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CN105958435A - 一种基于fpga的电网过欠压检测电路及方法 - Google Patents

一种基于fpga的电网过欠压检测电路及方法 Download PDF

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CN105958435A
CN105958435A CN201610472435.5A CN201610472435A CN105958435A CN 105958435 A CN105958435 A CN 105958435A CN 201610472435 A CN201610472435 A CN 201610472435A CN 105958435 A CN105958435 A CN 105958435A
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陈炜明
陈文全
庄敏
叶彬城
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Abstract

本发明提供了一种基于FPGA的电网过欠压检测电路及方法，在实现电网过压和欠压保护的同时，不占用宝贵的MCU资源，而且不存在可调电位器的阻值易变动的隐患。包括依次连接的绝对值电路、比较电路以及FPGA控制模块；所述绝对值电路将采集到的电网电压进行绝对值转换；所述比较电路将所述绝对值电路转换得到的绝对值电压信号与比较电路里用固定电阻设定的基准电压进行比较得到一串脉冲信号；FPGA控制模块将接收到的所述脉冲信号进行处理，对电网过压或者欠压进行报警。

Description

一种基于FPGA的电网过欠压检测电路及方法
技术领域
本发明涉及供电设备输入保护领域，特别涉及一种基于FPGA的电网过欠压检测电路及方法。
背景技术
目前在对于电网过压或欠压的检测采用有两种方法，一种是采用AD对电网电压进行采集，但是此方法要占用相当多的MCU资源，而且算法复杂，可靠性低；另外一种方法是采用硬件比较法，这种方法需要采用可调电位器进行调节，不但调节不便，而且存在可调电位器由于触点接触不良带来的检测点易漂移的隐患，且需要将交流信号转换成直流信号响应速度慢。
发明内容
本发明提供了一种基于FPGA的电网过欠压检测电路及方法，在实现电网过压和欠压保护的同时，不占用宝贵的MCU资源，而且不存在可调电位器的阻值易变动的隐患，响应速度快。
为实现上述目的，本发明技术方案为：
一种基于FPGA的电网过欠压检测电路，包括依次连接的绝对值电路、比较电路以及FPGA控制模块；
所述绝对值电路将采集到的电网电压进行绝对值转换；
所述比较电路将所述绝对值电路转换得到的绝对值电压信号与比较电路里用固定电阻设定的基准电压进行比较得到一串脉冲信号；
FPGA控制模块将接收到的所述脉冲信号进行处理，对电网过压或者欠压进行报警。
进一步的，所述绝对值电路包括变压器T1、放大器U1A、放大器U1B、二极管D1、二极管D2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5以及电阻R6；所述变压器T1的输入端接入待测电网，所述变压器T1的输出端一端接地，另一端与所述电阻R1连接后分为两路，一路与所述电阻R2一端连接，另一路与所述放大器U1A的输入端负极连接；所述电阻R2的另一端与所述二极管D1的负极连接再与所述电阻R4串联后接入所述放大器U1B的输入端负极；所述放大器U1A的输入端正极接地，输出端分为两路，一路与所述二极管D1的正极连接，一路与所述二极管D2的负极连接；所述二极管D2的正极分为两路，一路与所述电阻R3串联后接入所述放大器U1A的输入端负极，另一路与所述电阻R5串联后接入所述放大器U1B的输入端负极；所述放大器U1B的输入端负极与所述电阻R6连接后与其输出端连接；所述放大器U1B的输出端接入所述比较电路的输入端。
进一步的，所述比较电路包括过压比较电路和欠压比较电路。
进一步的，所述过压比较电路包括比较器U2A、电阻R8、电阻R9、电阻R10以及电阻R11；所述比较器U2A的输入端正极与所述放大器U1B的输出端连接；所述电阻R9一端接入第一直流电源，另一端与所述电阻R8串联后接地；所述比较器U2A的输入端负极接入所述电阻R8和所述电阻R9的连接结点；所述比较器U2A的输出端分为两路，一路与所述电阻R10连接后接入第二直流电源，另一端与所述电阻R11串联后接入所述FPGA模块的输入端。
进一步的，所述欠压比较电路包括比较器U2B、电阻R12、电阻R13、电阻R14以及电阻R15；所述比较器U2B的输入端正极与所述放大器U1B的输出端连接；所述电阻R13一端接入第一直流电源，另一端与所述电阻R12串联后接地；所述比较器U2B的输入端负极接入所述电阻R12和所述电阻R13的连接结点；所述比较器U2B的输出端分为两路，一路与所述电阻R14连接后接入第二直流电源，另一端与所述电阻R15串联后接入所述FPGA模块的输入端。
进一步的，所述第一直流电源的电压为12V，所述第二直流电源的电压为3.3V。
进一步的，所述脉冲信号的频率为100Hz。
进一步的，所述FPGA控制模块配置为接收记录所述脉冲信号的脉宽并将所述脉冲信号的脉宽值与给定的脉宽阈值进行比较，在所述脉冲信号的脉宽值超出所述给定脉宽阈值时发出报警信号。
一种基于FPGA的电网过欠压检测方法，其检测步骤如下：
(1)、将电网电压经变压器转换为低压交流信号；
(2)、将所述低压交流信号经绝对值电路进行绝对值转换，得到正电压信号；
(3)、将所述正电压信号输入至比较电路；
(4)、所述比较电路包括过压比较电路和欠压比较电路，所述过压比较电路和所述欠压比较电路分别将所述正电压信号与各自的基准电压进行比较得到一串脉冲信号，并将比较结果输入至FPGA控制模块；
(5)、所述FPGA控制模块记录输入的脉冲信号的脉宽，如果所述过压脉宽值大于等于给定的过压脉宽阈值，则FPGA发出报警信号，如小于给定的过压脉宽阈值，则将所述过压脉宽记录值清零并重新开始记录下一次脉宽；如果所述欠压脉宽值小于等于给定的欠压脉宽阈值，则FPGA发出报警信号，如大于给定的欠压脉宽阈值，则将所述欠压脉宽记录值清零并重新开始记录下一次脉宽。
进一步的，其步骤(4)中所述正电压信号大于所述过压比较电路的基准电压时，所述过压比较电路输出高电平，反之输出低电平；当所述正电压信号大于所述欠压比较电路的基准电压时，所述欠压比较电路输出高电平，反之输出低电平。
由上述对本发明的描述可知，和现有技术相比，本发明具有如下优点：
一、本发明采用FPGA控制模块对电网的过欠压进行检测，电路简单，无需使用可调电位器，因此不存在可调电位器的阻值易变动的隐患，提高了检测的可靠性，且无需将交流信号转换成直流信号后再进行判断，响应速度更快。
二、本发明采用FPGA控制模块，算法简单，且不再占用宝贵的MCU资源及AD口，保证了电网系统主要任务的执行。
三、本发明中通过FPGA内部的数字调节即可实现过压点和欠压点的调节，使得过压点和欠压点的调节更加灵活方便。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的系统框图；
图2为本发明的电路图；
图3为本发明电流经系统转换的波形变化图；
图4为本发明FPGA的工作流程图一；
图5为本发明FPGA的工作流程图二。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1至图5，一种基于FPGA的电网过欠压检测电路，包括依次连接的绝对值电路、比较电路以及FPGA控制模块；
所述绝对值电路将采集到的电网电压进行绝对值转换；
所述比较电路将所述绝对值电路转换得到的绝对值电压信号与比较电路里用固定电阻设定的基准电压进行比较得到一串脉冲信号；所述脉冲信号的频率为100Hz。
FPGA控制模块将接收到的所述脉冲信号进行处理，对电网过压或者欠压进行报警。
所述绝对值电路包括变压器T1、放大器U1A、放大器U1B、二极管D1、二极管D2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5以及电阻R6；所述变压器T1的输入端接入待测电网，所述变压器T1的输出端一端接地，另一端与所述电阻R1连接后分为两路，一路与所述电阻R2一端连接，另一路与所述放大器U1A的输入端负极连接；所述电阻R2的另一端与所述二极管D1的负极连接再与所述电阻R4串联后接入所述放大器U1B的输入端负极；所述放大器U1A的输入端正极接地，输出端分为两路，一路与所述二极管D1的正极连接，一路与所述二极管D2的负极连接；所述二极管D2的正极分为两路，一路与所述电阻R3串联后接入所述放大器U1A的输入端负极，另一路与所述电阻R5串联后接入所述放大器U1B的输入端负极；所述放大器U1B的输入端负极与所述电阻R6连接后与其输出端连接；所述放大器U1B的输出端接入所述比较电路的输入端。
所述比较电路包括过压比较电路和欠压比较电路。所述过压比较电路包括比较器U2A、电阻R8、电阻R9、电阻R10以及电阻R11；所述比较器U2A的输入端正极与所述放大器U1B的输出端连接；所述电阻R9一端接入第一直流电源，另一端与所述电阻R8串联后接地；所述比较器U2A的输入端负极接入所述电阻R8和所述电阻R9的连接结点；所述比较器U2A的输出端分为两路，一路与所述电阻R10连接后接入第二直流电源，另一端与所述电阻R11串联后接入所述FPGA模块的输入端。
所述欠压比较电路包括比较器U2B、电阻R12、电阻R13、电阻R14以及电阻R15；所述比较器U2B的输入端正极与所述放大器U1B的输出端连接；所述电阻R13一端接入第一直流电源，另一端与所述电阻R12串联后接地；所述比较器U2B的输入端负极接入所述电阻R12和所述电阻R13的连接结点；所述比较器U2B的输出端分为两路，一路与所述电阻R14连接后接入第二直流电源，另一端与所述电阻R15串联后接入所述FPGA模块的输入端。第一直流电源的电压为12V，所述第二直流电源的电压为3.3V。
所述FPGA控制模块配置为接收记录所述脉冲信号的脉宽并将所述脉冲信号的脉宽值与给定的脉宽阈值进行比较，在所述脉冲信号的脉宽值超出所述给定脉宽阈值时发出报警信号。
参照图3至图5，其中，步骤(2)至步骤(5)中电压的波形变化参照图3，
一种基于FPGA的电网过欠压检测方法，其检测步骤如下：
(1)、将电网电压经变压器转换为低压交流信号；
(2)、将所述低压交流信号经绝对值电路进行绝对值转换，得到正电压信号；
(3)、将所述正电压信号输入至比较电路；
(4)、所述比较电路包括过压比较电路和欠压比较电路，所述过压比较电路和所述欠压比较电路分别将所述正电压信号与各自的基准电压进行比较得到一串脉冲信号，并将比较结果输入至FPGA控制模块；
(5)、所述FPGA控制模块记录输入的脉冲信号的脉宽，如果所述过压脉宽值大于等于给定的过压脉宽阈值，则FPGA发出报警信号，如小于给定的过压脉宽阈值，则将所述过压脉宽记录值清零并重新开始记录下一次脉宽；如果所述欠压脉宽值小于等于给定的欠压脉宽阈值，则FPGA发出报警信号，如大于给定的欠压脉宽阈值，则将所述欠压脉宽记录值清零并重新开始记录下一次脉宽。
其步骤(4)中所述正电压信号大于所述过压比较电路的基准电压时，所述过压比较电路输出高电平，反之输出低电平；当所述正电压信号大于所述欠压比较电路的基准电压时，所述欠压比较电路输出高电平，反之输出低电平。
本发明的电路图如图2所示，其中FPGA控制模块采用的型号为EP4CE6，该型号模块的上述功能是本领域技术人员公知的，因此在使用时只需要通过编程就可以实现上述的功能。
本发明中的电路图为单向电路图，如果使用在三相电路图中则由此三个单向的电路构成即可。
上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于FPGA的电网过欠压检测电路，其特征在于：包括依次连接的绝对值电路、比较电路以及FPGA控制模块；
所述绝对值电路将采集到的电网电压进行绝对值转换；
所述比较电路将所述绝对值电路转换得到的绝对值电压信号与比较电路里用固定电阻设定的基准电压进行比较得到一串脉冲信号；
FPGA控制模块将接收到的所述脉冲信号进行处理，对电网过压或者欠压进行报警。
2.如权利要求1所述的一种基于FPGA的电网过欠压检测电路，其特征在于：所述绝对值电路包括变压器T1、放大器U1A、放大器U1B、二极管D1、二极管D2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5以及电阻R6；所述变压器T1的输入端接入待测电网，所述变压器T1的输出端一端接地，另一端与所述电阻R1连接后分为两路，一路与所述电阻R2一端连接，另一路与所述放大器U1A的输入端负极连接；所述电阻R2的另一端与所述二极管D1的负极连接再与所述电阻R4串联后接入所述放大器U1B的输入端负极；所述放大器U1A的输入端正极接地，输出端分为两路，一路与所述二极管D1的正极连接，一路与所述二极管D2的负极连接；所述二极管D2的正极分为两路，一路与所述电阻R3串联后接入所述放大器U1A的输入端负极，另一路与所述电阻R5串联后接入所述放大器U1B的输入端负极；所述放大器U1B的输入端负极与所述电阻R6连接后与其输出端连接；所述放大器U1B的输出端接入所述比较电路的输入端。
3.如权利要求1所述的一种基于FPGA的电网过欠压检测电路，其特征在于：所述比较电路包括过压比较电路和欠压比较电路。
4.如权利要求3所述的一种基于FPGA的电网过欠压检测电路，其特征在于：所述过压比较电路包括比较器U2A、电阻R8、电阻R9、电阻R10以及电阻R11；所述比较器U2A的输入端正极与所述放大器U1B的输出端连接；所述电阻R9一端接入第一直流电源，另一端与所述电阻R8串联后接地；所述比较器U2A的输入端负极接入所述电阻R8和所述电阻R9的连接结点；所述比较器U2A的输出端分为两路，一路与所述电阻R10连接后接入第二直流电源，另一端与所述电阻R11串联后接入所述FPGA模块的输入端。
5.如权利要求3所述的一种基于FPGA的电网过欠压检测电路，其特征在于：所述欠压比较电路包括比较器U2B、电阻R12、电阻R13、电阻R14以及电阻R15；所述比较器U2B的输入端正极与所述放大器U1B的输出端连接；所述电阻R13一端接入第一直流电源，另一端与所述电阻R12串联后接地；所述比较器U2B的输入端负极接入所述电阻R12和所述电阻R13的连接结点；所述比较器U2B的输出端分为两路，一路与所述电阻R14连接后接入第二直流电源，另一端与所述电阻R15串联后接入所述FPGA模块的输入端。
6.如权利要求4和权利要求5所述的一种基于FPGA的电网过欠压检测电路，其特征在于：所述第一直流电源的电压为12V，所述第二直流电源的电压为3.3V。
7.如权利要求1所述的一种基于FPGA的电网过欠压检测电路，其特征在于：所述脉冲信号的频率为100Hz。
8.如权利要求1所述的一种基于FPGA的电网过欠压检测电路，其特征在于：所述FPGA控制模块配置为接收记录所述脉冲信号的脉宽并将所述脉冲信号的脉宽值与给定的脉宽阈值进行比较，在所述脉冲信号的脉宽值超出所述给定脉宽阈值时发出报警信号。
9.一种基于FPGA的电网过欠压检测方法，其特征在于，其检测步骤如下：
(1)、将电网电压经变压器转换为低压交流信号；
(2)、将所述低压交流信号经绝对值电路进行绝对值转换，得到正电压信号；
(3)、将所述正电压信号输入至比较电路；
(4)、所述比较电路包括过压比较电路和欠压比较电路，所述过压比较电路和所述欠压比较电路分别将所述正电压信号与各自的基准电压进行比较得到一串脉冲信号，并将比较结果输入至FPGA控制模块；
(5)、所述FPGA控制模块记录输入的脉冲信号的脉宽，如果所述过压脉宽值大于等于给定的过压脉宽阈值，则FPGA发出报警信号，如小于给定的过压脉宽阈值，则将所述过压脉宽记录值清零并重新开始记录下一次脉宽；如果所述欠压脉宽值小于等于给定的欠压脉宽阈值，则FPGA发出报警信号，如大于给定的欠压脉宽阈值，则将所述欠压脉宽记录值清零并重新开始记录下一次脉宽。
10.如权利要求9所述的一种基于FPGA的电网过欠压检测方法，其特征在于：其步骤(4)中所述正电压信号大于所述过压比较电路的基准电压时，所述过压比较电路输出高电平，反之输出低电平；当所述正电压信号大于所述欠压比较电路的基准电压时，所述欠压比较电路输出高电平，反之输出低电平。
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