摘? 要: 介紹DSP芯片TMS320F240的特點(diǎn),討論了它在電壓無功控制器(VQC)中的應(yīng)用,。提供了基于DSP芯片的VOC設(shè)計(jì)及DSP芯片外圍電路設(shè)計(jì),介紹TMS320F240的軟件編程,。DSP芯片的應(yīng)用極大地提高了VQC的性能。

　　關(guān)鍵詞: DSP? TMS320F240? 電壓無功控制器

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　　電壓質(zhì)量對(duì)于電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要意義,。電壓能否維持在合格范圍內(nèi)直接影響著電力工業(yè)本身的安全;系統(tǒng)的無功功率" title="無功功率">無功功率對(duì)電壓的影響極大,維持電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下的無功平衡是改善電壓質(zhì)量的基本條件,。對(duì)電壓無功進(jìn)行綜合控制可以保證電壓合格和無功潮流平衡,同時(shí)還能提高電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。利用變電站中電壓無功控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)有載變壓器分接頭和并聯(lián)補(bǔ)償電容器組可以實(shí)現(xiàn)這一綜合控制,。

　　電壓無功控制器通常由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成,它集數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)處理" title="數(shù)據(jù)處理">數(shù)據(jù)處理、控制判斷和控制輸出于一身,。這就使得單片機(jī)負(fù)擔(dān)比較重,而且限于單片機(jī)自身的處理能力,無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和控制策略,。將DSP芯片應(yīng)用到電壓無功控制器,可以有效地提高其性能。

　　TMS320F24X系列是美國(guó)TI公司推出的高性能16位定點(diǎn)DSP,專門為電機(jī)控制和其它控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì),。TMS320F240是其中典型的一種,片內(nèi)的外設(shè)和強(qiáng)大的處理能力使它很適合用于電壓無功控制器,。本文著重介紹基于TMS320F240的電壓無功控制器的設(shè)計(jì)及其編程。

1 基于TMS320F240的電壓無功控制器的設(shè)計(jì)

1.1 TMS320F240簡(jiǎn)介

　　TMS320F240主要由CPU,、存儲(chǔ)器和片上外設(shè)三部分組成,其主要特點(diǎn)如下:

　　·采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu),具有分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線,使用四級(jí)流水線作業(yè),并且允許數(shù)據(jù)在程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間之間傳輸,從而提高了運(yùn)行速度和編程的靈活性,。指令執(zhí)行速度為20MIPS,幾乎所有的指令都可以在50ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。

　　·存儲(chǔ)器可尋址空間224K字(64K字程序空間,64K字?jǐn)?shù)據(jù)空間,64K字I/O空間,32K字全局空間);片內(nèi)有16K字的Flash EEPROM,。

　　·雙10位A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器,共16個(gè)輸入通道,轉(zhuǎn)換時(shí)間為6μs,。事件管理器中有3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器,4個(gè)捕獲單元等。

1.2 控制器的硬件結(jié)構(gòu)

　　控制器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由CPU,、開關(guān)量輸入,、開關(guān)量輸出、模擬量輸入,、鍵盤顯示和通信等模塊組成,。CPU模塊采用主從式結(jié)構(gòu):單片機(jī)(采用Intel公司的 80C196)為主,完成外圍電路的控制,處理整個(gè)控制器的工作流程;TMS320F240為從,完成數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)計(jì)算等。單片機(jī)和TMS320F240之間采用雙口" title="雙口">雙口RAM進(jìn)行通訊,。TMS320F240主要外圍電路如圖2所示,。

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　　XTAL1和XTAL2之間接10MHz的晶振,經(jīng)片內(nèi)PLL時(shí)鐘模塊后系統(tǒng)時(shí)鐘為20MHz。16個(gè)A/D通道分為兩組:AD0～AD3和AD8～AD11為I組,采集變壓器#1高壓側(cè)電壓電流及低壓側(cè)電壓信號(hào);AD4～AD7和AD12～AD15為II組,采集變壓器#2電量,。高壓側(cè)每一相的電壓電流同步采集,可以保證計(jì)算準(zhǔn)確,。擴(kuò)展16K字外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來存放采集的電壓、電流,。擴(kuò)展2K×8位的雙口RAM用來和單片機(jī)(80C196)通訊,。采用雙口RAM進(jìn)行通訊具有程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)傳輸方便快速等優(yōu)點(diǎn),。

2 TMS320F240的編程

　　TMS320F240的程序采用匯編語言編寫,其流程見圖3,。在程序初始化部分,對(duì)芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置。通用定時(shí)器1設(shè)置為連續(xù)遞增計(jì)數(shù)模式,代碼如下:

　　LDP ? #232?

　　SPLK #1000000101000000b,， T1CON

　　SPLK #0000000000101010b,， GPTCON

　　SPLK #1563,，T1PR???? ；set sample frequency=20000/2/1563=6.4kHz

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??? 頻率為6.4kHz,。數(shù)據(jù)采集部分采用定時(shí)器1,數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為128點(diǎn),。這樣,對(duì)于50Hz信號(hào)可保證采樣為一個(gè)整周期。A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置為雙A/D同步采樣,如通道0與通道8采樣時(shí),設(shè)置A/D的代碼為:

　　LDP ???? #224

　　SPLK ??? #1001100100000000b,，ADCTRL1

　　SPLK ??? #0000000000000101b,，ADCTRL2

　　諧波分析采用基2的128點(diǎn)快速傅立葉變換,取前30次諧波數(shù)據(jù)傳遞給80C196。

　　程序中每一相的電壓有效值" title="有效值">有效值,、電流有效值,、有功功率、無功功率使用下列各式計(jì)算(其中N=128),。

????電壓有效值:

　　????

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??? 電流有效值:

　　有功功率:

　　????

　　無功功率:

　　TMS320F240中沒有開平方運(yùn)算的指令,電壓,、電流計(jì)算中的開平方采用牛頓迭代法。開平方函數(shù)f(x)=x2-c=0的根的牛頓迭代公式為:

　　迭代收斂的速度取決于x初值的選取,。初值x0越接近真值,，收斂速度越快。正常情況下,電網(wǎng)的電壓及電流尤其是電壓變化范圍不大,初值比較好選取,。

　　由于單相電壓電流采用同步采樣,功率的計(jì)算比較準(zhǔn)確,。三相電路的有功功率及無功功率分別為它們的各相之和。電路為三相對(duì)稱時(shí),可采用單相功率的3倍作為總的三相功率,。

　　TMS320F240與80C196的通訊采用雙口RAM完成,。在雙口RAM中定義寄存器單元存放命令字DSP_MCU_CMD。DSP讀取判斷是否進(jìn)行采樣,、是否進(jìn)行FFT,、是否計(jì)算有關(guān)電量。DSP完成指令后,將命令字相應(yīng)位置1;80C196檢測(cè)該位,從雙口RAM中讀取數(shù)據(jù),。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào),疊加2.5V的直流偏移后輸入到兩個(gè)A/D同步采集通道(通道0和通道8),進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn),。信號(hào)I視為電壓無功控制器待測(cè)量的電壓信號(hào);信號(hào)II視為電流信號(hào)。實(shí)驗(yàn)一的輸入信號(hào)波形見圖4,頻率為50.63Hz,電壓U(信號(hào)I)領(lǐng)先電流I(信號(hào)II)27.6度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1;實(shí)驗(yàn)二輸入信號(hào)波形見圖5,頻率為49.69Hz,電壓U(信號(hào)I)落后電流I(信號(hào)II)44.5度實(shí)驗(yàn),結(jié)果見表2,。

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　　由以上結(jié)果可知,DSP單元中的測(cè)量精度相當(dāng)高,電壓無功控制器設(shè)計(jì)中應(yīng)著重提高前端模擬電路的精度,。

　　TMS320F240的應(yīng)用,極大地改善了電壓無功控制器的性能,使得控制器能夠?qū)χT如過壓、欠壓,、缺相、諧波越限等故障做出反應(yīng),。同時(shí)電壓無功控制器的數(shù)據(jù)處理與外圍控制分開,有利于系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì),提高了系統(tǒng)的可靠性,。

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參考文獻(xiàn)

1 黃益莊,王 蕾,呂文哲. 高壓變電站電壓和無功的關(guān)聯(lián)分散控制. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1998;22(10)

2 侯博淵.變電站無功補(bǔ)償設(shè)備的運(yùn)行與控制.北京:水利電力出版社, 1991