基于DSP的諧波控制器的系統(tǒng)研制

　　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(duì)信號(hào)中的諧波分量進(jìn)行分析,DSP在兩個(gè)信號(hào)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(hào)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(hào)頻率的整數(shù)倍時(shí),即實(shí)現(xiàn)同步采樣,采用矩形截?cái)?并用FFT算法進(jìn)行頻譜分析,不會(huì)產(chǎn)生任何泄漏現(xiàn)象,可以精確重現(xiàn)信號(hào)頻譜。如果能自動(dòng)達(dá)到同步采樣,對(duì)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(cè)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(hào)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(huì)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(duì)電網(wǎng)頻率的變化迅速作出反應(yīng),這樣提高測(cè)量的可靠性和實(shí)吋性。

　　交流電壓u(t)及電流信號(hào)i(t)每個(gè)周期進(jìn)行N次采樣,測(cè)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(wú)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(chǎng)和磁場(chǎng)。影響智能脫扣器的干擾源有用電設(shè)備的浪涌電流;對(duì)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(hào)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(duì)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(duì)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(duì)DSP輸出的弱電控制信號(hào)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(wú)電的直接聯(lián)系,從而保證了信號(hào)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(duì)程序進(jìn)行死鎖檢測(cè),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(lái);在必要的地方寫入冗余指令,以調(diào)整指令長(zhǎng)度,防止程序混亂;

　　2)對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波 首先對(duì)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(duì)稱檢測(cè)法、限幅檢測(cè)法來(lái)判斷是否為干擾信號(hào);對(duì)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(zhǎng)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(duì)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(huì)出現(xiàn)中斷沖突現(xiàn)象, 為調(diào)試帶來(lái)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(huì)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(huì)相互干擾,因此,給調(diào)試帶來(lái)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(yǔ)

　　無(wú)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(wú)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(shuí)污染誰(shuí)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(duì)諧波進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制的裝置既方便了用戶,又有廣闊的市場(chǎng)前景。