計(jì)算機(jī)技術(shù)，尤其是單片機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路及各種新型傳感元件的迅速發(fā)展和日臻成熟，微機(jī)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的普及應(yīng)用，使電力系統(tǒng)的測(cè)量和監(jiān)控技術(shù)得到了快速的發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，往往需要對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間的功率因數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，以便采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施來提高功率因數(shù)，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。若三相負(fù)載不平衡，為能比較真實(shí)地反映三相電機(jī)的功率因數(shù)值，可通過采樣三相交流電中任意一相相電流以及另外兩相線電壓之間的相位差得到三相系統(tǒng)的功率因數(shù)。MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor），它具有低電壓、超低功耗、強(qiáng)大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、豐富的片內(nèi)外設(shè)、方便開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的性價(jià)比，在工程控制等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用范圍。使用MSP430實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)功率因數(shù)等電力參數(shù)的測(cè)量，不但提高了測(cè)量的精度和自動(dòng)化水平，而且降低了系統(tǒng)的功耗。

　　1 功率因數(shù)與相位

　　電機(jī)的功率因數(shù)cosΦ值是相電壓與相電流的余弦值。設(shè)三相的電壓分別為UA，UB，UC，電流分別為IA，IB，IC，則它們的表達(dá)式如下：

　　上式中：UM表示每相電壓幅值；IM表示每相電流幅值；ω表示角頻率；Φ表示相電流滯后相電壓的相位差角。圖1給出了三相輸電線路的相電壓、相電流的矢量圖。

　　對(duì)于三相對(duì)稱的電源，若電機(jī)的功率因數(shù)為1，即等效總負(fù)載為純阻性，則各相電源的相電流必定與其相電壓同相，相位差Φ=0°，而當(dāng)電機(jī)的功率因數(shù)值不為1時(shí)，電流向量與電壓向量之間將存在一定的夾角Φ，感性負(fù)載時(shí)Φ角滯后0°～90°，容性負(fù)載時(shí)角超前0°～-90°。因此準(zhǔn)確檢測(cè)線電壓與線電流之間的相位差，即可測(cè)量出電機(jī)的功率因數(shù)角。

　　2 相位差Φ計(jì)算原理

　　相位差Φ的計(jì)算原理是利用輸入2路信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)間差，以及信號(hào)的頻率來計(jì)算2路信號(hào)的相位差。

　　2.1 頻率的測(cè)量

　　首先測(cè)量單路輸入信號(hào)頻率，方法是記錄1路方波信號(hào)2次連續(xù)上升沿觸發(fā)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值t1和t2，計(jì)算出2次上升沿計(jì)數(shù)器差值△t=t1-t2，以定時(shí)器工作頻率fclk為參考，求出輸入信號(hào)的頻率為Fin=fclk／△N1。

　　2.2 信號(hào)相位差的測(cè)量

　　運(yùn)用TI的MSP430F449的捕獲功能，捕獲2路信號(hào)的過零點(diǎn)，記錄定時(shí)器這一時(shí)刻的計(jì)算值，計(jì)算出它們之間的時(shí)間差。TI公司的所有的FLASH型單片機(jī)都含有Timer_A，它是程序的核心。Timer_A由1個(gè)16位定時(shí)器和多路比較／捕獲通道組成。

　　2路信號(hào)的相位差△=360°×△t／Ti，其中，△t=△N2／flk，△N2為2路信號(hào)的上升沿分別觸發(fā)計(jì)數(shù)器的差值；Ti為輸入信號(hào)的周期。由相位差的計(jì)算可簡化為：

　　3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　測(cè)量系統(tǒng)以MSP430F449單片機(jī)為核心，主要由電壓電流檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、時(shí)鐘電路、電源電路和顯示電路組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　3.1 電壓、電流檢測(cè)電路

　　為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱電的隔離，提高抗干擾能力，檢測(cè)逆變器供電條件下的相電流以及兩相的線電壓，分別采用電流互感器和電壓互感器。由于逆變器供電不平衡，造成三相交流電壓、交流電流相位差不一致，影響功率因數(shù)測(cè)量的最終因數(shù)是相位，除頻率變化造成的相位改變外，還有互感器的相差及交流采樣時(shí)電流和電壓不能同步采樣造成的相差，這些因素造成的相差實(shí)際上是一個(gè)常數(shù)。

　　3.2 信號(hào)調(diào)理電路

　　電流互感器的輸出，經(jīng)運(yùn)算放大器和I／V轉(zhuǎn)換器，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。電壓信號(hào)和電流信號(hào)轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)進(jìn)行放大、施密特整形，把交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，輸入到單片機(jī)Timer_A的TA1，TA2輸入端。這樣測(cè)信號(hào)相移就變成測(cè)信號(hào)邊沿之間的時(shí)間寬度問題，MSP430F449單片機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)。

　　3.3 時(shí)鐘電路

　　時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時(shí)鐘信號(hào)，該系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘模塊，外接晶振方式，振蕩頻率主要由石英晶振的頻率決定。單片機(jī)內(nèi)部具有時(shí)鐘模塊，能實(shí)現(xiàn)超低功耗應(yīng)用。振蕩器和系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是廉價(jià)和低功耗。為達(dá)到系統(tǒng)廉價(jià)，外接器件縮減到只有一個(gè)普通晶振。在數(shù)字系統(tǒng)中，系統(tǒng)功耗與頻率成正比，所以使用低頻晶體和和含有倍頻器的振蕩器可以滿足時(shí)鐘系統(tǒng)速度與低功耗這2個(gè)要求。該系統(tǒng)的時(shí)鐘電路是用一頻率為32 768 Hz的晶振來固定整個(gè)電路的頻率來實(shí)現(xiàn)。

　　3.4 顯示電路

　　MSP430F449帶有內(nèi)部LCD驅(qū)動(dòng)模塊，直接將液晶顯示屏連接在芯片的驅(qū)動(dòng)端口即可，電路結(jié)構(gòu)極為簡單。LCD具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、超薄和可編程驅(qū)動(dòng)等其他顯示無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。由點(diǎn)陣液晶顯示器件與相應(yīng)的控制器、驅(qū)動(dòng)器裝配成的顯示模塊的種類較多，其功能、指令、接口定義及引腳并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，具體使用時(shí)應(yīng)加以選擇。

　　計(jì)算機(jī)技術(shù)，尤其是單片機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路及各種新型傳感元件的迅速發(fā)展和日臻成熟，微機(jī)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的普及應(yīng)用，使電力系統(tǒng)的測(cè)量和監(jiān)控技術(shù)得到了快速的發(fā)展。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，往往需要對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行期間的功率因數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，以便采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施來提高功率因數(shù)，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。若三相負(fù)載不平衡，為能比較真實(shí)地反映三相電機(jī)的功率因數(shù)值，可通過采樣三相交流電中任意一相相電流以及另外兩相線電壓之間的相位差得到三相系統(tǒng)的功率因數(shù)。MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor），它具有低電壓、超低功耗、強(qiáng)大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定、豐富的片內(nèi)外設(shè)、方便開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的性價(jià)比，在工程控制等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用范圍。使用MSP430實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)功率因數(shù)等電力參數(shù)的測(cè)量，不但提高了測(cè)量的精度和自動(dòng)化水平，而且降低了系統(tǒng)的功耗。

　　1 功率因數(shù)與相位

　　電機(jī)的功率因數(shù)cosΦ值是相電壓與相電流的余弦值。設(shè)三相的電壓分別為UA，UB，UC，電流分別為IA，IB，IC，則它們的表達(dá)式如下：

　　上式中：UM表示每相電壓幅值；IM表示每相電流幅值；ω表示角頻率；Φ表示相電流滯后相電壓的相位差角。圖1給出了三相輸電線路的相電壓、相電流的矢量圖。

　　對(duì)于三相對(duì)稱的電源，若電機(jī)的功率因數(shù)為1，即等效總負(fù)載為純阻性，則各相電源的相電流必定與其相電壓同相，相位差Φ=0°，而當(dāng)電機(jī)的功率因數(shù)值不為1時(shí)，電流向量與電壓向量之間將存在一定的夾角Φ，感性負(fù)載時(shí)Φ角滯后0°～90°，容性負(fù)載時(shí)角超前0°～-90°。因此準(zhǔn)確檢測(cè)線電壓與線電流之間的相位差，即可測(cè)量出電機(jī)的功率因數(shù)角。

　　2 相位差Φ計(jì)算原理

　　相位差Φ的計(jì)算原理是利用輸入2路信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)間差，以及信號(hào)的頻率來計(jì)算2路信號(hào)的相位差。

　　2.1 頻率的測(cè)量

　　首先測(cè)量單路輸入信號(hào)頻率，方法是記錄1路方波信號(hào)2次連續(xù)上升沿觸發(fā)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值t1和t2，計(jì)算出2次上升沿計(jì)數(shù)器差值△t=t1-t2，以定時(shí)器工作頻率fclk為參考，求出輸入信號(hào)的頻率為Fin=fclk／△N1。

　　2.2 信號(hào)相位差的測(cè)量

　　運(yùn)用TI的MSP430F449的捕獲功能，捕獲2路信號(hào)的過零點(diǎn)，記錄定時(shí)器這一時(shí)刻的計(jì)算值，計(jì)算出它們之間的時(shí)間差。TI公司的所有的FLASH型單片機(jī)都含有Timer_A，它是程序的核心。Timer_A由1個(gè)16位定時(shí)器和多路比較／捕獲通道組成。

　　2路信號(hào)的相位差△=360°×△t／Ti，其中，△t=△N2／flk，△N2為2路信號(hào)的上升沿分別觸發(fā)計(jì)數(shù)器的差值；Ti為輸入信號(hào)的周期。由相位差的計(jì)算可簡化為：

　　3系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　測(cè)量系統(tǒng)以MSP430F449單片機(jī)為核心，主要由電壓電流檢測(cè)電路、信號(hào)調(diào)理電路、時(shí)鐘電路、電源電路和顯示電路組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　3.1 電壓、電流檢測(cè)電路

　　為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)、弱電的隔離，提高抗干擾能力，檢測(cè)逆變器供電條件下的相電流以及兩相的線電壓，分別采用電流互感器和電壓互感器。由于逆變器供電不平衡，造成三相交流電壓、交流電流相位差不一致，影響功率因數(shù)測(cè)量的最終因數(shù)是相位，除頻率變化造成的相位改變外，還有互感器的相差及交流采樣時(shí)電流和電壓不能同步采樣造成的相差，這些因素造成的相差實(shí)際上是一個(gè)常數(shù)。

　　3.2 信號(hào)調(diào)理電路

　　電流互感器的輸出，經(jīng)運(yùn)算放大器和I／V轉(zhuǎn)換器，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。電壓信號(hào)和電流信號(hào)轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)進(jìn)行放大、施密特整形，把交流信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，輸入到單片機(jī)Timer_A的TA1，TA2輸入端。這樣測(cè)信號(hào)相移就變成測(cè)信號(hào)邊沿之間的時(shí)間寬度問題，MSP430F449單片機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)。

　　3.3 時(shí)鐘電路

　　時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需的時(shí)鐘信號(hào)，該系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘模塊，外接晶振方式，振蕩頻率主要由石英晶振的頻率決定。單片機(jī)內(nèi)部具有時(shí)鐘模塊，能實(shí)現(xiàn)超低功耗應(yīng)用。振蕩器和系統(tǒng)時(shí)鐘發(fā)生器的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是廉價(jià)和低功耗。為達(dá)到系統(tǒng)廉價(jià)，外接器件縮減到只有一個(gè)普通晶振。在數(shù)字系統(tǒng)中，系統(tǒng)功耗與頻率成正比，所以使用低頻晶體和和含有倍頻器的振蕩器可以滿足時(shí)鐘系統(tǒng)速度與低功耗這2個(gè)要求。該系統(tǒng)的時(shí)鐘電路是用一頻率為32 768 Hz的晶振來固定整個(gè)電路的頻率來實(shí)現(xiàn)。

　　3.4 顯示電路

　　MSP430F449帶有內(nèi)部LCD驅(qū)動(dòng)模塊，直接將液晶顯示屏連接在芯片的驅(qū)動(dòng)端口即可，電路結(jié)構(gòu)極為簡單。LCD具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、超薄和可編程驅(qū)動(dòng)等其他顯示無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。由點(diǎn)陣液晶顯示器件與相應(yīng)的控制器、驅(qū)動(dòng)器裝配成的顯示模塊的種類較多，其功能、指令、接口定義及引腳并無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，具體使用時(shí)應(yīng)加以選擇。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　MSP430F449單片機(jī)內(nèi)部具有多個(gè)時(shí)鐘源，可以靈活地配置給各模塊使用以及工作于多種低功耗模式，降低控制電路的功耗提高整體效率，其具有內(nèi)部自帶有高精度12為ADC12、一個(gè)集成LCD驅(qū)動(dòng)模塊、硬件乘法器以及Timer_A和Timer_B定時(shí)器等。

　　相電壓和相電流的相位差Φ測(cè)量程序由主程序和中斷程序組成。主程序完成各程控器件初始化、清零顯示器、設(shè)定時(shí)鐘頻率等功能，然后進(jìn)入低功耗模式，等待相位測(cè)量中斷。中斷服務(wù)程序完成頻率、相位差的測(cè)量。其流程圖如圖3所示。

　　此系統(tǒng)的軟件是在IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境下采用C語言編寫的，采用模塊化程序設(shè)計(jì)。測(cè)量功能由中斷完成的優(yōu)點(diǎn)是使單片機(jī)絕大部分時(shí)間處于低功耗狀態(tài)，充分發(fā)揮了MSP430系列單片機(jī)微功耗特點(diǎn)，降低了儀器的功耗。相位的測(cè)量需要對(duì)輸入信號(hào)的周期和相位差值分別采樣，周期的采樣使用CCR0來捕獲同一輸入信號(hào)相鄰的2個(gè)周期的上升沿，在第一個(gè)上升沿到來時(shí)觸發(fā)CCR0中斷，清零計(jì)數(shù)器并開始計(jì)數(shù)；當(dāng)?shù)诙€(gè)上升沿到來時(shí)再次觸發(fā)中斷，保存計(jì)數(shù)值。為了防止中斷沖突，提高測(cè)量的精度，采用滯后捕獲的方法。即電流信號(hào)上升沿到來時(shí)，禁止CCR0，一直等到CCR2捕獲到電流信號(hào)的上升沿為止，這時(shí)捕獲到的2個(gè)上升沿不在同一個(gè)周期內(nèi)，由于實(shí)測(cè)計(jì)數(shù)值和實(shí)際相位差計(jì)數(shù)值兩者之間的差值為整數(shù)倍，從而能夠得用已測(cè)到周期值算出2路信號(hào)相位差的實(shí)際計(jì)數(shù)值。為了提高測(cè)量的精廢要求，可以在程序中使用長度為20的樣本循環(huán)隊(duì)列，而每個(gè)樣本是40次周期采樣和60次相位差采樣的平均值。

　　5 結(jié)語

　　經(jīng)實(shí)踐證明，采用MsP430單片機(jī)技術(shù)對(duì)電機(jī)功率因數(shù)進(jìn)行高精度測(cè)量，既可以改變傳統(tǒng)的測(cè)量方法，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率因數(shù)的在線檢測(cè)，對(duì)提高電機(jī)的運(yùn)行，改善其性能起到一定的作用。由于采用測(cè)量單相電流及電壓之間的相位差來得到三相系統(tǒng)的功率因數(shù)的檢測(cè)方法，無需判斷相序，可適用于不同的電機(jī)接線方法，在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合工作穩(wěn)定可靠。MSP430F449單片機(jī)超低功耗存儲(chǔ)量大，工作電壓非常低，只要1.8～3.6 V即可以工作，十分適用于電池供電的工頻數(shù)字相位測(cè)量。該測(cè)量系統(tǒng)的相位測(cè)量絕對(duì)誤差≤2°，具有頻率測(cè)量及數(shù)字顯示功能；相位差數(shù)字顯示的相位讀數(shù)為0°～180.0°，分辨率為0.1°