（中国飞行试验研究院 陕西西安 710089）
摘要：从硬件结构和软件应用两方面介绍了一种飞机谐波测量系统。谐波测量模块硬件包括互感器、数据采集卡、PC/104主板、输出显示设备等。系统采用虚拟仪器编程语言Labview设计完成。整个程序主要由数据采集模块、信号加窗处理模块、谐波测量与分析模块、串口通信模块四个模块组成。检测结果表明本文所设计的谐波测量系统性能优越。
关键词：Labview ；谐波 ；畸变
1.引言
谐波含量是飞机电网质量的一项重要指标。随着试验机上安装的非线性负载设备越来越多，电网谐波污染也日益严重，如何从机上电网中实时准确地检测出谐波畸变量成为一个亟待解决的问题。谐波污染问题在电力系统中研究较深，世界上许多发达国家对谐波检测问题已经进行了很多年的研究并且取得了一定的成就，我国电力系统中的谐波检测也已成为成熟的技术。但是对于飞机电源系统来说，由于通常只有在电子试验机上才会挂载大量的变压整流器，所以目前针对飞机电源谐波的研究较少，还没有一套专门用于测量机上电源系统谐波含量的设备。
为此，拟采用Labview开发平台设计出一种谐波测量模块。
2.谐波产生原因
众所周知，波形畸变主要是由电网中的非线性负载引起的。非线性负载吸收的电流和加在其上的电压不完全一致，畸变的电流回流到电网系统中，经过阻抗后产生一定的电压降，形成畸变电压。
引起交流电压畸变的另一个重要原因是发电机电压调制和频率调制。当由于负载变化引起线路压降变化时，发电机调压器会进行电压调制，若发电机电压基波频率为 ，调制信号频率为 ，则调制后产生 的频率分量。当飞机发动机转速发生变化时，会引起调频器进行频率调制，频率调制后的电压包含了很多谐波分量【1】。由电压调制和频率调制引起的畸变电压频率一般不是基波频率的整数倍，被称为简谐波或者次谐波。
任何谐波都会影响到电网系统中的其他设备，形成一定危害，严重时会造成电动机构的振荡，影响飞机的操控。
谐波畸变率是在电气工程学科中表征波形相对正弦波畸变程度的一个性能参数，缩写为THD（Total Harmonics Distortion）。其定义为全部谐波含量均方根值与基波均方根值之比，用百分数表示。
3．谐波测量系统组成
3.1 系统硬件介绍
谐波测量模块硬件包括互感器、数据采集卡、PC/104主板、输出显示设备，组成框图如图1所示。
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图1 系统硬件框图
互感器采用隔离模块，可将被测交流电流隔离转换成同频同相的交流信号。为了保证互感器在最大电流输入时输出信号不失真，采样电阻上的压降不应超过3V。
数据采集卡选用ART2932卡，它是一种基于PC104总线的数据采集卡，可直接和计算机的PC104接口相连。数据采集卡将采集到的值放入AD缓存中。PC/104主板读取数据并利用软件进行分析和处理，将计算值通过RS232串口传给上位机。
3.2 系统软件介绍
系统采用虚拟仪器编程语言Labview设计，Labview是一种图形化的编程语言，广泛地被工业界、学术界以及研究试验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。Labview集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通信的全部功能【3】。其开发的程序由两部分组成:前面板和程序框图。用Labview编写的程序称为VI(虚拟仪器)，Labview中提供了许多子VI供编程者直接调用，特别是信号处理部分，有许多功能强大的子VI，如常用的窗函数、快速傅里叶变换、功率谱、频率谱、小波变换等。采用模块化和层次递归的编程方法，可以很容易设计、构建和修改自己的虚拟仪器系统。
4.程序模块介绍
系统软件是在虚拟仪器开发平台Labview10.0上开发的。系统的工作原理是先将通过数据采集卡采集到的电压模拟信号并变换成数字信号，再通过有效值模块和谐波测量模块测得信号有效值和信号谐波含量指标。整个程序主要由以下四个模块组成：数据采集模块、信号加窗处理模块、谐波测量与分析模块、串口通信模块。
4.1 数据采集模块
由香农定理可知，当采样频率fs超过原输入信号最高频率fmax的两倍时，采样输出的离散时间序列就能够复原原输入信号而不产生失真，但当fs低于两倍的fmax时将会产生频谱混叠现象而引起信号失真。因此，在本系统中，输入信号频率400Hz，设计测量的最高次谐波为20次，即fmax=8 KHz。采样频率选择64KHz，一周期采样点数为160个点。ART2932采集卡有8K字FIFO存储器，半满查询每次可读取4K（4096）个AD转换的数，连续半满查询10次，可得40960个点的数据，远大于100个周期采样点数（16000），完全满足信号处理的要求。
4.2 信号加窗处理模块
由于谐波测量中的快速傅立叶变化存在泄露误差，这会影响测量结果的精度。解决这个问题的一种简单可行方法是在采集数据时使数据缓慢截断，也就是给数据加缓变的窗，相当于先利用窗函数对原信号进行加权后再进行快速傅里叶变换。选择适当的窗函数可以抑制长范围的频谱泄露。Labview提供了海明窗、汉宁窗、三角窗、Blackman窗等多种窗函数。
汉宁窗主瓣宽为4/T，第一旁瓣衰减为-32dB，旁瓣衰减为32 dB /10倍频程。与其他窗函数相比，汉宁窗旁瓣小，抑制泄露的效果明显，计算量少，应用广泛【4】。
4.3 谐波检测模块
谐波检测模块的核心是离散傅里叶变换理论。由于实际采样所得到的离散时间序列是有限长的离散时间序列，因此，可以构造一个周期性的离散时间序列，使其在每个周期内的离散时间序列都和有限长的离散时间序列相同，采用离散傅里叶变换理论，只取周期性的离散时间序列其中的一个周期序列的采样值进行分析即可【5】
在谐波检测模块中，首先对所采集的电压电流时域信号进行离散采样，得到抽样信号，将抽样信号进行离散傅里叶变换，在其频域进行频谱分析，求出各次谐波频率以及各次谐波下电压的幅值，再通过式（1）和式（2）计算得到得到n次谐波含有率及总谐波畸变率（THD）。
4.4 串口通信模块
串口通信模块包括帧头选取、帧头插入、元素高位补零、串口发送等部分。帧头的选取应为测量出现概率最小的值，当测量值和帧头相同时要对测量值加以区分。帧头插入是在第x个通道测量值前面插入帧头，以使测量值准确的显示在其通道所在的位置上。高位补零是将不足位的值高位补零，使得每次串口发送的字符串位数相同。数据处理完之后将串口参数配置的和上位机一一对应相同，即可将数据发送到上位机。
5.系统测试结果
该谐波测量系统研制完成后，在实验室进行了检测，检测结果如下表：
当基波频率为400Hz，基波电压为2.5V时，谐波含量为2、3、4、5次时，测量结果如表1所示：
表1 系统测试性能表（基波频率为400Hz）
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6.结论
本文详细介绍了机上谐波测量系统的组成及程序模块设计方法，使用该系统可以方便的测量机上电网含有的电压谐波畸变率。系统开发周期短，成本低，界面友好，使用方便。检测结果也证明了本文所设计的谐波测量系统性能优越。
参考文献：
[1] 郑先成，张晓斌，雷涛. 飞机供电系统交流电压畸变测试方法[J].哈尔滨工业大学学报，2006,38（10）：1750~1753.
[2] 顾恒科. 关于电力系统谐波的产生、危害及治理[C]. 西安:2011输变电年会， 2011,193~196.
[3] 王福明，于丽霞，刘吉等. Labview程序设计与虚拟仪器[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社，2009.
[4] 朱更辉，向学军. 基于Labview 7.1的谐波测量技术[J].淮阴工学院学报，2005, 14（1）：17~19.
[5] 靳希，杨尔滨，赵玲. 信号处理原理与应用[M]. 北京: 清华大学出版社，2004.