基于DSP三相交流信号采样实验箱研制

孙思雅, 向付伟, 张海亮, 李苏丹

(西安科技大学 电控学院, 陕西 西安 710054)

为了执行“3+1”教学模式,即将四年制本科教学划分为三年理论课学习、一年实践训练的新型教学模式。设计了基于DSP三相交流信号采样实验箱的综合实验[1-7],该实验箱从硬件选型到箱体设计,从硬件焊接再到软件调试,全程由学生自主完成,并最终完成实验内容。实验箱选用的核心处理器为TMS320F28335型DSP,学生结合已学的电路、模拟电子技术、DSP原理及应用等课程[8-10],根据实验要求,先制订设计方案,再按计划逐一实施。经上电调试,该采样系统若能够达到预期设定的功能,则考核通过。通过综合实验,学生把所学知识在实践中得到充分的应用,了解了从理论设计到产品成型的整个过程,培养了学生开发产品的基本能力和团队协作能力,同时也达到了培养创新型人才的目的,实践了当前高校倡导的人才培养模式。

1 系统设计方案

三相交流采样是对电网信号进行实时采样,是将电网电压(Uu,Uv,Uw)由互感器转换到-1.5 V～1.5 V之间,通过二阶压控低通滤波电路、同向比例放大电路和直流偏置电路将电压信号转换到0.2 V～2.8 V之间；电网的电流(Iu,Iv,Iw)信号由电流-电压转换电路,把电流信号调制成0.2 V～2.8 V的电压信号,再由电压比较器将正弦信号转换为方波信号。把调制后的正弦信号和方波信号分别输入TMS320F28335的模数(A/D)转换模块和eCAP捕获模块,通过CCS3.3编程环境编写半周绝对值积分算法对正弦信号进行分析处理；通过捕获方波的上升(下降)沿,可得到电压电流信号的相位差。通过以上步骤可计算出负载的有功功率、无功功率、功率因数等电能质量参数。各参数由LCD12864显示。系统硬件结构框图见图1。

图1 系统结构框图

1.1 互感器采样电路设计

互感器采样电路如图2所示。三相交流系统的380 V电压信号采集电路：一次侧由R1和TV16E电流型电压互感器串联,再与负载并联,二次测由R2采取电压值。电流信号采集电路：一次侧由TA12-200电流互感器串联在主回路,二次侧由R3将电流转换为电压信号,将采样获取电压信号(-1.5 V～1.5 V)输入信号调制电路。

图2 互感器采样电路

1.2 信号调制电路设计

信号调制电路采用LM358运放,由R5、R6、C1、C2和U1A构成二阶压控低通滤波电路；R10和R11构成直流偏置电路；R8、R9、R12和U1B构成同相比例电路；为避免故障时输出电压超过3.3 V,在输出加入稳压管D1。采集的电压信号由此电路调制到(0.2 V～2.8 V)之间。把符合要求的电压信号经R13输入模数转换(A/D)模块。信号调制电路如图3所示。

图3 信号调制电路

压控电压源二阶低通滤波电路参数计算如下：

C1=C2=0.01 μF,R3=R4=30 kΩ。运放UIA的反相端的放大倍数A14和工作频率f0分别为：

截止频率:

fp=0.37f0=0.37×531=196 Hz

压控电压源二阶低通滤波电路电压放大倍数：

(1)

同相比例放大倍数：

1.3 方波生成电路设计

为了获取负载的功率因数λ。采集的正弦电压(0.2 V～2.8 V)信号由R14、R15、R16和U2A(LM393)转换成同频率的方波信号,将方波信号输入eCAP捕获单元,通过捕获两路方波的上升(下降)沿时间,确定负载的功率因数角。波形转换电路如图4所示。

图4 波形转换电路

2 采样算法的实现

2.1 电网参数有效值计算方法

三相交流系统为对称系统,故三相电压为频率相同、幅值相等、初相位依次相差120°的正弦电压,若以A相电压UA作为参考，有：

(2)

(3)

(4)

交流相电压有效值、电流有效值计算方法如下：

(5)

式中,u(t)、i(t)为相电压、相电流的瞬时值；T为信号周期。

2.2 数据处理算法方法与实现

三相交流采样算法有多种,经过对比本设计采用半周绝对值积分算法[11-13]。它具有采集快速、实时性强的优点,可以实现在半周期内对电网信号的采集,但只适用输入为正弦信号或有滤波的场合。

(6)

根据对称性可以得到任意半周期(α～π+α)的面积与正半周面积相等,故积分面积与积分起始点的初相角α无关。将正弦信号离散处理,用矩形法近似求出面积SA。

(7)

式中，n为半周期采样次数,Ts为采样时间间隔,ui为第i个采样点的值。

其余两相同理可得：

(8)

TMS320F28335型DSP有12位的A/D转换模块,允许输入电压0～3 V,转换结果按下式计算：

(9)

式中,ux为数字值,ADCLO=0。

在采样程序中,设置半周期采样个数n=15,Ts=0.67 ms。

将式(9)代入式(7)得

(10)

根据正弦规律,可得电压有效值函数关系为

(11)

同理可得B、C的采样值UB、UC。

需要注意：为了提高精确度、避免偶然误差,仅仅使用半周的采样值,结果抖动较明显,故使半周绝对值积分算法的时间窗扩大到10个周波。作为补偿,面积由计算值除以20得到。

2.3 程序图设计

程序开发使用CCS3.3编译环境,程序主要分为主程序、A/D处理子程序和eCAP捕获处理子程序。编程流程图见图5。

程序由ePWM触发A/D转换,在程序中配置EPwm1Regs.TBCTL.bit.HSPCLKDIV=1;

且EPwm1Regs.TBCTL.bit.CLKDIV=0;故设置计数周期值为49999。

(12)

得TBPRD=49 999。

图5 程序流程图

3 测试结果分析

3.1 硬件连接图

为测试三相交流信号采集实验箱的硬件电路,配套设备由TSGC2-3KVA型接触调压器、5IK120GUF-S3型三相异步电机、UPT3313TFL型电源、示波器、仿真器、TMS320F28335处理器、CCS3.3开发环境组成。完成了硬件接线后的采样与监测系统见图6。

图6 采样与监测系统

3.2 上电调试

在接线完毕、检查无误后,小组成员明确分工后,进行上电调试工作,将电压调到360 V时,用示波器测量采集的电压波形如图7所示。

图7 波形测试结果

在测试完波形之后,将编好的数据处理程序通过仿真器下载到DSP并全速运行程序。实验箱测试实物图如图8所示。

图8 实验箱测试实物图

3.3 实验测试数据

经过上电测试,记录了3组不同电压时三相负载的电能参数如表1所示。

表1 实验测试数据

4 结语

此次研制的三相交流信号采样实验箱,从电路设计、绘制电气图纸、焊接电路到组装调试的整个过程,遇到了不少困难,通过学生小组成员交流讨论,问题得到了很好的解决,最终实现了三相交流信号的采集与电能质量参数的监测。但仍然存在需要改进的地方：

(1) 采样电路的基准电压精度还需提高；

(2) 硬件电路还需集成化；

(3) 设计方案还需进一步完善；

(4) 程序设计还需优化。

由于该设计具有结构简单、可靠性高、成本低等优点,在没有特别严格要求精度的场合,可以广泛应用，同时还可以供学生做综合设计实验使用。学生可根据自己的想法对该系统进行改进或二次开发,以提高学生团队协作和综合实践能力,此教学模式也可以在高校广泛推广。