摘 要:電力系統(tǒng)中經(jīng)常需要測量多路電壓及電流信號,當電網(wǎng)頻率變化時,必須采用同步技術(shù)才能保證采樣計算的精度。結(jié)合發(fā)電機勵磁控制裝置采樣模塊的實現(xiàn),介紹了利用新型DSP芯片TMS320F2812實現(xiàn)多通道同步交流采樣的硬件電路及軟件程序,通過試驗進一步驗證了新型DSP在電力系統(tǒng)自動化控制中的適用性和優(yōu)越性。所提出的方案對交流電參量微機測量裝置的軟、硬件設(shè)計具有一定的參考價值。
隨著我國電力事業(yè)的快速發(fā)展,電力系統(tǒng)對發(fā)、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(tǒng)實時控制、監(jiān)測、調(diào)度自動化的前提環(huán)節(jié),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(tǒng)中的各個模擬量一直是電力系統(tǒng)研究中的熱點[1]。
根據(jù)采樣信號的不同,采樣可分為直流采樣和交流采樣兩大類。直流采樣算法簡單、便于濾波,但維護復(fù)雜、延時較長、無法實現(xiàn)實時信號采集,因而在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越受到限制。交流采樣實時性好、相位失真小、投資少、便于維護,其缺點是算法復(fù)雜、對A/D轉(zhuǎn)換速度和CPU處理速度的要求較高[2]。隨著微機技術(shù)的發(fā)展,交流采樣有逐步取代直流采樣的趨勢。近年來,各種集成化單片DSP的性能得到很大的改善,價格大幅度下滑,越來越多的單片機用戶開始選用DSP器件來提高產(chǎn)品性能。本文以TI公司新推出的2000系列DSP (TMS320F2812)為例探討DSP在電力系統(tǒng)交流采樣中的應(yīng)用。
1 總體設(shè)計
勵磁裝置的電量采集除發(fā)電機定子機端電壓、電流外,勵磁電壓、勵磁電流及母線電壓也需一并考慮在一起,共九路模擬量。為了提高可靠性,還需加上第二組儀表PT時,則要采集的模擬通道數(shù)將增加為12路。因此需要從采樣精度、速度及經(jīng)濟成本等多個方面權(quán)衡,選擇合適的采樣方式和采樣頻率,并注意強弱電的隔離和電磁干擾,從而確定最終的軟、硬件設(shè)計和元器件選擇。參考文獻[4]中詳細地分析了影響軟件同步采樣精度和硬件同步采樣精度的因素及改進措施。本系統(tǒng)采樣模塊利用硬件同步采樣方式,并通過硬件鎖相環(huán)同步環(huán)節(jié)直接控制采樣保持電路來獲得更高的同步精度。為了使采樣信號f *(t)能反映被采樣的模擬信號f(t), 采樣頻率必須滿足采樣定理,即采樣頻率fs必須大于模擬量所含最高次有效諧波頻率fmax的兩倍。實際采樣時一般使fs≥10fmax, 以保證采樣信號能夠準確地代表被采樣的模擬信號。采樣頻率過高時,會增加處理器的負擔(dān),影響實時性。本系統(tǒng)設(shè)計時初步定為40點,即采樣頻率為2kHz左右。

圖1 交流采樣模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖(點擊查看大圖)
2 采樣系統(tǒng)的硬件設(shè)計
交流采樣模塊的硬件結(jié)構(gòu)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(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路等。
隔離變換電路中利用帶有磁補償?shù)幕魻?a href="http://m.xsypw.cn/v/tag/117/" target="_blank">傳感器將相關(guān)PT、CT送來的電壓、電流信號轉(zhuǎn)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
在模/數(shù)轉(zhuǎn)換中,如果A/D轉(zhuǎn)換器損壞,檢測和控制的功能就不能實現(xiàn)。出于安全考慮,在A/D轉(zhuǎn)換器前采用限幅電路,以保障系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器安全。傳統(tǒng)的限幅器如齊納二極管限幅器、穩(wěn)壓管反向限幅器、橋式限幅器等,都是利用二極管的擊穿特性限幅。在擊穿區(qū)由于二極管內(nèi)阻并不為零,并有漏電流存在,所以穩(wěn)壓值并非恒定而且不易調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)所設(shè)計的限幅電路如圖2所示,設(shè)定UR=±2.5V,由TL431提供高精度的基準電平。

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(yīng)能力,同步跟蹤機端電量的頻率變化。 如圖3 所示,所設(shè)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?yōu)?~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(xiàn)的抖動現(xiàn)象。高速光耦6N137把模擬部分和數(shù)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(huán)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(huán)的相位負反饋作用,當鎖相環(huán)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(jīng)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(xù)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)和V/F限制的需要。U2_4輸出的同步倍頻信號經(jīng)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(fā)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(yīng)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(shù),僅需改變CD4017引腳復(fù)位的連線即可。

圖3 同步方波變換及鎖相環(huán)倍頻電路(點擊查看大圖)
2.3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路
TMS320F2812芯片上有一個12位、轉(zhuǎn)換頻率為25MHz的A/D轉(zhuǎn)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(gòu)成同步順序采樣電路,或者增加外部采樣保持器后構(gòu)成同步采樣??紤]到發(fā)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(tǒng)采樣模塊中選用了外置的六通道16位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8364。其內(nèi)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(fā)動機控制及能量轉(zhuǎn)換等高干擾環(huán)境中。圖4所示為模/數(shù)轉(zhuǎn)換及控制電路,ADS8364的每通道的差分輸入V+IN都需經(jīng)比例運算放大器和電平自舉電路將雙極性交流信號轉(zhuǎn)換為0~5V的信號。A/D轉(zhuǎn)換器的最大時鐘頻率為5MHz,由TMS320F2812的PWM1口提供,ADD和BYTE位設(shè)為低電平,IOPF0控制ADS8364的復(fù)位啟動,三對(六通道)采樣保持觸發(fā)信號來源于同步倍頻的輸出信號HOLD,每對通道轉(zhuǎn)換完畢后由EOC向XINT1發(fā)出外部中斷請求,TMS320F2812響應(yīng)中斷請求后,通過地址線選通對應(yīng)通道,將轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)線讀入。

圖4 模/數(shù)轉(zhuǎn)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(tǒng)的軟件設(shè)計
本采樣系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,涉及的算法也較多,為了便于調(diào)試和維護,軟件設(shè)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(wù)子程序、頻率捕獲中斷服務(wù)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(tǒng)上電復(fù)位后,首先按照所選定的模式(調(diào)試時為Jump to H0 SRAM模式,實際應(yīng)用時為Jump to Flash模式)自舉加載程序,跳轉(zhuǎn)到主程序入口;然后進行相關(guān)變量、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、控制寄存器、狀態(tài)寄存器的初始化;調(diào)用事件管理器EV初始化程序,設(shè)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(shù)、周期,并啟動T1、T2;初始化外設(shè)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(fù)位并初始化外部的ADS8364,等待外部中斷,在中斷服務(wù)子程序中將A/D轉(zhuǎn)換后所得數(shù)據(jù)讀入所分配的數(shù)據(jù)緩沖區(qū),待周波采樣完畢后,根據(jù)原通道采樣物理量(交流、直流)調(diào)用不同的數(shù)字濾波程序,對數(shù)據(jù)處理后,調(diào)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(shù)、平均值。采樣中斷子程序和頻率捕獲中斷服務(wù)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(shè)計中充分利用TI 公司提供的IQmath Library 以實現(xiàn)浮點運算與定點程序代碼的無縫接口,簡化了程序的開發(fā),并大大提高了程序運行的實時性[6]。

(a) A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)子程序流程圖

(b) 頻率捕獲中斷服務(wù)子程序流程圖
圖6 本文所設(shè)計的同步采樣模塊已經(jīng)通過各種功能測試,達到了預(yù)期的目標。該方案的硬件設(shè)計和軟件編程對提高能源、冶金等行業(yè)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(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計也有一定的參考價值。
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TMS320F2812的SCIB模塊不能正常工作了,可能有哪些原因?模塊本身沒有問題
2018-08-20 07:05:19
各路大神,小菜求助,剛上手TMS320F2812,有幾個問題實在是糾結(jié),看了一遍技術(shù)手冊仍然解決不了問題。 第一個如圖TMS320F2812這幾個型號是不是只有封裝的區(qū)別呢第二個問題,TMS320F2812有官方的最小系統(tǒng)電路圖嗎?如果有的話哪里可以查到呢~
2018-10-19 14:46:14
請問TMS320F28332與TMS320F2812主要區(qū)別在哪?前者比后者優(yōu)勝的地方是什么?
2018-11-29 15:22:52
本帖最后由 一只耳朵怪 于 2018-6-14 11:40 編輯
我們設(shè)計的TMS320F2812系統(tǒng),是用TPS3823作為看門狗的,但是現(xiàn)在不能燒錄程序,需要將TPS3823焊下來以后再燒錄,請問這是為什么,我們該如何解決?謝謝!
2018-06-14 01:54:31
1請問高手 TMS320F2812是什么時候上市的 會不會停產(chǎn),是不是一款老掉牙的芯片呢?百度搜索到,它停產(chǎn)了的消息,是真的嗎??2我想入門TMS320F2812,就怕到時候停產(chǎn)了,買不到~!3.
2013-12-04 19:04:25
,百度百科上關(guān)于鎖相環(huán)的解釋是用在通信領(lǐng)域,而我們是用在電力系統(tǒng)中,電力系統(tǒng)中對鎖相環(huán)的要求是指,鎖相環(huán)必須通過采樣得到的電壓值確定相角。下面一段話描述鎖相環(huán)在電力系統(tǒng)中的用處:在如三相電壓型PWM
2015-01-04 22:57:15
The TMS320F2810, TMS320F2811, TMS320F2812, TMS320C2810, TMS320C2811, and TMS320C2812 devices
2008-10-19 16:35:20
1242 TMS320F2812本書介紹了TMS320F2812芯片的基本特點,硬件結(jié)構(gòu),內(nèi)部功能模塊的基本原理等內(nèi)容,并在結(jié)合應(yīng)用實例的基礎(chǔ)上詳細闡述了各功能模塊的應(yīng)用。
2009-01-06 12:17:58
9 本文主要介紹應(yīng)用TI公司高性能DSP芯片一一TMS320F2812實現(xiàn)高速全數(shù)字交流永磁同步電機的控制。文中介紹了永磁同步電機矢量控制原理、TMS320F2812的特點、控制系統(tǒng)的硬件組成以及系
2009-05-09 10:58:35
67 采用DSP TMS320F2812的永磁同步電機直接轉(zhuǎn)矩控制
摘要:文章根據(jù)永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型和直接轉(zhuǎn)矩控制的基本原理,設(shè)計了一種基于TMS320F2812的全數(shù)字化直接轉(zhuǎn)矩
2010-02-26 09:34:28
49 提出了基于TMS320F2812的磁控電抗器的新型動態(tài)無功補償方案。介紹了TMS320F2812的特點和磁控電抗器的原理,給出了基于TMS320F2812的磁控電抗器的軟、硬件設(shè)計。
2010-07-26 17:51:22
29 本文詳細討論了基于TI公司的高性能32位定點DSP芯片TMS320F2812的電力有源濾波器系統(tǒng)(APF),該系統(tǒng)包括信息采集,液晶鍵盤,F(xiàn)FT變換,PWM輸出等模塊,主要實現(xiàn)電網(wǎng)電能質(zhì)量的智能監(jiān)控
2010-08-05 11:55:18
48 本文介紹了32位定點數(shù)字信號處理器芯片TMS320F2812的主要特點,以及TMS320F2812的相關(guān)外部芯片擴展情況,并著重探討了CPLD在TMS320F2812硬件開發(fā)中的應(yīng)用,設(shè)計了一種CPLD+DSP的硬件平臺,
2010-08-06 14:54:37
36 ADS8364與TMS320F2812的接口設(shè)計
ADS8364是美國德州儀器公司(TI)的一款六通道、16位并行輸出、同步采樣的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該芯片提供了一個靈活的高速并行
2009-05-20 16:27:18
3003 
TMS320F2812程序的遠程升級方法
TMS320F2812(簡稱F2812)是TI公司推出的C2000系列性能最高的一款芯片,也是目前DSP領(lǐng)域最先進、功能最強大的32位定點DSP芯片。它既具有數(shù)字信
2009-11-20 09:47:45
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基于雙DSP的電力系統(tǒng)諧波分析儀的設(shè)計
本文介紹了一種基于雙TMS320F 28335的電力系統(tǒng)諧波分析儀的設(shè)計方案,該分析儀可同時實現(xiàn)多通道信號(電壓和電流)的同步采樣,并
2009-12-05 17:54:45
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基于雙DSP的電力系統(tǒng)諧波分析儀的設(shè)計
本文介紹了一種基于雙TMS320F 28335的電力系統(tǒng)諧波分析儀的設(shè)計方案,該分析儀可同時實現(xiàn)多通道信號(電壓和電流)的同步采樣,并
2009-12-09 10:07:10
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利用TMS320F2812變頻電源的交流采樣系統(tǒng)設(shè)計方案
概述:本文介紹利用HCNR200及TMS320F2812內(nèi)置ADC采集交流電壓和負載電流信號的系統(tǒng)設(shè)計。HCNR200是一款
2010-03-22 14:36:44
1925 
基于TMS320F2812的SPI接口設(shè)計方案
摘要:為了使控制系統(tǒng)的參數(shù)能夠在掉電之前保存下來,提出一種SPI模塊與25LC040芯片的接口設(shè)計方法,介紹了DSP芯片TMS320F2812 SPI模塊的特點
2010-04-23 14:51:59
2480 
摘要:本論文設(shè)計的電力系統(tǒng)交流采樣裝置以TI公司TMS320C5402數(shù)字信號處理器DSP為核心,同時配合快速傅立葉級數(shù)FFT算法,快速地提供電壓、電流、有功功率、無功功率、頻率等電能質(zhì)量的參數(shù),最后對采樣電平進行LED顯示。 關(guān)鍵詞:交流采樣;TMS320C5402;FFT
2011-03-01 23:57:44
91 TMS320F2812原理圖:
2012-02-17 16:45:09
612 基于AD73360和TMS320F2812的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計
2015-11-02 11:21:52
43 基于TMS320F2812逆變控制系統(tǒng)設(shè)計,DC-AC,該系統(tǒng)包括軟件部分和硬件部分設(shè)計,代碼和原理圖已經(jīng)制作好。
2016-01-14 15:45:57
9 tms320f2812數(shù)據(jù)手冊,有需要的下來看看。
2016-01-15 17:24:09
12 基于TMS320F2812的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。
2016-01-15 17:36:45
32 TMS320F2812寄存器詳細定義,參考下。
2016-01-15 17:36:27
15 S_Function在TMS320F2812的SVPWM算法仿真
2016-04-13 15:42:35
45 SVPWM在TMS320F2812上的實現(xiàn)
2016-04-13 15:42:35
14 基于TMS320F2812的SVPWM變頻調(diào)速系統(tǒng)
2016-04-13 15:42:35
19 基于TMS320F2812的SVPWM控制。
2016-04-18 10:46:53
26 一種基于TMS320F2812的交流電機控制方案的實現(xiàn)
2016-03-30 14:40:32
14 TMS320F2812簡介,有需要的下來看看
2016-05-06 15:32:57
0 一種基于TMS320F2812的五相步進電機細分驅(qū)動方案
2016-05-06 15:32:57
16 TMS320F2812原理與開發(fā)-2005-4-電子工業(yè)出版社-蘇奎峰
2016-05-06 15:13:28
0 TMS320F2812實例代碼,有需要的下來看看
2016-05-24 10:03:05
68 TMS320F2812頭文件詳解,下來看看
2016-12-17 21:16:26
28 TMS320F2812的永磁同步電機程序(完整版DSP程序)
2017-02-15 18:23:56
0 TMS320F2812,DSP技術(shù)手冊。
2017-03-04 17:49:15
28 基于TMS320F2812變頻電源的交流采樣系統(tǒng)設(shè)計_王榮海
2017-03-19 11:46:35
5 TMS320F2812詳細資料(全),本資料全面,可供DSP開發(fā)者共享
2017-03-19 18:59:01
34 本文提出了一種基于TMS320F2812 的三相交流采樣技術(shù),利用TMS320F2812 強大的數(shù)據(jù)處理能力和多通道模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7656 的高速度、高精度等特性,開發(fā)了交流采樣系統(tǒng)的軟硬件,并利用12 點傅氏算法對三相電壓、電流進行了采樣,并且取得了良好的測量精度。
2017-09-21 11:19:31
13 TMS320F2812內(nèi)部集成了ADC轉(zhuǎn)換模塊。
2018-04-04 11:08:08
12 TMS320F2812寄存器定義完整系列。
2018-04-13 09:55:26
12 本文提出了對電力系統(tǒng)參數(shù)進行交流采樣的設(shè)計思想,結(jié)合實例介紹以TMS320C240DSP與高速14位A/D轉(zhuǎn)換器AD7863構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),給出了采樣算法、硬件電路及軟件流程等。
2019-03-22 14:46:34
12 基于TMS320F2812 的逆變電源控制器的設(shè)計(ups電源技術(shù)支持工程師招聘)-基于TMS320F2812 的逆變電源控制器的設(shè)計
2021-09-27 10:09:45
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