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TMS320F240在電壓無功綜合控制中的應(yīng)用
摘要：介紹DSP芯片TMS320F240的特點(diǎn)，討論了它在電壓無功控制器（VQC）中的應(yīng)用。提供了基于DSP芯片的VOC設(shè)計(jì)及DSP芯片外圍電路設(shè)計(jì)，介紹TMS320F240的軟件編程。DSP芯片的應(yīng)用極大地提高了VQC的性能。關(guān)鍵詞：DSP TMS320F240 電壓無功控制器
電壓質(zhì)量對(duì)于電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要意義。電壓能否維持在合格范圍內(nèi)直接影響著電力工業(yè)本身的安全；系統(tǒng)的無功功率對(duì)電壓的影響極大，維持電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下的無功平衡是改善電壓質(zhì)量的基本條件。對(duì)電壓無功進(jìn)行綜合控制可以保證電壓合格和無功潮流平衡，同時(shí)還能提高電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。利用變電站中電壓無功控制器自動(dòng)調(diào)節(jié)有載變壓器分接頭和并聯(lián)補(bǔ)償電容器組可以實(shí)現(xiàn)這一綜合控制。
電壓無功控制器通常由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，它集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制判斷和控制輸出于一身。這就使得單片機(jī)負(fù)擔(dān)比較重，而且限于單片機(jī)自身的處理能力，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和控制策略。將DSP芯片應(yīng)用到電壓無功控制器，可以有效地提高其性能。
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TMS320F24X系列是美國TI公司推出的高性能16位定點(diǎn)DSP，專門為電機(jī)控制和其它控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。TMS320F240是其中典型的一種，片內(nèi)的外設(shè)和強(qiáng)大的處理能力使它很適合用于電壓無功控制器。本文著重介紹其于TMS320F240的電壓我功控制器的設(shè)計(jì)及其編程。
1 基于TMS320F240的電壓無功控制器的設(shè)計(jì)
1.1 TMS320F240簡介
TMS320F240主要由CPU、存儲(chǔ)器和片上外設(shè)三部分組成，其主要特點(diǎn)如下：
·采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，具有分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線，使用四級(jí)流水線作業(yè)，并且允許數(shù)據(jù)在程序存儲(chǔ)空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間之間傳輸，從而提高了運(yùn)行速度和編程的靈活性。指令執(zhí)行速度為20MIPS，幾乎所有的指令都可以在50ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。
圖2 TMS320F240外圍電路
·存儲(chǔ)器可尋址空間224K字（64K字程序空間，64K字?jǐn)?shù)據(jù)空間，64K字I/O空間，32K字全局空間）；片內(nèi)有16K字的Flash EEPROM。
·雙10位A/D轉(zhuǎn)換器，共16位輸入通道，轉(zhuǎn)換時(shí)間為6μs。事件管理器中有3個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，4個(gè)捕獲單元等。
1.2 控制器的硬件結(jié)構(gòu)
控制器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由CPU、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入、鍵盤顯示和通信等模塊組成。CPU模塊采用主從式結(jié)構(gòu)：單片機(jī)（采用Intel公司的80C196）為主，完成外圍電路的控制，處理整個(gè)控制器的工作流程；TMS320F240為從，完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)計(jì)算等。單片機(jī)和TMS320F240之間采用雙口RAM進(jìn)行通訊。TMS320F240主要外圍電路如圖2所示。
XTAL1和XTAL2之間接10MHz的晶振，經(jīng)片內(nèi)PLL時(shí)鐘模塊后系統(tǒng)時(shí)鐘為20MHz。16個(gè)A/D通道分為兩組:AD0～AD3和AD8～AD11為1組，采集變壓器#1高壓主側(cè)電壓電流及低壓側(cè)電壓信號(hào)；AD4～AD7和AD12～AD15為II組，采集變壓器＃2電量。高壓側(cè)每一相的電壓電流同步采集，可以保證計(jì)算準(zhǔn)確。擴(kuò)展16K字外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來存放采集的電壓、電流。擴(kuò)展2K×8位的雙口RAM用來和單片機(jī)（80C196）通訊。采用雙口RAM進(jìn)行通訊具有程序設(shè)計(jì)簡單、數(shù)據(jù)傳輸方便快速等優(yōu)點(diǎn)。
2 TMS320F240的編程
TMS320F240的程序采用匯編語言編寫，其流程見圖3。在程序初始化部分，對(duì)芯片內(nèi)部寄存器進(jìn)行設(shè)置。通用定時(shí)器1設(shè)置為連續(xù)遞增計(jì)數(shù)模式，代碼如下：
LDP #232
SPLK ＃1000000101000000h,T1CON
SPLK #0000000000101010b,GPTCON
SPLK #1563,T1PR ;set sample frequency=20000/2/1563=6.4kHz
頻率為6.4kHz。數(shù)據(jù)采集部分采用定時(shí)器1，數(shù)據(jù)長度為128點(diǎn)。這樣，對(duì)于50Hz信號(hào)可保證采樣為一個(gè)整周期。A/D轉(zhuǎn)換設(shè)置為雙A/D同步采術(shù)，如通道0與通道8采樣時(shí)，設(shè)置A/D的代碼為:
LDP #224
SPLK #1001100100000000b,ADCTRL1
SPLK ＃0000000000000101b，ADCTRL2
諧波分析采用基2的128點(diǎn)快速速傅立葉變換，取前30次諧波數(shù)據(jù)傳遞給80C196。
程序中每一相的電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率使用下列各式計(jì)算（其中N=128）。
電壓有效值：
電流有效值：
有功功率：
無功功率：
TMS320F240中沒有開平方運(yùn)算的指令，電壓、電流計(jì)算中的開平方采用牛頓代法。開平方函數(shù)f(x)=x2-c=0的根的牛頓迭代公式為：
迭達(dá)收斂的速度取決于x初值的選取。初值x0越接近真值，收斂速度越快。政黨情況下，電網(wǎng)的電壓及電流尤其是電壓變化范圍不大，初值比較好選取。
由于單相電壓電流采用同步采樣，功率的計(jì)算比較準(zhǔn)確。三相電路的有功功率及無功功率分別為它們的各相之和。電路為三相對(duì)稱時(shí)，可采用單相功率的3倍作為總的三相功率。
TMS320F240與80C196的通訊采用雙口RAM完成。在雙口RAM中定義寄存器單元存放命令字DSP_MCU_CMD。DSP讀取判斷是否進(jìn)行采樣、是否進(jìn)行FFT、是否計(jì)算有關(guān)電量。DSP完成指令后，將命令字相應(yīng)位置1；80C196檢測該位，從雙口RAM中讀取數(shù)據(jù)。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
利用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號(hào)，疊加2.5V的直流偏移后輸入到兩個(gè)A/D同步采集通道（通道0和通道8），進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)。信號(hào)I視為電壓無功控制器待測量的電壓信號(hào)；信號(hào)II視為電流信號(hào)。實(shí)驗(yàn)一的輸入信號(hào)波形見圖4，頻率為50.63Hz，電壓U(信號(hào)I)領(lǐng)先電流I（信號(hào)II）27.6度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1；實(shí)驗(yàn)二輸入信號(hào)波形見圖5，頻率為49.69Hz，電壓U（信號(hào)I）落后電流I（信號(hào)II）44.5度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2。
表1 實(shí)驗(yàn)一測量結(jié)果及分析
表2 實(shí)驗(yàn)二測量結(jié)果及分析
U I P Q 真實(shí)值 1.614 1.425 1.697 -1.667 實(shí)驗(yàn)值 1.612 1.444 1.673 -1.697 誤差 0.1% 0.6% 1.4% 1.8%由以上結(jié)果可知，DSP單元中的測量精度相當(dāng)高，電壓無功控制器設(shè)計(jì)中應(yīng)著重提高前端模擬電路的精度。
TMS320F240的應(yīng)用，極大地改善了電壓無功控制器的性能，使得控制器能夠?qū)χT如過壓、欠壓、缺相、諧波越限等故障做出反應(yīng)。同時(shí)電壓無功控制器的數(shù)據(jù)處理與外圍控制分開，有利于系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。
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