基于MSP430的电机功率因数测量系统

计算机技术，尤其是单片机技术和大规模集成电路及各种新型传感元件的迅速发展和日臻成熟，微机技术在电力系统中的普及应用，使电力系统的测量和监控技术得到了快速的发展。在工业生产过程中，往往需要对电动机运行期间的功率因数进行检测，以便采取相应的补偿措施来提高功率因数，从而达到节约电能的目的。若三相负载不平衡，为能比较真实地反映三相电机的功率因数值，可通过采样三相交流电中任意一相相电流以及另外两相线电压之间的相位差得到三相系统的功率因数。MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)，它具有低电压、超低功耗、强大的处理能力、系统工作稳定、丰富的片内外设、方便开发等优点，具有很高的性价比，在工程控制等领域有着极其广泛的应用范围。使用MSP430实现对电机功率因数等电力参数的测量，不但提高了测量的精度和自动化水平，而且降低了系统的功耗。
1 功率因数与相位
电机的功率因数cosΦ值是相电压与相电流的余弦值。设三相的电压分别为UA，UB，UC，电流分别为IA，IB，IC，则它们的表达式如下：

上式中：UM表示每相电压幅值；IM表示每相电流幅值；ω表示角频率；Φ表示相电流滞后相电压的相位差角。图1给出了三相输电线路的相电压、相电流的矢量图。

对于三相对称的电源，若电机的功率因数为1，即等效总负载为纯阻性，则各相电源的相电流必定与其相电压同相，相位差Φ=0°，而当电机的功率因数值不为1时，电流向量与电压向量之间将存在一定的夹角Φ，感性负载时Φ角滞后0°～90°，容性负载时角超前0°～-90°。因此准确检测线电压与线电流之间的相位差，即可测量出电机的功率因数角。
2 相位差Φ计算原理
相位差Φ的计算原理是利用输入2路信号过零点的时间差，以及信号的频率来计算2路信号的相位差。
2.1 频率的测量
首先测量单路输入信号频率，方法是记录1路方波信号2次连续上升沿触发的定时器计数值t1和t2，计算出2次上升沿计数器差值△t=t1-t2，以定时器工作频率fclk为参考，求出输入信号的频率为Fin=fclk／△N1。
2.2 信号相位差的测量
运用TI的MSP430F449的捕获功能，捕获2路信号的过零点，记录定时器这一时刻的计算值，计算出它们之间的时间差。TI公司的所有的FLASH型单片机都含有Timer_A，它是程序的核心。Timer_A由1个16位定时器和多路比较／捕获通道组成。
2路信号的相位差△=360°×△t／Ti，其中，△t=△N2／flk，△N2为2路信号的上升沿分别触发计数器的差值；Ti为输入信号的周期。由相位差的计算可简化为：
3系统硬件结构
测量系统以MSP430F449单片机为核心，主要由电压电流检测电路、信号调理电路、时钟电路、电源电路和显示电路组成。其系统结构图如图2所示。

3.1 电压、电流检测电路
为实现强、弱电的隔离，提高抗干扰能力，检测逆变器供电条件下的相电流以及两相的线电压，分别采用电流互感器和电压互感器。由于逆变器供电不平衡，造成三相交流电压、交流电流相位差不一致，影响功率因数测量的最终因数是相位，除频率变化造成的相位改变外，还有互感器的相差及交流采样时电流和电压不能同步采样造成的相差，这些因素造成的相差实际上是一个常数。

3.2 信号调理电路
电流互感器的输出，经运算放大器和I／V转换器，把电流信号转换成电压信号。电压信号和电流信号转化的电压信号进行放大、施密特整形，把交流信号转化为方波信号，输入到单片机Timer_A的TA1，TA2输入端。这样测信号相移就变成测信号边沿之间的时间宽度问题，MSP430F449单片机很容易实现。
3.3 时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，该系统采用内部时钟模块，外接晶振方式，振荡频率主要由石英晶振的频率决定。单片机内部具有时钟模块，能实现超低功耗应用。振荡器和系统时钟发生器的主要设计目标是廉价和低功耗。为达到系统廉价，外接器件缩减到只有一个普通晶振。在数字系统中，系统功耗与频率成正比，所以使用低频晶体和和含有倍频器的振荡器可以满足时钟系统速度与低功耗这2个要求。该系统的时钟电路是用一频率为32 768 Hz的晶振来固定整个电路的频率来实现。
3.4 显示电路
MSP430F449带有内部LCD驱动模块，直接将液晶显示屏连接在芯片的驱动端口即可，电路结构极为简单。LCD具有功耗低、体积小、质量轻、超薄和可编程驱动等其他显示无法比拟的优点。由点阵液晶显示器件与相应的控制器、驱动器装配成的显示模块的种类较多，其功能、指令、接口定义及引脚并无统一标准，具体使用时应加以选择。