倒相电路，与场效应管Q的源极连接的积分电路，以及与场效应管Q的栅极连接的比较电路；所述低通滤波器与倒相电路漏极，所述AD转换器与比较电路连接。

所述倒相电路由倒相器U1，正极与低通滤波器连接、负极经电阻R1后与倒相器U1的负极连接的电容C1，一端与电容C1的负极连接、另一端接地的电阻R1，正极与电容C1的正极连接、负极与倒相器U1的输出端连接的极性电容C2，一端与倒相器U1的负极连接、另一端与极性电容C2的负极连接的电阻R3，一端与倒相器U1的正极连接、另一端接地的电阻R4，以及一端接地、另一端与倒相器U1的输出端连接的电阻R5组成；所述倒相器U1的输出端还与场效应管Q的漏极连接；所述电容C1的正极分别与积分电路和仪器交流电源连接。

再进一步的，所述积分电路由积分器U3，电容C3，一端与电容C1的正极连接、另一端与电容C3的正极相连接的电阻R6，一端与电容C3的正极连接、另一端接地的电阻R7，正极与积分器U3的负极连接、负极经电阻R8后与积分器U3的输出端连接的极性电容C4，以及一端与极性电容C4的负极连接、另一端接地的电阻R9组成；所述积分器U3的正极分别与场效应管Q的源极和电容C3的负极连接；所述积分器U3的输出端与比较电路连接。

所述比较电路由比较器U2，稳压二极管D4，N极与比较器U2的输出端连接、P极与场效应管Q的栅极连接后接地的稳压二极管D1，N极与比较器U2的负极连接、P极与比较器U2的正极连接的稳压二极管D2，P极与稳压二极管D2的P极连接、N极与比较器U2的正极连接的二极管D3，一端与稳压二极管D4的N极连接、另一端与二极管D3的N极连接的电阻R10，一端与比较器U2的输出端连接、另一端与稳压二极管D4的N极连接的电阻R11，以及P极与稳压二极管D4的P极连接、N极接地的稳压二极管D5组成；所述比较器U2的负极还与积分器U3的输出端连接，该比较器U2的输出端与AD转换器连接。

更进一步的，所述倒相器U1为74ls14倒相器；所述比较器U2为LMH7322比较器；所述积分器U3为FDI2056积分器。

本实用新型较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本实用新型围绕神经网络利用控制器外接的隔离器、变送器、低通滤波器、VOC压控振荡器、DSP芯片、ARM芯片、AD转换器和缓存器，构成具有低混叠频率分量、集成度高、信号处理准确、谐振频率提取准确、配置灵活，可设定所要检测的电压等级、谐波次数、超限标准以及数据存盘间隔参数的谐波检测装置，从而能实时的对仪器交流电源的谐波量、次数、等级进行准确的检测和控制，有效的解决了现有仪器交流电源谐波检测装置所存在的检测误差较大的问题，有效的提高了仪器的使用效果、使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构框图。

图2为本实用新型的VOC压控振荡器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式并不限于此。

实施例

如图1和图2所示，本实施例的一种基于神经网络的仪器交流电源谐波检测装置，包括变送器，分别与变送器连接的隔离器和低通滤波器，与低通滤波器相连接的VOC压控振荡器，与VOC压控振荡器连接的AD转换器，与AD转换器连接的DSP芯片，与DSP芯片连接的ARM芯片，与ARM芯片连接的缓存器，以及与缓存器连接的控制器。所述隔离器还与电网连接。其中，如图2所示，其VOC压控振荡器包括场效应管Q，倒相电路，积分电路，以及比较电路。

具体实施时，将该隔离器连接在仪器交流电源的输出端上，隔离器便可实时采集电源电压的电荷，同时该隔离器可对电荷中的尖峰脉冲进行有效的抑制，并实现对仪器交流电源电荷中的高频交流进行分量，使采样电荷更准确，通过隔离器处理后的电荷进入到变送器。该变送器则将电荷量转换成电信号同时放大，以提高所输出的电信号的精度，便于后面设备的检测的准确性。为了进一步的确保电信号的准确性，在变送器的输出端上还设置了低通滤波器，该低通滤波器用于降低电信号的电平中的混叠频率分量，使电信号的电平中的谐波的脉冲带宽更清晰，以便于后面的分检和提取。

进一步地，VOC压控振荡器用于对电信号的振荡回路的谐波谐振频率进行调整，为了提高VOC压控振荡器对谐振频率调整的准确性，本实用新型的VOC压控振荡器如图2所示，其由场效应管Q，倒相电路，积分电路，以及比较电路组成的一个受控制的电压振荡器，该VOC压控振荡器具有很好的稳定性和极好的线性，同时具有较宽的频率范围。经谐波谐振频率调整后的电信号被传输到AD转换器，该AD转换器则将模拟状态的电信号转换为数字信号并传输给DSP芯片。该DSP芯片在本实用新型中优先采用了TI公司的TMS320C1X/C2X型集成芯片来实现，其具有程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据等特点，该DSP芯片在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法运作，当控制器发出指令时，DSP芯片可通过预置的乘法和加法程序得出谐波电压含量及畸变率、基波电压分量、2-31次谐波电压分量及含有率，以提高对仪器交流电源谐波检测的准确性。

同时，DSP芯片将处理后的数字信号传输给ARM芯片，该ARM芯片优先采用了TMS320SC2X型集成芯片来实现。该ARM芯片具有1～2个UART接口，在具体的实施时控制器通过总线连接在ARM芯片的UART接口上，其DSP芯片通过总线连接在ARM芯片的SRAM扩展接口上。该ARM芯片通讯波特率为200bps，该ARM芯片则用于对数字信号的谐波电压分量进行交换数据处理，同时，该ARM芯片可减少数据交换时对控制器的占比，ARM芯片处理后的数字信号被存储到缓存器中，该缓存器用于数字信号的追踪缓存，以便于控制器的提取。

再进一步地，所述控制器在本实用新型中则为计算机，该控制器用于对缓存器中的数据库内的数据进行查询，并用于设定所要检测的电压等级、谐波次数、超限标准以及数据存盘间隔等参数；实现对历史数据的保存，并能够统计仪器交流电源的运行参数，分析各个参数的变化趋势，根据各个参数的变化趋势便能准确的得出谐波电压畸变最大值及最大值出现的时间。从而本实用新型有效的解决了现有仪器交流电源谐波检测装置对交流电源的谐波电流检测误差较大的问题。

更进一步地，如图2所示，所述VOC压控振荡器包括场效应管Q，倒相电路，积分电路，以及比较电路。该倒相电路与场效应管Q的漏极连接。积分电路与场效应管Q的源极连接。比较电路与场效应管Q的栅极连接。所述低通滤波器与倒相电路漏极。所述AD转换器与比较电路连接。

其中，所述倒相电路如图2所示，其由倒相器U1，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R4，电阻R5，电容C1，以及极性电容C2。

连接时，电容C1的正极与低通滤波器连接，负极经电阻R1后与倒相器U1的负极连接。电阻R1的一端与电容C1的负极连接，另一端接地。极性电容C2的正极与电容C1的正极连接，负极与倒相器U1的输出端连接。电阻R3的一端与倒相器U1的负极连接，另一端与极性电容C2的负极连接。电阻R4的一端与倒相器U1的正极连接，另一端接地。电阻R5的一端接地，另一端与倒相器U1的输出端连接。所述倒相器U1的输出端还与场效应管Q的漏极连接；所述电容C1的正极分别与积分电路和仪器交流电源连接。

所述积分电路如图所示，其由积分器U3，电容C3，极性电容C4，电阻R6，电阻R7，电阻R8，以及电阻R9组成。

连接时，电阻R6的一端与电容C1的正极连接，另一端与电容C3的正极相连接。电阻R7的一端与电容C3的正极连接，另一端接地。极性电容C4的正极与积分器U3的负极连接，负极经电阻R8后与积分器U3的输出端连接。电阻R9的一端与极性电容C4的负极连接，另一端接地。所述积分器U3的正极分别与场效应管Q的源极和电容C3的负极连接；所述积分器U3的输出端与比较电路连接。

同时，所述比较电路如图2所示，其由比较器U2，稳压二极管D1，稳压二极管D2，二极管D3，稳压二极管D4，稳压二极管D5，电阻R10，以及电阻R11组成。

连接时，稳压二极管D1的N极与比较器U2的输出端连接，P极与场效应管Q的栅极连接后接地。稳压二极管D2的N极与比较器U2的负极连接，P极与比较器U2的正极连接。二极管D3的P极与稳压二极管D2的P极连接，N极与比较器U2的正极连接。电阻R10的一端与稳压二极管D4的N极连接，另一端与二极管D3的N极连接。电阻R11的一端与比较器U2的输出端连接，另一端与稳压二极管D4的N极连接。稳压二极管D5的P极与稳压二极管D4的P极连接，N极接地。所述比较器U2的负极还与积分器U3的输出端连接，该比较器U2的输出端与AD转换器连接。

本实用新型中所述倒相器U1优先采用了型号为74ls14的倒相器来实现。所述比较器U2则优先采用了型号为LMH7322的比较器来实现。所述积分器U3优先采用了型号为FDI2056的积分器来实现。

该VOC压控振荡器具体的运行时，比较器U2的基准电压是由稳压二极管D1和稳压二极管D2提供，而积分器U3的输出频率和比较器U2的基准电压进行比较产生方波，电阻R4和电阻R5用来降低场效应管Q的漏极电压，以保证高频率电信号输入时，场效应管Q能被完全截止，倒相器U1为极性电容C2充电，当极性电容C2上的电压达到一定时，倒相器U1被强制翻转，场效应管Q的输出端上的电平变高，极性电容C2通过电阻R1放电，同时，倒相器U1的正极上的电平降低，此时，场效应管Q导通，电容C3通过电阻R7放电，积分器U3输出窄脉冲，其中，电阻R8和极性电容C4对积分器U3起到延时作用，使积分器U3输出的脉冲频率更平稳。此时，二极管D3和电阻R4可防止比较器U2发生阻塞，比较器U2被积分器U3输出的窄脉冲电流触发，产生一个占空比位50％的脉冲信号，使输出的频率的线性误差在0.5％左右，有效的确保了输出的电信号频率的准确性。

如上所述，便可很好的实现本实用新型。