一种电子仪表馈电感应反馈回路的数字化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种电子仪表馈电感应反馈回路的数字化设计方法，包括设计由满足最大系统响应时间约束的高速模数转换器、高速数模转换器和数字运算器组成的数字化反馈回路，以及设计运行于所述数字运算器上的反馈算法，以替代传统的模拟线性代或非线性反馈电路，从而实现馈电端电压根据感应端信号幅度反方向实时调整补偿馈电线缆的损耗，使得仪表施加在目标端的信号幅度达到设定值，同时规避吉布斯振铃现象的风险。

【技术实现步骤摘要】
一种电子仪表馈电感应反馈回路的数字化设计方法
本专利技术属于供电仪表领域，涉及一种用于仪表功率输出的馈电端和感应端之间的反馈链路，具体涉及一种电子仪表馈电感应反馈回路的数字化设计方法。
技术介绍
对于供电电源类仪表或者功率信号发生器而言，其输出的电压要经过供电线缆施加到被供电的对象上。由于供电电缆有电抗，当被供电对象的载荷电流变化时，会导致在供电线缆上的电压降发生变化，从而导致了施加在供电电源上的电压的于期望值的差异。为解决此类由于供电线缆和负载变化而导致的施加在供电对象上的电压的波动，供电仪表在每个输出回路端口会额外增加一条感应线缆来感应实际施加到供电对象上的电压，电源感应线的输入为高阻态，可以认为电源感应端的输入电压和施加到供电对象端的电压精确相等。仪表在感知到施加在供电对象端的电压后，根据感应端电压与需要施加在供电对象的目标电压的差值再改变仪表的输出端的电压，以补偿在供电线缆上的电压损耗，从而使得施加在供电对象端的电压和目标设定值相同，并且不会随着负载的变化而波动。从感应端电压到输出端电压的变化的过程是一个负反馈的过程。传统仪表在输出级使用模拟电路来实现从感应信号到输出信号的负反馈机制，但是对于任何一个模拟电路，其实际的输带宽都是有限的，因此在对待供电对象上电过程中，会出现电压超出设定值的吉布斯上过冲现象，在对待供电对象去电压的过程中会产生电压低于0伏吉布斯下冲现象。在某些情况下，这些吉布斯过冲可能会造成待供电对象本身的损坏，因此在实际使用这些采用模拟电路实现输出级稳压负反馈的仪表时，使用者需要仔细调整上下电的波形的斜率以避免吉布斯现象的发生。随着半导体技术的日益发展和进步，高速数模转换和模数转换元器件及FPGA器件的价格不但越来越低，其转换速率也越来越高，因此利用数字电路来替代传统电源设计中的模拟电路在成本上变得可以接受。在采用数字电路替代模拟电路后，可以通过设计适当的反馈算法来避免传统模拟反馈难以避免的振铃现象。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种电子仪表馈电感应反馈回路的数字化设计方法，采用高速的模数和数模转换器件及实时数字运算处理器件来代替传统的模拟误差放大器及反馈电路，通过设计数字负反馈的算法，改变馈电端的信号，补偿馈电线路的损耗，以达到使负载端信号稳定在期望值，同时避免吉布斯振铃现象的目的。为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本专利技术通过以下技术方案实现：一种电子仪表馈电感应反馈回路的数字化设计方法，包括设计由满足最大系统响应时间约束的高速模数转换器、高速数模转换器和数字运算器组成的数字化反馈回路，以及设计运行于所述数字运算器上的反馈算法，以替代传统的模拟线性代或非线性反馈电路，从而实现馈电端电压根据感应端信号幅度反方向实时调整补偿馈电线缆的损耗，使得仪表施加在目标端的信号幅度达到设定值，同时规避吉布斯振铃现象的风险；其中，所述馈电端是指仪表的功率信号输出端；所述感应端是指仪表用于感应仪表实际施加到目标端信号幅度的仪表感应输入端口；所述传统的模拟线性代或者非线性反馈电路是指以馈电端和反馈端的信号幅度为输入的误差放大器以及到从误差放大器的输出到馈电端输出幅度设定端的线性或者非线性反馈电路；所述高速模数转换器负责将采集到的感应端的电流或电压模拟信号转化为数字信号，并将该数字信号输入给所述数字运算器；所述反馈算法是指根据感应端信号幅度模数转换的数字信号和目标端的目标值的差值决定数模转换器输入数值的算法；所述数字运算器负责利用所述反馈算法，将所述高速模数转换器输入的数字信号和目标端设定的目标值进行比较，计算两者的差值，并根据差值产生输入所述高速数模转换器的数字值；所述高速数模转换器负责将所述数字运算器输出的数字值转化为模拟信号，以用于设定为所述馈电端的输出信号驱动电路的输出；所述最大系统响应时间约束是指整个馈电感应反馈回路的响应时间必须要小于某一约束值的要求，以满足目标端的最大瞬间信号波动小于某一幅度；所述信号是指电流或者电压信号；该数字化设计方法的具体步骤如下：1）设计反馈回路将所述感应端与一个所述高速模数转换器的输入端信号连接，然后将该个所述高速模数转换器的输出端与一个所述数字运算器的输入端信号连接，接着将该个所述数字运算器的输出端与一个所述高速数模转换器的输入端信号连接，最后将该个所述高速数模转换器的输出端与所述馈电端的输出信号驱动电路信号连接，从而构成一个完整的数字化反馈电路；2）设计反馈算法根据需要设定的目标信号的特征设计出不同的计算模型和反馈算法，使得该反馈算法能够根据感应端信号幅度模数转换的数字信号数值和目标端所设定的目标值的差值实时计算出所述高速数模转换器的输入数值，从而有效规避模拟反馈电路出现的吉布斯振铃现象，并保证信号的精度；3）设计系统响应时间将从所述高速模数转换器的采样时间点到所述高速数模转换器输出相应电压的建立时间点之间的时间间隔算作整个数字化反馈电路的系统响应时间Ts，并且使得所述系统响应时间Ts不能大于整个数字化反馈电路的最大系统响应时间TsMax，所述最大系统响应时间TsMax为一个特定的阈值。进一步的，在所述高速模数转换器的速率设计上，其最低的采样率应满足可接受最大瞬时偏差控制的要求，即在最大的目标负载变化速率的和最大馈电线缆电抗的假设下，在一个采样周期内目标负载的最大变化在最大馈电线电抗上产生的信号波动幅度应小于控制目标的要求。进一步的，所述系统响应时间Ts包括所述高速模数转换器的模数转换时间、所述数字运算器的运算时间、所述高速数模转换器的数模转换时间以及所述高速数模转换器后段的功率放大器的时间延迟。进一步的，所述最大系统响应时间TsMax为一个特定的阈值，该阈值取决于最大负载变化速率和可接受的目标端信号的最大瞬时波动。进一步的，所述最大系统响应时间TsMax的计算公式如下，TsMax=Vtol/(ISload*Z)；其中，Vtol是系统能够容忍的最大的瞬时电压波动；ISload是最大的负载电流变化速率；Z是数字化反馈电路的线缆阻抗。进一步的，在系统响应时间TS小于最大系统响应时间TsMax的前提下，根据所述高速模数转换器、所述高速数模转换器的采样率的冗余和所述数字运算器的运算性能，所述数字运算器内的反馈算法可采用简单的比例负反馈算法或者相对复杂的PID算法。进一步的，所述的比列负反馈算法如下，delatV=-k*(Vs-Vref)；其中，detaV为馈电端输出电压的调整量；k为0-1之间的数值；Vs为感应端的电压，即高速模数转换器的输出值；Vref为目标电压值。进一步的，所述的PID算法是自动化控制领域的标准算法。进一步的，本专利技术在其数字化反馈回路中设计有感应线连接状态检测功能，该功能采用测量回路阻抗的方法来判定感应线的连接是否良好，具体算法和判断如下：Z=（Vse本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电子仪表馈电感应反馈回路的数字化设计方法，其特征在于，包括设计由满足最大系统响应时间约束的高速模数转换器（1）、高速数模转换器（2）和数字运算器（3）组成的数字化反馈回路，以及设计运行于所述数字运算器（3）上的反馈算法，以替代传统的模拟线性代或非线性反馈电路，从而实现馈电端电压根据感应端信号幅度反方向实时调整补偿馈电线缆的损耗，使得仪表施加在目标端的信号幅度达到设定值，同时规避吉布斯振铃现象的风险；其中，/n所述馈电端是指仪表的功率信号输出端；/n所述感应端是指仪表用于感应仪表实际施加到目标端信号幅度的仪表感应输入端口；/n所述传统的模拟线性代或者非线性反馈电路是指以馈电端和反馈端的信号幅度为输入的误差放大器以及到从误差放大器的输出到馈电端输出幅度设定端的线性或者非线性反馈电路；/n所述高速模数转换器（1）负责将采集到的感应端的电流或电压模拟信号转化为数字信号，并将该数字信号输入给所述数字运算器（3）；/n所述反馈算法是指根据感应端信号幅度模数转换的数字信号和目标端的目标值的差值决定数模转换器输入数值的算法；/n所述数字运算器（3）负责利用所述反馈算法，将所述高速模数转换器（1）输入的数字信号和目标端设定的目标值进行比较，计算两者的差值，并根据差值产生输入所述高速数模转换器（2）的数字值；/n所述高速数模转换器（2）负责将所述数字运算器（3）输出的数字值转化为模拟信号，以用于设定为所述馈电端的输出信号驱动电路的输出；/n所述最大系统响应时间约束是指整个馈电感应反馈回路的响应时间必须要小于某一约束值的要求，以满足目标端的最大瞬间信号波动小于某一幅度；/n所述信号是指电流或者电压信号；/n该数字化设计方法的具体步骤如下：/n设计反馈回路/n将所述感应端与一个所述高速模数转换器（1）的输入端信号连接，然后将该个所述高速模数转换器（1）的输出端与一个所述数字运算器（3）的输入端信号连接，接着将该个所述数字运算器（3）的输出端与一个所述高速数模转换器（2）的输入端信号连接，最后将该个所述高速数模转换器（2）的输出端与所述馈电端的输出信号驱动电路信号连接，从而构成一个完整的数字化反馈电路；/n设计反馈算法/n根据需要设定的目标信号的特征设计出不同的计算模型和反馈算法，使得该反馈算法能够根据感应端信号幅度模数转换的数字信号数值和目标端所设定的目标值的差值实时计算出所述高速数模转换器（2）的输入数值，从而有效规避模拟反馈电路出现的吉布斯振铃现象，并保证信号的精度；/n3）设计系统响应时间/n将从所述高速模数转换器（1）的采样时间点到所述高速数模转换器（2）输出相应电压的建立时间点之间的时间间隔算作整个数字化反馈电路的系统响应时间Ts，并且使得所述系统响应时间Ts不能大于整个数字化反馈电路的最大系统响应时间TsMax，所述最大系统响应时间TsMax为一个特定的阈值。/n...

【技术特征摘要】
1.一种电子仪表馈电感应反馈回路的数字化设计方法，其特征在于，包括设计由满足最大系统响应时间约束的高速模数转换器（1）、高速数模转换器（2）和数字运算器（3）组成的数字化反馈回路，以及设计运行于所述数字运算器（3）上的反馈算法，以替代传统的模拟线性代或非线性反馈电路，从而实现馈电端电压根据感应端信号幅度反方向实时调整补偿馈电线缆的损耗，使得仪表施加在目标端的信号幅度达到设定值，同时规避吉布斯振铃现象的风险；其中，
所述馈电端是指仪表的功率信号输出端；
所述感应端是指仪表用于感应仪表实际施加到目标端信号幅度的仪表感应输入端口；
所述传统的模拟线性代或者非线性反馈电路是指以馈电端和反馈端的信号幅度为输入的误差放大器以及到从误差放大器的输出到馈电端输出幅度设定端的线性或者非线性反馈电路；
所述高速模数转换器（1）负责将采集到的感应端的电流或电压模拟信号转化为数字信号，并将该数字信号输入给所述数字运算器（3）；
所述反馈算法是指根据感应端信号幅度模数转换的数字信号和目标端的目标值的差值决定数模转换器输入数值的算法；
所述数字运算器（3）负责利用所述反馈算法，将所述高速模数转换器（1）输入的数字信号和目标端设定的目标值进行比较，计算两者的差值，并根据差值产生输入所述高速数模转换器（2）的数字值；
所述高速数模转换器（2）负责将所述数字运算器（3）输出的数字值转化为模拟信号，以用于设定为所述馈电端的输出信号驱动电路的输出；
所述最大系统响应时间约束是指整个馈电感应反馈回路的响应时间必须要小于某一约束值的要求，以满足目标端的最大瞬间信号波动小于某一幅度；
所述信号是指电流或者电压信号；
该数字化设计方法的具体步骤如下：
设计反馈回路
将所述感应端与一个所述高速模数转换器（1）的输入端信号连接，然后将该个所述高速模数转换器（1）的输出端与一个所述数字运算器（3）的输入端信号连接，接着将该个所述数字运算器（3）的输出端与一个所述高速数模转换器（2）的输入端信号连接，最后将该个所述高速数模转换器（2）的输出端与所述馈电端的输出信号驱动电路信号连接，从而构成一个完整的数字化反馈电路；
设计反馈算法
根据需要设定的目标信号的特征设计出不同的计算模型和反馈算法，使得该反馈算法能够根据感应端信号幅度模数转换的数字信号数值和目标端所设定的目标值的差值实时计算出所述高速数模转换器（2）的输入数值，从而有效规避模拟反馈电路出现的吉布斯振铃现象，并保证信号的精度；
3）设计系统响应时间
将从所述高速模数转换器（1）的采样时间点到所述高速数模转换器（2）输出相应电压的建立时间点之间的时间间隔算作整个数字化反馈电路的系统响应时间Ts，并且使得所述系统响应时间Ts不能大于整个数字化反馈电路的最大系统响应时间TsMax，所述最大系统响应时间TsMax为一个特定的阈值。


2.根据权利要求1所述的电子仪表馈电感应反馈回路的数字化设计方法，其特征在于：在所述高速模数转换器（1）的速率设计...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯晓东，李二文，
申请(专利权)人：苏州因曼吉科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32