使用MCU內置序列發生器控制的交流信號采樣

曹 融,張 敏,杜 峰,張 韜

(1.西安工程大學 機電工程學院，西安 710048;2.國網陜西省電力公司 西安供電公司，西安 710032)

0 引言

隨著智能電網技術的快速發展，變電站一次設備智能化項目的研究也在不斷深入[1-2]。變電站一次設備智能化的核心在于相應智能組件的設計開發[3-4]，但是智能組件存在運行環境惡劣、電磁干擾嚴重等諸多不利因素，導致變電站一次設備智能化相對變電站智能化的其它項目處于滯后狀態[5]。隔離開關控制器是一種具有數據采集，開關分合控制，信息互通和安全檢測等功能的智能組件，若需要對控制開關動作的三相四線交流電機進行控制，進而需要對其交流信號進行PQIU全量采樣，以便實現電機故障保護和故障錄波分析[6]。這里主要就該控制器交流信號采樣的實現技術進行介紹。交流信號采樣是一種成熟的技術，其關鍵在于[7]：①同相U、I需要同時采樣，保證P、Q計算的精度；②按電網周波同步采樣，確保PQIU的積分計算區間與電網周波一致。為了達到上述目的，一般都采用多個ADC或多通道同時AD采樣系統，以及同步采樣方法來實現交流信號采樣[8-9]。所設計的控制器采用了Stellaris?LM3S9D92處理器作為CPU[10]，該處理器內部集成了兩路12位ADC轉換器，使用采樣序列發生器控制ADC采樣，性能十分優越。由于ADC模數轉換器的成本較高，如果能使用該處理器內置的ADC實現控制器所需的交流信號采樣，則可以大幅降低產品成本。這里就項目的設計與實現技術進行簡單介紹。

1 采用MCU內置的ADC進行交流信號采樣

1.1 LM3S9D92內置的ADC系統

Stellaris?LM3S9D92處理器是一款Cortex M3嵌入式ARM MCU，內置有512k程序存儲器和96k數據存儲器，以及豐富的外設控制器，其中包括2路ADC模數轉換器[10]。該ADC的主要特性包括：①具有12位轉換分辨率；②支持16個輸入通道；③采樣率可達1M次；④4個可編程序列發生器(sample sequencer, SS)，每個SS有8個單元的FIFO，用于存放AD轉換結果；⑤2路ADC可以獨立工作，并通過移項器進行同時性控制；⑥支持多種轉換觸發控制：定時觸發器，模擬比較觸發器處理觸發器等；⑦16個輸入通道可以自由編程，分配給兩個AD轉換器進行分別采樣等，內置的2路ADC模塊的連接關系如圖1所示。

圖1 內置2路ADC模塊的連接關系

1.2 采用LM3S9D92內置的ADC進行多通道信號同時同步采樣

1.2.1 同相U和I信號的同時采樣

根據有功和無功功率的定義，在計算功率參數時要使用U和I兩條曲線同一時刻的采樣值進行乘法運算，否則計算結果沒有物理意義或者存在理論誤差。為此，通過交流采樣技術測量線路功率時，就需要實現同相U、I信號的同時采樣[11]。LM3S9D92內部正好集成了2路ADC，可以實現Ua/Ia、Ub/Ib、Uc/Ic信號的同時采樣，但是，需要設置這2路ADC同時采樣的相位控制。這2路ADC可以靈活選擇觸發源和信號輸入源，設置2者之間采樣的相位差。其中觸發信號選用內部定時器同時觸發；采用各自的復用選擇寄存器(ADCEMUX)分別順序選擇Ua～c、Ia～c，以便控制同相信號的同時采樣；通過采樣相位控制寄存器(ADCSPC)設置2路ADC對不同輸入信號同相采樣，方法如下：

1)ADC0模塊：ADCSPC = 0x00, 對AN0采樣；

2)ADC1模塊：ADCSPC = 0x00, 對AN1采樣。

這樣，內置的ADC系統就實現了同相信號的同時采樣的目的。此外，采樣序列發生器SS支持連續8個信號一次性采樣，采樣結果緩存到其內部的FIFO之中，使用2個SS分別控制2路ADC，一次觸發可以一次完成16個信號的采樣。根據項目的實際需要，除6路交流信號之外，還有其他4路模擬量需要采集，因此實際采樣實現時，2個SS各實現5個模擬信號采樣，即可滿足應用需要。由于內置的ADC系統每路模擬量輸入都有獨立的采樣保持器，加上ADC系統的采樣頻率為1M，時間延遲只有500 μs，使得該內置的ADC具有六通道同時采樣AD轉換器ADS8365的特性[8,12]。

1.2.2 與電網周波軟同步的方法

由于電網周波的波動性，電氣交流信號采樣需采用周波跟隨技術實現信號的同步采樣[2,13]，這里采用軟同步交流采樣方法進行信號采樣。軟同步交流采樣的關鍵在于周波信號測量的準確性[14-15]。為了實現周波信號測量，一般將電壓信號整形成方波，再用MCU的計數器中斷進行測量。但是具體實現時發現周波信號測量不準，導致采樣數據的誤差過大，需要進一步分析和改進。就其原因，在飛讀定時計數寄存器時，偶爾出錯；其次，MCU在指令邊界響應中斷時具有一定的時間不確定性；關鍵在于控制器軟件平臺使用了μC/OS-II實時操作系統，該系統進出臨界區宏采用關、開MCU總中斷實現，而臨界區保護在OS內部和應用軟件中都頻繁使用，大大加大了中斷響應時刻的不確定性，因此這種周波信號周期的測量方法不可取。

通過對處理器中的通用定時器進行分析，LM3S9D92內置的通用定時器GPTM支持16位輸入邊沿定時模式，該模式的工作過程是：設定裝載值和捕獲邊沿類型。計數器被使能后開始自由運行，從裝定值開始遞減計數，計數至0時重裝初值并繼續計數；若從CCP管腳上出現有效的輸入脈沖邊沿事件，則當前計數值會被自動復制到一個捕獲寄存器里，直到遇到下一個有效輸入邊沿時才被刷新，否則保持不變。利用這一特點，可以采用凍結計數器值的方法來測量信號的周期。具體實現方法為：在接入GPTM捕獲比較PWM管腳的CCP信號觸發時，GPTMTnR寄存器捕獲Tn計數器的當前值，并且該計數器的值可以通過控制器來讀取。這樣，中斷響應時，GPTMTnR寄存器的內容因被凍結鎖存，不會因中斷響應時機不確定而造成誤差，可以準確計算得到當前電網的周波。為了配合交流信號同步采樣，每周波信號采樣一旦完成，立即利用先前測量得到的周波信息調整分頻觸發參數，使得采樣間隔緊隨電網頻率的變化。為了避免外部觸發信號不發生時(如：沒有接入交流信號和交流信號不帶電)，CPU因檢測不到信號周期而停止采樣的問題，系統對該中斷進行自動監視，一旦檢測到該問題，即以50 Hz頻率自動采樣，并指示周期采樣的方式，以方便控制器的調試與檢測。

綜上所述，采用LM3S9D92內置的ADC，再使用通用定時器配合，可以實現電氣交流信號的軟同步采樣。

2 交流信號采樣通道

2.1 交流信號調理

外部的交流輸入為220 V/5 A的強電信號，為了接入CPU，必須先使用微型精密互感器TV和TA對其進行變換，交流信號采樣部分的總體框架如圖2所示。

圖2 控制器交流信號接入框架圖

如圖2所示的框架圖，電壓互感器TV焊裝在電路板上，在其前級采用壓敏電阻、磁珠、Y電容進行抗干擾處理，電流互感器TA采用穿心接入，在其后級采用磁珠吸收高頻信號，互感器輸出經濾波后接入壓隨電路。另外，接入CPU管腳前還將經過電壓跟隨器和0～3 V鉗位電路，在保證信號準確的前提下，在外部信號異常時也不會損壞MCU處理器。以Ua和Ia信號接入為例，交流電壓和電流信號調理電路如圖3所示。

圖3 交流電壓和電流信號調理電路

2.2 周波信號調理

為了檢測電網的周波，從Ua信號調理的輸出端引入進行處理。首先采用二極管進行鉗位，防止外部信號異常損壞調理電路。再使用LF358雙運算放大器進行放大處理，使之接近方波，最后采用斯密特觸發反向門進行整形，經過光電隔離后，接入MCU的CCP管腳，實現頻率信號的下降沿觸發。周波信號調理電路主要部分的原理如圖4所示。

圖4 電網周波信號調理電路

3 軟件設計

在確定使用LM3S9D92內置ADC系統實現軟同步電氣交流信號采樣的技術方案之后，完成了信號調理電路設計，并生產安裝了該控制器的硬件平臺。LM3S9D92內置有4個GPTM，控制器硬件使用其中Timer1進行周波信號測量和ADC觸發，下面介紹相應的軟件模塊的設計方法。軟件設計主要包括四部分：初始化、GPTM1 A通道中斷服務程序、ADC0和ADC1的中斷服務程序、交流信號有效值和相位角計算等。

3.1 初始化

初始化部分包括GPTM和ADC初始化兩部分，其中GPTM的A通道用于周波信號測量，B通道觸發ADC0和ADC1采樣。控制器采用16 MHz的基礎頻率，倍頻后MCU工作在80 MHz，Timer1 A通道預分頻80次，定時單位設置為0.5 μs進行周波信號測量。GPTM1初始化過程的自然語言描述如下：

1)設置CCP1管腳的交叉定義；

2)設置GPTM1AMR寄存器，使A通道工作在邊沿輸入定時模式；

3)設置預分頻初始值；

4)使能觸發中斷；

5)設置B通道的工作模式是觸發ADC；

6)設置B通道的分頻次數為50 Hz 24次采樣的參數。

ADC的初始化過程為：

1)選擇ADC0模擬輸入通道，選擇ADC1的模擬輸入通道；

2)設置SS0控制ADC0采樣，SS1控制ADC1采樣；

3)設置ADC0和ADC1同相位采樣；

4)設置ADC0和ADC1由CPTM1的B通道觸發；

5)啟動ADC0和ADC1的中斷。

3.2 周波測量中斷服務程序

周波信號測量中斷服務程序的主要任務是：讀取GPTMTAR寄存器中的值，計算當前電網的周波，并保存在全局變量CurrentHz中，供ADCnISR和其它任務使用。

3.3 ADC0和ADC1中斷服務程序

ADC0和ADC1的中斷服務程序工作任務相同，每周波24次采樣，ADC中斷服務程序流程框如圖5所示。

圖5 ADC中斷服務程序流程框圖

3.4 交流采樣中斷處理任務

控制器軟件的支撐平臺為μC/OS-II實時多任務操作系統，交流信號采樣軟件基于中斷服務程序ISR+中斷服務任務IST的架構設計，ISR完成一個周波信號采樣之后向IST發送信號，IST一旦收到發送的信號量，將會被喚醒，并進行采樣數據處理。

交流信號數據處理使用離散傅里葉算法實現，使用離散傅里葉算法可以計算得出基波分量的有效值。

裝置采集的三相交流信號的離散公式如式(1)：

(1)

m次諧波的復數形式Xc+jXs的實部和虛部分別如式(1)和(2)：

(2)

(3)

式(1)和式(2)中，取m=1，可得一次諧波(基波)的Xc和Xs如式(2)和(3)：

(4)

(5)

控制器軟件1個周波采樣24點，即N=24，代入式(4)和(5)，即可得到Xc和Xs的值，再代入式(6)得到電壓和電流的有效值：

(6)

利用Xc和Xs還可以計算得出電壓和電流的夾角，進而計算線路的功率參數。利用U的Xc和Xs還可以計算得出交流電信號的相位角，進而判斷相序，正確控制電機的正轉和反轉。此外，計算結果還可以對電機過載、堵轉、短路進行保護，對電機啟動、保護過程進行錄波，以便對電機故障原因進行定量分析。

4 實驗結果與分析

在完成控制器軟硬件設計之后，在實驗室使用科陸CL301A精密交流穩壓源對交流采樣部分的精度進行了測量，測量結果如表1和表2所示。

表1 周波信號測量結果

為了分析方便，表1顯示的誤差為電網周波周期的絕對誤差，標準源設定交流信號的頻率，控制器顯示頻率和周期值，通過計算比對周期的絕對誤差。由表1周波信號測量結果可以看出最大偏差為7 μs，驗證了控制器周波信號測量精度的穩定性，較項目組先前實現的邊沿觸發，軟件中斷服務程序飛讀計數器的方法優勢明顯。

表2 三相交流信號測量結果

從表2三相交流信號測量的結果來看，交流采樣的F級測量誤差都在0.5%F之內，電壓采樣的精度高于電流，0點由于采取的零漂處理，無法測出誤差。表1和表2的測量結果表明該項目控制器交流信號采樣的實現技術達到了預期的效果。

5 結束語

針對一款隔離開關控制器交流信號采樣的技術方案存在的問題，采用了MCU內置的ADC系統，并借助MCU的通用定時器GPTM，設計實現了一種軟同步交流采樣技術方案。根據實驗測量結果得出其采樣精度可以達到0.5%F，滿足了技術規范書的要求，同時降低了控制器產品的采購成本。進一步，將提升單周波內的采樣次數，爭取實現采樣精度達到0.2%F的目標，使得這一交流采樣技術在協作單位的測量控制器產品設計中推廣應用。