基于MAX125轉(zhuǎn)換器和TMS320LF2407A芯片實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

電路系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)控的實(shí)時(shí)性要求較高，不僅含有頻率、電壓、電流、有功、無功、諧波分量、序分量等，而且有些采集的特征量頻率變化快而且復(fù)雜，如暫態(tài)突變量、高頻的故障行波等，普通的采集處理方法對(duì)多路進(jìn)行采樣計(jì)算顯得困難甚至難以實(shí)現(xiàn)，為了克服以上不足，滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的要求，將先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中充分發(fā)揮其快速強(qiáng)大的運(yùn)算及并行運(yùn)行處理能力，滿足電力系統(tǒng)監(jiān)控實(shí)時(shí)性和處理算法的復(fù)雜性等要求，并為不斷發(fā)展的新理論和新算法應(yīng)用于電力系統(tǒng)的實(shí)踐奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

以TMS320LF2407A型DSP為控制核心，設(shè)計(jì)了響應(yīng)快、延時(shí)小和沒有相位偏移的電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，在整個(gè)控制系統(tǒng)中，信號(hào)采集單元的轉(zhuǎn)換精度決定整個(gè)控制系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。TMS320LF2407帶有內(nèi)置采樣和保持電路的10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，但只能接收0V－3.3V的單極性信號(hào)，對(duì)于交流信號(hào)需要另外設(shè)計(jì)限幅升壓電路，同一排序器內(nèi)各通道的串?dāng)_嚴(yán)重，所以10位的轉(zhuǎn)換精度難以滿足高性能系統(tǒng)的要求，由于本應(yīng)用對(duì)采集精度要求高，要求采用14位A/D轉(zhuǎn)換器，所以采用Maxim公司的MAX125型轉(zhuǎn)換器作為信號(hào)采集單元的核心。

2、 MAX125的特性和工作原理

MAX125是8通道高速14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)設(shè)采樣/保持器（T/H），單次轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs，通過對(duì)MAX125寫控制字，可以使之工作于單通道轉(zhuǎn)換，也可以使之工作于多通道的連續(xù)轉(zhuǎn)換，且其轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)具有緩沖功能，DSP可以方便地讀取，MAX125采用雙極性供電，輸入電壓范圍為±5V，轉(zhuǎn)換器的最高輸入過電壓高達(dá)±17V，而且某個(gè)通道的損壞不會(huì)影響整個(gè)電路的正常工作，表1給出MAX125的工作模式，MAX125較好地滿足了精度要求，通過合理的控制電路設(shè)計(jì)，該數(shù)據(jù)采集通道能較好地滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，圖1示出MAX125的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖2為MAX125的工作時(shí)序，每個(gè)CONVST脈沖啟動(dòng)1－4個(gè)T/H轉(zhuǎn)換，MAX125初始化后，設(shè)置工作模式為0X0002，系統(tǒng)利用2個(gè)MAX125的CH1A、CH2A、CH3A通道分別對(duì)三相電壓和三相電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即每個(gè)MAX125只有3個(gè)通道需要轉(zhuǎn)換，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間為3μs，轉(zhuǎn)換三個(gè)通道需要9μs，采樣速率最高為100kS/s。

？

通過CONVST脈沖啟動(dòng)MAX125的轉(zhuǎn)換，大約9μs后，3個(gè)通道轉(zhuǎn)換完畢，產(chǎn)生1個(gè)中斷信號(hào)，中斷信號(hào)傳送到可編程邏輯控制器（GAL）中，由GAL通知DSP讀取采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)GAL給MAX125的RD引腳施加讀脈沖，3個(gè)連續(xù)的讀操作可以讀取3個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)，圖3示出采集通道的原理框圖。

3 、采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MAX125擁有A、B2組信號(hào)輸入端，每組4個(gè)輸入通道，內(nèi)置4路采樣保持器，在實(shí)際應(yīng)用中分別采集負(fù)載電流、補(bǔ)償電流、電源電流和逆變器直流側(cè)的電容器電壓。MAX125可以和DSP并行工作以減輕DSP的工作負(fù)擔(dān)，MAX125的輸出數(shù)據(jù)要經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后才能送到TMS320LF2407的數(shù)據(jù)線上，如果直接將MAX125的輸出直接送到TMS320LF2407的數(shù)據(jù)輸入引腳上，則有可能超過TMS320LF2407的引腳的耐壓值（3.6V），本系統(tǒng)使用74AHCT245作為電平轉(zhuǎn)換器，MAX125的輸出DOD13接入74AHCT245鎖存后進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，再進(jìn)入TMS320LF2407的數(shù)據(jù)總線，74AHCT245的工作電壓為3.3V，輸出信號(hào)電平為3.3V，可以接受5.5V的輸入信號(hào)，本設(shè)計(jì)中使用了2個(gè)74AHCT245作為電平轉(zhuǎn)換單元，輸入數(shù)據(jù)來自MAX125的14位數(shù)據(jù)，多余的2路輸入引腳接地，輸出信號(hào)接入TMS320LF2407的DO－D15引腳，2個(gè)74AHCT245控制信號(hào)由GAL發(fā)出。電路原理如圖4所示。

控制系統(tǒng)的主要指令都在定時(shí)器中完成，圖5示出定時(shí)器周期中斷服務(wù)程序的流程。當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值與定時(shí)器周期寄存器的值相等時(shí)，產(chǎn)生周期中斷請求，中斷被響應(yīng)后就進(jìn)入中斷服務(wù)程序，確認(rèn)中斷源正確后，首先啟動(dòng)外部A/D轉(zhuǎn)換器，采集負(fù)載電流、補(bǔ)償電流、電容器電壓，再對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行移位，求補(bǔ)碼等必要的處理。

4、 結(jié)束語

此電力系統(tǒng)電能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以TSM320LF2407A型DSP為核心，功能強(qiáng)大，可拓展性強(qiáng)。A/D轉(zhuǎn)換選用14位MAX125型轉(zhuǎn)換器，可以多個(gè)通道同時(shí)采集，轉(zhuǎn)換精度高，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證信號(hào)采集模塊的工作穩(wěn)定可靠，已經(jīng)批量投產(chǎn)。

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