DSP在電力系統多通道同步交流采樣中應用
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隨著我國電力事業的快速發展,電力系統對發、輸、配、用電量的采集也有了更高的要求。電量采集作為電力系統實時控制、監測、調度自動化的前提環節,毫無疑問具有重要的作用。但在電量采集過程中,由于存在諧波等干擾因素,因此如何準確、快速地采集電力系統中的各個模擬量一直是電力系統研究中的熱點[1]。
1 總體設計
圖1 交流采樣模塊硬件結構框圖
2 采樣系統的硬件設計
交流采樣模塊的硬件結構如圖1所示,它包括隔離變換電路、通道選擇電路、限幅電路、同步方波變換電路、模/數轉換及控制電路等。
隔離變換電路中利用帶有磁補償的霍爾傳感器將相關PT、CT送來的電壓、電流信號轉換為同波形A/D通道允許的弱電電壓信號。通道選擇電路利用兩片2選1模擬多路選擇器MC14053B,通過不同的編址選出不同的A、B兩組,同時采樣六通道模擬量。這兩部分電路比較簡單,不予詳述。
2.1 限幅電路
圖2 雙向限幅電路
2.2 同步方波變換電路及頻率采樣
為了保證勵磁裝置采樣的精度,必須使采樣頻率具有快速的自適應能力,同步跟蹤機端電量的頻率變化。 如圖3 所示,所設計的同步方波變換電路由遲滯電壓比較電路、高速光耦、鎖相倍頻電路和脈沖整形電路組成。其中,由U1A (LM339的1/4)和Q1 (9012) 組成的遲滯比較電路將正弦波輸入信號變為0～5V的同頻率方波信號,同時利用遲滯電壓特性消除輸入信號在過零點可能出現的抖動現象。高速光耦6N137把模擬部分和數字部分電路隔離開,同時進一步隔離了強弱電之間的電氣連接。鎖相倍頻電路由鎖相環電路U2(CD4046)和十進制分頻電路CD4017組成,按每周波采樣40點計算,兩片CD4017完成40分頻。由于鎖相環的相位負反饋作用,當鎖相環鎖定時(D5為鎖定指示燈),U6_7 的輸出信號與U2_14的輸入信號同步,也即與正弦輸入信號同步,此時U2_4的輸出信號頻率為正弦信號頻率的40倍,并且跟隨其同步變化。
U6_7輸出的同步信號經分壓后,被送入TMS320F2812的捕獲模塊CAP1,用于頻率的測量,以滿足勵磁控制中后續的電力系統穩定器(PSS)和V/F限制的需要。U2_4輸出的同步倍頻信號經CD4528脈寬整形后得到合適的脈沖信號,作為A/D采樣保持的觸發信號。本采樣模塊通過硬件鎖相同步,避免了軟件同步中的中斷響應時間不確定性,可以獲得更高的同步精度。如果需要改變每周波采樣的點數,僅需改變CD4017引腳復位的連線即可。
圖3 同步方波變換及鎖相環倍頻電路(點擊查看大圖)
2.3 模/數轉換及控制電路
TMS320F2812芯片上有一個12位、轉換頻率為25MHz的A/D轉換器,其前端為兩個8選1的多路切換器和兩路同時采樣/保持器,在要求不很高時完全可利用其構成同步順序采樣電路,或者增加外部采樣保持器后構成同步采樣。考慮到發電機勵磁控制裝置電量檢測的重要性和其對電量采集精度、速度的較高要求,本系統采樣模塊中選用了外置的六通道16位模/數轉換器ADS8364。其內部包括六個高速采樣-保持放大器、六個高速ADC、一個參考電壓源及三個參考電壓緩沖器,可以提供250kSPS的同步采樣率,還可提供具有超低功耗(69mW/每通道)的所有六個輸入通道的轉換,這樣使得所有通道的單位成本均較低[5]。并且六個通道的數據輸出接口電壓介于2.7V到5.5V之間,便于與DSP直接接口,省去了中間的電平轉換。六個完全獨立的ADC可大大提高硬件整體的并行處理速度, 在 50kHz輸入信號下仍可保證大于80dB的卓越共模抑制能力,特別適合于諸如發動機控制及能量轉換等高干擾環境中。圖4所示為模/數轉換及控制電路,ADS8364的每通道的差分輸入V+IN都需經比例運算放大器和電平自舉電路將雙極性交流信號轉換為0～5V的信號。A/D轉換器的最大時鐘頻率為5MHz,由TMS320F2812的PWM1口提供,ADD和BYTE位設為低電平,IOPF0控制ADS8364的復位啟動,三對(六通道)采樣保持觸發信號來源于同步倍頻的輸出信號HOLD,每對通道轉換完畢后由EOC向XINT1發出外部中斷請求,TMS320F2812響應中斷請求后,通過地址線選通對應通道,將轉換所得數據由數據線讀入。
圖4 模/數轉換及控制電路
圖5 同步采樣軟件主程序流程圖(點擊查看大圖)
3 采樣系統的軟件設計
本采樣系統的軟件結構較為復雜,涉及的算法也較多,為了便于調試和維護,軟件設計遵循模塊化、自頂向下、逐步細化的編程思想。軟件采用C語言和匯編語言混合編程,主要軟件可劃分為主程序、采樣中斷服務子程序、頻率捕獲中斷服務子程序三大模塊。圖5所示是主程序流程圖,軟件的工作過程是:系統上電復位后,首先按照所選定的模式(調試時為Jump to H0 SRAM模式,實際應用時為Jump to Flash模式)自舉加載程序,跳轉到主程序入口;然后進行相關變量、數據緩沖區、控制寄存器、狀態寄存器的初始化;調用事件管理器EV初始化程序,設定PWM1的周期(5MHz)、占空比,捕獲單元CAP1時基T2的輸入時鐘分頻數、周期,并啟動T1、T2;初始化外設擴展中斷PIE,使能所用到的外部中斷XINT1和捕獲中斷,清中斷標志位,開全局中斷;而后復位并初始化外部的ADS8364,等待外部中斷,在中斷服務子程序中將A/D轉換后所得數據讀入所分配的數據緩沖區,待周波采樣完畢后,根據原通道采樣物理量(交流、直流)調用不同的數字濾波程序,對數據處理后,調用各計算子程序,計算所需的有效值、有功功率、無功功率、功率因數、平均值。采樣中斷子程序和頻率捕獲中斷服務子程序的流程圖如圖6所示,其中頻率捕獲中斷的時基精度為0.43μs。TMS320F2812為定點DSP,為了提高運算的精度和速度,軟件設計中充分利用TI 公司提供的IQmath Library 以實現浮點運算與定點程序代碼的無縫接口,簡化了程序的開發,并大大提高了程序運行的實時性[6]。
(a) A/D轉換中斷服務子程序流程圖
(b) 頻率捕獲中斷服務子程序流程圖
圖6
本文所設計的同步采樣模塊已經通過各種功能測試,達到了預期的目標。該方案的硬件設計和軟件編程對提高能源、冶金等行業中多通道電量同步采集的速度和精度有一定的借鑒意義。其中的子程序具有良好的可移植性,對其它DSP應用系統的設計也有一定的參考價值。
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