基于TMS320F28335的电能质量分析设计交流电压部分(共18页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于TMS320F28335的电能质量分析设计交流电压部分在科技飞速发展的今天，各种各样的用电设备相继产生，当有些电气设备投入到电网时，会对电网电压产生干扰，影响电网的电能质量，尤其是大型电力电子设备投入使用后，对电网的影响更大。在这种环境下，产生了各种电能质量分析设备，对电网某个结点进行监测，实时记录电网波动，利用大量数据对电网进行评估。电能质量分析设备一般都很贵，很难在学习的过程中使用到，尤其是对个人的学习。本文将介绍如何进行电能质量检测，怎样做一个简单的电能质量分析仪。通过这个题目，相应我们会学习到TI公司生产的MCU控制器TMS320F28335，这也是电力电

2、子行业应用很多的控制器芯片。电能质量分析包括很多方面，例如：电压(幅值、相位、频率)、电流(幅值、相位、频率)、功率、功率因数、三相电压不平衡度、电压闪变、谐波含量等，很多国际标准对这些也有明确的定义，这里不再详述，本文主要介绍电压有效值、频率、谐波含量进行分析。1 芯片简介：TMS320F28335芯片简介l 高性能静态CMOS技术高达150MHZ(6.67ns的周期时间);l 高性能32位CPUIEEE-754单精度浮点单元哈佛流水线结构快速中断响应处理统一的内存管理模式使用C/C+ 和汇编语言l 6通道的DMA控制器(用于ADC、McBsp、ePWM、XINTF和SARAM)l 16位或

3、32位外部接口XINTFl 片上存储器256K*16 Flash ，34K*16 SARAM，1 Kx16 OTPROM8K*16 Boot ROM(支持软件引导模式SCI、SPI、CAN、I2C、McBSP、XINTF和并行IO)l 时钟和系统控制支持动态锁相环PLL; 片载振荡器; 安全装置定时模块l GPIO0GPIO63引脚可以连接到八个外部内核中断其中的一个l 支持58个外设中断的PIE模块(外设中断扩展)l 增强型的外设模块：18个PWM输出，包含6个高分辨率脉宽调制模块(HRPWM)、6个事件捕获输入，2通道的正交调制模块(QEP);l 3个32位定时器l 串行端口外设2个局域网

4、控制器CAN模块3个SCI模块(SCIA、SCIB、SCIC)2个McBSP模块(可配置为SPI)1个SPI1个I2Cl 12位，16通道模数转换ADC80ns转化率;2*8通道复用输入器;两个采样保持;同时支持多通道转换EP4CE10E22C8N芯片简介低成本、低功耗的 FPGA架构：l 10,320逻辑单元l 414 Kb的嵌入式存储器l 23个 18 18 乘法器，实现DSP处理密集型应用l 2个通用PLLl 10个全局时钟网络l 91个I/Ol 21个LVDSAD7606芯片简介l 8路同步采样输入l 真双极性模拟输入范围：10 V、5 Vl 5V模拟单电源，2.3V至+5V VDRI

5、VEl 1M模拟输入阻抗l 模拟输入箝位保护l 二阶抗混叠模拟滤波器l 高吞吐速率：200 kSPS(所有8个通道)l 灵活的并行/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 待机功耗：25 mWl 64引脚LQFP 封装2 设计概要a 电压采样电路设计交流电压采样是把额定有效值电压220V 50Hz信号转换为运算放大电路、模数转换器可接受的电压水平。传统转换方式是通过电压互感器，把高电压转换为低电压，高压侧与低压侧电气隔离，二次侧不需要外部电源功能，但是电压互感器的响应速度较慢，不能测量直流分量，在

6、要求响应速度较快的系统中，受到了限制。新型的电流型霍尔元件，不仅响应速度快，也能测量直流分量，通过限流电阻，将高电压转换成低电流，然后经过电流型霍尔元件隔离输出电流，再经取样电阻转换成电压，电压转换精度受霍尔元件线性度影响，高精度霍尔一般成本较高。在交流电压转换方式中还有一种，通过差分放大电路，将高电压信号转换成低电压信号，此类转换方式相对控制灵活，可通过选择运放和周边器件控制信号转换的响应速度，成本也相对较低，但是，给运算放大器供电电源与测量交流电压应该隔离，当测量多个信号时，应考虑信号间干扰。本项目综合考虑到成本、性能、精度问题，采用差分放大电路进行电压转换，转换电压要求：输入电压：400

7、V (幅值)输出电压：6V (幅值)变比：400:6为了尽可能增大差分放大电路的输入阻抗，设计两级放大电路，先通过差分放大电路，将信号缩小到2V左右，再经后级的反向放大电路放大3倍。电路图如下所示：在运放同向输入与反向输入间加入反并联的电压钳位二极管，保护输入端，在正输入极与地之间连接一个背靠背的5V稳压二极管，钳位共模输入电压，第二级运放输出即可连接模数转换器输入。a 频率精确测量在进行FFT分析、有效值计算过程中，要明确知道信号的频率，才能准确测量出电网电压的谐波含量、有效值等参数。测量频率方法很多，本节主要讲解过零点检测、软件锁相环实现频率测量的方式。单相软件锁相环技术，可以通过模数转换

8、，在软件中实现过零点计算，并把检测过零点与软件内相位进行对比，产生误差信号，利用误差信号调节采样周期，从而让软件内相位与实际过零点存在稳定的误差值，而达到软件锁相的目的。当过零点落在两个采样点之间时，检测过零点会有偏差，尽管可以通过线性计算的方法，进一步缩小误差，但信号谐波含量较大时，同样会引起检测偏差，导致频率计算偏差较大。本项目采用硬件方法实现过零点检测和软件锁相，解决了上述所产生的问题，并且频率检测精度很高，具体实现方法如下：利用TI公司网站的WEBENCH Designer设计4阶带通滤波器，带通滤波器的设计过程如下：1打开WEBENCH设计中心，在右侧选择Filters-Bandpa

9、ss，点击“开始设计”，开始加载设计器，等待设计器加载完成。更改中心频率为50Hz，通带宽度为10Hz，其它可选默认，点击“Start Filter Design”。4产生如下所示电路图5其波特图如下所示电压信号经四阶巴特沃兹带通滤波器滤波后，再经滞回比较器转换为方波信号。滞回比较器设计如下图，LM311是集电极开路输出，可以将电平降为数字输入电平，右侧显示输出方波信号。将方波信号输入到FPGA芯片引脚上，利用数字锁相环，将频率倍频为10.24kHz，实现方框图如下：频率值为采样电压的频率，信号输出即为模数转换器触发采样的时钟信号，只有当此信号有效时，MCU采样处理的模拟信号才有意义。额定50

10、Hz时，采样触发时钟为10.24kHz。a RMS有效值测量有效值为10个工频周期(2048个样本)累计得出的结果。通过AD采样得出的2048个连续样本，进行均方根计算。AD采样的结果需要转换为电网电压采样值，这需要对采样进行标定，标定的方法可以使用y=a*x+b，得出系数a和系数b。b 谐波分析电压谐波计算基于平均间隔 10 周 (200ms)，此间隔准确含有2048个样本值。根据这些样本值计算得出1024个FFT结果(5Hz)。其表示意义如下第0个：DC直流分量第1个：5Hz幅值第2个：10Hz幅值第3个：15Hz幅值第1023个：5115Hz幅值从其中即可选择出基波幅值、2-50次谐波幅

11、值，THD计算如下式根据IEC标准，THD中不包括40次以上谐波。TMS320F28335进行FFT计算的程序解释：使用C28x Floating Point UnitLibrary将对应的库拷贝到工程目录下，添加C SOURCE文件，下载附件 保存到相册在主程序文件中，定义FFT计算的相应变量typedef struct float32 *InBuf;float32 *OutBuf;float32 *CosSinBuf;float32 *MagBuf;float32 *PhaseBuf;Uint16 FFTSize;Uint16 FFTStages; RFFT_F32_STRUCT;#def

12、ine 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文件中分配连续的地址空间给变量InBuffer、OutBuffer、TWIDDLEBUF、MAGBUF：INBUF : RAML4, PAGE = 1, ALIGN(4096)OUTBUF : RAML5, PAGE = 1, ALIG

13、N(4096)TWIDDLEBUF : RAML6, PAGE = 1, ALIGN(4096)MAGBUF : RAML7, PAGE = 1, ALIGN(4096)初始化程序设置：/ Clear input buffers:for(i=0; i RFFT_SIZE; i+)InBuffer = 0.0f;rfft.FFTSize = RFFT_SIZE;rfft.FFTStages = RFFT_STAGES;rfft.InBuf = &InBuffer0; /Input bufferrfft.OutBuf = &OutBuffer0; /Output bufferrfft.CosSin

14、Buf =&TwiddleBuffer0; /Twiddle factorbufferrfft.MagBuf = &MagBuffer0; /Magnitude bufferRFFT_f32_sincostable(&rfft); /Calculate twiddle factorfor (i=0; i RFFT_SIZE; i+)OutBuffer= 0; /Clean up output bufferfor (i=0; i F28335的DMA 通道设置因为AD7606是一个慢速设备，F28335读取AD7606芯片的采样值，会消耗CPU处理时间，使用DMA通道，可以再F28335的CPU

15、不干预下，完成读取AD7606采样结果值到F28335内部0等待周期RAM中。读取控制框图如下：d 电路板原理图分析1TMS320F28335主电路，XINTF总线连接AD7606、FPGA、SRAM、FLASH。保存到相册F28335连接外部30MHz有源晶振：2路指示灯和2路开关选择输入到F28335，1路电源上电指示LED:F28335手动复位按钮：F28335BOOT模式选择：模拟电源与数字电源通过磁珠进行连接：F.9V电源：3.3V电源：FGPA1.2V 电源：FPGA2.5V 电源：SRAM和FLASH连接：FPGA连接：AD7606连接图：写在最后：本人从事了多年基于C28的软件

16、编程工作，从最开始的F2812到现在一直在用的F28335，很多情况下都是只完成项目的一部分功能，没能完完整整得做一个项目;并且在工作过程中，也有过一些另类的想法，涉及到职能划分的情况，不便把这些想法应用在设计上，所以也就无法验证正确与否。一直以来心中总有一个想法，做一块板子，能把我做过的零散的东西，串成一个整体，也想把这个项目开源化，帮助更多的初学者们学习一些案例，积累一些经验;当然也希望感兴趣的朋友能够参与到这个项目中，共同去完成一些设计;更希望大家能给与支持和帮助，对于上面的设计不足之处，给与指正，特别是咱网站和deyisupport的同仁们。上文中的设计只是一个参考，只是部分验证过功能，还没有实际整体完成，当然我也在努力进行中，PCB板正在画图中，涉及到成本问题，不想出一些致命错误，所以进展有点慢。上面的设计只是电能质量分析-电压部分，当完成硬件设计后，我会继续更新电流部分、功率分析、不平衡度等。除了这些功能之外，还会利用这块板子完成波形采集功能，将波形通过USB或是网络传输到PC客户端，进行波形显示，也就是一台慢速的示波器哦。采集功能完成之后，利用F28335强大的EPWM模块，制作几个小型逆变电源还是可以的。这些想法在我脑子中早已有了方案，实现只是时间问题。专心-专注-专业