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

　　關鍵詞: DSP? TMS320F240? 電壓無功控制器

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

　　電壓無功控制器通常由單片機系統構成,它集數據采集、數據處理" title="數據處理">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,無法實現復雜的數據處理和控制策略。將DSP芯片應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功控制器。本文著重介紹基于TMS320F240的電壓無功控制器的設計及其編程。

1 基于TMS320F240的電壓無功控制器的設計

1.1 TMS320F240簡介

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

　　·采用改進型哈佛結構,具有分離的程序總線和數據總線,使用四級流水線作業,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" title="A/D">A/D轉換器,共16個輸入通道,轉換時間為6μs。事件管理器中有3個定時/計數器,4個捕獲單元等。

1.2 控制器的硬件結構

　　控制器總體結構如圖1所示,由CPU、開關量輸入、開關量輸出、模擬量輸入、鍵盤顯示和通信等模塊組成。CPU模塊采用主從式結構: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,完成數據采集,數據計算等。單片機和TMS320F240之間采用雙口" title="雙口">雙口RAM進行通訊。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,經片內PLL時鐘模塊后系統時鐘為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進行通訊具有程序設計簡單、數據傳輸方便快速等優點。

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,對芯片內部寄存器進行設置。通用定時器1設置為連續遞增計數模式,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。數據采集部分采用定時器1,數據長度為128點。這樣,對于50Hz信號可保證采樣為一個整周期。A/D轉換設置為雙A/D同步采樣,如通道0與通道8采樣時,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點快速傅立葉變換,取前30次諧波數據傳遞給80C196。

　　程序中每一相的電壓有效值" 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讀取判斷是否進行采樣、是否進行FFT、是否計算有關電量。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 實驗結果

　　利用信號發生器產生正弦信號,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)領先電流I(信號II)27.6度,實驗結果見表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,結果見表2。

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　　由以上結果可知,DSP單元中的測量精度相當高,電壓無功控制器設計中應著重提高前端模擬電路的精度。

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

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參考文獻

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

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