一種基于DSC的新型交流采樣系統(tǒng)的研究

摘 要：文章介紹一種新型交流采樣算法，進(jìn)而介紹了其軟件、硬件的實(shí)現(xiàn)方案。此交流采樣系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的交流電量測(cè)量，同時(shí)由于其響應(yīng)速度快、測(cè)量精準(zhǔn)，也可用于其他測(cè)控系統(tǒng)的電量信號(hào)反饋。

關(guān)鍵詞：交流采樣；測(cè)量勵(lì)磁；研究

1 概述

電量信號(hào)測(cè)量一直是測(cè)控系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。而交流采樣以其測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快，不受變送器或前端信號(hào)處理電路影響的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為交流電量測(cè)量的主流方式[1]。在電力系統(tǒng)應(yīng)用中，隨著技術(shù)的發(fā)展對(duì)交流采樣的技術(shù)指標(biāo)提出了越來(lái)越高的要求。這就使得我們不僅要在硬件方案中選用性能更高的平臺(tái)、在軟件編制中優(yōu)化提高代碼效率，更要在根本上改善算法。使用更加簡(jiǎn)潔、準(zhǔn)確、快速的算法從而提高交流采樣系統(tǒng)性能。為此，我們研究了一種新型的交流采樣系統(tǒng)，用以測(cè)量交流電量的頻率、有效值、功率因數(shù)及有功功率和無(wú)功功率等。

2 原理及算法

3 實(shí)現(xiàn)方法

本交流采樣系統(tǒng)基于大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的應(yīng)用研制，因此需要測(cè)得的信號(hào)較多。輸入包括三組三相交流電壓和兩組三相交流電流，需分別測(cè)得其頻率、有效值、有功功率、無(wú)功功率等數(shù)據(jù)。由于待測(cè)的參數(shù)較多，采樣信息量較大，實(shí)時(shí)性要求高，在短時(shí)間內(nèi)完成如此大量的計(jì)算僅靠單個(gè)DSC器件難以實(shí)現(xiàn)，所以采用雙DSC協(xié)同作業(yè)方案[2]。兩個(gè)DSC采用主從方式協(xié)同工作，其中選用TMS320F2812為從機(jī)，TMS320F28335為主機(jī)，兩個(gè)DSC使用DPRAM（雙端口RAM）實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換。從機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、六個(gè)通道頻率信號(hào)的周期方式測(cè)量和采集數(shù)據(jù)的前期處理，并將采集的數(shù)據(jù)和處理結(jié)果存入DPRAM的指定單元，同時(shí)通知主機(jī)；主機(jī)負(fù)責(zé)其他通道頻率信號(hào)的周期方式測(cè)量、在接收到從機(jī)的通知后，從DPRAM中讀取數(shù)據(jù)，完成所有測(cè)量數(shù)據(jù)的后期處理，并負(fù)責(zé)與外部的通信[3]。

為提高設(shè)計(jì)的靈活性、減少硬件開(kāi)銷(xiāo)，采用目前較為流行的非同步采樣法。根據(jù)算法設(shè)計(jì)要求，采樣周期為0.5mS（非同步定時(shí)），每采樣一次之后，立即開(kāi)始所有通道的有效值、功率和頻率等參數(shù)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果根據(jù)需要周期性地通過(guò)SPI接口由主DSC發(fā)送至勵(lì)磁系統(tǒng)主控制器。頻率測(cè)量采用兩種方法同時(shí)進(jìn)行，一種是采樣法，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算得到待測(cè)信號(hào)的頻率，這一計(jì)算任務(wù)數(shù)據(jù)處理量大，由主DSC來(lái)完成；另一種是將交流信號(hào)放大、整形后經(jīng)比較器產(chǎn)生方波信號(hào)，再由DSC內(nèi)部的捕捉定時(shí)器測(cè)量出方波信號(hào)的周期，最后計(jì)算得到待測(cè)工頻信號(hào)的頻率。

從屬DSC負(fù)責(zé)三個(gè)ADC的管理，控制數(shù)據(jù)采集過(guò)程，采集周期由F2812的PWM單元實(shí)現(xiàn)，啟動(dòng)后無(wú)需軟件干預(yù)，由此產(chǎn)生的AD啟動(dòng)信號(hào)無(wú)抖動(dòng)、周期性好。三個(gè)ADC由周期信號(hào)同時(shí)啟動(dòng)，AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)觸發(fā)F2812的NMI中斷，在中斷服務(wù)程序中，讀取各ADC的數(shù)據(jù)，保存到DPRAM的指定單元，同時(shí)通知主DSC（TMS320F28335）采集數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好，之后在主程序中進(jìn)行12個(gè)通道有效值前期算法以及定子功率前期算法的處理，并將處理結(jié)果保存至DPRAM的指定單元，再次通知主DSC有效值前期計(jì)算已經(jīng)完成。從屬DSC還負(fù)責(zé)六個(gè)通道（三相定子電壓和電流）工頻信號(hào)的周期測(cè)量，并采用動(dòng)態(tài)窗口數(shù)字濾波方法進(jìn)行數(shù)字濾波，每當(dāng)某一個(gè)通道的周期測(cè)量完成，便將該通道的周期測(cè)量結(jié)果（整型數(shù)）通過(guò)DPRAM傳送給主DSC，同時(shí)設(shè)置數(shù)據(jù)更新標(biāo)志以便主DSC識(shí)別；主DSC查詢到此數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)從DPRAM中取出并完成頻率計(jì)算，之后再將這一頻率數(shù)據(jù)存入指定數(shù)據(jù)單元供系統(tǒng)使用。

主DSC與從屬DSC共用系統(tǒng)時(shí)鐘，主要負(fù)責(zé)DSC通訊、12通道采樣法頻率計(jì)算、6通道周期法頻率測(cè)量、直流電量測(cè)量與白噪聲信號(hào)處理、有效值和功率計(jì)算的后期數(shù)據(jù)處理以及整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口發(fā)送給勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的主控系統(tǒng)，TMS32028335作為發(fā)送主機(jī)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主控系統(tǒng)作為從機(jī)；數(shù)據(jù)發(fā)送周期內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)采用平均值方法處理。SPI發(fā)送的啟動(dòng)在主程序中，當(dāng)前的TX FIFO緩沖區(qū)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，在中斷服務(wù)程序中將發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO，直到發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)空。采樣法頻率測(cè)量的數(shù)據(jù)處理、計(jì)算任務(wù)放到中斷服務(wù)程序中，當(dāng)從屬DSC完成一次采集并將各個(gè)通道的采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到DPRAM的指定單元后，通過(guò)寫(xiě)入DPRAM的通知單元產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，這樣每當(dāng)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，主DSC便會(huì)很快開(kāi)始采樣法頻率測(cè)量的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

主DSC程序的主流程中通過(guò)查詢方法檢查從DSC有效值和功率參數(shù)的前期計(jì)算任務(wù)是否完成，每當(dāng)查詢到有新的前期計(jì)算結(jié)果，便從指定單元取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)并完成后續(xù)的計(jì)算任務(wù)，之后設(shè)置數(shù)據(jù)刷新標(biāo)志。硬件PCB板上的第三片ADC的采樣數(shù)據(jù)（三個(gè)通道直流信號(hào)和白噪聲信號(hào)）也在此處處理，測(cè)量結(jié)果存入指定數(shù)據(jù)單元。主流程中的另一項(xiàng)任務(wù)是周期法測(cè)量六個(gè)通道的工頻信號(hào)周期，測(cè)量方法是使用TMS320F28335的六個(gè)高分辨率捕捉定時(shí)器，每當(dāng)有捕捉事件發(fā)生后便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將結(jié)果存入指定數(shù)據(jù)單元；同時(shí)從DSC進(jìn)行的另外六通道工頻信號(hào)頻率周期測(cè)量也在這里通過(guò)查詢方式完成后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試表明，本交流采樣系統(tǒng)方案配置合理，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。其采樣和計(jì)算精度、數(shù)據(jù)計(jì)算和刷新周期、通訊速度等指標(biāo)均滿足勵(lì)磁系統(tǒng)需求。并完全可在電力系統(tǒng)其他設(shè)備中應(yīng)用，是一種適用廣泛的交流采樣方案。

參考文獻(xiàn)

[1]凌濱，張黎. 一種實(shí)用的交流電量參數(shù)測(cè)量方法[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2005，24（10）.

[2]周志宇.基于DSP的同步交流采樣技術(shù)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2006，26（5）.

[3]夏曉玲.基于DSP的交流采樣設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（s3）：2392-2393.

作者簡(jiǎn)介：王勤（1984-），女，碩士，哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，從事發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)工作。