基于TMS320LF2407A的电能质量检测电路设计应用分析.docx
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基于TMS320LF2407A的电能质量检测电路设计应用分析.docx
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基于TMS320LF2407A的电能质量检测电路设计应用分析
基于TMS320LF2407A的电能质量检测电路设计
电能质量(PowerQuality),从普遍意义上讲是指优质供电,包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。
随着电力、电子技术的迅速发展,特别是电炉炼钢、多项可控硅整流、电机变频调速以及洗衣机、空调等家电设备的广泛应用,电网质量问题正变得日益严峻,严重威胁着电力设备的正常使用,及时准确的获得电能质量参数,对工业发展具有重要的指导意义。
本系统采用TMS320LF2407A为控制核心,同时还扩展了接口电路----键盘和LCD显示电路。
霍尔电压、电流互感器对电力系统进行实时数据的采集,将采集到的电压、电流瞬时值通过数据处理计算出电能质量的相关参数。
通过SCI接口将采集的数据传送到PC机进行误差分析。
硬件系统框图如下图所示。
电压、电流测量电路
本系统采集的电信号主要是交流电流、电压,从采样精度、速度及经济成本等多个方面权衡,选择合适的采样方式和采样频率,并注意强弱电的隔离和电磁干扰,从而确定最终的软硬件设计和元器件的选择。
根据采样定理,为了使采样的信号f*(t)能反映被采集的模拟信号f(t),采样频率必须满足采样定理,即采样频率必须大于模拟量所含最高次有效谐波频率fmax的两倍。
实际采样时一般使fs=(3~4)fmax,以保证采样信号能够准确地代表被采样的模拟信号。
本系统设计时每周期定为128点,即采样频率为6.4KHz左右。
脉冲电路
脉冲产生电路通过TI公司生产的LM393双路比较器芯片来实现,其原理电路如下图所示。
信号调理电路PCB板的制作
系统软件设计
软件设计作为本系统的核心,在完成了硬件部分的设计后就显得尤为重要。
软件的优劣不仅关系到电路基本功能的实现和系统的稳定性,而且还会对最终的测量精度产生较大的影响。
因此,它成为本设计的重点。
本系统的主要任务是实现电能信号的实时采集和数据的处理,软件功能主要由以下几部分组成:
电能参数的实时测量:
对输入的模拟信号进行AD转换。
电能参数的数据分析:
离散的电压、电流的有效值,电能的有功功率、无功功率和功率因数等。
通讯功能:
与PC机进行数据通讯。
人机交互:
处理用户通过按键输入的信息,通过液晶显示屏显示电能质量参数。
main()
{
SystemInit();//系统初始化
MCRC=MCRC&0xFF00;//IOPE0-7设为IO端口模式
PEDATDIR=0xFF00;//所有LED=0,
MCRA=MCRA&0x00C7;//IOPB0-7设为IO端口模式,IOPA3-5为IO模式
PADATDIR=0xFFC0;
PBDATDIR=PBDATDIR&0x00FF;
asm("CLRCINTM");
Timer1Init();//定时器初始化
SCI_Init();//SCI串口初始化
LcdInit();//液晶初始化
WriteMenu(MenuTab);//开机界面
While
(1)
{
ScanKey();//键盘扫描
}
}
中断服务模块
定时器中断子程序:
voidc_int2()/*定时器1中断服务程序*/
{
if(PIVR!
=0x27)
{asm("CLRCINTM");
return;
}
T1CNT=0;//定时器计数器清零
numlcd++;
t0++;
t2++;
if((SCI_FLAG==0)&(t0%129)==0)
{
SCI_FLAG=1;//SCI串口通信标志
t0=1;
}
if(numlcd%2000==0)KeyLcd();//刷新液晶显示数据
if(numlcd>=2000)numlcd=0;
EVAIFRA=0x80;
asm("CLRCINTM");//清除中断屏蔽位
}
外部中断子程序:
voidinterruptAD_start()
{
T1CON=T1CON&0xE7FF;
flag=~flag;
flag=flag&0x1;//flag取反
T1CNT=0;
SCI_FLAG=0;
t0=1;t1=0;t2=1;
XINT2CR=XINT2CR|0x8000;//高优先级中断,清除周期中断标志
asm("CLRCINTM");
}
信号采集单元
AD数据采集子程序:
voidAD_Sample()
{
ADCTRL1=0x4000;/*ADC模块复位*/
asm("NOP");
ADCTRL1=0x0020;/*自由运行,启动/停止模式,双排序器工作模式*/
MAXCONV=0x0000;
CHSELSEQ1=0x0000;//第0通道
ADCTRL2=0x4000;//复位使排序器指针指向CONV00
ADCTRL2=0x2000;/*启动ADC转换*/
while((ADCTRL2&0x1000)==0x1000);/*等待转换完成*/
asm("NOP");
asm("NOP");
RESULT_0=RESULT0>>6;
MAXCONV=0x0000;//第8通道
CHSELSEQ3=0x0008;
ADCTRL2=0x0040;
ADCTRL2=0x0020;
while((ADCTRL2&0x0010)==0x0010);
asm("NOP");
asm("NOP");
RESULT_8=RESULT8>>6;
}
AD转换流程图
人机界面的设计
键盘扫描子程序:
voidScanKey(void)//键盘扫描程序
{
unsignedinttemp,temp1;
unsignedintflag=0;
PBDATDIR=0x00FF;
if(flag==0)
{
temp=PBDATDIR;
temp=temp&0x0080;
delay(6000);//按键延时
temp=PBDATDIR;
temp=temp&0x0080;
temp1=temp;//temp=0
if(temp1==0x0080)flag=0;
else{flag=1;numkey++;}//确认有键按下
}
temp=PBDATDIR;
temp=temp&0x0080;
while(temp!
=0x0080)//等待按键释放
{
temp=PBDATDIR;
temp=temp&0x0080;
}
if(numkey>3)numkey=1;
}
通讯模块
SCI串口发送部分程序:
voidSend_str(unsignedchar*fl_char)
{
while(*fl_char!
='\0')
{
SCITXBUF=*fl_char++;
while((SCICTL2&0x0080)==0);
}
}
测试结果
电烙铁的电压测量数据
数据组数
Urms/V
Ureal/V
误差d1
1
218
218.4
-0.4
2
221
219.1
1.9
3
226
219.7
6.3
4
222
219.1
2.9
5
213
218.4
-5.4
6
220
218.5
1.5
7
213
218.7
-5.7
8
219
218.5
0.5
9
225
219.1
5.9
10
214
218.5
-4.5
平均值
219.1
218.8
0.3
电烙铁的电流测量数据
数据组数
Irms/A
Ireal/A
误差d2
1
0.135
0.135989
-0.00099
2
0.134
0.136011
-0.00201
3
0.134
0.13564
-0.00164
4
0.134
0.135555
-0.00155
5
0.137
0.135989
0.001011
6
0.134
0.135011
-0.00101
7
0.133
0.135345
-0.00235
8
0.139
0.136384
0.002616
9
0.133
0.136011
-0.00301
10
0.137
0.135011
0.001989
平均值
0.135
0.135695
-0.00069
电烙铁的功率测量数据
数据组数
功率P/W
实际功率/W
误差d3
1
29.43
29.7
-0.27
2
29.614
29.8
-0.186
3
30.284
29.8
0.484
4
29.748
29.7
0.048
5
29.181
29.7
-0.519
6
29.48
29.5
-0.02
7
28.329
29.3
-0.971
8
30.441
29.8
0.641
9
29.925
29.8
0.125
10
29.318
29.5
-0.182
平均值
29.575
29.69
-0.115
本系统能够基本实现电能质量各项参数的测量,同时又受到负载的限制。
当第一级I-V变换电路的输出电压峰峰值超过10V时,偏置电路的输出信号会产生失真。
在系统的软硬件调试的过程中采用的是低功耗的电阻性负载,因此转换得到的电流信号的线性度在理想的范围内,对相位漂移的影响也较小,信号调理电路输出的信号也比较稳定。
但是当负载为非电阻性负载时,电流端信号处理电路的输出信号会有一定程度的闪变,从而导致采样的数据产生误差,最终导致测量结果不准确。
其次,由于前端信号处理电路的局限性,当输入的电流较小时,容易受外界环境和内部电路的失调电流的干扰,造成许多不确定的因素,也会对后续的采样和数据运算产生影响。
还有必要在以下方面做进一步的研究:
1.信号调理部分电路的抗干扰能力没有经过足够充分且严格的测试与实验。
在调试过程中有时会出现较大的测试误差,在信号转换端可以考虑精度更高、线性特性更好的霍尔型高精度传感器,以确保输出信号的稳定性和准确度。
2.测量的精度不够,既有模拟电路的原因,又有数字电路部分的原因。
因此要在这两部分加以改进:
模拟量的变换需要运用更精确的方法,本文没有外接A/D转换电路,采用TMS320LF2407A芯片内部自带A/D(10位)来实现的,可以考虑外接更高位数的A/D转换芯片;数字电路方面,特别是选择DSP芯片方面,应该选择一款适用于浮点运算的DSP芯片,这样会使测量的速度和精确度都得到改善。
3.测量使用的算法过于简单,数据处理能力有限,可以尝试频域FFT算法来实现数据的运算。
硬件系统原理图
PCB图
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- 基于 TMS320LF2407A 电能 质量 检测 电路设计 应用 分析