傳感網(wǎng)絡(luò)中高精度濾波器設(shè)計(jì)

王剛

摘 要： 傳感網(wǎng)絡(luò)中外部信號(hào)干擾與傳感信號(hào)的同質(zhì)化日趨嚴(yán)重，設(shè)計(jì)可區(qū)分兩者信號(hào)的傳感網(wǎng)絡(luò)濾波器成為研究的熱點(diǎn)。設(shè)計(jì)一種高精度有源濾波器系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電源模塊、兩個(gè)DSP控制模塊、信號(hào)采集與調(diào)整模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和顯示模塊。分析并聯(lián)型有源濾波器的運(yùn)行原理，采用CCS2.0設(shè)計(jì)傳感網(wǎng)絡(luò)中有源濾波器系統(tǒng)軟件，詳細(xì)描述了系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)模型，給出了濾波器中的部分C語(yǔ)言代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)濾波器在傳感網(wǎng)絡(luò)電壓畸變及負(fù)載突變情況下，能夠較好地完成諧波抑制，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。

關(guān)鍵詞： 傳感網(wǎng)絡(luò)； 高精度濾波器； 有源濾波器； 軟件開(kāi)發(fā)模型

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）22?0065?04

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，使得不同種類設(shè)備不斷增加，導(dǎo)致電力傳感網(wǎng)絡(luò)中的諧波污染逐漸加深，增加了傳感網(wǎng)絡(luò)線路損耗，降低傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞質(zhì)量。因此應(yīng)在傳感網(wǎng)絡(luò)中安裝高精度的濾波器，吸收傳感網(wǎng)絡(luò)中的諧波，降低傳感網(wǎng)絡(luò)電網(wǎng)中諧波的注入量[1?3]。因?yàn)闊o(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備所處的環(huán)境較為復(fù)雜，電源供電具有一定的局限性，因此如何設(shè)計(jì)成本低、調(diào)諧效率高的濾波器成為研究的熱點(diǎn)[4?6]。

當(dāng)前濾波器設(shè)計(jì)方法很多，但是都存在較多的問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]分析了腔體濾波器，該濾波器對(duì)電流波動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)諧，調(diào)諧效率較低，并且存在失真效應(yīng)。文獻(xiàn)[8]分析的無(wú)源濾波器通過(guò)電容器、電抗器和電阻器不同的組合形式實(shí)現(xiàn)不同的補(bǔ)償功能，但是該濾波器濾波特性依賴于系統(tǒng)參數(shù)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)諧波的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。文獻(xiàn)[9]提出一種晶體濾波器，該濾波器具有較高的濾波選擇性能，但是價(jià)格偏高，應(yīng)用率低。文獻(xiàn)[10]提出一種介質(zhì)濾波器，該濾波器能夠完成窄帶濾波，但是存在高次寄生通帶，并且具有較高的局限性。

1 傳感網(wǎng)絡(luò)中的濾波器系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路

傳感網(wǎng)絡(luò)中的濾波器系統(tǒng)需要對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)的電壓和電流信號(hào)進(jìn)行收集和操作，并且運(yùn)算相關(guān)的指令電流，輸出對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)控制方案。本文設(shè)計(jì)的傳感網(wǎng)絡(luò)濾波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。分析圖1可以看出，傳感網(wǎng)絡(luò)濾波系統(tǒng)包括電源模塊、兩個(gè)DSP控制模塊、信號(hào)采集與調(diào)整模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和顯示模塊。

本文針對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的有源濾波器系統(tǒng)分析過(guò)程復(fù)雜，需要利用TMS32OF2812（簡(jiǎn)稱2812）和TMS32OVC33（簡(jiǎn)稱VC33）兩塊DSP控制模塊對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)中的大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。兩個(gè)DSP同時(shí)運(yùn)行，并將2812當(dāng)成首要控制器，用于收集傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、形成脈沖寬度調(diào)制信號(hào)、并實(shí)現(xiàn)故障的保護(hù)。將VC33當(dāng)成輔助處理器，用于運(yùn)算實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采集畸變電流中的諧波以及無(wú)功分量，運(yùn)算脈沖寬度調(diào)制指令。2812以及VC33使用雙口RAM完成數(shù)據(jù)通信，利用總線獲取控制板中的資源，并通過(guò)調(diào)理和采集模塊，實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的采集和處理。電源模塊則負(fù)責(zé)總體傳感網(wǎng)絡(luò)中有源濾波器系統(tǒng)的能量供應(yīng)。2812可產(chǎn)生脈沖寬度調(diào)制開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，經(jīng)光耦隔離后傳遞到驅(qū)動(dòng)模塊中，實(shí)現(xiàn)逆變橋的有效調(diào)控。在試驗(yàn)過(guò)程中可以通過(guò)按鍵顯示操作并觀察傳感網(wǎng)絡(luò)中諧波的濾波結(jié)果。

2 傳感網(wǎng)絡(luò)中并聯(lián)型有源濾波模塊設(shè)計(jì)

傳感網(wǎng)絡(luò)中的有源濾波器可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種類型，本文采用并聯(lián)型有源濾波器，其運(yùn)行原理用圖2描述。

分析圖2可以看出，傳感網(wǎng)絡(luò)中的并聯(lián)型有源濾波器包括指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路兩個(gè)模塊，其中補(bǔ)償電流發(fā)生電路包括電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路以及主電路。指令電流運(yùn)算電路可對(duì)被補(bǔ)償對(duì)象中的諧波和無(wú)功電流分量進(jìn)行檢測(cè)。補(bǔ)償電流發(fā)生電路依據(jù)指令電流形成的補(bǔ)償電流指令信號(hào)，對(duì)逆變主電路進(jìn)行調(diào)控，確保其形成補(bǔ)償電流，再將該補(bǔ)償電流輸入到傳感網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)而過(guò)濾傳感網(wǎng)絡(luò)中的諧波以及無(wú)功電流，確保傳感網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。

圖2所示的并聯(lián)型傳感網(wǎng)絡(luò)濾波器的工作原理是：通過(guò)傳感網(wǎng)絡(luò)中的電壓和電流傳感器，對(duì)待補(bǔ)償對(duì)象的電壓以及電流進(jìn)行檢測(cè)，再通過(guò)指令電流運(yùn)算電路獲取補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，利用脈沖寬度調(diào)制控制信號(hào)單元將指令信號(hào)變換成脈沖寬度調(diào)制指令，最終確保逆變器輸出與負(fù)載中形成的諧波具有同等大小和相反方向的補(bǔ)償電流。

3 傳感網(wǎng)絡(luò)中的高精度有源濾波器軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)模型

本文采用CCS2.0（CodeComposerStudio）設(shè)計(jì)傳感網(wǎng)絡(luò)中有源濾波器系統(tǒng)的軟件。CCS集成了代碼產(chǎn)生和測(cè)試部件，提高了系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的效率。傳感網(wǎng)絡(luò)中有源濾波器軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)包括主程序和中斷服務(wù)子程序。而中斷處理程序是傳感網(wǎng)絡(luò)中有源濾波器軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其由電流采樣中斷、故障信號(hào)中斷、采集單元中斷以及啟動(dòng)信號(hào)中斷構(gòu)成，如圖3所示。電流采樣模塊可對(duì)有源濾波器系統(tǒng)中兩種DSP控制板的控制信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，對(duì)從傳感網(wǎng)絡(luò)中獲取的電流進(jìn)行分析，運(yùn)算電流諧波，基于指令電流信號(hào)，產(chǎn)生調(diào)控變流器通斷的開(kāi)關(guān)信號(hào)。

采集模塊主要是對(duì)電壓超零的中斷信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)，獲取傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的基波頻率，對(duì)定時(shí)器值進(jìn)行及時(shí)更新，并實(shí)時(shí)監(jiān)督傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)頻率的波動(dòng)情況。采集模塊還可確保濾波器的運(yùn)行頻率同傳感網(wǎng)絡(luò)電壓保持一致。當(dāng)逆變器中超過(guò)設(shè)置的電壓、電流形成輸入信號(hào)時(shí)，故障信號(hào)中斷單元?jiǎng)t即刻關(guān)斷變流器，確?？傮w有源濾波器系統(tǒng)的安全，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。啟動(dòng)和停止信號(hào)中斷主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行和停止。

圖3 有源濾波器軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)模型

3.2 代碼設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的濾波器系數(shù)由 Matlab 仿真得到。本文濾波器中的部分C語(yǔ)言代碼如下：

#include "DSP28_Parts.h"

#include

#include

#include

… … … … … … … …

… … … … … … … …

interrupt void GMINRE_DHG（void） //ADC

{

… … … … … … … …

… … … … … … … …

d_fgQmX1=vol； //PI 調(diào)節(jié)vol為偏差電壓

vol=24700 ? Dmmcon[4] ；

ip=（872137*vol ? 87552*d_fgQmX1）>>16

/compute the ip'，iq' ********************************/

… … … … … … … …

… … … … … … … …

d_fgQmX[2]=d_fgQmX[1]； //Q13

d_fgQmX[1]=d_fgQmX[0]；

d_fgQmX[0]=（（2*d_faIpX[0]+4*d_faIpX[1]+2*d_faIpX[2]）+24472*d_fgQmX[1]?13556*d_fgQmX[2]）>>14；

d_faIqY[2]=d_faIqY[1]； //Q13

d_faIqY[1]=d_faIqY[0]；

d_faIqY[0]=（（2*d_faIqX[0]+4*d_faIqX[1]+2*d_faIqX[2]）+24472*d_faIqY[1]?13556*d_ fgQmX[2]）>>13；

… … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … …

}

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：傳感網(wǎng)絡(luò)電壓為AC 36 V/40 Hz（線電壓）由三相調(diào)壓器降壓獲取，直流側(cè)電壓為140 V，仿真實(shí)驗(yàn)中傳感網(wǎng)絡(luò)的三相電源中都有15%的6次諧波和7%的8次諧波，構(gòu)成非理想電壓源。負(fù)載在0.4 s情況下，三相橋負(fù)載電阻從10 Ω調(diào)整到6 Ω，傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)載發(fā)生突變。逆變器輸出電感1 mH，諧波源為直流側(cè)帶電阻負(fù)載的三相全控整流橋。實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行了低電壓小電流的補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，只補(bǔ)償了電源A相電流中的諧波和負(fù)序分量。

實(shí)驗(yàn)分析了采用本文濾波器前后傳感網(wǎng)絡(luò)電壓畸變和負(fù)載突變情況下的傳感網(wǎng)絡(luò)A相電流波形，進(jìn)而驗(yàn)證本文濾波器對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)濾波器負(fù)載的諧波無(wú)功電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男Ч麅?yōu)劣。未采用濾波器前，傳感網(wǎng)絡(luò)電流的波形和頻譜分析結(jié)果如圖4所示，實(shí)驗(yàn)只分析了A相電流波形。

投入本文設(shè)計(jì)的濾波器后，傳感網(wǎng)絡(luò)電流波形用圖5描述。分析圖5可得，傳感網(wǎng)絡(luò)負(fù)載突變后，通過(guò)1個(gè)工頻周期的調(diào)控，傳感網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)平穩(wěn)。采用本文濾波器補(bǔ)償前的傳感網(wǎng)絡(luò)電流中存在較多的2，4，6，8，10，12，14次諧波，電流總畸變率為14.88%。而采用本文濾波器補(bǔ)償后的傳感網(wǎng)絡(luò)電流波形對(duì)稱并同正弦波一致，同時(shí)可觀察到傳感網(wǎng)絡(luò)電流中的2，4，6，8，10，12，14次諧波顯著降低，傳感網(wǎng)絡(luò)電流總畸變率為4.23%，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的濾波器有效抑制了傳感網(wǎng)絡(luò)中的諧波。也就是在傳感網(wǎng)絡(luò)電壓存在畸變并且網(wǎng)絡(luò)負(fù)載突變情況下，傳感網(wǎng)絡(luò)濾波器仍可對(duì)負(fù)載的諧波無(wú)功電流進(jìn)行高效補(bǔ)償。

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，本文設(shè)計(jì)的濾波器在傳感網(wǎng)絡(luò)電壓畸變及負(fù)載突變情況下，能夠較好地完成諧波抑制，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文面向傳感網(wǎng)絡(luò)，面向傳感網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種高精度有源濾波器系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括電源模塊、兩個(gè)DSP控制模塊、信號(hào)采集與調(diào)整模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和顯示模塊。分析了并聯(lián)型有源濾波器的運(yùn)行原理，采用CCS2.0設(shè)計(jì)傳感網(wǎng)絡(luò)中有源濾波器系統(tǒng)軟件，詳細(xì)描述了系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)模型，給出了濾波器中的部分C語(yǔ)言代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，所設(shè)計(jì)濾波器在傳感網(wǎng)絡(luò)電壓畸變及負(fù)載突變情況下，能夠較好地完成諧波抑制，具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。

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