TMS320F28335在电网频率测量中的应用

0 引 言

　　频率是衡量电能质量的重要指标， 也是判断电力系统故障的重要依据。一般情况下， 电力系统的频率会随着负荷的波动而有所变化。在正常情况下电网频率变化缓慢，即使发生系统事故， 在很短的时间内（ 如一个工频周期） 电网频率的变化量也是较小的。频率测量若能不断实时地测量电网频率， 所测量的频率误差可减小到很小的程度。

　　数字频率的测量方法主要有： （ 1） 测量电压波形某一整数周波的时间， 从而计算频率； （ 2） 利用波形识别或曲线拟合技术来估算频率。后一种方法不能很好的抑制谐波分量， 计算量偏大， 要对每一周波都进行一次计算， 将会占用过多的处理器时间， 其不能兼顾计算精度与实时性。而前者的测量精度受电压过零点的影响较大。

　　本文提出通过过零检测电路将电网基波整型成方波，用TMS320F28335（ DSP） 的捕捉模块对方波上升沿进行捕捉的频率测量方法， 在一定程度上抑制了电压过零点的影响， 有很好的测量精度和实时性。

　　1 通用定时器与捕捉模块

　　TMS320F28335 是指令周期为6. 67 ns。主频达150 MHz; 高性能的32 位CPU , 单精度浮点运算单元（ FPU ） , 采用哈佛流水线结构， 能够快速执行中断响应。 并具有统一的内存管理模式。本文提出的测频方法主要应用TMS320F28335 中的捕获单元（ eCAP） 和通用定时器（ GPT ） 单元。

　　1. 1 通用定时器

　　通用定时器是TMS320F28335 常用的PIE 接口， 其核心是计数器， 32 位计数。通用定时器有多种工作模式，以满足不同的需要。每个定时器可以独立工作， 也可以相互同步工作。可以对寄存器事先设置来实现相应的功能。

　　全局通用定时器控制寄存器GPTCON A （ EVA 中） 和GPT CONB（ EVB 中） 规定通用定时器在不同事件中所采取的操作， 并规定它们的计数方向。为了完成测频所需要的功能， 需要设置GPT 的计数寄存器T xCN T、定时器比较寄存器Tx CMPR、定时器周期寄存器Tx PR 以及定时器控制寄存器T xCON （ x = 1, 2, 3, 4） 。

　　1. 2 捕捉模块

　　eCAP 模块是一个完整的捕捉通道， 能够实现多个时间的捕捉任务， eCAP 单元结构如图1 所示。

图1 捕捉单元结构

　　TMS320F28335 有6 个捕捉单元， 分两组， 每个捕捉单元都有一个专用的捕捉输入引脚， 能够对输入引脚的电平变化做出反应并捕捉电平变化发生的时间。当引脚电平发生变化， 触发事件将被触发： 将指定的通用定时器的计数值压到该捕捉单元的两级FIFO, 当FIFO 的数据个数大于或等于2 时触发捕捉中断请求。中断响应可以进行频率的计算及其相应操作。

　　2 系统硬件电路及其测量原理

　　2. 1 系统的组成

　　系统主要由互感器、低通滤波、过零检测、控制处理等模块组成。系统模块如图2 所示。

图2 系统硬件结构

　　在模拟通道的前端通过精密互感器对电网信号进行采集。低通滤波滤除信号的高次谐波， 以避免谐波对过零检测环节的影响， 提高测量精度。过零检测电路由电压比较器MAX474 和电阻等元件组成， 对正弦信号进行整形，得到与电网基波相同频率的方波信号， 提高信号边沿的捕捉精度。过零检测电路对正弦信号的陷波有一定的抑制能力。

　　2. 2 测量原理

　　采用TMS320F28335 的eCAP1 模块对方波的上升沿进行捕捉， 每次捕捉完上升沿后都对32 位定时器进行置位， 上升捕捉的计数值为N 1。

　　则除设备开始运行的第一周波之外， 之后的捕捉到的定时器值N 1 与频率f 成比例关系， 即：

　　（ 其中K 为输入信号分频系数）。

　　在150 MHz 主频的DSP 中， 32 位的定时器溢出的时间接近半分钟， 对电力系统基波进行上述的测量， 其不会溢出。

　　3 测频在DSP 中的实现

　　3. 1 时间预定标器与误差分析

　　时间预定标器的功能框图如图3 所示。

图3 事件预定标器功能

　　输入的被捕捉信号可以通过预定标器进行频， 或者选择直通工作方式。分频系数由寄存器ECCT L1 的PRESCALE 控制， 可以进行2 到62 偶数次分频。分频有利于提高测量精度， 因为频率测量时计数值越高， 测频的测量精度也就越高。

　　采用直通方式对50 Hz 的信号进行测频， 计数值大概为3× 106 次。假设对信号进行K 次分频， 则计数值将是K× 3×106 次。定时器由于计数造成的绝对误差为：

　　采用时间预定标器对信号分频可以提高测量精度， 但也会降低测量的实时性。对于K 分频， 则需要K 个周波才能得到频率信息， 即此时得到的测量频率是K 个周波之前的频率。采用直通方式造成的绝对误差大约为310- 7 , 完全可以满足电力系统测频的要求。考虑到电力系统频率测量的实时性， 本设计采样直通方式对频率进行测量。

3. 2 捕捉单元的处理

输入信号可以由GPIO5、