利用TMS320240 DSP运算和电机控制功能实现SVPWM

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    The design of harmonic measurement instrument with DSP based on wavelet transform   
摘要：介绍了基于瞬时无功功率理论的小波变换算法。通过在采样间隔里，每采样一个新的数据，就进行算法运算，可实时运算电力谐波和无功电流，这种算法比把所有或者一部分点都准备好后才进行运算的算法更实时，效率更高。最后描述了采用TMS320VC5402和AT89C51等电路实现了上述测量算法的硬件设计与软件设计过程及结果。
关键词： DSP；谐波； 实时；小波变换
Abstract: In this paper, The wavelet transform theory based on the instananeous reative power is presents.The harmonic and reative current can be computed with the algorithm during the sampling interval. the algorithm is more efficient than the conventional algorithm that all datas are computed after they are all sampled.then, the principle of designing the harmonic and reative current measurement instrument to implement the algorithm by using DSP and MCU devices is described.
Key Words: DSP; Harmonic;real ;wavelet
0 引言
现在很多的谐波检测仪都是先在一个工频内测出N个点，然后进行算法运算，得到所需的数据。本文在讨论基于瞬时无功功率理论的小波变换算法的基础上，介绍了采用 TI公司的TMS320VC5402和AT89C51等集成电路设计谐波功率测量仪的方法。这种测量仪能在采样间隔里，每采样一个新的数据，就进行算法运算，能满足电力系统中对谐波和无功电流的快速、实时、高精度的测量要求。
1基于瞬时无功功率理论的小波变换算法


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2 硬件设计
本文采用MCU+DSP的设计方法，就可以充分发挥DSP芯片的数字信号处理优势和MCU的控制功能。
上述算法设计的谐波功率测量仪原理框图如图 1所示，由电压和电流同步采样取样电路、模数转换电路、TMS320VC5402、AT89C51、显示及键盘等电路组成。A/D和DSP之间的通信采用DSP的多通道缓冲串口MCBSP，MCU和DSP之间的通信采用DSP的主机接口HPI。整个系统的设计是以MCU为核心完成对整个系统的控制，主要包括与DSP进行快速的数据交换和人机交换等。数字处理芯片TMS320VC5402主要完成电压和电流信号的采集及其对其进行小波分析和其他相关的数学运算，这几步过程都应在一个工频周期内完成，以一个工频采样128点为例，AD同步采样的时间大约160μs，AD73360平均转换时间是25μs，在指令周期为10ns的TMS320VC5402中用MAC单周期指令计算尺度为5的DB20小波算法的时间为25μs，数据通过MCBSP的时间为25μs，加上其他的延时，远小于160μs的采样时间。可见，如用单片机来作控制，可以满足实时性。如果使用指令周期为50ns的TMS320F240完成上述算法，所需时间为280μs，已经大于160μs的采样时间，可见无法实现


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2.1 同步采集电路设计
DSP对电压和电流信号的采集采取每个工频信号采样128次的方式。由于电网频率的波动，采样时刻并不固定，也就影响到电参数测量的准确性，本文采用锁相环倍频电路，将相电压整形后进行128倍频，利用倍频后的信号作为同步采样中断信号，将DSP中断设为边沿触发（下降沿有效）方式，利用同步信号的下降沿触发，进入中断进行采样。利用这种采样方式可以跟踪电网频率的变化进行精确采样。
     整形电路使用比较器LM389，将来自于互感器的电压信号整形方波信号，这方波信号一方面提供给倍频电路，同时它也给DSP控制程序提供一个周期开始信号。倍频电路由锁相环CD4046和分频电路CD4520组成。这里采用倍频电路的输出信号作为A/D转换的中断信号。方波信号经锁相环倍频后，作为采样保持器采样保持和A/D转换的触发信号;模拟信号经运算放大单元后，接入数据处理芯片的A/D转换引脚，进行A/D转换和数据处理。
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2.2 A/D转换与DSP的接口设计                                                         
本次实验中A/D选用的是Analog Denices（AD）公司的AD73360。AD73360使用六线工业标准同步串行接口与CPU相连。AD73360具有六个模拟量输入通道，每个通道可以输出长度为16位的数字量，输入采样率可编程，可以同步采样。在该A/D转换电路中，使用了DSP的多通道缓冲串口McBSPs。根据本文的算法特点，可以直接利用McBSP的数据接收来触发中断。图2（a）为AD73360和TMS320VC5402的接口电路。
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2.3 AT89C51和DSP的接口设计
    本装置中的单片机采用美国Atmel公司生产的AT89C51，它是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个4k字节的Flash可编程可擦除只读存储器，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。该单片机主要用来完成人机文互和整个系统的协调，而DSP则用来完成数据的采集和处理。单片机和DSP之间的通信(数据交换)是利用先进的DSP主机接口技术(HPI)来实现，它是一个8位的并口，提供了DSP和主处理器的接口。本设计中的DSP采用TI公司生产的低功耗芯片TMS320VC5402，它具有运算速度快、功耗小、性价比高、片内RAM容量大等特点。接口电路图如图2(b)。



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3软件设计
本仪器对实时性要求很高，同时控制精度也必须加以考虑，这两点关系着整个系统性能的好坏，因此，缩短程序运行时间与兼顾计算精度是设计程序的出发点。
3.1单片机程序设计框图
如图3(a)所示：首先初始化DSP的HPI接口的HPIC、HPIA等寄存器，然后等待键盘输入开始采集命令，接着响应DSP取数中断，并把数据进行显示，然后继续等待中断。
3.2 DSP系统程序设计框图
首先开放全部中断，启动串行口，接受等待中断，开始初始化MCBSP，然后使能串行口发送端,开始AD配置，接着每当A/D芯片转换一个数据,通过MCBSP的接收中断信号(RINT)向CPU产生中断,CPU读出数据进行数字信号的小波变换处理,再向MCU输出。如图3（b）所示：


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3.3小波分解程序

小波算法程序在编写时充分利用了DSP汇编语言中的单周期指令MAC乘累加、循环寻址和重复操作。下面是以针对TMS320VC5402的小波分解程序设计的框图，如图4所示：


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4实验结果及分析：
实验检测对象为如图5（a）所示的负载电流，负载电流既含无功电流又含高次谐波,接入系统后可得到基波电流如图5（b）,还可以将负载电流减去基波电流，得到谐波和无功电流的和输出,实验结果如图5（c）所示,均为三相中A相,其它相除了相位差外波形与其相同。得到的结果与文献[3]中的结果相吻合。因此实验结果证明系统具有较好的检测谐波和无功电流的能力。
5结语   
    本论文的创新点：该仪器根据所提算法特点,对A/D送来的采样数据,在采样的时间间隔中进行实时处理，在下一个采样点到来之前就得到了准确的测量结果，如果该仪器与SVG等连接,可以对电网实时进行谐波检测和无功补
参考文献：
[1]   韩松   邱国跃  基于DSP的三相有源滤波器谐波检测研究 2003 12，20-21
[2]  周霖  李枫  潘娜  DSP算法设计与系统方案，67-68
[3]   王兆安  杨君  谐波抑制和无功功率补偿，220-234
[4]  刘素一  张海霞  基于小波变换和Kalman滤波的多传感器数据融合 2006 ，6-1：179-181  微计算机信息
作者介绍:
崔丰:男,汉族，湖北石首人，1974年出生,在读硕士研究生,从事谐波检测在dsp中的实现
杨建宁:男,汉族，副教授兼导师,在职博士研究生,从事SVG方向的研究上一页  [1] [2] [3]
         
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