基于DSP芯片TMS32LF2407的谐波控制器的硬、软件设计

当今电力系统中的电能质量问题越来越突出，一方面，大量敏感性负荷对电能质量的要求越来越高，而另一方面，越来越多的非线性负荷不断接入电网，使电力系统总体的电能质量状况不断恶化。
谐波是电能质量中很重要的一个方面，谐波的存在对电力系统产生的危害有以下几个方面：
1)可能使电力系统继电保护装置和自动装置产生误动或拒动；
2)使各种电气设备产生附加损耗和发热，使电机产生机械振动及噪声；
3)谐波电流在电网中流动增加损耗，影响电网及各种电气设备的经济运行；
4)谐波电流通过电磁感应、电容耦合以及电气传导等作用，对周围的通信系统产生干扰；
5)谐波使电网中广泛使用的各种测量仪表产生误差；
6)增加了电网中发生谐波谐振的可能，从而造成很高的过电流或过电压而引发事故的危险性。
随着谐波污染的日益严重和对电能质量要求的提高，对谐波抑制的要求也越来越高，如何根据现场的谐波污染状况进行滤波器的投切也变得更加重要。针对这种情况，研制了一种谐波控制器，它可以对现场的谐波和无功等进行监测，根据现场谐波状况对滤波器进行自动投切，达到抑制谐波、改善电能质量的目的。下面介绍基于DSP芯片TMS32LF2407的谐波控制器的硬、软件设计。

1 谐波控制器的硬件设计
谐波控制器的基本原理是实时对电流、电压进行采样，将采到的数据经过D5P进行数据分析后，得到现场谐波的状况，从而决策是否对滤波器进行投切。
美国TI公司生产的TMS32LF2407型DSP芯片是一款高性能16位定点DSP，该系列DSP控制器将实时信号处理能力和控制器外设功能集于一身，特别适合于工业控制应用。其芯片供电电压为3.3V，降低了控制器的功耗。高达40M 1PS的执行速度(工作最高频率为40MEz)，片内有32K字的Flash程序存贮器，544字的DARAM和2K字的SARAM，可以外扩存贮器总共有：194K字空间，片内集成了看门狗(WDT)；提供多达16路模拟输入的10位A／D，最小转换时间为375ns；高达40个可单独编程或复用的通用输入/输出引脚。具有低成本、低功耗、高速运算能力和高性能处理能力的优点。因此，该DSP芯片可以满足作为此系统主控芯片的要求。
所研制的谐波控制器的硬件结构图如图1所示。

通过图1可知，此硬件电路主要包括采样电路、中央处理单元、复位电路、键盘和液晶显示功能、执行机构等几个部分。下面就硬件电路设汁中要特别注意的地方进行阐述：
1.1 采样电路
由于TMS32LF2407芯片的AD采样最大只能送入3.3V的电压信号，因此，在将电流、电压信号送到AD口之前要经过电流互感器和电压互感器进行调理，为了使引入的信号免受外界的干扰，互感器类型的选择和调理电路的抗千扰要特别地注意。此外，采样电路还应该要注意的一点是：由于TMS32LF2407的AD口很脆弱，也就是说AD口不能送入峰值超过3.3V的电压信号，否则AD口将被烧坏，因此，最好添加一个限幅电路。具体的调理电路如图2所示。

1.2 过零检测电路
为了使主芯片能够实现同步采样，进而提高数据处理的真实性，因此，在电路中应该加入过零检测电路。过零检测电路也就是方波发生电路，它对谐波分析同步采样起着很重要的作用。它将电压信号变为同频率的方波信号，DSP通过捕获方波的上升沿来跟踪电网频率，为保证同步采样提供了条件。具体的检测电路如图3所示。

1.3 执行单元
在执行单元中，继电器的供电电源是12V，而DSP的供电电源和IO口输出的高电平为3.3V，为防止高于3.3V的电压引入DSP，导致DSP的损坏，继电器控制信号的输出采用了光耦器件817进行隔离，继电器开关侧使用了阻容吸收电路来减小在开关开合时的冲击。具体电路如图4所示。

2 谐波控制器的软件设计
软件设计的核心就是对信号中的谐波分量进行分析，DSP在两个信号周期采样128个点，基于这些采样点进行快速付里叶变换(FFT)运算，从而分析得到信号中谐波的含量。谐波分量的分析精度取决于FFT的精度和同步采样。当采样频率是信号频率的整数倍时，即实现同步采样，采用矩形截断，并用FFT算法进行频谱分析，不会产生任何泄漏现象，可以精确重现信号频谱。如果能自动达到同步采样，对算法本身的要求就不需要太高，因为，同步采样后采用矩形窗进行FFT，矩形窗就意味着采样的数据可以直接作为FFT子函数的输入。过零检测电路就是为了实现同步采样，DSP捕获方波电路产生的方波上升沿，可以求出方波频率即信号频率。根据此频率可确定采样时间和两点间的采样间隔时间(两次AD转换之间的时间)，通过这个方法就叮以实现同步采样，获得精确的频谱。每次FFT运算前都会重新根据实际电网情况改变采样策略，在几个周期内对电网频率的变化迅速作出反应，这样提高测量的可靠性和实夹浴
交流电压u(t)及电流信号i(t)每个周期进行N次采样，测得的离散值为u(n)、i(n)，得到的离散化电压、电流有效值和有功功率计算公式为(N为采样点数)