基于DSP+ARM的礦井電容電流自動檢測裝置的研究

段永岐

（西山煤電西銘礦，山西太原 030052）

0 引言

目前世界上一般采用無源檢測法來檢測電網中的電容和電流，但是由于檢測中需要不斷地調節傳感器線圈位置，所以導致了其裝置壽命短，響應時間長等特點；同時中心點電壓的大小對檢測的準確度影響比較大，但是由于礦井下用電設備比較多，中性點很難做到平衡，所以導致該方法的檢測精度大大折扣。而且由于其在檢測過程中改變了系統的運行方式，導致系統存在安全隱患。學者們針對無源檢測法的缺陷，又提出了利用注入信號法來實現電網中電流和電容的檢測。這種方法是通過將電流和電壓的相同相位進行比較來判斷諧振點，但是在實際應用中也暴露出了該方法無法回避的缺陷。首先，當信號中存在高頻干擾時很難準確測量相位；其次，當出現多個電壓電流同相位時比較不好處理；最后是控制軟件負雜度高導致了采樣速度無法達到要求。針對此問題本文提出了一種基于DSP+ARM雙CPU結構的檢測方法，利用DSP快速的數據處理能力和ARM強大的邏輯處理功能，既提高了檢測的快速性，又提高了判斷的準確性，為礦井安全生產提供了保障[1-2]。

圖1 系統總體結構圖

1 系統總體結構

如圖1所示為本設計中電容電流自動檢測系統的整體架構。最上層是三相電，也就是供電電網。電能通過Z型接地變壓器變壓后供整個系統使用，同時通過變壓器將電網的中性點引出，便于后續控制與測量。電能質量控制具體是通過電壓源型偏磁式消弧線圈來實現的，而控制主要是通過其內部的勵磁系統輸出的勵磁電流來實現的，而勵磁系統的電流又是通過系統最下層的控制系統輸出電壓來完成調節的。

控制系統的工作原理如圖2所示。中性點電壓就是消弧線圈兩端電壓，通過PT電壓隔離以及信號調理電路的處理后輸入到DSP中，經過DSP處理后產生PWM波形來控制驅動電路的動作，這樣就能控制掃頻信號源發出一定頻率的掃頻信號，用于監測電路中電流流入的過程，同時將監測到的數值與消弧線圈兩端的電壓值進行不斷的比較，當比較結果出現最大值時就是相同的輸出頻率。然后根據特定的算法計算出諧振度以及此時電源中電流和電容的大小。然后將結果轉化為需要補償勵磁電流的數值保存在DSP中。通過將結果通過特定的通訊方式傳輸給ARM，ARM單片機將其顯示到LCD顯示屏上，同時ARM還負責鍵盤信息的讀取以及邏輯功能的處理等。

圖2 控制系統工作原理圖

當電源系統中有單相接地故障發生時，DSP在檢測到故障后會進入到中斷模式中，在中斷子程序中會利用故障觸發的前一時刻保存的勵磁電流值對電壓源消弧線圈進行調節，在極短時間內達到最佳的補償效果。同時將故障信息傳輸給ARM，通過其發出報警的相關信號和故障的界面顯示。最后將故障相關信息存儲到相應的內存空間中，方便故障查詢時調用。

當故障消失后經過全面的檢測和判斷后，通過切斷勵磁電流來達到切斷控制的目的，停止對電路進行補償，重新進入到監測狀態。

2 控制系統硬件設計

2.1 CPU選型

（1）主CPU模塊

本系統使用的主CPU模塊是由美國TI公司設計生產的DSP處理器，型號為TMS320LF2407A，這是一款具有較高性能的16位定點數字信號處理能力的芯片。供電電壓為3.3 V，指令周期最高速度能夠達到40 MHz。其內部集成的A∕D轉換電路轉換時間最短為500 ns。此外其內部還集成了多種通訊接口，如表1為主CPU的主要硬件資源[3-4]。

表1 DSP內部主要硬件資源

（2）從CPU模塊

從控制器需要具備屏幕顯示、鍵盤輸入以及聲光報警等功能，因此需要的CPU管腳比較多，同時還需具備一定的通訊接口。本系統選用了意法半導體公司生產的STM32系列微控制器。型號為STM32F103ZET6。該芯片為一款32位處理芯片，具有強大的處理能力，主頻為72MHz，由3.3V的直流電提供工作電壓。如表2所示為STM32微控制器主要硬件資源。

表2 STM32內部主要硬件資源

2.2 電壓采集模塊設計

如圖3所示為本系統的電壓采集電路。在本系統中為了使DSP模塊能夠識別電路中的電壓信號，必須對其進行采集后再經過信號調理電路的調理后才能被DSP模塊直接處理。電路中將電壓互感器連接到被測電壓的輸出端。然后將測量到的交流電壓信號經過100∶1的電路分壓后輸入到整流電路中。其中整流電路是由兩級放大器組成的，通過這兩級放大器的作用將交流信號調理為半波的直流信號，然后經過進一步發濾波后提供給DSP模塊進行采樣。這樣的設計可以有效解決因為波形不穩定造成的采樣錯誤。

2.3 掃頻信號源模塊

如圖4所示為掃頻信號源硬件模塊電路圖。掃頻信號是將直流電通過IGBT等開關器件逆變為交流電。其中能夠提供直流電信號的模塊包括直流電源以及其它的直流電提供裝置。其中直流電主要是通過電路中左側輸入的AC220 V交流電經過橋式整流后產生大約300 V上下的直流電源。然后將整流出的直流電源通過IGBT模塊組成的逆變電路產生特定的方波信號，方波信號的占空比可以通過控制IGBT的開關頻率來控制。控制范圍為20～40 Hz。通過DSP內部集成的定時器模塊能夠方便地達到控制頻率的目的[5-6]。

圖3 電壓采集模塊電路

圖4 掃頻信號源硬件結構

3 控制系統軟件實現

3.1 主程序設計

如圖5所示為本系統的主程序流程圖。系統上電后首先進行自檢，其中自檢包括傳感器是否在線、各模塊工作是否正常等。自檢完畢后進入判斷出程序，判斷從機是否有數據傳輸過來，如果有則繼續對中性點電壓進行檢測。然后判斷位移電壓是否超出限制，如果超出則說明發生了單項接地故障，此時需要調用上一時刻正常的數據并啟動消弧裝置，對其進行補償。然后全面檢測故障是否消失，如果消失則退出補償模式并繼續檢測，如沒有則繼續補償。如果檢測電壓沒有超過限制則立即啟動對地面的電流電容檢測，然后將檢測結果保存，將數據發送給從機。

圖5 主程序流程圖

圖6 電容電流檢測程序流程圖

3.2 電容電流檢測程序

如圖6所示為本系統設計的電容電流檢測程序。由于本系統使用的檢測方法為改進后的電容電流檢測方法，在自動模式下首先通過消弧線圈向電網中注入變頻信號。然后測量消弧線圈兩端的電壓，通過增加頻率來測量電壓，如果測量的電壓大于預設電壓時，則此時的頻率便為諧振頻率，然后通過這個頻率利用相關公式計算出電容和電流的數值，最后將結果保存[7-8]。

4 小結

本文設計的礦井電網電容電流檢測控制系統經過工業現場試驗后證明性能穩定，功能實現良好，完全能夠滿足設計需求。為礦井電網中同類型設備的設計提供了經驗。