基于DSP TMS320F240的电压无功控制器设计

电压无功控制器通常由单片机系统构成，它集数据采集、数据处理、控制判断和控制输出于一身。这就使得单片机负担比较重，而且限于单片机自身的处理能力，无法实现复杂的数据处理和控制策略。将DSP芯片应用到电压无功控制器，可以有效地提高其性能。



TMS320F24X 系列是美国TI公司推出的高性能16位定点DSP，专门为电机控制和其它控制系统而设计。TMS320F240是其中典型的一种，片内的外设和强大的处理能力使它很适合用于电压无功控制器。本文着重介绍其于TMS320F240的电压我功控制器的设计及其编程。

1   基于TMS320F240的电压无功控制器的设计

1.1    TMS320F240简介

TMS320F240主要由CPU、存储器和片上外设三部分组成，其主要特点如下：

·采用改进型哈佛结构，具有分离的程序总线和数据总线，使用四级流水线作业，并且允许数据在程序存储空间和数据存储空间之间传输，从而提高了运行速度和编程的灵活性。指令执行速度为20MIPS，几乎所有的指令都可以在50ns的单周期内执行完毕。

·存储器可寻址空间224K字(64K字程序空间，64K字数据空间，64K字I/O空间，32K字全局空间);片内有16K字的Flash EEPROM。
·双10位A/D转换器，共16位输入通道，转换时间为6μs。事件管理器中有3个定时/计数器，4个捕获单元等。

1.2    控制器的硬件结构

控制器总体结构如图1所示，由CPU、开关量输入、开关量输出、模拟量输入、键盘显示和通信等模块组成。CPU模块采用主从式结构：单片机(采用Intel公司的80C196)为主，完成外围电路的控制，处理整个控制器的工作流程; TMS320F240为从，完成数据采集，数据计算等。单片机和TMS320F240之间采用双口RAM进行通讯。TMS320F240主要外围电路如图 2所示。



XTAL1和XTAL2之间接10MHz的晶振，经片内PLL时钟模块后系统时钟为 20MHz。16个A/D通道分为两组:AD0～AD3和AD8～AD11为1组，采集变压器#1高压主侧电压电流及低压侧电压信号;AD4～AD7和 AD12～AD15为II组，采集变压器#2电量。高压侧每一相的电压电流同步采集，可以保证计算准确。扩展16K字外部数据存储器用来存放采集的电压、电流。扩展2K×8位的双口RAM用来和单片机(80C196)通讯。采用双口RAM进行通讯具有程序设计简单、数据传输方便快速等优点。

2   TMS320F240的编程

TMS320F240的程序采用汇编语言编写，其流程见图3。在程序初始化部分，对芯片内部寄存器进行设置。通用定时器1设置为连续递增计数模式，代码如下：

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



频率为6.4kHz。数据采集部分采用定时器1，数据长度为128点。这样，对于50Hz信号可保证采样为一个整周期。A/D转换设置为双A/D同步采术，如通道0与通道8采样时，设置A/D的代码为:

LDP #224
SPLK #1001100100000000b,ADCTRL1
SPLK #0000000000000101b，ADCTRL2

谐波分析采用基2的128点快速速傅立叶变换，取前30次谐波数据传递给80C196。
程序中每一相的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率使用下列各式计算(其中N=128)。

电压有效值：



电流有效值：



有功功率：



无功功率



TMS320F240中没有开平方运算的指令，电压、电流计算中的开平方采用牛顿代法。开平方函数f(x)=x2-c=0的根的牛顿迭代公式为：



迭达收敛的速度取决于x初值的选取。初值x0越接近真值，收敛速度越快。政党情况下，电网的电压及电流尤其是电压变化范围不大，初值比较好选取。

由于单相电压电流采用同步采样，功率的计算比较准确。三相电路的有功功率及无功功率分别为它们的各相之和。电路为三相对称时，可采用单相功率的3倍作为总的三相功率。

TMS320F240与80C196的通讯采用双口RAM完成。在双口RAM中定义寄存器单元存放命令字DSP_MCU_CMD。DSP读取判断是否进行采样、是否进行FFT、是否计算有关电量。DSP完成指令后，将命令字相应位置1; 80C196检测该位，从双口RAM中读取数据。

3    实验结果

利用信号发生器产生正弦信号，叠加2.5V的直流偏移后输入到两个A/D同步采集通道(通道0和通道8)，进行测量实验。信号I视为电压无功控制器待测量的电压信号;信号II视为电流信号。实验一的输入信号波形见图4，频率为50.63Hz，电压U(信号I)领先电流I(信号II)27.6度，实验结果见表1;实验二输入信号波形见图5，频率为49.69Hz，电压U(信号I)落后电流I(信号II)44.5度实验，结果见表2。

TMS320F240的应用，极大地改善了电压无功控制器的性能，使得控制器能够对诸如过压、欠压、缺相、谐波越限等故障做出反应。同时电压无功控制器的数据处理与外围控制分开，有利于系统的模块化设计，提高了系统的可靠性。