基于TMS320F28335的電能質(zhì)量分析設(shè)計(jì)交流電壓部分

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上基于TMS320F28335的電能質(zhì)量分析設(shè)計(jì)交流電壓部分在科技飛速發(fā)展的今天，各種各樣的用電設(shè)備相繼產(chǎn)生，當(dāng)有些電氣設(shè)備投入到電網(wǎng)時(shí)，會對電網(wǎng)電壓產(chǎn)生干擾，影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，尤其是大型電力電子設(shè)備投入使用后，對電網(wǎng)的影響更大。在這種環(huán)境下，產(chǎn)生了各種電能質(zhì)量分析設(shè)備，對電網(wǎng)某個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)記錄電網(wǎng)波動(dòng)，利用大量數(shù)據(jù)對電網(wǎng)進(jìn)行評估。電能質(zhì)量分析設(shè)備一般都很貴，很難在學(xué)習(xí)的過程中使用到，尤其是對個(gè)人的學(xué)習(xí)。本文將介紹如何進(jìn)行電能質(zhì)量檢測，怎樣做一個(gè)簡單的電能質(zhì)量分析儀。通過這個(gè)題目，相應(yīng)我們會學(xué)習(xí)到TI公司生產(chǎn)的MCU控制器TMS320F28335，這也是電力電

2、子行業(yè)應(yīng)用很多的控制器芯片。電能質(zhì)量分析包括很多方面，例如：電壓(幅值、相位、頻率)、電流(幅值、相位、頻率)、功率、功率因數(shù)、三相電壓不平衡度、電壓閃變、諧波含量等，很多國際標(biāo)準(zhǔn)對這些也有明確的定義，這里不再詳述，本文主要介紹電壓有效值、頻率、諧波含量進(jìn)行分析。1> 芯片簡介：TMS320F28335芯片簡介l 高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)高達(dá)150MHZ(6.67ns的周期時(shí)間);l 高性能32位CPUIEEE-754單精度浮點(diǎn)單元哈佛流水線結(jié)構(gòu)快速中斷響應(yīng)處理統(tǒng)一的內(nèi)存管理模式使用C/C+ 和匯編語言l 6通道的DMA控制器(用于ADC、McBsp、ePWM、XINTF和SARAM)l

3、16位或32位外部接口XINTFl 片上存儲器256K*16 Flash ，34K*16 SARAM，1 Kx16 OTPROM8K*16 Boot ROM(支持軟件引導(dǎo)模式SCI、SPI、CAN、I2C、McBSP、XINTF和并行IO)l 時(shí)鐘和系統(tǒng)控制支持動(dòng)態(tài)鎖相環(huán)PLL; 片載振蕩器; 安全裝置定時(shí)模塊l GPIO0GPIO63引腳可以連接到八個(gè)外部內(nèi)核中斷其中的一個(gè)l 支持58個(gè)外設(shè)中斷的PIE模塊(外設(shè)中斷擴(kuò)展)l 增強(qiáng)型的外設(shè)模塊：18個(gè)PWM輸出，包含6個(gè)高分辨率脈寬調(diào)制模塊(HRPWM)、6個(gè)事件捕獲輸入，2通道的正交調(diào)制模塊(QEP);l 3個(gè)32位定時(shí)器l 串行端口外設(shè)2

4、個(gè)局域網(wǎng)控制器CAN模塊3個(gè)SCI模塊(SCIA、SCIB、SCIC)2個(gè)McBSP模塊(可配置為SPI)1個(gè)SPI1個(gè)I2Cl 12位，16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC80ns轉(zhuǎn)化率;2*8通道復(fù)用輸入器;兩個(gè)采樣保持;同時(shí)支持多通道轉(zhuǎn)換EP4CE10E22C8N芯片簡介低成本、低功耗的 FPGA架構(gòu)：l 10,320邏輯單元l 414 Kb的嵌入式存儲器l 23個(gè) 18 × 18 乘法器，實(shí)現(xiàn)DSP處理密集型應(yīng)用l 2個(gè)通用PLLl 10個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)l 91個(gè)I/Ol 21個(gè)LVDSAD7606芯片簡介l 8路同步采樣輸入l 真雙極性模擬輸入范圍：±10 V、±5 V

5、l 5V模擬單電源，2.3V至+5V VDRIVEl 1M模擬輸入阻抗l 模擬輸入箝位保護(hù)l 二階抗混疊模擬濾波器l 高吞吐速率：200 kSPS(所有8個(gè)通道)l 靈活的并行/串行接口l 95.5 dB SNR, -107 dB THDl ±0.5 LSB INL, ±0.5 LSB DNLl 低功耗：100 mW 待機(jī)功耗：25 mWl 64引腳LQFP 封裝2> 設(shè)計(jì)概要a> 電壓采樣電路設(shè)計(jì)交流電壓采樣是把額定有效值電壓220V 50Hz信號轉(zhuǎn)換為運(yùn)算放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器可接受的電壓水平。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換方式是通過電壓互感器，把高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓，高壓側(cè)與低壓側(cè)

6、電氣隔離，二次側(cè)不需要外部電源功能，但是電壓互感器的響應(yīng)速度較慢，不能測量直流分量，在要求響應(yīng)速度較快的系統(tǒng)中，受到了限制。新型的電流型霍爾元件，不僅響應(yīng)速度快，也能測量直流分量，通過限流電阻，將高電壓轉(zhuǎn)換成低電流，然后經(jīng)過電流型霍爾元件隔離輸出電流，再經(jīng)取樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓，電壓轉(zhuǎn)換精度受霍爾元件線性度影響，高精度霍爾一般成本較高。在交流電壓轉(zhuǎn)換方式中還有一種，通過差分放大電路，將高電壓信號轉(zhuǎn)換成低電壓信號，此類轉(zhuǎn)換方式相對控制靈活，可通過選擇運(yùn)放和周邊器件控制信號轉(zhuǎn)換的響應(yīng)速度，成本也相對較低，但是，給運(yùn)算放大器供電電源與測量交流電壓應(yīng)該隔離，當(dāng)測量多個(gè)信號時(shí)，應(yīng)考慮信號間干擾。本項(xiàng)目綜合考

7、慮到成本、性能、精度問題，采用差分放大電路進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電壓要求：輸入電壓：400V (幅值)輸出電壓：6V (幅值)變比：400:6為了盡可能增大差分放大電路的輸入阻抗，設(shè)計(jì)兩級放大電路，先通過差分放大電路，將信號縮小到2V左右，再經(jīng)后級的反向放大電路放大3倍。電路圖如下所示：在運(yùn)放同向輸入與反向輸入間加入反并聯(lián)的電壓鉗位二極管，保護(hù)輸入端，在正輸入極與地之間連接一個(gè)背靠背的5V穩(wěn)壓二極管，鉗位共模輸入電壓，第二級運(yùn)放輸出即可連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入。a> 頻率精確測量在進(jìn)行FFT分析、有效值計(jì)算過程中，要明確知道信號的頻率，才能準(zhǔn)確測量出電網(wǎng)電壓的諧波含量、有效值等參數(shù)。測量頻率方法很

8、多，本節(jié)主要講解過零點(diǎn)檢測、軟件鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)頻率測量的方式。單相軟件鎖相環(huán)技術(shù)，可以通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，在軟件中實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)計(jì)算，并把檢測過零點(diǎn)與軟件內(nèi)相位進(jìn)行對比，產(chǎn)生誤差信號，利用誤差信號調(diào)節(jié)采樣周期，從而讓軟件內(nèi)相位與實(shí)際過零點(diǎn)存在穩(wěn)定的誤差值，而達(dá)到軟件鎖相的目的。當(dāng)過零點(diǎn)落在兩個(gè)采樣點(diǎn)之間時(shí)，檢測過零點(diǎn)會有偏差，盡管可以通過線性計(jì)算的方法，進(jìn)一步縮小誤差，但信號諧波含量較大時(shí)，同樣會引起檢測偏差，導(dǎo)致頻率計(jì)算偏差較大。本項(xiàng)目采用硬件方法實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)檢測和軟件鎖相，解決了上述所產(chǎn)生的問題，并且頻率檢測精度很高，具體實(shí)現(xiàn)方法如下：利用TI公司網(wǎng)站的WEBENCH Designer設(shè)計(jì)4階帶通濾波器，

9、帶通濾波器的設(shè)計(jì)過程如下：1>打開WEBENCH設(shè)計(jì)中心，在右側(cè)選擇Filters->Bandpass，點(diǎn)擊“開始設(shè)計(jì)”，開始加載設(shè)計(jì)器，等待設(shè)計(jì)器加載完成。更改中心頻率為50Hz，通帶寬度為10Hz，其它可選默認(rèn)，點(diǎn)擊“Start Filter Design”。4>產(chǎn)生如下所示電路圖5>其波特圖如下所示電壓信號經(jīng)四階巴特沃茲帶通濾波器濾波后，再經(jīng)滯回比較器轉(zhuǎn)換為方波信號。滯回比較器設(shè)計(jì)如下圖，LM311是集電極開路輸出，可以將電平降為數(shù)字輸入電平，右側(cè)顯示輸出方波信號。將方波信號輸入到FPGA芯片引腳上，利用數(shù)字鎖相環(huán)，將頻率倍頻為10.24kHz，實(shí)現(xiàn)方框圖如下：頻

10、率值為采樣電壓的頻率，信號輸出即為模數(shù)轉(zhuǎn)換器觸發(fā)采樣的時(shí)鐘信號，只有當(dāng)此信號有效時(shí)，MCU采樣處理的模擬信號才有意義。額定50Hz時(shí)，采樣觸發(fā)時(shí)鐘為10.24kHz。a> RMS有效值測量有效值為10個(gè)工頻周期(2048個(gè)樣本)累計(jì)得出的結(jié)果。通過AD采樣得出的2048個(gè)連續(xù)樣本，進(jìn)行均方根計(jì)算。AD采樣的結(jié)果需要轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)電壓采樣值，這需要對采樣進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定的方法可以使用y=a*x+b，得出系數(shù)a和系數(shù)b。b> 諧波分析電壓諧波計(jì)算基于平均間隔 10 周 (200ms)，此間隔準(zhǔn)確含有2048個(gè)樣本值。根據(jù)這些樣本值計(jì)算得出1024個(gè)FFT結(jié)果(5Hz)。其表示意義如下第0個(gè)：

11、DC直流分量第1個(gè)：5Hz幅值第2個(gè)：10Hz幅值第3個(gè)：15Hz幅值第1023個(gè)：5115Hz幅值從其中即可選擇出基波幅值、2-50次諧波幅值，THD計(jì)算如下式根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，THD中不包括40次以上諧波。TMS320F28335進(jìn)行FFT計(jì)算的程序解釋：使用C28x Floating Point UnitLibrary將對應(yīng)的庫拷貝到工程目錄下，添加C SOURCE文件，下載附件 保存到相冊在主程序文件中，定義FFT計(jì)算的相應(yīng)變量typedef struct float32 *InBuf;float32 *OutBuf;float32 *CosSinBuf;float32 *MagBuf;

12、float32 *PhaseBuf;Uint16 FFTSize;Uint16 FFTStages; RFFT_F32_STRUCT;#define RFFT_SIZE 2048#define RFFT_STAGES 11 /2是11次方float32InBufferRFFT_SIZE;float32OutBufferRFFT_SIZE;float32TwiddleBufferRFFT_SIZE;float32MagBufferRFFT_SIZE/2;RFFT_F32_STRUCT rfft;在CMD文件中分配連續(xù)的地址空間給變量InBuffer、OutBuffer、TWIDDLEBUF、MA

13、GBUF：INBUF : > RAML4, PAGE = 1, ALIGN(4096)OUTBUF : > RAML5, PAGE = 1, ALIGN(4096)TWIDDLEBUF : > RAML6, PAGE = 1, ALIGN(4096)MAGBUF : > RAML7, PAGE = 1, ALIGN(4096)初始化程序設(shè)置：/ Clear input buffers:for(i=0; i < RFFT_SIZE; i+)InBuffer = 0.0f;rfft.FFTSize = RFFT_SIZE;rfft.FFTStages = RFFT_S

14、TAGES;rfft.InBuf = &InBuffer0; /Input bufferrfft.OutBuf = &OutBuffer0; /Output bufferrfft.CosSinBuf =&TwiddleBuffer0; /Twiddle factorbufferrfft.MagBuf = &MagBuffer0; /Magnitude bufferRFFT_f32_sincostable(&rfft); /Calculate twiddle factorfor (i=0; i < RFFT_SIZE; i+)OutBuffer= 0

15、; /Clean up output bufferfor (i=0; i < RFFT_SIZE/2; i+)MagBuffer= 0; /Clean up magnitude buffer當(dāng)樣本數(shù)達(dá)到2048點(diǎn)時(shí)，開始FFT分析：RFFT_f32(&rfft);RFFT_f32_mag(&rfft);結(jié)果保存在MagBuffer前1024個(gè)地址空間中，當(dāng)然至于這個(gè)結(jié)果值的意義已經(jīng)在本節(jié)開頭說明，你看到的這個(gè)幅值可能比較大，為什么呢，對于這個(gè)我記不太清楚了，好像是要除以RFFT_SIZE/2，才能真正成為幅值，對于這點(diǎn)我不太確定，等后期我會對這點(diǎn)再次確認(rèn)，并更新到這里。c

16、> F28335的DMA 通道設(shè)置因?yàn)锳D7606是一個(gè)慢速設(shè)備，F(xiàn)28335讀取AD7606芯片的采樣值，會消耗CPU處理時(shí)間，使用DMA通道，可以再F28335的CPU不干預(yù)下，完成讀取AD7606采樣結(jié)果值到F28335內(nèi)部0等待周期RAM中。讀取控制框圖如下：d> 電路板原理圖分析1>TMS320F28335主電路，XINTF總線連接AD7606、FPGA、SRAM、FLASH。保存到相冊F28335連接外部30MHz有源晶振：2路指示燈和2路開關(guān)選擇輸入到F28335，1路電源上電指示LED:F28335手動(dòng)復(fù)位按鈕：F28335BOOT模式選擇：模擬電源與數(shù)字電源

17、通過磁珠進(jìn)行連接：F.9V電源：3.3V電源：FGPA1.2V 電源：FPGA2.5V 電源：SRAM和FLASH連接：FPGA連接：AD7606連接圖：寫在最后：本人從事了多年基于C28的軟件編程工作，從最開始的F2812到現(xiàn)在一直在用的F28335，很多情況下都是只完成項(xiàng)目的一部分功能，沒能完完整整得做一個(gè)項(xiàng)目;并且在工作過程中，也有過一些另類的想法，涉及到職能劃分的情況，不便把這些想法應(yīng)用在設(shè)計(jì)上，所以也就無法驗(yàn)證正確與否。一直以來心中總有一個(gè)想法，做一塊板子，能把我做過的零散的東西，串成一個(gè)整體，也想把這個(gè)項(xiàng)目開源化，幫助更多的初學(xué)者們學(xué)習(xí)一些案例，積累一些經(jīng)驗(yàn);當(dāng)然也希望感興趣的朋友能夠參與到這個(gè)項(xiàng)目中，共同去完成一些設(shè)計(jì);更希望大家能給與支持和幫助，對于上面的設(shè)計(jì)不足之處，給與指正，特別是咱網(wǎng)站和deyisupport的同仁們。上