基于DSP三相交流信號采樣實驗箱研制

孫思雅, 向付偉, 張海亮, 李蘇丹

(西安科技大學 電控學院, 陜西 西安 710054)

為了執行“3+1”教學模式,即將四年制本科教學劃分為三年理論課學習、一年實踐訓練的新型教學模式。設計了基于DSP三相交流信號采樣實驗箱的綜合實驗[1-7],該實驗箱從硬件選型到箱體設計,從硬件焊接再到軟件調試,全程由學生自主完成,并最終完成實驗內容。實驗箱選用的核心處理器為TMS320F28335型DSP,學生結合已學的電路、模擬電子技術、DSP原理及應用等課程[8-10],根據實驗要求,先制訂設計方案,再按計劃逐一實施。經上電調試,該采樣系統若能夠達到預期設定的功能,則考核通過。通過綜合實驗,學生把所學知識在實踐中得到充分的應用,了解了從理論設計到產品成型的整個過程,培養了學生開發產品的基本能力和團隊協作能力,同時也達到了培養創新型人才的目的,實踐了當前高校倡導的人才培養模式。

1 系統設計方案

三相交流采樣是對電網信號進行實時采樣,是將電網電壓(Uu,Uv,Uw)由互感器轉換到-1.5 V～1.5 V之間,通過二階壓控低通濾波電路、同向比例放大電路和直流偏置電路將電壓信號轉換到0.2 V～2.8 V之間；電網的電流(Iu,Iv,Iw)信號由電流-電壓轉換電路,把電流信號調制成0.2 V～2.8 V的電壓信號,再由電壓比較器將正弦信號轉換為方波信號。把調制后的正弦信號和方波信號分別輸入TMS320F28335的模數(A/D)轉換模塊和eCAP捕獲模塊,通過CCS3.3編程環境編寫半周絕對值積分算法對正弦信號進行分析處理；通過捕獲方波的上升(下降)沿,可得到電壓電流信號的相位差。通過以上步驟可計算出負載的有功功率、無功功率、功率因數等電能質量參數。各參數由LCD12864顯示。系統硬件結構框圖見圖1。

圖1 系統結構框圖

1.1 互感器采樣電路設計

互感器采樣電路如圖2所示。三相交流系統的380 V電壓信號采集電路：一次側由R1和TV16E電流型電壓互感器串聯,再與負載并聯,二次測由R2采取電壓值。電流信號采集電路：一次側由TA12-200電流互感器串聯在主回路,二次側由R3將電流轉換為電壓信號,將采樣獲取電壓信號(-1.5 V～1.5 V)輸入信號調制電路。

圖2 互感器采樣電路

1.2 信號調制電路設計

信號調制電路采用LM358運放,由R5、R6、C1、C2和U1A構成二階壓控低通濾波電路；R10和R11構成直流偏置電路；R8、R9、R12和U1B構成同相比例電路；為避免故障時輸出電壓超過3.3 V,在輸出加入穩壓管D1。采集的電壓信號由此電路調制到(0.2 V～2.8 V)之間。把符合要求的電壓信號經R13輸入模數轉換(A/D)模塊。信號調制電路如圖3所示。

圖3 信號調制電路

壓控電壓源二階低通濾波電路參數計算如下：

C1=C2=0.01 μF,R3=R4=30 kΩ。運放UIA的反相端的放大倍數A14和工作頻率f0分別為：

截止頻率:

fp=0.37f0=0.37×531=196 Hz

壓控電壓源二階低通濾波電路電壓放大倍數：

(1)

同相比例放大倍數：

1.3 方波生成電路設計

為了獲取負載的功率因數λ。采集的正弦電壓(0.2 V～2.8 V)信號由R14、R15、R16和U2A(LM393)轉換成同頻率的方波信號,將方波信號輸入eCAP捕獲單元,通過捕獲兩路方波的上升(下降)沿時間,確定負載的功率因數角。波形轉換電路如圖4所示。

圖4 波形轉換電路

2 采樣算法的實現

2.1 電網參數有效值計算方法

三相交流系統為對稱系統,故三相電壓為頻率相同、幅值相等、初相位依次相差120°的正弦電壓,若以A相電壓UA作為參考，有：

(2)

(3)

(4)

交流相電壓有效值、電流有效值計算方法如下：

(5)

式中,u(t)、i(t)為相電壓、相電流的瞬時值；T為信號周期。

2.2 數據處理算法方法與實現

三相交流采樣算法有多種,經過對比本設計采用半周絕對值積分算法[11-13]。它具有采集快速、實時性強的優點,可以實現在半周期內對電網信號的采集,但只適用輸入為正弦信號或有濾波的場合。

(6)

根據對稱性可以得到任意半周期(α～π+α)的面積與正半周面積相等,故積分面積與積分起始點的初相角α無關。將正弦信號離散處理,用矩形法近似求出面積SA。

(7)

式中，n為半周期采樣次數,Ts為采樣時間間隔,ui為第i個采樣點的值。

其余兩相同理可得：

(8)

TMS320F28335型DSP有12位的A/D轉換模塊,允許輸入電壓0～3 V,轉換結果按下式計算：

(9)

式中,ux為數字值,ADCLO=0。

在采樣程序中,設置半周期采樣個數n=15,Ts=0.67 ms。

將式(9)代入式(7)得

(10)

根據正弦規律,可得電壓有效值函數關系為

(11)

同理可得B、C的采樣值UB、UC。

需要注意：為了提高精確度、避免偶然誤差,僅僅使用半周的采樣值,結果抖動較明顯,故使半周絕對值積分算法的時間窗擴大到10個周波。作為補償,面積由計算值除以20得到。

2.3 程序圖設計

程序開發使用CCS3.3編譯環境,程序主要分為主程序、A/D處理子程序和eCAP捕獲處理子程序。編程流程圖見圖5。

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

且EPwm1Regs.TBCTL.bit.CLKDIV=0;故設置計數周期值為49999。

(12)

得TBPRD=49 999。

圖5 程序流程圖

3 測試結果分析

3.1 硬件連接圖

為測試三相交流信號采集實驗箱的硬件電路,配套設備由TSGC2-3KVA型接觸調壓器、5IK120GUF-S3型三相異步電機、UPT3313TFL型電源、示波器、仿真器、TMS320F28335處理器、CCS3.3開發環境組成。完成了硬件接線后的采樣與監測系統見圖6。

圖6 采樣與監測系統

3.2 上電調試

在接線完畢、檢查無誤后,小組成員明確分工后,進行上電調試工作,將電壓調到360 V時,用示波器測量采集的電壓波形如圖7所示。

圖7 波形測試結果

在測試完波形之后,將編好的數據處理程序通過仿真器下載到DSP并全速運行程序。實驗箱測試實物圖如圖8所示。

圖8 實驗箱測試實物圖

3.3 實驗測試數據

經過上電測試,記錄了3組不同電壓時三相負載的電能參數如表1所示。

表1 實驗測試數據

4 結語

此次研制的三相交流信號采樣實驗箱,從電路設計、繪制電氣圖紙、焊接電路到組裝調試的整個過程,遇到了不少困難,通過學生小組成員交流討論,問題得到了很好的解決,最終實現了三相交流信號的采集與電能質量參數的監測。但仍然存在需要改進的地方：

(1) 采樣電路的基準電壓精度還需提高；

(2) 硬件電路還需集成化；

(3) 設計方案還需進一步完善；

(4) 程序設計還需優化。

由于該設計具有結構簡單、可靠性高、成本低等優點,在沒有特別嚴格要求精度的場合,可以廣泛應用，同時還可以供學生做綜合設計實驗使用。學生可根據自己的想法對該系統進行改進或二次開發,以提高學生團隊協作和綜合實踐能力,此教學模式也可以在高校廣泛推廣。