基于DSP芯片TMS32LF2407的諧波控制器的硬、軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)今電力系統(tǒng)中的電能質(zhì)量問題越來越突出，一方面，大量敏感性負(fù)荷對電能質(zhì)量的要求越來越高，而另一方面，越來越多的非線性負(fù)荷不斷接入電網(wǎng)，使電力系統(tǒng)總體的電能質(zhì)量狀況不斷惡化。
    諧波是電能質(zhì)量中很重要的一個(gè)方面，諧波的存在對電力系統(tǒng)產(chǎn)生的危害有以下幾個(gè)方面：
    1)可能使電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置和自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)；
    2)使各種電氣設(shè)備產(chǎn)生附加損耗和發(fā)熱，使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)及噪聲；
    3)諧波電流在電網(wǎng)中流動(dòng)增加損耗，影響電網(wǎng)及各種電氣設(shè)備的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；
    4)諧波電流通過電磁感應(yīng)、電容耦合以及電氣傳導(dǎo)等作用，對周圍的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；
    5)諧波使電網(wǎng)中廣泛使用的各種測量儀表產(chǎn)生誤差；
    6)增加了電網(wǎng)中發(fā)生諧波諧振的可能，從而造成很高的過電流或過電壓而引發(fā)事故的危險(xiǎn)性。
    隨著諧波污染的日益嚴(yán)重和對電能質(zhì)量要求的提高，對諧波抑制的要求也越來越高，如何根據(jù)現(xiàn)場的諧波污染狀況進(jìn)行濾波器的投切也變得更加重要。針對這種情況，研制了一種諧波控制器，它可以對現(xiàn)場的諧波和無功等進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)現(xiàn)場諧波狀況對濾波器進(jìn)行自動(dòng)投切，達(dá)到抑制諧波、改善電能質(zhì)量的目的。下面介紹基于DSP芯片TMS32LF2407的諧波控制器的硬、軟件設(shè)計(jì)。

1 諧波控制器的硬件設(shè)計(jì)
    諧波控制器的基本原理是實(shí)時(shí)對電流、電壓進(jìn)行采樣，將采到的數(shù)據(jù)經(jīng)過D5P進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，得到現(xiàn)場諧波的狀況，從而決策是否對濾波器進(jìn)行投切。
    美國TI公司生產(chǎn)的TMS32LF2407型DSP芯片是一款高性能16位定點(diǎn)DSP，該系列DSP控制器將實(shí)時(shí)信號處理能力和控制器外設(shè)功能集于一 身，特別適合于工業(yè)控制應(yīng)用。其芯片供電電壓為3.3V，降低了控制器的功耗。高達(dá)40M 1PS的執(zhí)行速度(工作最高頻率為40MEz)，片內(nèi)有32K字的Flash程序存貯器，544字的DARAM和2K字的SARAM，可以外擴(kuò)存貯器總共有：194K字空間，片內(nèi)集成了看門狗(WDT)；提供多達(dá)16路模擬輸入的10位A／D，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為375ns；高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳。具有低成本、低功耗、高速運(yùn)算能力和高性能處理能力的優(yōu)點(diǎn)。因此，該DSP芯片可以滿足作為此系統(tǒng)主控芯片的要求。
    所研制的諧波控制器的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    通過圖1可知，此硬件電路主要包括采樣電路、中央處理單元、復(fù)位電路、鍵盤和液晶顯示功能、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等幾個(gè)部分。下面就硬件電路設(shè)汁中要特別注意的地方進(jìn)行闡述：
1.1 采樣電路
    由于TMS32LF2407芯片的AD采樣最大只能送入3.3V的電壓信號，因此，在將電流、電壓信號送到AD口之前要經(jīng)過電流互感器和電壓互感器進(jìn)行調(diào)理，為了使引入的信號免受外界的干擾，互感器類型的選擇和調(diào)理電路的抗千擾要特別地注意。此外，采樣電路還應(yīng)該要注意的一點(diǎn)是：由于TMS32LF2407的AD口很脆弱，也就是說AD口不能送入峰值超過3.3V的電壓信號，否則AD口將被燒壞，因此，最好添加一個(gè)限幅電路。具體的調(diào)理電路如圖2所示。

1.2 過零檢測電路
    為了使主芯片能夠?qū)崿F(xiàn)同步采樣，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)處理的真實(shí)性，因此，在電路中應(yīng)該加入過零檢測電路。過零檢測電路也就是方波發(fā)生電路，它對諧波分析同步采樣起著很重要的作用。它將電壓信號變?yōu)橥l率的方波信號，DSP通過捕獲方波的上升沿來跟蹤電網(wǎng)頻率，為保證同步采樣提供了條件。具體的檢測電路如圖3所示。

1.3 執(zhí)行單元
    在執(zhí)行單元中，繼電器的供電電源是12V，而DSP的供電電源和IO口輸出的高電平為3.3V，為防止高于3.3V的電壓引入DSP，導(dǎo)致DSP的損壞，繼電器控制信號的輸出采用了光耦器件817進(jìn)行隔離，繼電器開關(guān)側(cè)使用了阻容吸收電路來減小在開關(guān)開合時(shí)的沖擊。具體電路如圖4所示。

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2 諧波控制器的軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)的核心就是對信號中的諧波分量進(jìn)行分析，DSP在兩個(gè)信號周期采樣128個(gè)點(diǎn)，基于這些采樣點(diǎn)進(jìn)行快速付里葉變換(FFT)運(yùn)算，從而分析得到信號中諧波的含量。諧波分量的分析精度取決于FFT的精度和同步采樣。當(dāng)采樣頻率是信號頻率的整數(shù)倍時(shí)，即實(shí)現(xiàn)同步采樣，采用矩形截?cái)啵⒂肍FT算法進(jìn)行頻譜分析，不會產(chǎn)生任何泄漏現(xiàn)象，可以精確重現(xiàn)信號頻譜。如果能自動(dòng)達(dá)到同步采樣，對算法本身的要求就不需要太高，因?yàn)?，同步采樣后采用矩形窗進(jìn)行FFT，矩形窗就意味著采樣的數(shù)據(jù)可以直接作為FFT子函數(shù)的輸入。過零檢測電路就是為了實(shí)現(xiàn)同步采樣，DSP捕獲方波電路產(chǎn)生的方波上升沿，可以求出方波頻率即信號頻率。根據(jù)此頻率可確定采樣時(shí)間和兩點(diǎn)間的采樣間隔時(shí)間(兩次AD轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間)，通過這個(gè)方法就叮以實(shí)現(xiàn)同步采樣，獲得精確的頻譜。每次FFT運(yùn)算前都會重新根據(jù)實(shí)際電網(wǎng)情況改變采樣策略，在幾個(gè)周期內(nèi)對電網(wǎng)頻率的變化迅速作出反應(yīng)，這樣提高測量的可靠性和實(shí)吋性。
    交流電壓u(t)及電流信號i(t)每個(gè)周期進(jìn)行N次采樣，測得的離散值為u(n)、i(n)，得到的離散化電壓、電流有效值和有功功率計(jì)算公式為(N為采樣點(diǎn)數(shù))

   
    根據(jù)P=UIcosθ可以求出功率因數(shù)，進(jìn)而求得無功。根據(jù)FFT的結(jié)果可以得出各次諧波的含量，經(jīng)計(jì)算可以得到總的諧波畸變率(THD)，為DSP控制繼電器投切濾波器提供了依據(jù)。
    圖5為DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的流程圖。

3 抗干擾設(shè)計(jì)
    干擾主要有傳導(dǎo)型和輻射型兩大類，前者表現(xiàn)為干擾電流和電壓，后者表現(xiàn)為干擾電場和磁場。影響智能脫扣器的干擾源有用電設(shè)備的浪涌電流；對講機(jī)、手機(jī)等產(chǎn)生的射頻輻射；智能脫扣器內(nèi)部的開關(guān)電源和斬波釋放電路等。這些干擾源的存在導(dǎo)致程序死掉，將干擾信號引入電流電壓，從而使數(shù)據(jù)分析結(jié)果與實(shí)際差距較大，引起繼電器誤投切。為了減少千擾的影響，需要在硬件和軟件上采取相應(yīng)措施。
3.1 硬件抗干擾
    采取的措施有：
    1)合理布線，使數(shù)字電路地和模擬電路地共點(diǎn)接為懸浮工作方式，即系統(tǒng)各回路的基準(zhǔn)電位互相連接在一起而不與大地相連，這樣系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾能力；
    2)模擬電路地和數(shù)字電路地分開接地，最后再匯合到一點(diǎn)；斬波泄放電路在啟動(dòng)工作后，出現(xiàn)很高的瞬態(tài)干擾，把邏輯地(主機(jī))和模擬地(A/D)分開后，這種干擾就降到很低；
    3)線路板和元器件表面噴絕緣層，這不僅是防潮和絕緣的需要，而且對防電磁千擾也有很重要的作用；在機(jī)殼內(nèi)涂金屬屏蔽層，形成等電位屏蔽，對電磁干擾也有很大的屏蔽作用；
    4)在穩(wěn)壓電源、隔離變壓器后側(cè)安裝濾波線路，這個(gè)濾波線路能使火線與零線中的千擾電流得到衰減；
    5)弱電和強(qiáng)電之間常常需要隔離，常用的隔離方式有光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離等；本系統(tǒng)中采用光耦器件817對DSP輸出的弱電控制信號與繼電器強(qiáng)電進(jìn)行隔離，由于光電隔離保證了DSP與繼電器間無電的直接聯(lián)系，從而保證了信號的正常傳遞，保證了DSP的安全。
3.2 軟件抗干擾
    軟件上抗干擾的方法有以下幾種：
    1)為了防止裝置收到干擾進(jìn)入“死機(jī)”狀態(tài)，在程序中加入一些監(jiān)控措施 利用看門狗(watchdog)對程序進(jìn)行死鎖檢測，在必要的時(shí)候自動(dòng)復(fù)位；在未使用的中斷向量區(qū)、空白程序區(qū)設(shè)置軟件陷阱，強(qiáng)迫程序跑飛以后能夠回到正常軌道上來；在必要的地方寫入冗余指令，以調(diào)整指令長度，防止程序混亂；
    2)對采樣信號進(jìn)行數(shù)字濾波 首先對每一個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行判別，讓其與相鄰值、前次值以及增值最大值進(jìn)行比較，根據(jù)對稱檢測法、限幅檢測法來判斷是否為干擾信號；對最近采樣的點(diǎn)進(jìn)行FFT計(jì)算得到的數(shù)據(jù)與前幾次的數(shù)據(jù)求平均值，舍去“異類”。
    此外，在數(shù)據(jù)處理的算法上進(jìn)行改進(jìn)，也能大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力，但是，這往往是以犧牲代碼長度為代價(jià)的，至于如何取舍視實(shí)際項(xiàng)目要求而定。
3.3 其他措施
    在本系統(tǒng)中，DSP芯片除了進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析以外，還要實(shí)現(xiàn)對鍵盤和液晶顯示的控制，這樣DSP的工作量十分繁重，設(shè)計(jì)稍不全面就會出現(xiàn)中斷沖突現(xiàn)象，為調(diào)試帶來很大的困難。為此，可以采取在系統(tǒng)中添加一塊單片機(jī)51芯片，用于管理鍵盤和液晶顯示?，F(xiàn)在單片機(jī)51芯片的價(jià)格十分便宜，系統(tǒng)中引入5l芯片不會導(dǎo)致成本過高。由于在正常運(yùn)行時(shí)候，DSP和單片機(jī)通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交流，其他內(nèi)部的程序都不會相互干擾，因此，給調(diào)試帶來了極大的方便，同時(shí)，最大可能地降低了程序跑飛的可能性。

4 結(jié)語
    無源濾波器是抑制諧波的重要手段，它被廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)的諧波抑制中，目前無源濾波器主要靠手工進(jìn)行投切，這樣既浪費(fèi)人力，又達(dá)不到理想的效果，不能滿足電能質(zhì)量日益提高的要求。根據(jù)誰污染誰治理的原則，諧波污染也要由用戶自己消除，因此，研制一種能對諧波進(jìn)行監(jiān)測控制的裝置既方便了用戶，又有廣闊的市場前景。