船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、張耀東：船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)山東交通學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文PAGE 54PAGE 53前 言隨著船舶電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，電力系統(tǒng)中的整流型、沖擊性等非線性負(fù)荷日益增多，這些非線性負(fù)荷的存在，往往導(dǎo)致船舶電網(wǎng)發(fā)生電壓畸變、電壓波動(dòng)、電壓閃變和三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題，使得船舶電網(wǎng)供電質(zhì)量降低、甚至惡化電網(wǎng)運(yùn)行狀況。在我國(guó)電力工業(yè)蓬勃開(kāi)展、電力負(fù)荷急劇增長(zhǎng)的同時(shí)，非線性和沖擊性負(fù)荷也在不斷地增長(zhǎng)，這些負(fù)荷對(duì)供電系統(tǒng)電能質(zhì)量造成了嚴(yán)重的污染。對(duì)于船舶電站而言，特別是近幾年來(lái)，電能質(zhì)量不斷下降，這樣，如何提高船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量、確保船舶電力系統(tǒng)平安經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，成為了船舶工業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)之一。近

2、些年，我國(guó)也開(kāi)發(fā)了一些電力測(cè)控裝置和電能質(zhì)量檢測(cè)裝置，但在功能上、實(shí)用化方面均未到達(dá)理想效果。本文提出了一種基于DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)的船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，利用DSP芯片強(qiáng)大的計(jì)算功能進(jìn)行電能質(zhì)量參數(shù)波形失真的在線檢測(cè)，實(shí)時(shí)顯示參數(shù)波形的失真程度，為船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量的測(cè)評(píng)和改善提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。DSP采用數(shù)字系統(tǒng)完成信號(hào)處理的任務(wù)，具有數(shù)字系統(tǒng)的一些共同優(yōu)點(diǎn)，如抗干抗性強(qiáng)，便于大規(guī)模集成等。與傳統(tǒng)的模擬信號(hào)方法相比擬，還有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)，如精度高、靈活性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難到達(dá)的指標(biāo)和特性。論文首先圍繞電能質(zhì)量這一主題，論述了電能質(zhì)量的根本概念和船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題及其產(chǎn)生的

3、原因，回憶了國(guó)內(nèi)外電能質(zhì)量檢測(cè)領(lǐng)域的現(xiàn)狀，概述了現(xiàn)有檢測(cè)裝置存在的問(wèn)題；接著論述了衡量船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量的幾個(gè)重要指標(biāo)，介紹了DSP芯片的特點(diǎn)和開(kāi)展情況以及它的性能指標(biāo)和選擇標(biāo)準(zhǔn)；然后詳細(xì)介紹了該檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)、DSP處理單元設(shè)計(jì)、數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)等；最后介紹了該系統(tǒng)基于DSP的軟件設(shè)計(jì)方法，對(duì)可能產(chǎn)生的誤差進(jìn)行了分析。電能質(zhì)量測(cè)量技術(shù)是電測(cè)量領(lǐng)域的拓展。近年來(lái)，依托電力電子技術(shù)開(kāi)展起來(lái)的供電系統(tǒng)的各種負(fù)荷，諸如變流裝置、煉鋼電弧爐和電力機(jī)車等，一方面對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平、效率的提高推動(dòng)巨大；另一方面，由于它們非線形、沖擊性及不平衡的用電特性，也造成供電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變，引起

4、電壓波動(dòng)和閃變以及二相不平衡，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)，供電質(zhì)量降低，影響電力網(wǎng)和電工、通訊及電力電子設(shè)備的平安與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。而對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)督有賴于準(zhǔn)確可靠的測(cè)量?jī)x器和科學(xué)合理的測(cè)量方法。在對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題的研究的同時(shí)，也極大到促進(jìn)了數(shù)據(jù)采集等多種測(cè)量方法的開(kāi)展。本裝置采用TI公司的TMS320LF2407A DSP芯片作為系統(tǒng)的中央處理器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電能質(zhì)量參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。另外，為了防止采樣過(guò)程中的頻譜混疊，在軟件上采用了數(shù)字濾波的方法。1 緒論1.1船舶電網(wǎng)電能質(zhì)量課題的背景和研究意義電能既是一種經(jīng)濟(jì)使用、清潔方便且容易傳輸、控制和轉(zhuǎn)換的能源形式，又是一種由電力部門向電力用戶，并由供、用雙方共

5、同保證質(zhì)量的特殊產(chǎn)品。如今，電能作為走進(jìn)市場(chǎng)的商品，與其他商品一樣，無(wú)疑也應(yīng)該講求質(zhì)量。1.1.1電能質(zhì)量的定義在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電能質(zhì)量這一技術(shù)名詞涵蓋著多種電磁干擾現(xiàn)象。迄今為止，關(guān)于電能質(zhì)量的定義概括起來(lái)要有以下三種：定義1：合格電能質(zhì)量是指，提供應(yīng)敏感設(shè)備的電力和為其設(shè)置的接地系統(tǒng)均適合于該設(shè)備工作。定義2：造成用電設(shè)備故障或誤動(dòng)作的任何電力問(wèn)題都是電能質(zhì)量問(wèn)題，其表現(xiàn)為電壓、電流或頻率的偏差。定義3：電能質(zhì)量就是電壓質(zhì)量，合格的電能質(zhì)量應(yīng)當(dāng)是恒定頻率和恒定幅值的正弦波形電壓與連續(xù)供電。我們應(yīng)當(dāng)看到，電能質(zhì)量問(wèn)題終究是由電力用戶的生產(chǎn)需求驅(qū)動(dòng)的，所以用戶的衡量標(biāo)準(zhǔn)占有優(yōu)先的位置。因此電

6、能質(zhì)量可以定義為：導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、暫時(shí)或瞬態(tài)過(guò)電壓、波形畸變、電壓暫降與短時(shí)間中斷以及供電連續(xù)性。1.1.2船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題在我國(guó)電力工業(yè)蓬勃開(kāi)展、電力負(fù)荷急劇增長(zhǎng)的同時(shí)，非線性和沖擊性負(fù)荷也在不斷地增長(zhǎng)，這些負(fù)荷對(duì)供電系統(tǒng)電能質(zhì)量造成了嚴(yán)重的污染。對(duì)于船舶電站而言，特別是近幾年來(lái)，電能質(zhì)量不斷下降，例如，在動(dòng)態(tài)條件下，電壓平均值的偏差可達(dá)20或更多，頻率的偏差可達(dá)10。船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，具體原因如下：(1)為了提高船舶自動(dòng)化水平和節(jié)約能源，大量控制設(shè)備和電子裝置投入到使用，

7、如對(duì)冷卻水溫的控制有閥門的檔板調(diào)節(jié)改為對(duì)冷卻水泵電機(jī)的調(diào)速，以及越來(lái)越多地應(yīng)用軸帶發(fā)電機(jī)。而這些裝置對(duì)電能質(zhì)量常常產(chǎn)生不利影響。(2)船舶電力系統(tǒng)中用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，負(fù)荷的種類和容量有顯著增長(zhǎng)。值得一提的是，近年來(lái)船舶電力推進(jìn)方式已越來(lái)越成為船舶技術(shù)的開(kāi)展方向。目前，交流電力推進(jìn)通常使用同步電動(dòng)機(jī)，其變頻器有交-交變頻器、交-直-交變頻器和PWM變頻器。這些都需要應(yīng)用GTO、IGBT等大功率電力電子器件，也都將產(chǎn)生大量的諧波。(3)一些大負(fù)載的功率占船舶電網(wǎng)總?cè)萘康陌俜直葦M高，所以這些大負(fù)載的合閘，將使多臺(tái)發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，而發(fā)電機(jī)在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的次瞬態(tài)電抗對(duì)諧波的影向較大。例如，當(dāng)次

8、瞬態(tài)電抗為10時(shí)，12脈波的總諧波畸變?yōu)?1。(4)由于船舶設(shè)備的容量選擇比擬保守，正常運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)偏低。(5)另外，由于船舶電網(wǎng)是一個(gè)獨(dú)立的小容量電網(wǎng)，而沖擊性、波動(dòng)性負(fù)載較多，在運(yùn)行中不僅產(chǎn)生大量諧波，而且使得電網(wǎng)的波動(dòng)、閃變、三相不平衡日趨嚴(yán)重。當(dāng)然，還有另外一些原因起到了推波助瀾的作用，如負(fù)荷性質(zhì)各異且隨機(jī)變化，系統(tǒng)參數(shù)的非線性與不對(duì)稱，加之調(diào)控手段的不完善及各種故障，均對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響。正因?yàn)榇半娏ο到y(tǒng)與船舶的各個(gè)系統(tǒng)均有牽連，它是船舶系統(tǒng)中一個(gè)極為重要的組成局部，直接影響著船舶運(yùn)行的平安性與經(jīng)濟(jì)性，故船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題是值得關(guān)注的。1.2國(guó)內(nèi)外的開(kāi)展現(xiàn)狀計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)

9、的開(kāi)展進(jìn)一步促進(jìn)了電能質(zhì)量問(wèn)題的研究及其監(jiān)測(cè)裝置的研制。電測(cè)量理論及儀表技術(shù)的開(kāi)展歷經(jīng)了早期、初期、中期和近期四個(gè)階段。早期和中期的電測(cè)量技術(shù)主要是以模擬量測(cè)量為主。20世紀(jì)50年代，數(shù)字電子技術(shù)和微電子技術(shù)的引入，促進(jìn)了電測(cè)量及其儀表技術(shù)的開(kāi)展，模擬式電測(cè)儀表逐漸在越來(lái)越多的場(chǎng)合被數(shù)字式儀表所代替。1974年出現(xiàn)的電壓、電流波形等間隔采樣技術(shù)，使數(shù)字電子技術(shù)在測(cè)量領(lǐng)域中作用日益增大，成為電測(cè)與儀表技術(shù)步入中期開(kāi)展階段的重要標(biāo)志。在這一階段，以微型計(jì)算機(jī)、獨(dú)立操作系統(tǒng)、各種標(biāo)準(zhǔn)總線式結(jié)構(gòu)為特征，可相互通訊、可擴(kuò)展式儀器和自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)以及相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)得到了蓬勃開(kāi)展，并逐漸走向成熟。20世紀(jì)80

10、年代中期以來(lái)，電測(cè)與儀表技術(shù)進(jìn)入了迅猛開(kāi)展的近期階段。大規(guī)模集成電路技術(shù)的開(kāi)展使得芯片體積縮小到可以置入傳統(tǒng)儀器內(nèi)部，使儀器具有控制、存儲(chǔ)、運(yùn)算、邏輯判斷及自動(dòng)操作等智能化特點(diǎn)，并在測(cè)量準(zhǔn)確度、靈敏度、可靠性、自動(dòng)化程度及解決測(cè)量問(wèn)題的廣度和深度等方面均有了明顯的進(jìn)步。電能質(zhì)量測(cè)量技術(shù)是電測(cè)量領(lǐng)域的拓展。近年來(lái)，依托電力電子技術(shù)開(kāi)展起來(lái)的供電系統(tǒng)的各種負(fù)荷，諸如變流裝置、煉鋼電弧爐和電力機(jī)車等，一方面對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化水平、效率的提高推動(dòng)巨大；另一方面，由于它們非線形、沖擊性及不平衡的用電特性，也造成供電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變，引起電壓波動(dòng)和閃變以及二相不平衡，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)頻率出現(xiàn)波動(dòng)，供電質(zhì)量

11、降低，影響電力網(wǎng)和電工、通訊及電力電子設(shè)備的平安與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。而對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)督有賴于準(zhǔn)確可靠的測(cè)量?jī)x器和科學(xué)合理的測(cè)量方法。在對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題的研究的同時(shí)，也極大到促進(jìn)了數(shù)據(jù)采集等多種測(cè)量方法的開(kāi)展。電能質(zhì)量測(cè)量技術(shù)己成為電測(cè)與儀表技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)不可缺少的重要分支。隨著對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題的研究與重視，國(guó)內(nèi)外也出現(xiàn)了相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表。如美國(guó)福祿克公司生產(chǎn)的Fluke 43型手持式供電質(zhì)量分析儀，可以提供電力系統(tǒng)維修、供電故障排除及設(shè)備故障診斷所需的測(cè)量值，功能先進(jìn)。我國(guó)對(duì)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置的研制尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家的前沿測(cè)控裝置大多是采用單片微機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其主要優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)成簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，價(jià)格也比擬

12、低廉。電能質(zhì)量的含義和內(nèi)容非常廣泛，對(duì)不同電能質(zhì)量問(wèn)題的監(jiān)測(cè)方式和要求也不盡不同。迄今為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)方式可概括為連續(xù)監(jiān)測(cè)、定期或不定期檢測(cè)和專門測(cè)量三種方式。(1)連續(xù)監(jiān)測(cè)連續(xù)監(jiān)測(cè)也稱為在線監(jiān)測(cè)或日常監(jiān)測(cè)。按電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和要求，需要進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容有電壓偏差和頻率偏差，以及大型干擾源、危害較大或容易引發(fā)事故的有關(guān)電能質(zhì)量指標(biāo)，如大型電弧爐引起的電壓波動(dòng)、大型電容器組的諧波電流、易受干擾的大型設(shè)備或線路的諧波電流、以及重要用戶的電能質(zhì)量指標(biāo)。連續(xù)監(jiān)測(cè)對(duì)使用的監(jiān)測(cè)設(shè)備有一定要求。特別是電網(wǎng)中監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多、監(jiān)測(cè)信息需要遠(yuǎn)傳時(shí)，那么需要建立一個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。(2)定期或不定期檢測(cè)對(duì)

13、于普通干擾源的監(jiān)測(cè)，根據(jù)干擾的大小、危害程度、以及需要等，選擇采取定期或不定期檢測(cè)方式。定期檢測(cè)多用于電網(wǎng)電能質(zhì)量的定期普查。定期普查是每隔一定時(shí)間(如23年)對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行普查測(cè)試，全面了解和掌握全網(wǎng)的電能質(zhì)量水平或干擾源的特性。定期普查的檢測(cè)點(diǎn)和檢測(cè)指標(biāo)由普查需要確定，但應(yīng)包括連續(xù)監(jiān)測(cè)的內(nèi)容。對(duì)于一些特殊情況根據(jù)電能質(zhì)量監(jiān)督管理的需要，也可采取不定期檢測(cè)方式。定期或不定期檢測(cè)一般采用專門儀器、設(shè)備到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試之后根據(jù)測(cè)試結(jié)果提出測(cè)量和分析報(bào)告。 (3)專門測(cè)量專門測(cè)量是指對(duì)各種干擾負(fù)荷或補(bǔ)償設(shè)備，如電弧爐、換流設(shè)備、電容器組、濾波器等接入電網(wǎng)前后，比擬這些設(shè)備投入前后對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量水平

14、及影響進(jìn)行的測(cè)量，以決定其能否正式投入運(yùn)行。對(duì)于可能產(chǎn)生各種干擾的設(shè)備，如果投入電網(wǎng)之后產(chǎn)生的干擾超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，那么不允許該設(shè)備投入運(yùn)行。 就名詞含義和意義而言，監(jiān)測(cè)和檢測(cè)是兩個(gè)不同的概念。監(jiān)測(cè)是一個(gè)連續(xù)時(shí)間的概念，在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)往往持續(xù)不斷地執(zhí)行某個(gè)例行的任務(wù)；而檢測(cè)那么是一個(gè)時(shí)間的概念，它大多是為了完成某一具體的任務(wù)而執(zhí)行一次操作，雖然有些檢測(cè)也需要持續(xù)一段時(shí)間，但這只不過(guò)是一個(gè)過(guò)程中的不同階段而己。另外，監(jiān)測(cè)往往是對(duì)全程的跟蹤監(jiān)視，在監(jiān)測(cè)伊始，往往不能具體預(yù)測(cè)監(jiān)測(cè)結(jié)果；而檢測(cè)那么帶有明確的目的，所有的操作都緊緊圍繞著檢測(cè)的目的而進(jìn)行著。 電能質(zhì)量檢測(cè)在改善電能質(zhì)量的過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用，因?yàn)?/p>

15、為了改善電能質(zhì)量問(wèn)題就必須首先將電能質(zhì)量中存在的問(wèn)題認(rèn)識(shí)清楚。如為了減輕或消除諧波對(duì)系統(tǒng)造成的不利影響就必須先檢測(cè)出諧波分量的大小，并以此作為控制變量來(lái)削弱諧波造成的不利影響。1.3當(dāng)前電能質(zhì)量檢測(cè)裝置存在的問(wèn)題近些年，我國(guó)也開(kāi)發(fā)了一些電力測(cè)控裝置和電能質(zhì)量檢測(cè)裝置，但在功能上、實(shí)用化方面均未到達(dá)理想效果。還存在一些問(wèn)題： 處理功能較差，可擴(kuò)展存儲(chǔ)空間較小，運(yùn)算速度較慢，難以運(yùn)用精確嚴(yán)格的算法進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，不滿足電力檢測(cè)高實(shí)時(shí)性的要求。 電力系統(tǒng)中最常用微處理器包括51系列等控制型器件，但隨著電力系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)量和計(jì)算要求的不斷提高，這些器件在計(jì)算能力方面已不能很好地適應(yīng)電力系統(tǒng)

16、的要求。致使電力系統(tǒng)的高精度測(cè)量、實(shí)時(shí)監(jiān)控和先進(jìn)算法的運(yùn)用受到了限制。 有的產(chǎn)品雖然直接引進(jìn)了國(guó)外的技術(shù)模塊，功能較強(qiáng)，可是價(jià)格較高，且不完全適合我國(guó)市場(chǎng)。有的產(chǎn)品無(wú)通訊和控制輸出功能，不滿足電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化的開(kāi)展方向。人機(jī)交互性不好。在過(guò)去的幾十年里，單片機(jī)的廣泛使用實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的智能控制功能。但是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、信號(hào)處理理論與方法的迅速開(kāi)展，需要處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，對(duì)電測(cè)儀表的實(shí)時(shí)性和精度的要求也越來(lái)越高。而電能質(zhì)量檢測(cè)裝置不同于一般的電力根本參數(shù)測(cè)量?jī)x器，要進(jìn)行電能質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算、分析，并且要運(yùn)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法。如果采用比擬先進(jìn)的單片機(jī)Intel 80C196KC進(jìn)行根本的3

17、2點(diǎn)FFT運(yùn)算，在12M主頻下采用快速算法仍然需要0.25秒左右，如采用更加先進(jìn)復(fù)雜的算法那么需要的時(shí)間更長(zhǎng)。顯然，傳統(tǒng)的單片機(jī)技術(shù)已不能滿足電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要。1.4本論文的任務(wù)數(shù)字信號(hào)處理采用數(shù)字系統(tǒng)完成信號(hào)處理的任務(wù)，具有數(shù)字系統(tǒng)的一些共同優(yōu)點(diǎn)，如抗干抗性強(qiáng)，便于大規(guī)模集成等。與傳統(tǒng)的模擬信號(hào)方法相比擬，還有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)，如精度高、靈活性強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)很難到達(dá)的指標(biāo)和特性。本文在研究船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量指標(biāo)和測(cè)量方法的根底上，研制出一種基于數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，主要工作包括：1回憶了電能質(zhì)量的概念以及開(kāi)展的概況，指出了現(xiàn)有的船舶電力系統(tǒng)存在的電能質(zhì)量問(wèn)題

18、，介紹國(guó)內(nèi)外電能質(zhì)量的檢測(cè)方法以及現(xiàn)有電能質(zhì)量檢測(cè)裝置存在的問(wèn)題。2討論了衡量船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量指標(biāo)。3簡(jiǎn)單介紹了DSP的開(kāi)展和特點(diǎn)，以及DSP的性能指標(biāo)和選擇標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)基于DSP技術(shù)的電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)。4，對(duì)于基于DSP技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析。5結(jié)論與展望。2船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量分析根據(jù)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局先后公布的六個(gè)有關(guān)電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，我們得知，衡量電能質(zhì)量的主要指標(biāo)是：電壓偏差，諧波畸變率，三相不平衡度，電壓波動(dòng)與閃變以及暫時(shí)過(guò)電壓和瞬時(shí)過(guò)電壓。通常提及的電能質(zhì)量指標(biāo)總是指電壓質(zhì)量。但這顯然是不夠的，還應(yīng)該同喇采用其它指標(biāo)，如有功功率和無(wú)功功率方面的指標(biāo)。因此，船舯電網(wǎng)的電

19、能質(zhì)量指標(biāo)常為：主配電板匯流排的電壓特性(電壓偏差，電壓波形畸變率，不平衡電壓)、電網(wǎng)頻率偏差和并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的有功功率和無(wú)功功率的畸變特性。判斷電能質(zhì)量的最好方法即為分析其各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)。2.1電壓偏差電壓偏差是衡量電壓質(zhì)量的重要指標(biāo)，它的計(jì)算公式比擬簡(jiǎn)單，表示如公式(2.1)12： 2.1(1)35KV及以上供電電壓正負(fù)偏差的絕對(duì)值之和不超過(guò)額定電壓的10。(2)10KV及以下三相供電電壓允許偏差為額定電壓的7。(3)220V單相供電電壓允許偏差為額定電壓的7、10。對(duì)電壓質(zhì)量的評(píng)價(jià)需要許多靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的電壓參數(shù)值，這些參數(shù)值涉及電壓波形特性，電壓對(duì)稱性、頻率、電壓均方根值等。這些參數(shù)可用于

20、確定電壓受干擾情況。從測(cè)量的角度來(lái)看，電壓均方根值和頻率都是易于測(cè)量的，相形之下，波形畸變的測(cè)量會(huì)復(fù)雜一些。在靜態(tài)條件下，電壓波形的畸變可由其諧波(有時(shí)還包含間諧波)來(lái)描述。通?？杀粰z測(cè)到40次諧波至50次諧波。但在大多數(shù)情況下，這樣高次的諧波在實(shí)際電力系統(tǒng)中影響很小，通常檢測(cè)2至20次諧波已經(jīng)足夠憶另外，我們并沒(méi)有必要具體地將每一次諧波均表達(dá)出來(lái)，而應(yīng)是分析各次諧波產(chǎn)生的共同影響，最典型的就是求THD(諧波總畸變因子)的值，其定義如公式(2.2)： 2.2其中，s1為基波的均方根值。求THD值無(wú)需測(cè)出每次諧波的值。如果THD較大或波動(dòng)較明顯，那么要對(duì)諧波進(jìn)行總的諧波頻譜分析，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的傅

21、氏變換進(jìn)行在線分析，而無(wú)需采用儀表測(cè)量窗口或同步采樣頻率，而且可以采用離線形式。因諧波在頻譜中是下降趨勢(shì)，故對(duì)于諧波的各種規(guī)定，如船級(jí)社的規(guī)定，超過(guò)一定次數(shù)的高次諧波在分析時(shí)忽略不計(jì)。以一條實(shí)船(滾裝船)為例，THD相對(duì)較小，為178，而25次諧波的幅值達(dá)基波的1.68。解決這個(gè)問(wèn)題的方法在檢測(cè)階段考慮補(bǔ)充因素，用DBF表述，其定義如公式(2.3)： 2.3其中，Urms(f1-f2)為在f1至f2頻段中電壓的均方根值。求DBF值的最好的方法是采用數(shù)字小波變換法。此外，如果將數(shù)字小波變換用于瞬態(tài)分析，那么測(cè)量裝置無(wú)需附加運(yùn)算功能便可對(duì)DBF進(jìn)行有效計(jì)算?？傊挥性贒BF值較高時(shí)才有必要對(duì)相應(yīng)

22、頻帶的諧波幅值進(jìn)行測(cè)量，而且大多數(shù)情況下離線測(cè)量即可。但是當(dāng)DBF值較低而THD值較高時(shí)，那么應(yīng)仔細(xì)分析低次諧波。仍以上述的滾裝船為例，對(duì)于頻率f1=812.5Hz和f2=1625Hz，用DBFf1-f2的值為1.7。通過(guò)這個(gè)值對(duì)頻帶進(jìn)行分析是困難的，還有一個(gè)類似的參數(shù)為頻帶總諧波畸變THBD。 另一個(gè)問(wèn)題是在瞬態(tài)情況下，常用峰-峰值和脈沖持續(xù)寬度，有時(shí)還有其能量來(lái)描述。瞬態(tài)時(shí)其能量常如公式(2.4)所描述： 2.4其中，Utt為瞬時(shí)電壓值，t1為瞬態(tài)起始時(shí)間，t2為瞬態(tài)結(jié)束時(shí)間。上述對(duì)能量的定義可以被認(rèn)為是消耗在1歐姆電阻上的被分析的信號(hào)的能量。2.2電壓波動(dòng)電壓波動(dòng)Ut，用式(2.5)表示

23、。 (2.5) 式中：Umax，Umin工頻電壓調(diào)幅波的相鄰兩個(gè)極值電壓。 為了使電壓波動(dòng)與電壓偏差相區(qū)別，規(guī)定電壓變化率大于每秒0.2%時(shí)為電壓波動(dòng)，否那么視為電壓偏差。2.3電網(wǎng)頻率偏差 電力系統(tǒng)的標(biāo)稱頻率為50Hz，頻率的偏差可由公式(2.6)表示：3 (2.6)式中： f頻率偏差 f實(shí)際頻率額定 fn額定頻率2.4三相不平衡度三相不平衡度的度量用式(2.7)表示。 (2.7)式中：U2三相電壓用對(duì)稱分量分解后的負(fù)序分量的幅值； U1三相電壓用對(duì)稱分量分解后的正序分量的幅值。?電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度?(GB/T15543-1995)中規(guī)定，電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為

24、2%，短時(shí)不得超過(guò)4%。2.5諧波畸變率由于電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷的增加，給系統(tǒng)帶來(lái)了大量的諧波污染，影響了電網(wǎng)的平安運(yùn)行和用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求。在諧波測(cè)量上多數(shù)采用數(shù)學(xué)方法對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行諧波分析，對(duì)于穩(wěn)態(tài)諧波的測(cè)量，快速傅里葉變換FFT是分析諧波的最好方法，利用FFT可以直接得到波形所含的各頻譜分量。 3基于DSP實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1數(shù)字信號(hào)處理器DSP的選擇數(shù)字信號(hào)處理(Digital Signal Processing)是一門以眾多學(xué)科為理論根底而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor)是微電子學(xué)、數(shù)字信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)技

25、術(shù)這三門學(xué)科綜合研究的成果。兩者的簡(jiǎn)稱都是DSP。893.1.1數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的開(kāi)展和特點(diǎn)自然界中的模擬信號(hào)(如聲音、圖象)通過(guò)采樣成為.組用數(shù)字表示的序列即數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理就是對(duì)這樣的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析、處理，它側(cè)重于理論分析、算法確定及軟件實(shí)現(xiàn)，如快速傅立葉變換(FFF)、卷積、數(shù)字濾波等。要實(shí)現(xiàn)這些算法，特別是要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地完成某種算法，就需要有特殊的硬件支持，這種硬件支持的最正確方案之一就是數(shù)字信號(hào)處理器。隨著人們對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)處理要求的不斷提高和大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速開(kāi)展以及數(shù)字信號(hào)處理器性能的提高和價(jià)格的下降，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(簡(jiǎn)稱DSP技術(shù))得到廣泛的普及和應(yīng)用。101

26、1123.1.2 DSP芯片的類別和使用選擇數(shù)字信號(hào)處理器的采用是為了到達(dá)實(shí)時(shí)信號(hào)的高速處理，為適應(yīng)各種各樣的實(shí)際應(yīng)用，產(chǎn)生了多種類型、檔次的DSP芯片。在DSP市場(chǎng)上，從廉價(jià)型到超高性能型各類品種都有，世界上生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)DSP芯片的公司也很多，著名的有美國(guó)德州儀器(Texas Instruments，簡(jiǎn)稱TI)公司，美國(guó)模擬器件(Analog Devices，簡(jiǎn)稱AD)公司，MOTOROLA，ATT，Intel，NEC，F(xiàn)ujitsu，National等。在我國(guó)推廣和應(yīng)用較多的有TI公司、AD公司和MOTOROLA公司的DSP芯片。1芯片的類別從DSP芯片的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分，DSP芯片分為定點(diǎn)和浮點(diǎn)

27、兩種類型。數(shù)據(jù)以定點(diǎn)格式工作的DSP芯片稱為定點(diǎn)DSP芯片；數(shù)據(jù)以浮點(diǎn)格式工作的芯片稱為浮點(diǎn)DSP芯片。從使用的廣泛性可以把DSP分為通用DSP和專用DSP芯片兩種。專業(yè)型DSP芯片一般用以完成特定的運(yùn)算功能，并且已經(jīng)將控制算法固化在芯片內(nèi)，通用性比擬差；通用型DSP芯片是內(nèi)部資源對(duì)用戶開(kāi)放的系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)不同的需要進(jìn)行編程，可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)的處理算法。從性能上可以按精度動(dòng)態(tài)范圍和處理速度將通用作進(jìn)一步的劃分。另外，各個(gè)廠家還根據(jù)DSP芯片的CPU結(jié)構(gòu)和性能將產(chǎn)品分成假設(shè)干系列。2使用選擇在設(shè)計(jì)DSP系統(tǒng)時(shí)，如何根據(jù)系統(tǒng)要求選擇適宜的DSP芯片，是決定系統(tǒng)性能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。由于DSP

28、芯片的開(kāi)展速度很快，并且種類很多，用戶在選用芯片，要考慮以下幾種因素：(1)性能：描述DSP性能的最重要的技術(shù)指標(biāo)是運(yùn)算速度。在快速的實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)中，要選擇運(yùn)算速度快的DSP芯片，例如定點(diǎn)運(yùn)算的DSP芯片特點(diǎn)是運(yùn)算速度快、功耗低，價(jià)格廉價(jià)，體積小，但運(yùn)算精度不高， 般是16位，片內(nèi)也只有32位，所以用得最多。而浮點(diǎn)運(yùn)算的DSP芯片特點(diǎn)是運(yùn)算速度慢、功耗大，本錢較高，體積稍大，但運(yùn)算精度高，一般是32位，片內(nèi)一般可達(dá)40位，適合丁對(duì)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)范圍和精度要求高的特殊應(yīng)用。(2)片內(nèi)硬件資源：不同的DSP芯片所具有的片內(nèi)硬件資源是不相同的，即使是同一公司的同一系列的DSP芯片，也具有不同的片內(nèi)硬件資源

29、。片內(nèi)硬件資源包括片內(nèi)RAM、ROM的數(shù)量，I/O接口的種類和個(gè)數(shù)，總線驅(qū)動(dòng)能力，外部可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)空間等。選用片內(nèi)硬件資源豐富的DSP芯片，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單、可靠，且體積小、抗干擾能力強(qiáng)。(3)價(jià)格：TI公司的價(jià)格規(guī)律是剛上市的DSP芯片價(jià)格一般較高，上市一至兩年后，芯片價(jià)格會(huì)大幅度下降；將要淘汰的芯片(公司不推廣的)價(jià)格略高；量越大，價(jià)格越廉價(jià)，廠家主推的產(chǎn)品，價(jià)格較廉價(jià)。因此，選擇DSP除了考慮運(yùn)算速度以外，還要對(duì)其總線結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的傳輸能力、運(yùn)算精度、存儲(chǔ)器容量、可編程能力、功耗、價(jià)格等因素進(jìn)行選擇，同時(shí)還要有功能完善的開(kāi)發(fā)工具(軟、硬件仿真)支持，這樣力。能使所選的芯片不僅滿足數(shù)

30、字信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，而且使用方便，性能價(jià)格比高。3.1.3 TI公司TMS320LF2407 DSP介紹及選擇原因前面已經(jīng)提過(guò)，數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)是當(dāng)前開(kāi)展非常迅速的一類電子器件，其功能強(qiáng)大，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。在世界上幾個(gè)生產(chǎn)DSP芯片的大公司中，TI(TexasInstruments)公司的TMS系列DSP芯片的市場(chǎng)占有率最高。目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的DSP主要以TI公司的TMs320系列為主。C2000系列DSP是TI公司TMS320 DSP的三大系列之一，它既具有一般DSP芯片的高速運(yùn)算和信號(hào)處理能力，又和單片機(jī)一樣在片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)，所以特別適用于數(shù)字控制系統(tǒng)，TMS320C200

31、0系列包括TMS320C20 x、TMS320C24x和TMS320C28x三類。TMS320C24x系列DSP芯片針對(duì)數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)用作了優(yōu)化設(shè)計(jì)，芯片內(nèi)部具有多達(dá)16路的10位數(shù)模轉(zhuǎn)換功能，具有多個(gè)通用定時(shí)器和一個(gè)監(jiān)視(Watchdog)定時(shí)器，具有多達(dá)16個(gè)通道的PWM(Pulse Width Modulation)通道，最多具有41個(gè)通道輸入輸出引腳。表31列出了TMS320C24x系列芯片的資源配置。圖31是該系列芯片中TMS320LF2407A DSP的方框圖。表3.1TMS320C24x系列新品的資源配置Tab. 3.1 TMS320C24x series of allocati

32、on of resourcesTMS320C24xMIPSRAM/字ROM/字Flash/字I/O引腳比擬/PWM通道定時(shí)器同步串行口異步串行口A/D通道數(shù)/轉(zhuǎn)換時(shí)間/usF24020544 16k289/123/11116ch/6.6F2402054416k-289/123/11116ch/6.6F241205448k265/82/118ch/0.85C242205444k-265/82/1-18ch/0.85F243205448k325/82/1118ch/0.85LF240730/402.5k 32k4110/164/11116ch/0.5LF240630/402.5k 32k4110/

33、164/11116ch/0.5LF240230/405448k215/82/1-18ch/0.5LC240630/402.5k32k-4110/164/11116ch/0.5LC240430/401.5k16k-4110/164/11116ch/0.5LC240230/405444k-215/82/1-18ch/0.5TMS320LF2407ADSP組成包括：40MHz、40M1PS的低電壓33VCPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器、事件管理器模塊、片內(nèi)集成外圍設(shè)備。TMS320LF2407A的CPU是基于TMS320C2XX的16位定點(diǎn)低功耗內(nèi)核。體系結(jié)構(gòu)采用四級(jí)流水線技術(shù)加快程序的執(zhí)行，可在一個(gè)處理周期內(nèi)完

34、成乘法、加法和移位運(yùn)算。其中央算術(shù)邏輯單元(CALU)是一個(gè)獨(dú)立的算術(shù)單元，它包括一個(gè)32位算術(shù)邏輯單元(ALU)、一個(gè)32位累加器、一個(gè)16x16位乘法器(MUL)和一個(gè)16位桶形移位器，同時(shí)乘法器和累加器內(nèi)部各包含一個(gè)輸出移位器。完全獨(dú)立于CALU的輔助存放器單元(ARAU)包含八個(gè)16位輔助存放器，其主要功能是在CALU操作的同時(shí)執(zhí)行八個(gè)輔助存放器(AR7至AR0)上的算術(shù)運(yùn)算。兩個(gè)狀態(tài)存放器ST0和STl用于實(shí)現(xiàn)CPU各種狀態(tài)的保存。TMS320LF2407A采用增強(qiáng)的哈佛結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)部具有六條16位總線，即程序地址總線(PAB)、數(shù)據(jù)讀地址總線(DRAB)、數(shù)據(jù)寫(xiě)地址總線(DWAB)

35、、程序讀總線(PRDB)、數(shù)據(jù)讀總線(DRDB)、數(shù)據(jù)寫(xiě)總線(DwEB)，其程序存儲(chǔ)器總線和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線相互獨(dú)立，支持并行的程序和操作數(shù)尋址，因此CPU的讀/寫(xiě)可在同一周期內(nèi)進(jìn)行，這種高速運(yùn)算能力使自適應(yīng)控制、卡爾曼濾波、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等復(fù)雜控制算法得以實(shí)現(xiàn)。TMS320LF2407A地址映象被組織為三個(gè)可獨(dú)立選擇的空間：程序存儲(chǔ)器(64K)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(64K)、輸入輸出(I/O)空間(64K)。這些空間提供了共192K字的地址范圍。其片內(nèi)存儲(chǔ)器資源包括：544字16位的雙端口數(shù)據(jù)程序DARAM、2K字16位的單端口數(shù)據(jù)程序SARAM、片內(nèi)32Kl6位的Flash程序存儲(chǔ)器、256字x

36、16位片上Boot ROM、片上FlashROM具有可編程加密特性。TMS320LF2407A的指令集有三種根本的存儲(chǔ)器尋址方式：立即尋址方式、直接尋址方式、間接尋址方式。TMS320LF2407A包含兩個(gè)專用于電機(jī)控制的事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)事件管理器模塊包括通用定時(shí)器(GP)、令比擬單元、正交編碼脈沖電路以及捕獲單元。通用定時(shí)器。TMS320LF2407A共有四個(gè)16位通用定時(shí)器，可用于產(chǎn)生采樣周期，作為全比擬單元產(chǎn)生PWM輸出以及軟件定時(shí)的時(shí)基。通用定時(shí)器有四種可選擇的操作模式：停止保持模式、連續(xù)增計(jì)數(shù)模式、定向增減計(jì)數(shù)模式和連續(xù)增減計(jì)數(shù)模式。每個(gè)通用定時(shí)器都有一個(gè)相關(guān)的比擬

37、存放器TXCMPR和一個(gè)PWM輸出引腳TXPWM。每個(gè)通用定時(shí)器都可以獨(dú)立地用于提供一個(gè)PWM輸出通道，可產(chǎn)生非對(duì)稱或?qū)ΨQPWM波形，因此，四個(gè)通用定時(shí)器最多可提供4路PWM輸出。全比擬單元。每個(gè)事件管理器模塊有三個(gè)全比擬單元(1、2和3； 4、5和6)，每個(gè)比擬單元各有一個(gè)16位比擬存放器CMPRx，各有兩個(gè)CMPPWM輸出引腳，可產(chǎn)生2路PWM輸出信號(hào)控制功率器件，其輸出引腳極性由控制存放器(ACTR)的控制位來(lái)決定，根據(jù)需要，選擇高電平或低電平作為開(kāi)通信號(hào)，通過(guò)設(shè)置T1為不同工作方式，可選擇輸出對(duì)稱PWM波形、非對(duì)稱PWM波形或空間矢量PWM波形。死區(qū)控制單元(DBTCON)用來(lái)產(chǎn)生可編

38、程的軟件死區(qū)，使得受每個(gè)全比擬單元的兩路CMPPWM輸出控制的功率器件的間次開(kāi)啟周期間沒(méi)有重疊，最大可編程的軟件死區(qū)時(shí)間達(dá)16us。正交編碼脈沖電路。正交編碼脈沖(QEP)電路可以對(duì)引腳CAPlQEPl和CAP2QEP2上的正交編碼脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)，可以直接處理光電編碼盤的2路正交編碼脈沖，正交編碼脈沖包含兩個(gè)脈沖序列，有變化的頻率和四分之一周期(90.)的固定相位偏移，對(duì)輸入的2路正交信號(hào)進(jìn)行鑒相和4倍頻。通過(guò)檢測(cè)2路信號(hào)的相位關(guān)系可以判斷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并據(jù)此對(duì)信號(hào)進(jìn)行加減計(jì)數(shù)，從而得到當(dāng)前的計(jì)數(shù)值和計(jì)數(shù)方向，即電機(jī)的角位移和轉(zhuǎn)向，電機(jī)的角速度可以通過(guò)脈沖的頻率測(cè)出。捕獲單元。捕獲單元用于

39、捕獲輸入引腳上信號(hào)的跳變，兩個(gè)事件管理器模塊總共有六個(gè)捕獲單元。EVA模塊有三個(gè)捕獲單元引腳CAPl、CAP2和CAP3，它們可以選擇通用定時(shí)器1或2作為時(shí)基，但CAPl和CAP2一定要選擇相同的定時(shí)器作為時(shí)基；EVB模塊也有三個(gè)捕獲單元引腳CAP4、CAP5和CAP6，它們可以選擇通用定時(shí)器3或4作為時(shí)基，但CAP4和CAP5一定要選擇相同的定時(shí)器作為時(shí)基。每個(gè)單元各有一個(gè)兩級(jí)的FIFO緩沖堆棧。當(dāng)捕獲發(fā)生時(shí)，相應(yīng)的中斷標(biāo)志被置位，并向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求。TMS320LF2407A片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)，大大減少了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的元器件數(shù)量。串行通訊口。TMS320LF2407A設(shè)有一個(gè)異步串行外設(shè)通

40、訊口(SCI)和一個(gè)同步串行外設(shè)通訊口(SPI)，用于與I位機(jī)、外設(shè)及多處理器之間的通訊。SCI即通用異步收發(fā)器(UART)支持RS-232和RS-485的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)仝雙工通信模式，用來(lái)與卜位機(jī)的通訊；SPI可用于同步數(shù)據(jù)通訊，典型應(yīng)用包括TMS320LF2407A之間構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)和外部IO擴(kuò)展，如顯示驅(qū)動(dòng)。AD轉(zhuǎn)換模塊。包括兩個(gè)帶采樣保持的各8路10位AD轉(zhuǎn)換器，具有自動(dòng)排序能力，一次可執(zhí)行最多16個(gè)通道的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，可工作在8個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)換的雙排序器工作方式或一組16個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)換通道的單排序器工作方式。AD轉(zhuǎn)換模塊的啟動(dòng)可以有事件管理器模塊中的事件源啟動(dòng)、外部信號(hào)啟動(dòng)、軟件立即啟動(dòng)等三種方式。控制器

41、區(qū)域網(wǎng)(CAN)。是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種，主要用于各種設(shè)備的檢測(cè)及控制。TMS320LF2407A片上CAN控制器模塊是一個(gè)16位的外設(shè)模塊，該模塊完全支持CAN2.0B協(xié)議，6個(gè)郵箱(其中0、1用于接收；4、5用于發(fā)送；2、3可配置為接收或發(fā)送)每次可以傳送O8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，具有可編程的局部接收屏蔽、位傳輸速率、中斷方案和總線喚醒事件，超強(qiáng)的錯(cuò)誤診斷，自動(dòng)錯(cuò)誤重發(fā)和遠(yuǎn)程請(qǐng)求回應(yīng)，支持自測(cè)試模式等功能。CAN總線通訊可靠性高，節(jié)點(diǎn)數(shù)有110個(gè)，傳輸速度高達(dá)1Mbs(此時(shí)距離最長(zhǎng)為40m)，直接通訊距離可達(dá)10km(速率5kbs以下)，采用雙絞線差動(dòng)方式進(jìn)行通訊，有很強(qiáng)的抗干擾能力。鎖相環(huán)電路(PLL

42、)和等待狀態(tài)發(fā)生器。前者用于實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘選項(xiàng)；后者可通過(guò)軟件編程產(chǎn)生用于用戶需要的等待周期，以配合外圍低速器件的使用?？撮T狗定時(shí)器與實(shí)時(shí)中斷定時(shí)器。均為8位增量計(jì)數(shù)器，前者用于監(jiān)控系統(tǒng)軟件和硬件工作，在CPU出錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)；后者用于產(chǎn)生周期性的中斷請(qǐng)求。外部存儲(chǔ)器接口?？蓴U(kuò)展為192K字x16位的最大可尋址存儲(chǔ)器空間(64K字程序存儲(chǔ)器、64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器、64K字IO空間)。數(shù)字IO。TMS320LF2407A有40個(gè)通用、雙向的數(shù)字IO引腳，其中大多數(shù)都是根本功能和一般IO復(fù)用引腳。JTAG接口。由于TMS320LF2407A結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作速度快、外部引腳多、封裝面積小，引腳排列密集等原因

43、，傳統(tǒng)的并行仿真方式己不適合于TMS320LF2407A的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。TMS320LF2407A具有符合IEEEll491標(biāo)準(zhǔn)的5線JTAG(邊界掃描邏輯)串行仿真接口，能夠極其方便地提供硬件系統(tǒng)的在線仿真和測(cè)試。外部中斷。有五個(gè)外部中斷(功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)、復(fù)位、不可屏蔽中斷NMI及兩個(gè)可屏蔽中斷)。3.2硬件的總體設(shè)計(jì)在電能質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)中，為了有效地了解船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)的實(shí)際情況，使其具有較強(qiáng)的測(cè)量功能、準(zhǔn)確度高、速度快和高抗干擾性，同時(shí)盡可能降低本錢，必須及時(shí)測(cè)量船舶電力系統(tǒng)電能質(zhì)量參數(shù)和采用“物美價(jià)廉的器件。同步采樣由于能夠反映交流信號(hào)的變化本質(zhì)，并保持采樣信號(hào)與被測(cè)信號(hào)嚴(yán)格同步，因此

44、在電能質(zhì)量參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中被廣泛使用。同步采樣中最關(guān)鍵的是如何保證采樣頻率與信號(hào)頻率嚴(yán)格同步，這是本文硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。同時(shí)，由于本測(cè)量單元需要處理大量數(shù)據(jù)，用一般串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸己經(jīng)不能滿足電力系統(tǒng)信號(hào)實(shí)時(shí)分析的要求。為此設(shè)計(jì)以下硬件電路來(lái)滿足同步采樣和快速傳輸采樣數(shù)據(jù)，硬件組成框圖如圖3.1所示。硬件設(shè)計(jì)的組成模塊包括模擬量輸入模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、DSP數(shù)據(jù)處理模塊以及模擬量輸出模塊等。其詳細(xì)原理圖及PCB圖見(jiàn)附錄A所示。圖3.1 系統(tǒng)硬件組成框圖Fig.3.1 The system hardware composition block diagram3.3模擬量輸入模塊3.3.1模擬信號(hào)

45、輸入電路模擬量輸入電路包括電壓互感器(PT)、電流互感器(CT)、電壓變換器和電流變換器幾局部組成。PT將一次側(cè)的380V電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槎蝹?cè)的100V低壓，再經(jīng)電壓變換器輸出-5V+5V的交流信號(hào)。運(yùn)用CT將一次側(cè)大電流轉(zhuǎn)變?yōu)?A額定電流，然后經(jīng)電流變換器，并在其二次側(cè)并聯(lián)電阻，將得到-5V+5V的交流電壓信號(hào)。電壓和電流變換器同時(shí)起將強(qiáng)電與微機(jī)的弱電系統(tǒng)隔離和抗干擾作用。3.3.2模擬抗混疊低通濾波電路系統(tǒng)處在一個(gè)強(qiáng)大的干擾源一電網(wǎng)中，另外由于前面的模擬量輸入電路中的互感器、變換器的影響，使得信號(hào)在進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊之前，所采樣的信號(hào)混有各種頻譜的信號(hào)，而這些信號(hào)很多是我們不需要的。在實(shí)際應(yīng)用中

46、，必須滿足奈奎斯特采樣定理的要求，防止頻譜混疊的發(fā)生。我們采用傳統(tǒng)的方法，用模擬濾波器濾除高于采樣頻率fs一半的高頻，但是由于模擬濾波器的物理特性，往往難以保證低通頻帶的較好的特性。這里采用模擬低通濾波與數(shù)字濾波相結(jié)合的方法提高抗混疊效果，減少單純模擬濾波器的非平直通帶特性帶來(lái)的測(cè)量誤差。假定所需測(cè)量的信號(hào)頻率范圍為0fp，模擬低通濾波器只需濾除fx= fp以上的頻率成分，并保證0fp。范圍內(nèi)的特性品質(zhì)，而對(duì)于fpfs2范圍內(nèi)的信號(hào)頻率成分那么可以采樣后用數(shù)字濾波的方法來(lái)濾除。為了使濾波特性更接近于理想情況，模擬抗混疊低通濾波器采用兩極RC式結(jié)構(gòu)，如圖3.2所示。45圖3.2 模擬抗混疊低通濾

47、波器Fig.3.2 Simulation of anti aliasing low-pass filter3.4數(shù)據(jù)采集模塊采集的信號(hào)由此單元進(jìn)入儀器，在此根底上儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因此，儀器的測(cè)量精度也與該單元的質(zhì)量密切相關(guān)，所以，要根據(jù)儀器的技術(shù)要求合理選擇通道的結(jié)構(gòu)，恰當(dāng)?shù)剡x用芯片，并把它與主機(jī)電路正確連接起來(lái)，它包括前端信號(hào)調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換電路和同步鎖相電路等。在周期性的電力參數(shù)測(cè)量中，進(jìn)行同步采樣是準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)時(shí)信號(hào)的關(guān)鍵，而對(duì)于數(shù)據(jù)采集模塊來(lái)說(shuō)，AD轉(zhuǎn)換器是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的核心器件，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的測(cè)量精度也主要取決于AD轉(zhuǎn)換器的分辨率，它在整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)中占有舉足輕重的作用。在不同的應(yīng)用

48、場(chǎng)合對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的要求不同，器件選型時(shí)，應(yīng)考慮以下幾條原那么：(1)A/D轉(zhuǎn)換的位數(shù)滿足測(cè)量精度要求(2)A/D轉(zhuǎn)換速率滿足測(cè)量精度要求(3)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的性能價(jià)格比A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與整個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)所要測(cè)量控制的范圍和精度有關(guān)。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要到達(dá)測(cè)量精度要求的最高分辨率。實(shí)際選取A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)還要與其它環(huán)節(jié)所能到達(dá)的精度相適應(yīng)。A/D轉(zhuǎn)換的“分辨率可以用A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)表示，也可以用“量化單位表示?！傲炕瘑挝皇侵篙敵鰯?shù)字量最低位變化一位所對(duì)應(yīng)的輸入模擬信號(hào)的變化范圍，記為1LSB。設(shè)n位ADC器件的模擬輸入范圍為VFS，那么有：1LSB=VFS2n“。因?yàn)閷?shí)際的A/D轉(zhuǎn)換器一

49、般是按四舍五入原理進(jìn)行的，故其“量化誤差實(shí)際最大到達(dá)其量化單位的一半。經(jīng)過(guò)計(jì)算選擇12位A/D轉(zhuǎn)換器可以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的0.05范圍內(nèi)的誤差要求。通常A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)至少要比總精度要求的最低分辨率高一位，本儀器在測(cè)試中的最小精度等級(jí)要求為0.05級(jí)(0.05)，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們初步?jīng)Q定選用14位A/D芯片。由于DSP芯片中自帶的A/D轉(zhuǎn)換器不能滿足設(shè)計(jì)的要求，因此在本系統(tǒng)中采用的是Maxim公司推出的14位A/D芯片MAXl25。3.4.1前端信號(hào)調(diào)理電路在A/D轉(zhuǎn)換之前，先要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理，使得調(diào)理后的信號(hào)滿足A/D轉(zhuǎn)換器的輸入要求。MAXl25模擬輸入通道的輸入電壓

50、范圍為-5V+5V，在圖3.3所示的電路中使用了2個(gè)運(yùn)算放大器，A1用作跟隨器，用來(lái)緩沖MAXl25輸出的2.5V基準(zhǔn)電壓源；A2和4個(gè)電阻構(gòu)成了信號(hào)條理網(wǎng)絡(luò)，適當(dāng)配置R1R4電阻可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)Vi的縮放和平移，以適合MAXl25模擬通道的要求。67圖3.3 前端信號(hào)調(diào)理電路Fig.3.3 Front end circuit for signal disposal3.4.2 A/D轉(zhuǎn)換電路經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后的模擬信號(hào)就可以進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的模擬通道，前面已經(jīng)介紹過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器的選擇標(biāo)準(zhǔn)，這里就不再贅述，下面主要介紹MAXl25的主要特點(diǎn)和功能。MAXl25是內(nèi)部帶同步采樣保持器的高速多通道14

51、位數(shù)據(jù)采集芯片，芯片內(nèi)部包含1個(gè)14位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為跏s的逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，1個(gè)+25V的內(nèi)部參考電壓基準(zhǔn)，1個(gè)參考輸入緩沖器，4個(gè)同步采樣保持放大器，1個(gè)可編程序列發(fā)生器，1個(gè)內(nèi)部的16MHz時(shí)鐘和4個(gè)存放轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的14位RAM。4個(gè)連續(xù)的讀信號(hào)可訪問(wèn)4個(gè)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，每路具有17V的輸入故障保護(hù)，防止外界對(duì)芯片沖擊而造成損失。每個(gè)同步采樣保持放大器均與一個(gè)2選1電路相連。內(nèi)部序列發(fā)生器被編程后，可實(shí)現(xiàn)A，B兩組(CHlA，CH2A，CH3A，CH4A或CHlB，CH2B，CH3B，CH4B)中的任何1組產(chǎn)生1路輸入、2路輸出、3路輸入、4路輸入的同步采樣方式。它采樣連續(xù)逼近的轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)

52、模數(shù)轉(zhuǎn)換，對(duì)于每一個(gè)指定的通道，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器最快能在3us內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)依次存于內(nèi)部RAM中。在每個(gè)脈沖下，內(nèi)部序列發(fā)生器將產(chǎn)生最少1個(gè)通道、最多4個(gè)通道的轉(zhuǎn)換順序(在缺省模式下，CHlA通道上的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換)，連續(xù)轉(zhuǎn)換指定通道上的數(shù)據(jù)。在一個(gè)轉(zhuǎn)換順序里的最后一個(gè)通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后，端出現(xiàn)一個(gè)低電平。MAXl25輸入指令(AoA3)與數(shù)據(jù)輸出(DoD13)在低4位通過(guò)三態(tài)門實(shí)現(xiàn)復(fù)用，與UP或DSP接口容易。，控制讀/寫(xiě)操作。是標(biāo)準(zhǔn)的片選信號(hào)，能控制MAXl25作為地址線的IO端口。當(dāng)為高電平時(shí)，所有的I/O呈現(xiàn)高阻，讀/寫(xiě)操作無(wú)效。首先要在引腳輸入一個(gè)脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)的帶寬必須大于30 n

53、s：當(dāng)引腳處于上升沿時(shí)，表示啟動(dòng)采樣，轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行，隨后引腳處于下降沿，表示此次轉(zhuǎn)換結(jié)束，如果此時(shí)引腳同引腳均為低電平，14位的轉(zhuǎn)換結(jié)果就會(huì)輸出到數(shù)據(jù)總線。對(duì)于具有16位數(shù)據(jù)總線的DSP而言，可一次讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果。MAXl25的轉(zhuǎn)換時(shí)序圖如圖3.4所示。圖3.4 MAXl25時(shí)序圖Fig.3.4 MAXl25 sequence diagramMAXl25有8個(gè)轉(zhuǎn)換方式，并通過(guò)對(duì)A0A3地址線編程實(shí)現(xiàn)。上電時(shí)，：薛片自動(dòng)選擇CHlA為轉(zhuǎn)換通道。如果對(duì)MAXl25輸入轉(zhuǎn)換指令，應(yīng)將拉低，對(duì)A0A3根地址線進(jìn)行編程，然后再給一個(gè)低脈沖，編程指令在或的上升沿被鎖存。這時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器做好了轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)備，一旦轉(zhuǎn)

54、換程序執(zhí)行，模數(shù)轉(zhuǎn)換器就在指定方式下連續(xù)執(zhí)行轉(zhuǎn)換，直到重新編程或斷電為止。選擇了轉(zhuǎn)換通道以后，給一個(gè)低脈沖，就可進(jìn)行一個(gè)轉(zhuǎn)換順序。在的上升沿，模擬信號(hào)被采樣。在轉(zhuǎn)換進(jìn)行時(shí)不能進(jìn)行新的轉(zhuǎn)換。隨時(shí)檢測(cè)輸出，一旦輸出下降沿就說(shuō)明一個(gè)轉(zhuǎn)換順序結(jié)束。在讀周期，向面引腳提供連續(xù)脈沖，通過(guò)并行接口可連續(xù)訪問(wèn)片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)。接收到信號(hào)后，可執(zhí)行4個(gè)讀操作來(lái)訪問(wèn)4個(gè)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。低電平，轉(zhuǎn)換結(jié)果從CH_1開(kāi)始。在每個(gè)的上升沿，內(nèi)部地址指針指向下一個(gè)通道。如果只轉(zhuǎn)換單個(gè)通道，只需一個(gè)脈沖，地址指針重新指向CH_1。3.4.3 A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)據(jù)處理模塊的接口設(shè)計(jì)由于MAXl25的并行接口數(shù)據(jù)訪問(wèn)和總線釋放的定時(shí)特

55、性與絕大局部數(shù)字信號(hào)處理器及16-bit/32-bit微處理器的特性兼容故MAXl25 可以與這些處理器直接相連，而不需等待狀態(tài)。MAXl25與數(shù)據(jù)處理模塊TMS320LF2407A的接口電路如圖3.5所示。圖3.5 MAXl25與TMS320LF2407A的接口電路Fig.3.5 MAXl25 interface circuit with TMS320LF2407A3.4.4同步鎖相電路由交流采樣原理可知，提高交流采樣精度的一條途徑是提高A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，另一條是增加周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N。但是在滿足這兩點(diǎn)的前提下，能否將一個(gè)周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)N保持恒定也是提高測(cè)量精度的途徑。對(duì)于電力信號(hào)來(lái)說(shuō)，不

56、僅信號(hào)成分復(fù)雜、幅度可變，而且基波頻率也不是恒定不變的。如果按照固定的基波頻率為50Hz來(lái)確定采樣率，就必然產(chǎn)生頻譜泄漏效應(yīng)，而正在采樣的那個(gè)周波的頻率又是無(wú)法事先直接測(cè)到的。對(duì)于頻譜泄漏，只要保證窗口函數(shù)的寬度為基波周期的整數(shù)倍，就可以防止泄漏效應(yīng)的產(chǎn)生。其解決方法有二，一是采用適當(dāng)?shù)拇昂瘮?shù)來(lái)降低泄漏效應(yīng)的影響，但是，這種方法同時(shí)也增加了計(jì)算量。對(duì)于大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)處理而言是不適宜的；其二，也是最實(shí)用、最有效的解決方法，設(shè)計(jì)有效的頻率跟蹤電路，使采樣頻率實(shí)時(shí)跟蹤信號(hào)的基波頻率。由于系統(tǒng)的慣性，相鄰兩個(gè)周波或相鄰幾個(gè)周波的頻率變化卻很小，因此，在本系統(tǒng)的硬件中設(shè)計(jì)了同步鎖相電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。跟

57、軟件同步采樣法相比，雖然這種方法確實(shí)增加了硬件開(kāi)銷，但是大大減少了軟件的工作量，并且可靠性和誤差特性都要比前者好，所以在本設(shè)計(jì)中采用硬件同步采樣的方法產(chǎn)生采樣脈沖。它由1片定時(shí)/計(jì)數(shù)器CD4024和1片數(shù)字鎖相環(huán)CD4046來(lái)共同實(shí)現(xiàn)完成，如圖3.6所示。圖3.6同步鎖相電路Fig.3.6 Synchronous phase-locked circuitCD4046是CMOS數(shù)字鎖相環(huán)，內(nèi)含相位比擬器(I和II)和壓控振蕩器(VoltageControlled Oscillator)，在使用時(shí)外接低通濾波器。CD4046具有電源電壓范圍寬、可靠性高、性能穩(wěn)定和功耗低的特點(diǎn)。CD4046采用16

58、腳雙列直插式，各引腳功能如下：1腳相位輸出端，環(huán)路入鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。2腳相位比擬器I的輸出端。3腳比擬信號(hào)輸入端。4腳壓控振蕩器輸出端。5腳禁止端，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作。6、7腳外接振蕩電容。8、16腳電源的負(fù)端和正端。9腳壓控振蕩器的控制端。10腳解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。11、12腳外接振蕩電阻。13腳相位比擬器II的輸出端。14腳信號(hào)輸入端。15腳內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。CD4046的引腳如圖3.7：圖3.7 CD4046引腳圖Fig.3.7 Pin figure3.5數(shù)據(jù)處理模塊數(shù)據(jù)處理模塊是本測(cè)量系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，它對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行

59、數(shù)值運(yùn)算和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。3.5.1 DSP芯片的選取根據(jù)第三章所介紹的DSP的特點(diǎn)和開(kāi)展情況，本設(shè)計(jì)所選用的是TI公司專為基于控制的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的TMS320LF2407ADSP。它將高性能的DSP內(nèi)核和豐富的微控制器的外設(shè)集成于單片中，從而成為傳統(tǒng)的微控制器單元(MCUs)和高本錢的多片設(shè)計(jì)的理想代替。40MIPS(每秒百萬(wàn)條指令)的運(yùn)行速度，使得LF2407ADSP控制器提供比傳統(tǒng)16位微控制器和32位微處理器更高的性價(jià)比。LF2407A芯片的16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核為模擬控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)數(shù)字解決的方案，并且不會(huì)犧牲原來(lái)系統(tǒng)的精度和性能。通過(guò)采用諸如白適應(yīng)控制、卡爾曼濾波和狀態(tài)控制等先進(jìn)的

60、控制算法，可以增強(qiáng)系統(tǒng)的性能。由于LF2407A DSP控制器的可靠性和可編程性，也克服了模擬控制系統(tǒng)硬件解決方案所存在的老化、器件失效、部件間配合誤差和漂移等因素。TMS320LF2407A DSP除了具有TMS320系列DSP的根本性能外，還具有以下一些特點(diǎn)：采用高性能靜態(tài)CMOS技術(shù)，使得供電電壓降為33V，減少了控制器的功耗；40MIPS的執(zhí)行速度使得指令周期縮短到25ns，從而提高了控制器的實(shí)時(shí)控制能力。 基于TMS320C2xx DSP的CPU內(nèi)核，保證了TMS320LF2407A DSP代碼和TMS320系列DSP代碼兼容。片內(nèi)高達(dá)32x16位的Flash程序存儲(chǔ)器(EPROM，