基于DSP的新型多功能電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀表的設(shè)計(jì)
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鑒于以上的各問(wèn)題，提高電能質(zhì)量的新技術(shù)及改善電能質(zhì)量的分析方法成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。為了采取合理的措施提高電能質(zhì)量，對(duì)電能質(zhì)量參數(shù)指標(biāo)準(zhǔn)確的檢測(cè)和分析，對(duì)電力系統(tǒng)中各參數(shù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量，是解決電能質(zhì)量問(wèn)題的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，只有對(duì)所存在的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行有效的檢測(cè)、數(shù)據(jù)分析，才能清楚該電能質(zhì)量問(wèn)題的特性，進(jìn)而采取相應(yīng)的解決措施，以保證電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。本設(shè)計(jì)以高性能數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC5402和高精度16位A/D轉(zhuǎn)換器AD73360為核心，針對(duì)現(xiàn)有裝置在軟硬件設(shè)計(jì)方面存在的一些不足，通過(guò)基于DSP的快速傅里葉變換算法[1]，對(duì)裝置開(kāi)發(fā)涉及到的軟硬件作出部分改進(jìn)，對(duì)下位機(jī)重新作出設(shè)計(jì)，構(gòu)架了DSP+MCU方案，設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電力參數(shù)的裝置，可以測(cè)量三相電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)及頻率等，在電能質(zhì)量方面具體包括：2～31次諧波分析、電壓波峰系數(shù)、電流K系數(shù)、三相電壓/電流不平衡度等。
1 系統(tǒng)工作原理及總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，以TI公司的TMS320VC5402芯片為核心，包括電流/電壓隔離電路、信號(hào)調(diào)理及A/D采樣電路、以16位低功耗單片機(jī)MSP430F149為核心的人機(jī)接口電路以及系統(tǒng)輔助電源，實(shí)現(xiàn)了對(duì)包括三相電流/電壓在內(nèi)的各電參量的測(cè)量、顯示控制以及通信等功能。整個(gè)系統(tǒng)以準(zhǔn)確采樣與處理為基礎(chǔ)，兼顧整體的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低廉等因素。
首先三相電壓/電流經(jīng)過(guò)精密電壓電流互感器轉(zhuǎn)換后濾除高次諧波，再經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路變換為適合AD73360采樣的信號(hào)進(jìn)行采樣。AD73360將采樣完的數(shù)字信號(hào)送入DSP。
由DSP對(duì)采樣數(shù)據(jù)作進(jìn)一步抗混疊處理后，計(jì)算出各電力參數(shù)并通過(guò)快速傅里葉算法進(jìn)行諧波分析，并將需要的參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)[2]。
經(jīng)過(guò)DSP處理后的各實(shí)時(shí)電參量經(jīng)通信單元送給以MSP430F149為核心的上位機(jī)進(jìn)行顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括鍵盤(pán)輸入控制電路以及LCD液晶顯示電路，實(shí)現(xiàn)友好、直觀的人機(jī)接口。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 TMS320VC5402與AD73360接口電路
AD73360是ADI公司推出的6通道模擬輸入的16位串行可編程A/D轉(zhuǎn)換器。它采用∑-△ A/D轉(zhuǎn)換原理，具有良好的內(nèi)置抗混疊性能，所以對(duì)模擬前端濾波器的要求不高,用一階RC低通濾波器就能滿足要求。其采樣率和輸入信號(hào)增益都是可編程的，采樣率可分別設(shè)置為64 kS/s、32 kS/s、16 kS/s和8 kS/s(輸入時(shí)鐘為16.384 MHz時(shí))，增益可在0 dB~38 dB之間選擇。AD73360能保證6路模擬信號(hào)同時(shí)采樣，且在變換過(guò)程中延遲很小。本系統(tǒng)中AD73360采用交流耦合的差分輸入,通過(guò)McBSP接口與TMS320VC5402相連，接口信號(hào)線的數(shù)目只有6條，簡(jiǎn)捷高效。圖2是具體連接方法。
AD73360的串口時(shí)鐘SCLK信號(hào)作為McBSP的發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)(CLKX0)和接收時(shí)鐘信號(hào)(CLKR0)；McBSP的發(fā)送引腳(FSX0)、接收幀同步引腳(FSR0)與AD73360的輸入引腳(SDIFS)、輸出幀同步(SDOFS)連接到一起，使McBSP的發(fā)送信號(hào)(FSX0)和接收幀同步時(shí)鐘信號(hào)(FSR0)與AD73360的輸出幀同步信號(hào)(SDOFS)保持同步。AD73360的數(shù)據(jù)輸出引腳(SDO)和輸入引腳(SDI)分別與McBSP的數(shù)據(jù)接收引腳(DR0)和數(shù)據(jù)發(fā)送引腳(DX0)相連。AD73360的激活信號(hào)SE由鎖相倍頻電路的輸出倍頻信號(hào)AD_SE觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)同步鎖相采集。AD73360的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)MCLK可以由DSP分頻得到，也可以由晶振直接產(chǎn)生，AD73360的最高輸入時(shí)鐘為16.384 MHz。
2.2 鎖相倍頻電路及頻率測(cè)量
傅里葉變換要求每周期采樣點(diǎn)數(shù)等間隔，且采樣時(shí)間要涵蓋整周期。因此對(duì)采樣點(diǎn)數(shù)的要求非常嚴(yán)格。實(shí)現(xiàn)同步采樣的方式有軟件同步和硬件同步兩種，硬件同步采樣比軟件同步采樣響應(yīng)迅速，能實(shí)時(shí)追蹤頻率變化。本裝置中采樣脈沖產(chǎn)生電路由過(guò)零比較器、鎖相器以及分頻電路組成。鎖相電路選擇了一種性能優(yōu)良的CMOS鎖相環(huán)路CD4046，同時(shí)CD4046提供給計(jì)數(shù)器74LS393來(lái)產(chǎn)生所需的分頻信號(hào)。
評(píng)論