基于的三相交流采样

基于TMS320F2812的三相交流采样

李全利　王振春

（哈尔滨理工大学自动化学院　哈尔滨　150080）

摘要：本文提出了一种基于TMS320F2812的三相交流采样技术，利用TMS320F2812强大的数据处理能力和多通道模/数转换器AD7656的高速度、高精度等特性，开发了交流采样系统的软硬件，并利用12点傅氏算法对三相电压、电流进行了采样，并且取得了良好的测量精度。

关键词：交流采样　TMS320F2812　AD7656　12点傅氏算法

一、引言

近年来三相交流采样技术广泛应用于励磁控制系统中。它不但直接影响励磁系统的运行特性，而且对励磁系统的安全稳定运行有重要的影响。并且随着控制理论、计算机技术、微电子技术的发展，实时数据采集与信号处理技术也在实践中得到了广泛的应用。本文提出了一种高性能数字信号处理器TMS320F2812与AD转换芯片AD7656构成的并行的数据转换采集系统。与同类的系统相比，它具有精度高、实时响应快、可靠性高等优点，而且具有一定的实用价值。

二、芯片特点

2.1　TMS320F2812芯片的特点

TMS320F2812是TI公司最新推出的DSP芯片，是目前国际市场上最先进、功能最强大的32位定点DSP芯片。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，特别适用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化控制、电力电子技术应用。智能化仪表及电机、马达伺服控制系统等。

2.2　AD7556芯片特点

AD7656是采用先进的工业CMOS（iCMOS）工艺制造的模/数转换器，在实时采样系统中多通道模/数转换器提高了同步采样的数字信号处理的速度和精度。

AD7656的主要特性如下：

•6通道16-bit逐次逼近型ADC，最大吞吐率为250kS／s；

•AVcc范围为4.75～5.25V，片上有2.5V基准电压源和基准缓冲器；

•低功耗：在供电电压为5V、采样速率为250kS／s时的功耗为160mW；

•有并行和串行接口以及与SPI／QSPI／μWire／DSP兼容的高速串行接口；

•可通过引脚或软件方式设定输入电压范围（±10V，±5V）。

三、系统同步采样的实现

交流采样是对被测信号的瞬时值进行采样，然后对采样值进行分析计算获取被测量的信息。交流采样的采样速率要求高，程序计算量相对较大，但是它的采样值所含信息量大，可以通过不同的算法获取所需的多种信息（如有效值、相位、谐波分量等），其实时性好，且随着DSP技术的发展，高速实时数据处理成为可能，使交流采样成为目前主要的使用方式。

考虑到发电机励磁控制装置电量检测的重要性和其对电量采集精度、速度的较高要求，本系统采集模块中选用了高集成度、6通道16-bit逐次逼近（SAR）型模/数转换器AD7656。三相交流采样的硬件系统结构如图1所示，它包括信号调理电路、限幅电路、通道选择电路、同步方波变换电路、模数转换及控制电路。

图1　三相交流采样硬件框图

3.1　信号调理电路

由于电力系统中的电压电流信号一般不能直接送到A/D器件的输入端进行转换，而要先经过降压和信号调理等预处理。系统的三相电压和电流经电压、电流互感器后，变为有效值为0～100V，0～5A的交流电量，而AD7656的接口电压为0～5V，所以经过信号调理电路调整成适合采样的信号。在这里，采用小型精密电压、电流互感器实现对交流信号的标度变换，同时采取一定的硬件抗干扰和滤波处理措施，因此本设计的信号调理电路如图2所示。图中，调整反馈电阻R2和R4的值可得到所需要的电压输出。电容C2及可调电阻R3是用来补偿相移的。电容C3和C4是400～1000pF的小电容，主要用以去耦合滤波。两个反接的二极管D1和D2用以保护运算放大器。运算放大器视精度要求而定，本文使用精度和稳定性都比较好的0P07。

图2　信号调理电路

3.2　限幅电路

在模/数转换中，如果A/D转换器损坏，检测和控制的功能就不能实现。由于安全考虑，在A/D转换前采用限幅电路，以保障系统的A/D转换器安全。传统的限幅器如齐纳二极管限幅器、稳压管反向限幅器、桥式限幅器等，都是利用二极管的击穿特性限幅。在击穿区由于二极管内阻并不为零，并有漏电流存在，所以稳压值并非恒定而且不易调节。本文所设计的限幅电路如图3所示。

图3　限幅电路

3.3　同步测相位电路和测频电路

励磁系统的电压和电流之间的相角是励磁系统实时监控中的一项重要的测量参数。一直以来都是通过先测量线路中某点的电压和电流以及有功功率，然后在计算出相角，这种方法在实时监控中实现比较复杂。本文提出了一种以硬件电路为基础，利用F2812的捕捉口来实现相角的测量。如图4所示为硬件电路，正弦电压和电流信号经过LM358变为两路方波信号，在经由光电隔离送到F2812的捕捉口。由F2812的捕捉中断来实现对相角的测量。

在测量交流采样的电压和电流时，采样的频率是变化的，如果以固定周期进行采样，则往往会出现采样区间和信号周期不同步，造成诸如电压有效值、功率值等计算结果的误差。为了保证采样的精度，必须使采样频率具有快速的自适应能力，同步跟踪发电机端电压的频率变化，从而调整采样间隔，使采样区间与信号周期相吻合。本文采用测周法。测频电路如图4所示，在测频时只利用电路的电压信号送往F2812的捕捉口。

图4　同步测相电路

四、算法实现及软件设计

4.1　算法实现

交流采样算法有多种，按其模型函数分类，可分为正弦函数模型算法和非正弦函数模型算法两大类。其中正弦函数模型算法主要有最大值（峰值）算法、两点采样算法、三点采样算法和半周积分法；非正弦周期函数模型算法主要有均方根算法和傅氏算法等。由于快速傅立叶变换法（FFT）实现电力参量测量时，所获得测量数据较全面，而且还能获得高次谐波和偶次谐波分量。并且由于DSP的应时出现完全可以满足FFT计算量大，对CPU的速度要求较高的要求。

在傅氏算法中，设u(t)=u(t+T)，为周期函数，其周期为T，满足[0，T]区间上绝对可积，则u(t)可展开为级数：

式中：u_an=u_(t)cosnωtdωt,(n=0,1,2,…)u_bn=usinnωtdωt,(n=0,1,2,?)将连续积分(t)

公式离散化为下面的求和公式：

n为信号所包含的n次谐波，N为每周采样的次数，取n=1即基波，N＝12即12点采样，于是得到基波12点傅氏计算公式：

将公式展开后，电压实部：

电压虚部：

式中ju（j＝0，1，…，11）为一个周期内的始于0°，相距30°的12个等距采样值（电压瞬时值），于是有：

由于12点傅氏算法具有滤去直流分量和高次谐波的能力，精度较高。在数字励磁调节器中12点傅氏算法用得最多。因此本文主要采用12点傅氏算法。

4.2　软件设计

系统主程序分为两个部分：一是系统初始化模块，二是控制模块。其中初始化模块只在系统上电时执行一次，主要是对系统状态寄存器的设置、中断标志和允许的设置、看门狗的设置、定时器初始化、捕获单元初始化、I/O口的设置和初始化、E2PROM初始化等。系统初始化程序流程图如图6所示。初始化设置完成并得到开机信号后，系统进入循环等待状态。当有中断事件发生时，则进入相应的中断服务子程序去完成测控功能。

图6　系统初始化程序流程图

控制系统的三相电压和电流采集都在中断程序中完成。图7所示是电压和电流采集的中断服务程序流程图。若定时器计数器的值与定时器周期寄存器的值相等。则产生周期中断请求。中断被响应后，系统将进入中断服务程序。当其确认中断源正确后，首先启动外部A/D转换器，以采集相应的电能质量信号，再对转换结果进行数据处理与比较，最后开总中断并返回。

三相电压和电流的相位测量也是通过中断服务程序完成的，在这里主要利用了F2812的事件管理器EVA的CAP1和CAP2。当CAP1捕获到电压方波信号的上升沿（下降沿）时，启动定时器2（T2），并且保存计数器的值T2CNT。当CAP2捕获到电流方波信号的上升沿（下降沿）时，读取T2计数器的值，这样采用中断的方式，测量两次跳变的周期，便可测得电压和电流的相角差ϕ。如图8所示。

图7　中断服务子程序流程图

　图8　测相中断服务程序

五、实验结果比对

本文采用的输入电源是ZT1030单（三）相程控精密测试电源，试验结果比对如表1所示：

表1　实验结果

（续表）

从表中数据得出：三相电压、电流和相角均达到0.5级的准确要求。三相有功功率和无功功率均能通过三相电压，三相电流和相角的计算得出，其误差为合成误差，均满足项目的工程要求。

六、结束语

本文介绍了高速AD转换器AD7656在以TMS320F2812型DSP为控制核心的三相交流采样的应用方法。AD7656速度快，精度高，配合DSP强大的运算功能可构建性能优异的数据采集系统。实践证明，采用交流采样算法方法进行数据采集，通过算法运算后获得的电压、电流、有功功率、功率因数和频率等电参数有较好的精确度和稳定性。具有一定的应用价值。

参考文献

[1] 陆继明，毛承雄，等. 同步发电机微机励磁控制. 北京：中国电力出版社，2006.

[2] Texas Instruments Incorporated著. TMS320C28x系列DSP的CPU与外设（上）. 张卫宁，编译. 北京：清华大学出版社，2005.

[3] Texas Instruments Incorporated著. TMS320C28x系列DSP的CPU与外设（下）. 张卫宁，编译. 北京：清华大学出版社，2005.