TMS320F28335在電網(wǎng)頻率測(cè)量中的應(yīng)用

本文提出了一種基于TMS320F28335 的頻率測(cè)量方法， 用于監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。該方法采用DSP 的eCAP 模塊和通用定時(shí)器對(duì)輸入信號(hào)的上升沿進(jìn)行捕捉， 通過記錄兩個(gè)上升沿的觸發(fā)時(shí)間得到輸入信號(hào)的頻率。與軟件測(cè)頻方法相比， 其硬件電路簡(jiǎn)單， 可靠性高、實(shí)時(shí)性好。理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明， 該方法測(cè)頻精度高， 很好的滿足了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的要求。

　　 引 言:

　　頻率是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)， 也是判斷電力系統(tǒng)故障的重要依據(jù)。一般情況下， 電力系統(tǒng)的頻率會(huì)隨著負(fù)荷的波動(dòng)而有所變化。在正常情況下電網(wǎng)頻率變化緩慢，即使發(fā)生系統(tǒng)事故， 在很短的時(shí)間內(nèi)( 如一個(gè)工頻周期) 電網(wǎng)頻率的變化量也是較小的。頻率測(cè)量若能不斷實(shí)時(shí)地測(cè)量電網(wǎng)頻率， 所測(cè)量的頻率誤差可減小到很小的程度。

　　數(shù)字頻率的測(cè)量方法主要有： ( 1) 測(cè)量電壓波形某一整數(shù)周波的時(shí)間， 從而計(jì)算頻率; ( 2) 利用波形識(shí)別或曲線擬合技術(shù)來估算頻率。后一種方法不能很好的抑制諧波分量， 計(jì)算量偏大， 要對(duì)每一周波都進(jìn)行一次計(jì)算， 將會(huì)占用過多的處理器時(shí)間， 其不能兼顧計(jì)算精度與實(shí)時(shí)性。

　　而前者的測(cè)量精度受電壓過零點(diǎn)的影響較大。

　　本文提出通過過零檢測(cè)電路將電網(wǎng)基波整型成方波，用TMS320F28335( DSP) 的捕捉模塊對(duì)方波上升沿進(jìn)行捕捉的頻率測(cè)量方法， 在一定程度上抑制了電壓過零點(diǎn)的影響， 有很好的測(cè)量精度和實(shí)時(shí)性。

　　1 通用定時(shí)器與捕捉模塊

　　TMS320F28335 是指令周期為6. 67 ns。主頻達(dá)150 MHz; 高性能的32 位CPU , 單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元( FPU ) , 采用哈佛流水線結(jié)構(gòu)， 能夠快速執(zhí)行中斷響應(yīng)。 并具有統(tǒng)一的內(nèi)存管理模式。本文提出的測(cè)頻方法主要應(yīng)用TMS320F28335 中的捕獲單元( eCAP) 和通用定時(shí)器( GPT ) 單元。

　　1. 1 通用定時(shí)器

　　通用定時(shí)器是TMS320F28335 常用的PIE 接口， 其核心是計(jì)數(shù)器， 32 位計(jì)數(shù)。通用定時(shí)器有多種工作模式，以滿足不同的需要。每個(gè)定時(shí)器可以獨(dú)立工作， 也可以相互同步工作?？梢詫?duì)寄存器事先設(shè)置來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

　　全局通用定時(shí)器控制寄存器GPTCON A ( EVA 中) 和GPT CONB( EVB 中) 規(guī)定通用定時(shí)器在不同事件中所采取的操作， 并規(guī)定它們的計(jì)數(shù)方向。為了完成測(cè)頻所需要的功能， 需要設(shè)置GPT 的計(jì)數(shù)寄存器T xCN T、定時(shí)器比較寄存器Tx CMPR、定時(shí)器周期寄存器Tx PR 以及定時(shí)器控制寄存器T xCON ( x = 1, 2, 3, 4) 。

　　1. 2 捕捉模塊

　　eCAP 模塊是一個(gè)完整的捕捉通道， 能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)時(shí)間的捕捉任務(wù)， eCAP 單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　

 

　　圖1 捕捉單元結(jié)構(gòu)

　　TMS320F28335 有6 個(gè)捕捉單元， 分兩組， 每個(gè)捕捉單元都有一個(gè)專用的捕捉輸入引腳， 能夠?qū)斎胍_的電平變化做出反應(yīng)并捕捉電平變化發(fā)生的時(shí)間。當(dāng)引腳電平發(fā)生變化， 觸發(fā)事件將被觸發(fā)： 將指定的通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)值壓到該捕捉單元的兩級(jí)FIFO, 當(dāng)FIFO 的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)大于或等于2 時(shí)觸發(fā)捕捉中斷請(qǐng)求。中斷響應(yīng)可以進(jìn)行頻率的計(jì)算及其相應(yīng)操作。[!--empirenews.page--]2 系統(tǒng)硬件電路及其測(cè)量原理

 

　　2. 1 系統(tǒng)的組成

　　系統(tǒng)主要由互感器、低通濾波、過零檢測(cè)、控制處理等模塊組成。系統(tǒng)模塊如圖2 所示。

　　

 

　　圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　在模擬通道的前端通過精密互感器對(duì)電網(wǎng)信號(hào)進(jìn)行采集。低通濾波濾除信號(hào)的高次諧波， 以避免諧波對(duì)過零檢測(cè)環(huán)節(jié)的影響， 提高測(cè)量精度。過零檢測(cè)電路由電壓比較器MAX474 和電阻等元件組成， 對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行整形，得到與電網(wǎng)基波相同頻率的方波信號(hào)， 提高信號(hào)邊沿的捕捉精度。過零檢測(cè)電路對(duì)正弦信號(hào)的陷波有一定的抑制能力。

　　2. 2 測(cè)量原理

　　采用TMS320F28335 的eCAP1 模塊對(duì)方波的上升沿進(jìn)行捕捉， 每次捕捉完上升沿后都對(duì)32 位定時(shí)器進(jìn)行置位， 上升捕捉的計(jì)數(shù)值為N 1。

　　則除設(shè)備開始運(yùn)行的第一周波之外， 之后的捕捉到的定時(shí)器值N 1 與頻率f 成比例關(guān)系， 即：

　　

 

　　( 其中K 為輸入信號(hào)分頻系數(shù))。

　　在150 MHz 主頻的DSP 中， 32 位的定時(shí)器溢出的時(shí)間接近半分鐘， 對(duì)電力系統(tǒng)基波進(jìn)行上述的測(cè)量， 其不會(huì)溢出。

　　3 測(cè)頻在DSP 中的實(shí)現(xiàn)

　　3. 1 時(shí)間預(yù)定標(biāo)器與誤差分析

　　時(shí)間預(yù)定標(biāo)器的功能框圖如圖3 所示。

　　

 

　　圖3 事件預(yù)定標(biāo)器功能

　　輸入的被捕捉信號(hào)可以通過預(yù)定標(biāo)器進(jìn)行頻， 或者選擇直通工作方式。分頻系數(shù)由寄存器ECCT L1 的PRESCALE 控制， 可以進(jìn)行2 到62 偶數(shù)次分頻。分頻有利于提高測(cè)量精度， 因?yàn)轭l率測(cè)量時(shí)計(jì)數(shù)值越高， 測(cè)頻的測(cè)量精度也就越高。

　　采用直通方式對(duì)50 Hz 的信號(hào)進(jìn)行測(cè)頻， 計(jì)數(shù)值大概為3× 106 次。假設(shè)對(duì)信號(hào)進(jìn)行K 次分頻， 則計(jì)數(shù)值將是K× 3× 106 次。定時(shí)器由于計(jì)數(shù)造成的絕對(duì)誤差為：

　　

 

　　采用時(shí)間預(yù)定標(biāo)器對(duì)信號(hào)分頻可以提高測(cè)量精度， 但也會(huì)降低測(cè)量的實(shí)時(shí)性。對(duì)于K 分頻， 則需要K 個(gè)周波才能得到頻率信息， 即此時(shí)得到的測(cè)量頻率是K 個(gè)周波之前的頻率。采用直通方式造成的絕對(duì)誤差大約為310- 7 , 完全可以滿足電力系統(tǒng)測(cè)頻的要求。考慮到電力系統(tǒng)頻率測(cè)量的實(shí)時(shí)性， 本設(shè)計(jì)采樣直通方式對(duì)頻率進(jìn)行測(cè)量。[!--empirenews.page--]3. 2 捕捉單元的處理

 

　　輸入信號(hào)可以由GPIO5、GPIO24、GPIO34 引出， 可選擇其中的一個(gè)作為輸入， 并對(duì)相應(yīng)的寄存器GPXMU Xn 進(jìn)行設(shè)置即可。對(duì)ECCT L1 進(jìn)行設(shè)置： 選擇直通方式， 不對(duì)信號(hào)進(jìn)行， 提高實(shí)時(shí)性; 使能CAP1 寄存器裝載， 使得在捕捉事件發(fā)生時(shí)裝載計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值; 選擇CAP1 為上升沿觸發(fā)， 并在裝載計(jì)數(shù)器之后重置計(jì)數(shù)器。

　　對(duì)ECCT L2 進(jìn)行設(shè)置： 設(shè)置在捕捉事件1 發(fā)生后停止計(jì)數(shù)， 等待捕捉; 選擇單次操作模式。并對(duì)中斷使能寄存器ECEINT 進(jìn)行設(shè)置， 使能捕捉事件1 作為中斷源。

　　捕捉過程的流程如圖4 所示。

　　

 

　　圖4 捕捉過程流程

　　由于每次讀取計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值之后都對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行重置， 捕捉到的計(jì)數(shù)值就是與周期對(duì)應(yīng)的值。每個(gè)周期都對(duì)上升沿進(jìn)行捕捉并計(jì)算頻率， 實(shí)現(xiàn)了對(duì)頻率的實(shí)時(shí)跟蹤。

　　此測(cè)頻方法可以用于電力系統(tǒng)相位的測(cè)量。只需將同一相的電壓、電流信號(hào)分別作為兩個(gè)eCA P 的輸入信號(hào)。采用上述設(shè)置方法對(duì)兩個(gè)eCA P 進(jìn)行設(shè)置， 只將其中的一個(gè)e CA P 的裝載計(jì)數(shù)器操作之后重置計(jì)數(shù)器。兩個(gè)e CAP 捕捉到的計(jì)數(shù)值的差▽ N 與相位差▽成正比， 即：

　　

 

　　實(shí)現(xiàn)相位差的測(cè)量。

　　4 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果

　　在實(shí)驗(yàn)室條件下， 用示波器和基于TMS320F28335電能質(zhì)量裝置對(duì)同一含有諧波的信號(hào)進(jìn)行頻率測(cè)量。頻率測(cè)量的對(duì)比數(shù)據(jù)如表1, 其中的f OSC 和f DSP 分別是美國泰克T ekt ronix TDS2024B 數(shù)字示波器和基于TMS320F28335 電能質(zhì)量裝置所測(cè)得的頻率值。

　　由表1 所測(cè)的數(shù)據(jù)可知， 本文提出的測(cè)量裝置與T ektronix 示波器測(cè)頻的最大絕對(duì)誤差為0. 0053 Hz。頻率測(cè)量結(jié)果表明此裝置有很高的測(cè)頻精度。

　　表1 頻率測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

　　

 

　　5 結(jié)束語

　　本文提出了一種基于TMS320F28335 的測(cè)頻方法，該方法硬件電路簡(jiǎn)單， 實(shí)時(shí)性好。文章還給出將該方法用于相位測(cè)量的初步思路。將該方法應(yīng)用到電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置中， 實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果表明， 該方法可行。