無功與諧波補償裝置信號采集方案

1 引言
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隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)中的諧波污染日益嚴重。許多電力電子裝置的功率因數(shù)很低，給電網(wǎng)帶來額外負擔并影響供電質(zhì)量。因而，消除諧波污染和提高功率因數(shù)成為電力電子技術(shù)中的重要研究課題?，F(xiàn)在可行的方案是設(shè)置無功與諧波補償裝置。在無功與諧波補償裝置中，需要對系統(tǒng)的三相電源電壓、電流信號和負載電流信號進行實時檢測、分析和計算；需要根據(jù)采集的電壓、電流信號算出主電路的開關(guān)狀態(tài)；需要對主電路進行實時控制以達到補償?shù)男Ч?。筆者設(shè)計了一種信號采集及分析計算的方案，它由8通道A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路和分別用一個DSP來進行運算和控制的雙DSP硬件電路、輔以相應(yīng)的采樣、A/D、D/A轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交換程序來實現(xiàn)。??

2 硬件電路組成及其工作原理
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設(shè)計方案的硬件電路由AD7864型模，數(shù)轉(zhuǎn)換器、AD7841型數(shù)/模轉(zhuǎn)換器、CY7C024型雙口RAM、TMS320F2407型和TMS320C33型(以下分別簡稱為F2407和C33)DSP組成。電路的總體工作過程為：A/D采樣電路實時采集系統(tǒng)的三相電源電壓、電流和負載電流信號，F(xiàn)2407根據(jù)軟件計算出的時間間隔啟動AD7864對所采集的信號進行模，數(shù)轉(zhuǎn)換；然后，F(xiàn)2407通過雙口RAM把轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳給C33，C33對接收到的數(shù)據(jù)進行運算并把計算出的補償裝置主電路的開關(guān)模式傳給F2407，F(xiàn)2407根據(jù)接收到的開關(guān)模式控制主電路的開關(guān)狀態(tài)。本文把電路的總體工作過程分為以下三部分進行詳細的介紹。

2．1 AD7864對采集數(shù)據(jù)進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換
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有源濾波器通過實時采集三相電源電壓、電流和負載電流計算出指令電流。由于采用全數(shù)字化控制，算法比較復(fù)雜，而且對實時性、快速性和精確性有很高的要求，為了避免電流和電壓采樣時間不一致引起有功或無功測量誤差，選用了2個AD7864對各相電壓和電流同時采樣。

AD7864是一款高速、低功耗、單電源、4路模擬輸入同步采樣、12位模，數(shù)轉(zhuǎn)換器。它具有1個1．65μs的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器、4路跟蹤，保持放大器、2．5V參考電平、片上時鐘振蕩器、信號調(diào)整電路及1個高速并行接口。

AD7864可對4個通道的模擬輸入信號同步采樣，并將4個通道的采樣信息保存下來。AD7864的轉(zhuǎn)化啟動信號從引腳CONVST輸入，上升沿觸發(fā)。當其有效時，跟蹤，保持器被置為“保持”，同時按增序轉(zhuǎn)換被選擇的通道(通過軟件或硬件選擇)。EQC信號表明單個通道轉(zhuǎn)換的結(jié)束，而BUSY信號表明被選擇的所有通道轉(zhuǎn)換的結(jié)束，二者都是低電平有效。

AD7864具有高速12位數(shù)據(jù)總線，能直接與16位DSP相連。AD7864與F2407的接口電路如圖1所示。其工作過程是首先由F2407對電源電壓頻率實現(xiàn)數(shù)字鎖相，產(chǎn)生ADC觸發(fā)信號同時啟動2個AD7864，然后AD7864分別對4個通道進行轉(zhuǎn)換，完成后BUSY信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，而后F2407產(chǎn)生中斷并讀取經(jīng)AD7864轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。??



由于使用了2個AD7864，所以將2個BUSY信號通過1個或門接到F2407的外部中斷口。當2個AD7864的8個通道都完成轉(zhuǎn)換后，向F2407發(fā)出中斷信號。F2407響應(yīng)中斷，先選中其中1個ADC，再連續(xù)執(zhí)行4次讀ADC操作，就可得到各個通道的采樣值；然后對另1個ADC執(zhí)行同樣的操作，即可得到8個通道的同步采樣數(shù)據(jù)。

2．2 AD7841對中間變量進行數(shù)/模轉(zhuǎn)換

由于控制算法均由控制軟件完成，各中間變量無法用示波器直接觀測，而F2407內(nèi)部沒有DAC，因此選用AD7841作為系統(tǒng)的D/A輸出單元，將中間變量轉(zhuǎn)換為模擬信號輸出，便于系統(tǒng)的調(diào)試和監(jiān)控。

AD7841是Analog Devies公司生產(chǎn)的14位數(shù)據(jù)并行輸入，4路模擬輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。采用雙電源15V供電，參考電壓范圍為-5V"十5V，輸出電壓范圍為-10V"+10V。

按照分配給AD7841的I/O地址空間，通過A0、Al、A2選擇數(shù)據(jù)寄存器輸入數(shù)據(jù)，即可在相應(yīng)的DAC通路上得到模擬輸出。??

2．3 F2407與C33通過雙口RAM進行通信
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本文所述的無功與諧波補償裝置的主控電路采用由F2407和C33構(gòu)成的雙DSP控制電路。C33的運算能力很強，但片內(nèi)資源和對外I/O端口較少，邏輯處理能力也較弱，主要用于浮點計算和數(shù)據(jù)處理；而F2407正好相反，其片外接口資源豐富，I/O端口使用方便，但其精度和速度有一定限制，所以用于數(shù)據(jù)采集和過程控制。2個DSP通過雙端口RAM完成數(shù)據(jù)交換。通過這2個DSP的互補結(jié)合，可充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，使控制系統(tǒng)達到最佳。

應(yīng)用雙DSP控制電路涉及雙。DSP之間進行數(shù)據(jù)交換的問題，雙DSP間的數(shù)據(jù)交換由雙口RAM實現(xiàn)，圖2為數(shù)據(jù)交換單元的結(jié)構(gòu)框圖。CY7C024具備的電路特點和存儲特性簡化了數(shù)據(jù)交換單元的電路設(shè)計及數(shù)據(jù)交換協(xié)議的實現(xiàn)。在系統(tǒng)設(shè)計中，對數(shù)據(jù)流向做了合理的安排，相應(yīng)地在雙口RAM中開辟了2個緩沖區(qū)BUFl和BUF2，其中BUF1作為F2407向C33傳遞數(shù)據(jù)的通道，BUF2作為C33向F2407傳遞數(shù)據(jù)的通道。??
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當F2407的數(shù)據(jù)需要向C33傳遞時，F(xiàn)2407將數(shù)據(jù)寫入BUF2，然后向特定地址的信箱MBX2(對F2407，地址為Ox8FFE)寫1個任意數(shù)，此時由CY7C024內(nèi)部電路產(chǎn)生、1個中斷信號INTL給C33；C33在檢測到INTL信號時響應(yīng)中斷，從BUF2讀出數(shù)據(jù)并訪問MBX2清除中斷信號。當C33處理完數(shù)據(jù)并需將結(jié)果傳送給F2407時，將數(shù)據(jù)存入BUF1，然后再向信箱MBX1(對F2407，地址為0x8FFF)寫1個任意數(shù)，此時產(chǎn)生中斷信號INTR，引起F2407中斷；F2407在檢測到INTR信號時響應(yīng)中斷，從BUF1讀出數(shù)據(jù)并訪問MBX1，清除中斷信號。??

3 程序設(shè)計
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與本設(shè)計方案的硬件電路對應(yīng)的軟件程序包括主程序、信號采集及A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序、D/A轉(zhuǎn)換中斷子程序和雙DSP通信中斷子程序4部分。

雙DSP通信中斷子程序和數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序的軟件流程如圖3和圖4所示。??



A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序如下：? ?


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4 結(jié)束語
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理論分析與實驗結(jié)果表明，本文介紹的數(shù)據(jù)采集及分析計算方案能夠?qū)θ嚯娫措妷?、電流和負載電流進行實時準確的檢測、分析和計算，從而為無功與諧波自動補償裝置主電路中的四象限變流器提供實時準確的開關(guān)信號，保證無功與諧波自動補償裝置的正常工作。