基于DSP TMS320F240的電壓無(wú)功控制器設計

電壓無(wú)功控制器通常由單片機系統構成，它集數據采集、數據處理、控制判斷和控制輸出于一身。這就使得單片機負擔比較重，而且限于單片機自身的處理能力，無(wú)法實(shí)現復雜的數據處理和控制策略。將DSP芯片應用到電壓無(wú)功控制器，可以有效地提高其性能。

TMS320F24X 系列是美國TI公司推出的高性能16位定點(diǎn)DSP，專(zhuān)門(mén)為電機控制和其它控制系統而設計。TMS320F240是其中典型的一種，片內的外設和強大的處理能力使它很適合用于電壓無(wú)功控制器。本文著(zhù)重介紹其于TMS320F240的電壓我功控制器的設計及其編程。

1 基于TMS320F240的電壓無(wú)功控制器的設計

　　1.1 TMS320F240簡(jiǎn)介

　　TMS320F240主要由CPU、存儲器和片上外設三部分組成，其主要特點(diǎn)如下：

　　·采用改進(jìn)型哈佛結構，具有分離的程序總線(xiàn)和數據總線(xiàn)，使用四級流水線(xiàn)作業(yè)，并且允許數據在程序存儲空間和數據存儲空間之間傳輸，從而提高了運行速度和編程的靈活性。指令執行速度為20MIPS，幾乎所有的指令都可以在50ns的單周期內執行完畢。

　　·存儲器可尋址空間224K字(64K字程序空間，64K字數據空間，64K字I/O空間，32K字全局空間);片內有16K字的Flash EEPROM。

　　·雙10位A/D轉換器，共16位輸入通道，轉換時(shí)間為6μs。事件管理器中有3個(gè)定時(shí)/計數器，4個(gè)捕獲單元等。

　　1.2 控制器的硬件結構

　　控制器總體結構如圖1所示，由CPU、開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出、模擬量輸入、鍵盤(pán)顯示和通信等模塊組成。CPU模塊采用主從式結構：?jiǎn)纹瑱C(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，完成數據采集，數據計算等。單片機和TMS320F240之間采用雙口RAM進(jìn)行通訊。TMS320F240主要外圍電路如圖 2所示。

XTAL1和XTAL2之間接10MHz的晶振，經(jīng)片內PLL時(shí)鐘模塊后系統時(shí)鐘為 20MHz。16個(gè)A/D通道分為兩組:AD0～AD3和AD8～AD11為1組，采集變壓器#1高壓主側電壓電流及低壓側電壓信號;AD4～AD7和 AD12～AD15為II組，采集變壓器#2電量。高壓側每一相的電壓電流同步采集，可以保證計算準確。擴展16K字外部數據存儲器用來(lái)存放采集的電壓、電流。擴展2K×8位的雙口RAM用來(lái)和單片機(80C196)通訊。采用雙口RAM進(jìn)行通訊具有程序設計簡(jiǎn)單、數據傳輸方便快速等優(yōu)點(diǎn)。

2 TMS320F240的編程

　　TMS320F240的程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，其流程見(jiàn)圖3。在程序初始化部分，對芯片內部寄存器進(jìn)行設置。通用定時(shí)器1設置為連續遞增計數模式，代碼如下：

　　LDP #232
SPLK #1000000101000000h,T1CON
SPLK #0000000000101010b,GPTCON
SPLK #1563,T1PR ;set sample frequency=20000/2/1563=6.4kHz

頻率為6.4kHz。數據采集部分采用定時(shí)器1，數據長(cháng)度為128點(diǎn)。這樣，對于50Hz信號可保證采樣為一個(gè)整周期。A/D轉換設置為雙A/D同步采術(shù)，如通道0與通道8采樣時(shí)，設置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)快速速傅立葉變換，取前30次諧波數據傳遞給80C196。

　　程序中每一相的電壓有效值、電流有效值、有功功率、無(wú)功功率使用下列各式計算(其中N=128)。

　　電壓有效值：

　 電流有效值：

有功功率：

無(wú)功功率

TMS320F240中沒(méi)有開(kāi)平方運算的指令，電壓、電流計算中的開(kāi)平方采用牛頓代法。開(kāi)平方函數f(x)=x2-c=0的根的牛頓迭代公式為：

迭達收斂的速度取決于x初值的選取。初值x0越接近真值，收斂速度越快。政黨情況下，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，功率的計算比較準確。三相電路的有功功率及無(wú)功功率分別為它們的各相之和。電路為三相對稱(chēng)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、是否計算有關(guān)電量。DSP完成指令后，將命令字相應位置1; 80C196檢測該位，從雙口RAM中讀取數據。

3 實(shí)驗結果

　　利用信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號，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)行測量實(shí)驗。信號I視為電壓無(wú)功控制器待測量的電壓信號;信號II視為電流信號。實(shí)驗一的輸入信號波形見(jiàn)圖4，頻率為50.63Hz，電壓U(信號I)領(lǐng)先電流I(信號II)27.6度，實(shí)驗結果見(jiàn)表1;實(shí)驗二輸入信號波形見(jiàn)圖5，頻率為49.69Hz，電壓U(信號I)落后電流I(信號II)44.5度實(shí)驗，結果見(jiàn)表2。

　　　　TMS320F240的應用，極大地改善了電壓無(wú)功控制器的性能，使得控制器能夠對諸如過(guò)壓、欠壓、缺相、諧波越限等故障做出反應。同時(shí)電壓無(wú)功控制器的數據處理與外圍控制分開(kāi)，有利于系統的模塊化設計，提高了系統的可靠性。