风力发电机实验测试系统的设计与实现

由于本文的风力发电机测试系统需要进行频谱分析的是交流部分，8路0～1 500 V的交流电压和8路0～10 A交流电流,用于交流部分频谱分析的A/D芯片THS1206为4通道输入芯片，所以本系统需用4片THS1206。
2.2 ADS7864与TMS320C5416接口电路
　ADS7864是德州仪器(TI)公司Burr-Brown产品部推出的快速6通道全差分输入的双12位A/D转换器。能以500 kS/s的采样速率进行6通道同时采样，特别适合于数据采集系统中电力参数的采集[4]。
　图3为TMS320C5416与一片ADS7864的接口电路，6个差分模拟输入通道CHA0、CHA1、CHB0、CHB1、CHC0和CHC1输入的模拟信号被ADS7864的6个采样保持器保持，当ADS7864对采样的6路信号转换完毕后，ADS7864的BUSY引脚产生中断信号，与DSP的INT0引脚相连表示转换完毕，DSP可以通过中断程序对转换完毕的采样信号进行读取与处理。ADS7864的A2、A1、A0为地址和模式控制端，用于选择数据的读出方式，这里A2A1A0=110,输出模式为循环方式。BYTE信号用于决定输出数据宽度，令其为低电平，一次输出16位信号(DB15~DB0)，CLOCK信号用作A/D转换所需的时钟,这里选择时钟的最高工作频率为8 MHz，由CPU的时钟提供。控制三组输入通道的采样/保持信号HOLDA、HOLDB、HOLDC连接在一起，由CPLD进行控制。

由于TMS320C5416的I/O口工作电压是3.3 V，ADS7864的数字端工作电压是5 V，所以它们之间必须连接由5 V转换到3.3 V的电平转换芯片74LVC16245。本文风力发电机测试系统需要同步测试22路信号，ADS7864为6通道差分输入A/D转换芯片，所以本系统需用4片ADS7864芯片。22路信号的同步采集由CPLD控制每片ADS7864的HOLDX引脚为低电平来实现。
3 测试系统软件设计
3.1 系统整体软件设计
　 本文风力发电机测试系统主程序流程图如图4(a)所示。首先进行系统初始化，根据DSP芯片固有的功能和特征，进入主程序的入口设置，所有寄存器清零，进行程序存储器ROM区和数据存储器RAM区的初始化，中断矢量设置等主程序运行前的准备工作，以及检查系统电源，监视芯片上电后的DSP芯片内的硬件运行情况。当DSP芯片运行正常后，进入测试系统软件的主程序运行，使用默认配置参数来设定系统的存储器资源和总线占用资源。

　 系统在默认配置参数正常的情况下，开始定时器设置，系统可通过定时器的设置确定采样时间。在一次采样结束后，首先进入数据预处理，再将数据通过USB接口向上位机传送。同时需要进行频谱分析的数据在液晶显示屏里显示出来。每次采样及数据处理结束后，都要对数据的采样数量进行判断，如果条件满足，则系统数据采样处理过程结束。如果不满足，还要继续进行定时器设定时间的判断，如果定时器设定时间到，则进行新一轮的采样过程，否则进行等待循环状态。
3.2 A/D芯片的采样控制软件设计
　 在启动系统采样工作前，系统首先要确定采集的数据是否要进行频谱分析，由CPLD进行软件编程设置，通过控制A/D芯片的片选信号，具体选择哪种A/D芯片进行采样。通过定时器中断启动系统的采样。图4(b)为A/D芯片采样控制流程图，其中A/D芯片ADS7864的同步采样是通过CPLD控制其HOLDX引脚为低电平实现的，当采样工作结束后，A/D芯片的INT端口会输出低电平信号给DSP的I/O端口。在程序中设置中断，一旦检测到I/O口工作结束的信号，通过DSP的地址总线选通A/D芯片，并输出读数据命令给A/D芯片，依次通过数据总线将结果读入DSP。
4 滤波试验测试
　 众所周知，风力发电机并网运行会给电网带来影响，谐波污染是其中之一。任何一种风力发电机并网运行都会引起电压和电流的畸变[5]。本文风力发电机测试系统前端22路模拟输入信号也会伴随产生奇次谐波。为了滤除掉这些干扰的奇次谐波，本文采用内部软件方法有效地滤除了这些谐波。试验中，输入部分为风力发电机频率为50 Hz的基波，伴随基波的还有150 Hz、250 Hz等奇波频率部分。要求滤除这些奇次谐波，只保留50 Hz的基波部分。具体滤波过程如下：首先应用MATLAB软件进行滤波仿真，设计一个IIR(Infinite Impulse Response)型数字滤波器，滤波器的阶数为3，观察仿真波形图，如果结果可行，则进行DSP实现。
　 通过TMS320C5416的JTAG仿真接口，利用DSP的软件开发平台CCS(Code Composer Studio)进行实验测试。输入50 Hz的基波和相伴产生的奇次谐波。采样频率为1 500 Hz，采样点为256点。图5为利用CCS的绘图工具绘制的采集到的256点数据的时域与频域波形，图5(a)为滤波前输入信号的时域图，图5(b)为滤波后信号的时域图，图中横坐标为采样时间，纵坐标为输入波形的幅度。由图5(b)滤波后波形可以看出，滤波效果明显，只剩下频率为50 Hz的基波部分，干扰的奇次谐波被有效地滤掉了。图5(c)、图5(d)为滤波前后输入信号的频域图，图5(c)中可以看出，除了50 Hz基波部分外,还伴随很多干扰的谐波成分，横坐标为信号周期，即频率倒数，纵坐标为信号的幅度,从图5(d)滤波后的频谱图可以看出，大部分干扰谐波被滤掉，效果明显，由于本实验采用的滤波器阶数仅为3阶，如果再提高滤波器阶数，则滤波效果会更加明显。