基于malab的ip-q諧波檢測方法

基于malab的ip-q諧波檢測方法

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，集成了大量新高效能源設備被廣泛應用。然而，隨著對電網(wǎng)波形干擾的日益嚴重。源濾波是控制電網(wǎng)波形污染的有效手段之一。它是當前能源電子技術(shù)研究的熱點之一。它是波形檢測的高速、實時、簡單、精確的方法。自hagal提出了具有臨時性無功率理論以來，基于臨時性無功率理論的波形檢測方法已在源矩陣中廣泛傳播。之前的實現(xiàn)方法是用模擬設備進行的。要實現(xiàn)模擬裝置，需要許多模擬乘法器、增強法器和鎖定相位環(huán)電路。因此，計算錯誤較大，且檢測元件容易受到溫度和設備參數(shù)的影響，因此很難調(diào)試和實施。源矩陣的pm控制需要大量的邏輯電路，這使得整個系統(tǒng)既可以滿足源矩陣波形檢測的真實要求，簡化整個系統(tǒng)，降低成本，提高可靠性。實時、準確的諧波檢測方法是實現(xiàn)有源濾波器的基礎.在各種諧波檢測方法中,基于瞬時無功功率理論的ip-iq諧波電流檢測方法具有實現(xiàn)簡單,不受電網(wǎng)電壓畸變和不平衡影響的優(yōu)點,因而得到了廣泛的應用.本文闡述了利,用TMS320F240DSP來實現(xiàn)ip-iq諧波電流檢測方法.并將計算結(jié)果和MATLAB仿真結(jié)果進行了對照.分析和實驗結(jié)果表明這種計算方法可以滿足諧波檢測的實時性、準確性需要.1電流諧波分量的計算以三相電路瞬時無功功率理論為基礎,計算P(有功功率)、Q(無功功率)或ip(有功電流),iq(無功電流)為出發(fā)點即可以得出三相電路諧波和無功電流檢測的兩種方法,分別稱為p、q運算方式和ip、iq方式.使用p、q運算方式需要同時采樣兩路電壓和兩路電流信號,且這種方式受電壓畸變和三相電壓不平衡的影響,檢測的誤差比較大.ip,iq方式采用參考正弦信號來代替p、q運算方式中的電壓信號,這樣,在三相系統(tǒng)中,運用ip、iq算方式只需同步采樣兩相電流信號即可計算出三相的諧波電流.在TMS320F240DSP芯片上,具有兩路同時采樣的ADC模塊,利用ip、iq運算方式可以保證兩路電流采樣同步進行,避免p、q運算方式中需要的多次采樣帶來的采樣延時誤差.同時,ip、iq運算方式采用的是內(nèi)部的參考正弦,使得電流諧波的檢測不受電壓波形畸變和不平衡的影響,檢測的結(jié)果更準確.內(nèi)部參考正弦可以通過查表的方法年設三相瞬時電源電流分別為ia、ib、ic,根據(jù)文獻可得瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq為當ia、ib、ic不對稱或含有諧波時,瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq中的直流分量ip和iq分別與三相電流的基波正序分量相對應,而它們中的交流分量分別與三相電流的諧波分量相對應.用低通濾波器就能很容易地獲得ip和iq中的直流分量和.通過下面的變換,便得到ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf為于是,電源電流的諧波分量為ip、iq運算方式實現(xiàn)過程如圖1所示.2基于tms320的ip、icp算法的實現(xiàn)在使用IGBT作為功率控制元件的主電路中,開關頻率一般選為10k～20kHz,如果選擇20kHz的開關頻率,對于用于有源濾波的諧波檢測程序只要能在一個開關周期50μs內(nèi)完成有關運算就基本上可以滿足有源濾波器的實時控制的需要.當將DSP的CPU工作頻率選為20MHz時,可以在一個PWM周期內(nèi)進行1000次的運算.如果程序編制恰當,可以滿足實時性的需要.基于這樣的考慮,使用T1定時器的定時中斷來控制整個程序運行.將T1定時器的中斷頻率設為20kHz,整個諧波檢測的過程在50μs的時間片斷內(nèi)完成.把ADC模塊配置成連續(xù)的運行的模式,在中斷服務程序中的開始,從ADCFIFO寄存器讀取ADC的結(jié)果.因為T1定時器的中斷頻率固定為20kHz,所以這種方式可以保證采樣基本上是等間隔.利用TMS320F240來實現(xiàn)ip、iq算法,涉及的主要的軟件功能模塊有:PLL模塊的設置、WatchDOG的設置、事件管理模塊的設置、中斷服務程序.中斷服務程序包含:從三相到兩相矩陣變換,FIR濾波程序,從兩相到三相反變換.圖2是程序?qū)崿F(xiàn)的具體框圖.其中,參考正弦的產(chǎn)生和濾波程序是整個程序編制的關鍵.參考正弦一般有兩種方法:計算的方法和查表的方法.利用查表的方法來實現(xiàn)具有更好的實時性.sin表數(shù)據(jù)的生成使用MATLAB命令就可以得到,乘以215轉(zhuǎn)換成定點計算所需的Q15的數(shù)據(jù)格式.通過查表的方法,就可以準確得到參考正弦的值.cos的值只要在sin表當前地址指針的基礎上加上對應于π/2的地址偏移就得到了.低通濾波器選擇了FIR濾波器.因為FIR濾波器有以下主要的優(yōu)點:線性相位;總是穩(wěn)定的(沒有反饋);設計方便;容易通過硬件來實現(xiàn).一個125次的FIR濾波器其計算式為(x為實數(shù)):Y為濾波器的輸出值,系數(shù)b通過MATLAB的函數(shù)Fir2來生成.具體的實現(xiàn)過程可以參考文獻.累加運算使用DSP芯片獨有的MACD指令.MACD指令是專門為數(shù)字信號處理中大量使用的乘加運算而設計的,這也是DSP指令特有的.與MAC指令類似,在對于片內(nèi)RAM空間進行操作,且使用的是間接尋址時,MACD首先累加先前的乘積,然后把指定的數(shù)據(jù)存儲空間的值和程序存儲空間的值相乘,乘積的結(jié)果放在PREG中,并按PM的值指定的操作將乘積結(jié)果進行移位,同時把指定數(shù)據(jù)存儲單元的內(nèi)容拷貝到該數(shù)據(jù)存儲單元地址加1的單元中.這樣就使得最舊的數(shù)據(jù)被拋棄,最新的值補充到數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的低端,使數(shù)據(jù)依次通過數(shù)據(jù)緩沖區(qū).如果和RPT指令一起使用,則MACD指令就變?yōu)榱藛沃芷谥噶?一個125次的FIR濾波只要127個指令周期就可以完成.這樣,在諧波檢測程序中,使用一個125次的FIR低通濾波器也只要不到7μs的時間,從而可以看出,這種選擇是可以滿足有源濾波器實時性的需要.FIR濾波的具體程序如下:3matlab仿真在本實驗中,采用了MATLAB仿真和codecomposer集成開發(fā)環(huán)境交互結(jié)合進行,一般來說,MATLAB仿真比DSP的計算具有更高的精度.首先在MATLAB軟件上仿真得到ia、ib數(shù)據(jù),并轉(zhuǎn)化成codecomposer的數(shù)據(jù)格式,然后利用codecomposerFileI/O功能將ia、ib與ADCFIFO1和ADCFIFO2連結(jié)起來.這樣把MATLAB仿真的數(shù)據(jù)輸入到DSP的采樣處,就可以通過MATLAB仿真和DSP的實際運算相對比,來觀察程序的運行結(jié)果.一旦計算出現(xiàn)偏差,可以通過對比的方法,快速定位出錯的地方,這樣可以加快調(diào)試的進度.圖4是MATLAB對三相輸入、橋式整流、電容濾波的一般逆變電路的輸入級仿真的框圖.輸入為線電壓380V的交流電壓源,濾波電容為1000uF,等效電阻50Ω.低通濾波器選擇三階的Butterworth濾波器,截止頻率為60Hz.在計算中,輸入電流都進行了歸一化處理.圖5是利用MATLAB仿真的一個周波內(nèi)輸入電流ia和檢測到的諧波電流iah.圖6是通過DSP計算,并通過IECTEK5100PP仿真器在codecomposer利用Graph功能觀測到的一個周波內(nèi)輸入電流ia和檢測到的諧波電流iah.從圖中可以看出,DSP計算的結(jié)果和MATLAB仿真的結(jié)果是一致的.可見,這種檢測方法可以較好