摘? 要: 介紹DSP芯片TMS320F240的特點,討論了它在電壓無功控制器(VQC)中的應(yīng)用。提供了基于DSP芯片的VOC設(shè)計及DSP芯片外圍電路設(shè)計,介紹TMS320F240的軟件編程。DSP芯片的應(yīng)用極大地提高了VQC的性能。

　　關(guān)鍵詞: DSP? TMS320F240? 電壓無功控制器

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　　電壓質(zhì)量對于電力系統(tǒng)的正常運行有著重要意義。電壓能否維持在合格范圍內(nèi)直接影響著電力工業(yè)本身的安全;系統(tǒng)的無功功率" title="無功功率">無功功率對電壓的影響極大,維持電網(wǎng)正常運行情況下的無功平衡是改善電壓質(zhì)量的基本條件。對電壓無功進(jìn)行綜合控制可以保證電壓合格和無功潮流平衡,同時還能提高電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟性。利用變電站中電壓無功控制器自動調(diào)節(jié)有載變壓器分接頭和并聯(lián)補償電容器組可以實現(xiàn)這一綜合控制。

　　電壓無功控制器通常由單片機系統(tǒng)構(gòu)成,它集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理" title="數(shù)據(jù)處理">數(shù)據(jù)處理、控制判斷和控制輸出于一身。這就使得單片機負(fù)擔(dān)比較重,而且限于單片機自身的處理能力,無法實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和控制策略。將DSP芯片應(yīng)用到電壓無功控制器,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DSP,專門為電機控制和其它控制系統(tǒng)而設(shè)計。TMS320F240是其中典型的一種,片內(nèi)的外設(shè)和強大的處理能力使它很適合用于電壓無功控制器。本文著重介紹基于TMS320F240的電壓無功控制器的設(shè)計及其編程。

1 基于TMS320F240的電壓無功控制器的設(shè)計

1.1 TMS320F240簡介

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

　　·采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu),具有分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線,使用四級流水線作業(yè),并且允許數(shù)據(jù)在程序存儲空間和數(shù)據(jù)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(zhí)行速度為20MIPS,幾乎所有的指令都可以在50ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。

　　·存儲器可尋址空間224K字(64K字程序空間,64K字?jǐn)?shù)據(jù)空間,64K字I/O空間,32K字全局空間);片內(nèi)有16K字的Flash EEPROM。

　　·雙10位A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器,共16個輸入通道,轉(zhuǎn)換時間為6μs。事件管理器中有3個定時/計數(shù)器,4個捕獲單元等。

1.2 控制器的硬件結(jié)構(gòu)

　　控制器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由CPU、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入、鍵盤顯示和通信等模塊組成。CPU模塊采用主從式結(jié)構(gòu):單片機(采用Intel公司的 80C196)為主,完成外圍電路的控制,處理整個控制器的工作流程;TMS320F240為從,完成數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)計算等。單片機和TMS320F240之間采用雙口" title="雙口">雙口RAM進(jìn)行通訊。TMS320F240主要外圍電路如圖2所示。

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　　XTAL1和XTAL2之間接10MHz的晶振,經(jīng)片內(nèi)PLL時鐘模塊后系統(tǒng)時鐘為20MHz。16個A/D通道分為兩組:AD0～AD3和AD8～AD11為I組,采集變壓器#1高壓側(cè)電壓電流及低壓側(cè)電壓信號;AD4～AD7和AD12～AD15為II組,采集變壓器#2電量。高壓側(cè)每一相的電壓電流同步采集,可以保證計算準(zhǔn)確。擴展16K字外部數(shù)據(jù)存儲器用來存放采集的電壓、電流。擴展2K×8位的雙口RAM用來和單片機(80C196)通訊。采用雙口RAM進(jìn)行通訊具有程序設(shè)計簡單、數(shù)據(jù)傳輸方便快速等優(yōu)點。

2 TMS320F240的編程

　　TMS320F240的程序采用匯編語言編寫,其流程見圖3。在程序初始化部分,對芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置。通用定時器1設(shè)置為連續(xù)遞增計數(shù)模式,代碼如下:

　　LDP ? #232?

　　SPLK #1000000101000000b， T1CON

　　SPLK #0000000000101010b， GPTCON

　　SPLK #1563，T1PR???? ；set sample frequency=20000/2/1563=6.4kHz

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??? 頻率為6.4kHz。數(shù)據(jù)采集部分采用定時器1,數(shù)據(jù)長度為128點。這樣,對于50Hz信號可保證采樣為一個整周期。A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置為雙A/D同步采樣,如通道0與通道8采樣時,設(shè)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點快速傅立葉變換,取前30次諧波數(shù)據(jù)傳遞給80C196。

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

????電壓有效值:

　　????

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??? 電流有效值:

　　有功功率:

　　????

　　無功功率:

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

　　迭代收斂的速度取決于x初值的選取。初值x0越接近真值，收斂速度越快。正常情況下,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(zhǔn)確。三相電路的有功功率及無功功率分別為它們的各相之和。電路為三相對稱時,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(yīng)位置1;80C196檢測該位,從雙口RAM中讀取數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)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A/D同步采集通道(通道0和通道8),進(jìn)行測量實驗。信號I視為電壓無功控制器待測量的電壓信號;信號II視為電流信號。實驗一的輸入信號波形見圖4,頻率為50.63Hz,電壓U(信號I)領(lǐng)先電流I(信號II)27.6度,實驗結(jié)果見表1;實驗二輸入信號波形見圖5,頻率為49.69Hz,電壓U(信號I)落后電流I(信號II)44.5度實驗,結(jié)果見表2。

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　　由以上結(jié)果可知,DSP單元中的測量精度相當(dāng)高,電壓無功控制器設(shè)計中應(yīng)著重提高前端模擬電路的精度。

　　TMS320F240的應(yīng)用,極大地改善了電壓無功控制器的性能,使得控制器能夠?qū)χT如過壓、欠壓、缺相、諧波越限等故障做出反應(yīng)。同時電壓無功控制器的數(shù)據(jù)處理與外圍控制分開,有利于系統(tǒng)的模塊化設(shè)計,提高了系統(tǒng)的可靠性。

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參考文獻(xiàn)

1 黃益莊,王 蕾,呂文哲. 高壓變電站電壓和無功的關(guān)聯(lián)分散控制. 電力系統(tǒng)自動化,1998;22(10)

2 侯博淵.變電站無功補償設(shè)備的運行與控制.北京:水利電力出版社, 1991