基于DSP的諧波控制器的系統研制

　　2 諧波控制器的軟件設計

　　軟件設計的核心就是對信號中的諧波分量進行分析,DSP在兩個信號周期采樣128個點,基于這些采樣點進行快速付里葉變換(FFT)運算,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。當采樣頻率是信號頻率的整數倍時,即實現同步采樣,采用矩形截斷,并用FFT算法進行頻譜分析,不會產生任何泄漏現象,可以精確重現信號頻譜。如果能自動達到同步采樣,對算法本身的要求就不需要太高,因為,同步采樣后采用矩形窗進行 FFT,矩形窗就意味著采樣的數據可以直接作為FFT子函數的輸入。過零檢測電路就是為了實現同步采樣,DSP捕獲方波電路產生的方波上升沿,可以求出方波頻率即信號頻率。根據此頻率可確定采樣時間和兩點間的采樣間隔時間(兩次AD轉換之間的時間),通過這個方法就叮以實現同步采樣,獲得精確的頻譜。每次 FFT運算前都會重新根據實際電網情況改變采樣策略,在幾個周期內對電網頻率的變化迅速作出反應,這樣提高測量的可靠性和實吋性。

　　交流電壓u(t)及電流信號i(t)每個周期進行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算公式為(N為采樣點數)

　　根據P=UIcosθ可以求出功率因數,進而求得無功。根據FFT的結果可以得出各次諧波的含量,經計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。

　　圖5為DSP進行數據分析的流程圖。

　　3 抗干擾設計

　　干擾主要有傳導型和輻射型兩大類,前者表現為干擾電流和電壓,后者表現為干擾電場和磁場。影響智能脫扣器的干擾源有用電設備的浪涌電流;對講機、手機等產生的射頻輻射;智能脫扣器內部的開關電源和斬波釋放電路等。這些干擾源的存在導致程序死掉,將干擾信號引入電流電壓,從而使數據分析結果與實際差距較大, 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措施。

　　3.1 硬件抗干擾

　　采取的措施有：

　　1)合理布線,使數字電路地和模擬電路地共點接為懸浮工作方式,即系統各回路的基準電位互相連接在一起而不與大地相連,這樣系統有較強的抗干擾能力;

　　2)模擬電路地和數字電路地分開接地,最后再匯合到一點;斬波泄放電路在啟動工作后,出現很高的瞬態干擾,把邏輯地(主機)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;在機殼內涂金屬屏蔽層,形成等電位屏蔽,對電磁干擾也有很大的屏蔽作用;

　　4)在穩壓電源、隔離變壓器后側安裝濾波線路,這個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;本系統中采用光耦器件817對DSP輸出的弱電控制信號與繼電器強電進行隔離,由于光電隔離保證了DSP與繼電器間無電的直接聯系,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入“死機”狀態,在程序中加入一些監控措施 利用看門狗(watchdog)對程序進行死鎖檢測,在必要的時候自動復位;在未使用的中斷向量區、空白程序區設置軟件陷阱,強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,以調整指令長度,防止程序混亂;

　　2)對采樣信號進行數字濾波 首先對每一個采樣點進行判別,讓其與相鄰值、前次值以及增值最大值進行比較,根據對稱檢測法、限幅檢測法來判斷是否為干擾信號;對最近采樣的點進行FFT 計算得到的數據與前幾次的數據求平均值,舍去“異類”。

　　此外,在數據處理的算法上進行改進,也能大大提高系統的抗干擾能力,但是,這往往是以犧牲代碼長度為代價的,至于如何取舍視實際項目要求而定。

　　3.3 其他措施

　　在本系統中,DSP芯片除了進行數據采集和分析以外,還要實現對鍵盤和液晶顯示的控制,這樣DSP的工作量十分繁重,設計稍不全面就會出現中斷沖突現象, 為調試帶來很大的困難。為此,可以采取在系統中添加一塊單片機51芯片,用于管理鍵盤和液晶顯示。現在單片機51芯片的價格十分便宜,系統中引入5l芯片不會導致成本過高。由于在正常運行時候,DSP和單片機通過雙口RAM進行數據交流,其他內部的程序都不會相互干擾,因此,給調試帶來了極大的方便,同時,最大可能地降低了程序跑飛的可能性。

　　4 結語

　　無源濾波器是抑制諧波的重要手段,它被廣泛應用于電網的諧波抑制中,目前無源濾波器主要靠手工進行投切,這樣既浪費人力,又達不到理想的效果,不能滿足電能質量日益提高的要求。根據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行監測控制的裝置既方便了用戶,又有廣闊的市場前景。