基于MSP430的電機(jī)功率因數(shù)測(cè)量系統(tǒng) - 全文

? ? ?MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)處理器(Mixed Signal Processor)，它具有低電壓、超低功耗、強(qiáng)大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、豐富的片內(nèi)外設(shè)、方便開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的性價(jià)比，在工程控制等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用范圍。使用MSP430實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)功率因數(shù)等電力參數(shù)的測(cè)量，不但提高了測(cè)量的精度和自動(dòng)化水平，而且降低了系統(tǒng)的功耗。
1 功率因數(shù)與相位
電機(jī)的功率因數(shù)cosΦ值是相電壓與相電流的余弦值。設(shè)三相的電壓分別為UA，UB，UC，電流分別為IA，IB，IC，則它們的表達(dá)式如下：

上式中：UM表示每相電壓幅值；IM表示每相電流幅值；ω表示角頻率；Φ表示相電流滯后相電壓的相位差角。圖1給出了三相輸電線路的相電壓、相電流的矢量圖。

對(duì)于三相對(duì)稱的電源，若電機(jī)的功率因數(shù)為1，即等效總負(fù)載為純阻性，則各相電源的相電流必定與其相電壓同相，相位差Φ=0°，而當(dāng)電機(jī)的功率因數(shù)值不為1時(shí)，電流向量與電壓向量之間將存在一定的夾角Φ，感性負(fù)載時(shí)Φ角滯后0°～90°，容性負(fù)載時(shí)角超前0°～-90°。因此準(zhǔn)確檢測(cè)線電壓與線電流之間的相位差，即可測(cè)量出電機(jī)的功率因數(shù)角。
2 相位差Φ計(jì)算原理
相位差Φ的計(jì)算原理是利用輸入2路信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)間差，以及信號(hào)的頻率來計(jì)算2路信號(hào)的相位差。
2.1 頻率的測(cè)量
首先測(cè)量單路輸入信號(hào)頻率，方法是記錄1路方波信號(hào)2次連續(xù)上升沿觸發(fā)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值t1和t2，計(jì)算出2次上升沿計(jì)數(shù)器差值△t=t1-t2，以定時(shí)器工作頻率fclk為參考，求出輸入信號(hào)的頻率為Fin=fclk／△N1。
2.2 信號(hào)相位差的測(cè)量
運(yùn)用TI的MSP430F449的捕獲功能，捕獲2路信號(hào)的過零點(diǎn)，記錄定時(shí)器這一時(shí)刻的計(jì)算值，計(jì)算出它們之間的時(shí)間差。TI公司的所有的FLASH型單片機(jī)都含有Timer_A，它是程序的核心。Timer_A由1個(gè)16位定時(shí)器和多路比較／捕獲通道組成。
2路信號(hào)的相位差△=360°×△t／Ti，其中，△t=△N2／flk，△N2為2路信號(hào)的上升沿分別觸發(fā)計(jì)數(shù)器的差值；Ti為輸入信號(hào)的周期。由相位差的計(jì)算可簡(jiǎn)化為：
3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
測(cè)量系統(tǒng)以MSP430F449單片機(jī)為核心，主要由電壓電流檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、時(shí)鐘電路、電源電路和顯示電路組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3.1 電壓、電流檢測(cè)電路
為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱電的隔離，提高抗干擾能力，檢測(cè)逆變器供電條件下的相電流以及兩相的線電壓，分別采用電流互感器和電壓互感器。由于逆變器供電不平衡，造成三相交流電壓、交流電流相位差不一致，影響功率因數(shù)測(cè)量的最終因數(shù)是相位，除頻率變化造成的相位改變外，還有互感器的相差及交流采樣時(shí)電流和電壓不能同步采樣造成的相差，這些因素造成的相差實(shí)際上是一個(gè)常數(shù)。

3.2 信號(hào)調(diào)理電路

電流互感器的輸出，經(jīng)運(yùn)算放大器和I／V轉(zhuǎn)換器，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。電壓信號(hào)和電流信號(hào)轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)進(jìn)行放大、施密特整形，把交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，輸入到單片機(jī)Timer_A的TA1，TA2輸入端。這樣測(cè)信號(hào)相移就變成測(cè)信號(hào)邊沿之間的時(shí)間寬度問題，MSP430F449單片機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)。
3.3 時(shí)鐘電路
時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時(shí)鐘信號(hào)，該系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘模塊，外接晶振方式，振蕩頻率主要由石英晶振的頻率決定。單片機(jī)內(nèi)部具有時(shí)鐘模塊，能實(shí)現(xiàn)超低功耗應(yīng)用。振蕩器和系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是廉價(jià)和低功耗。為達(dá)到系統(tǒng)廉價(jià)，外接器件縮減到只有一個(gè)普通晶振。在數(shù)字系統(tǒng)中，系統(tǒng)功耗與頻率成正比，所以使用低頻晶體和和含有倍頻器的振蕩器可以滿足時(shí)鐘系統(tǒng)速度與低功耗這2個(gè)要求。該系統(tǒng)的時(shí)鐘電路是用一頻率為32 768 Hz的晶振來固定整個(gè)電路的頻率來實(shí)現(xiàn)。
3.4 顯示電路
MSP430F449帶有內(nèi)部LCD驅(qū)動(dòng)模塊，直接將液晶顯示屏連接在芯片的驅(qū)動(dòng)端口即可，電路結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單。LCD具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、超薄和可編程驅(qū)動(dòng)等其他顯示無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。由點(diǎn)陣液晶顯示器件與相應(yīng)的控制器、驅(qū)動(dòng)器裝配成的顯示模塊的種類較多，其功能、指令、接口定義及引腳并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，具體使用時(shí)應(yīng)加以選擇。
4 軟件設(shè)計(jì)
MSP430F449單片機(jī)內(nèi)部具有多個(gè)時(shí)鐘源，可以靈活地配置給各模塊使用以及工作于多種低功耗模式，降低控制電路的功耗提高整體效率，其具有內(nèi)部自帶有高精度12為ADC12、一個(gè)集成LCD驅(qū)動(dòng)模塊、硬件乘法器以及Timer_A和Timer_B定時(shí)器等。
相電壓和相電流的相位差Φ測(cè)量程序由主程序和中斷程序組成。主程序完成各程控器件初始化、清零顯示器、設(shè)定時(shí)鐘頻率等功能，然后進(jìn)入低功耗模式，等待相位測(cè)量中斷。中斷服務(wù)程序完成頻率、相位差的測(cè)量。其流程圖如圖3所示。

此系統(tǒng)的軟件是在IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境下采用C語(yǔ)言編寫的，采用模塊化程序設(shè)計(jì)。測(cè)量功能由中斷完成的優(yōu)點(diǎn)是使單片機(jī)絕大部分時(shí)間處于低功耗狀態(tài)，充分發(fā)揮了MSP430系列單片機(jī)微功耗特點(diǎn)，降低了儀器的功耗。相位的測(cè)量需要對(duì)輸入信號(hào)的周期和相位差值分別采樣，周期的采樣使用CCR0來捕獲同一輸入信號(hào)相鄰的2個(gè)周期的上升沿，在第一個(gè)上升沿到來時(shí)觸發(fā)CCR0中斷，清零計(jì)數(shù)器并開始計(jì)數(shù)；當(dāng)?shù)诙€(gè)上升沿到來時(shí)再次觸發(fā)中斷，保存計(jì)數(shù)值。為了防止中斷沖突，提高測(cè)量的精度，采用滯后捕獲的方法。即電流信號(hào)上升沿到來時(shí)，禁止CCR0，一直等到CCR2捕獲到電流信號(hào)的上升沿為止，這時(shí)捕獲到的2個(gè)上升沿不在同一個(gè)周期內(nèi)，由于實(shí)測(cè)計(jì)數(shù)值和實(shí)際相位差計(jì)數(shù)值兩者之間的差值為整數(shù)倍，從而能夠得用已測(cè)到周期值算出2路信號(hào)相位差的實(shí)際計(jì)數(shù)值。為了提高測(cè)量的精廢要求，可以在程序中使用長(zhǎng)度為20的樣本循環(huán)隊(duì)列，而每個(gè)樣本是40次周期采樣和60次相位差采樣的平均值。
5 結(jié)語(yǔ)
經(jīng)實(shí)踐證明，采用MsP430單片機(jī)技術(shù)對(duì)電機(jī)功率因數(shù)進(jìn)行高精度測(cè)量，既可以改變傳統(tǒng)的測(cè)量方法，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率因數(shù)的在線檢測(cè)，對(duì)提高電機(jī)的運(yùn)行，改善其性能起到一定的作用。由于采用測(cè)量單相電流及電壓之間的相位差來得到三相系統(tǒng)的功率因數(shù)的檢測(cè)方法，無需判斷相序，可適用于不同的電機(jī)接線方法，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合工作穩(wěn)定可靠。