基于DSP芯片TMS320F240的电压无功控制器的设计

2011-04-21 09:58:44来源: 互联网

电压无功控制器通常由单片机系统构成,它集数据采集、数据处理、控制判断和控制输出于一身。这就使得单片机负担比较重,而且限于单片机自身的处理能力,无法实现复杂的数据处理和控制策略。将DSP芯片应用到电压无功控制器,可以有效地提高其性能。

TMS320F24X 系列是美国TI公司推出的高性能16位定点DSP,专门为电机控制和其它控制系统而设计TMS320F240是其中典型的一种,片内的外设和强大的处理 能力使它很适合用于电压无功控制器。本文着重介绍其于TMS320F240的电压我功控制器的设计及其编程。

1 基于TMS320F240的电压无功控制器的设计

1.1 TMS320F240简介

TMS320F240主要由CPU、存储器和片上外设三部分组成,其主要特点如下:

·采用改进型哈佛结构,具有分离的程序总线和数据总线,使用四级流水线作业,并且允许数据在程序存储空间和数据存储空间之间传输,从而提高了运行速度和编程的灵活性。指令执行速度为20MIPS,几乎所有的指令都可以在50ns的单周期内执行完毕。

·存储器可寻址空间224K字(64K字程序空间,64K字数据空间,64K字I/O空间,32K字全局空间);片内有16K字的FLASH EEPROM。

·双10位A/D转换器,共16位输入通道,转换时间为6μs。事件管理器中有3个定时/计数器,4个捕获单元等。

1.2 控制器的硬件结构

控制器总体结构如图1所示,由CPU、开关量输入、开关量输出、模拟量输入、键盘显示和通信等模块组成。CPU模块采用主从式结构:单片机(采 用INTEL公司的80C196)为主,完成外围电路的控制,处理整个控制器的工作流程; TMS320F240为从,完成数据采集,数据计算等。单片机和TMS320F240之间采用双口RAM进行通讯。

XTAL1和XTAL2之间接10MHz的晶振,经片内PLL时钟模块后系统时钟为 20MHz。16个A/D通道分为两组:AD0~AD3和AD8~AD11为1组,采集变压器#1高压主侧电压电流及低压侧电压信号;AD4~AD7和 AD12~AD15为II组,采集变压器#2电量。高压侧每一相的电压电流同步采集,可以保证计算准确。扩展16K字外部数据存储器用来存放采集的电压、 电流。扩展2K×8位的双口RAM用来和单片机(80C196)通讯。采用双口RAM进行通讯具有程序设计简单、数据传输方便快速等优点。

2 TMS320F240的编程

TMS320F240的程序采用汇编语言编写,其流程见图3。在程序初始化部分,对芯片内部寄存器进行设置。通用定时器1设置为连续递增计数模式,代码如下:

LDP #232

SPLK #1000000101000000h,T1CON

SPLK #0000000000101010b,GPTCON

SPLK #1563,T1PR ;set sample frequency=20000/2/1563=*kHz

频率为*kHz。数据采集部分采用定时器1,数据长度为128点。这样,对于50Hz信号可保证采样为一个整周期。A/D转换设置为双A/D同步采术,如通道0与通道8采样时,设置A/D的代码为:

LDP #224

SPLK #1001100100000000b,ADCTRL1

SPLK #0000000000000101b,ADCTRL2

谐波分析采用基2的128点快速速傅立叶变换,取前30次谐波数据传递给80C196。

程序中每一相的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率使用下列各式计算(其中N=128)。

电压有效值:

电流有效值:

有功功率:

无功功率:

TMS320F240中没有开平方运算的指令,电压、电流计算中的开平方采用牛顿代法。开平方函数f(x)=x2-c=0的根的牛顿迭代公式为:

迭达收敛的速度取决于x初值的选取。初值x0越接近真值,收敛速度越快。政党情况下,电网的电压及电流尤其是电压变化范围不大,初值比较好选取。

由于单相电压电流采用同步采样,功率的计算比较准确。三相电路的有功功率及无功功率分别为它们的各相之和。电路为三相对称时,可采用单相功率的3倍作为总的三相功率。

TMS320F240与80C196的通讯采用双口RAM完成。在双口RAM中定义寄存器单元存放命令字DSP_MCU_CMD。DSP读取判 断是否进行采样、是否进行FFT、是否计算有关电量。DSP完成指令后,将命令字相应位置1; 80C196检测该位,从双口RAM中读取数据。

3 实验结果

利用信号发生器产生正弦信号,叠加2.5V的直流偏移后输入到两个A/D同步采集通道(通道0和通道8),进行测量实验。信号I视为电压无功控 制器待测量的电压信号;信号II视为电流信号。实验一的输入信号波形见图4,频率为50.63Hz,电压U(信号I)领先电流I(信号II)27.6度, 实验结果见表1;实验二输入信号波形见图5,频率为49.69Hz,电压U(信号I)落后电流I(信号II)44.5度实验。

TMS320F240的应用,极大地改善了电压无功控制器的性能,使得控制器能够对诸如过压、欠压、缺相、谐波越限等故障做出反应。同时电压无功控制器的数据处理与外围控制分开,有利于系统的模块化设计,提高了系统的可靠性。

关键字:芯片  设计

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0421/article_5625.html
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