船舶电网电能质量实时检测系统的设计

1、张耀东：船舶电网电能质量实时检测系统的设计山东交通学院毕业设计论文PAGE 54PAGE 53前 言随着船舶电力系统规模的不断增大，电力系统中的整流型、冲击性等非线性负荷日益增多，这些非线性负荷的存在，往往导致船舶电网发生电压畸变、电压波动、电压闪变和三相不平衡等电能质量问题，使得船舶电网供电质量降低、甚至恶化电网运行状况。在我国电力工业蓬勃开展、电力负荷急剧增长的同时，非线性和冲击性负荷也在不断地增长，这些负荷对供电系统电能质量造成了严重的污染。对于船舶电站而言，特别是近几年来，电能质量不断下降，这样，如何提高船舶电网的电能质量、确保船舶电力系统平安经济运行，成为了船舶工业关注的焦点之一。近

2、些年，我国也开发了一些电力测控装置和电能质量检测装置，但在功能上、实用化方面均未到达理想效果。本文提出了一种基于DSP(数字信号处理器)的船舶电网电能质量的实时检测系统，利用DSP芯片强大的计算功能进行电能质量参数波形失真的在线检测，实时显示参数波形的失真程度，为船舶电网电能质量的测评和改善提供了准确的依据。DSP采用数字系统完成信号处理的任务，具有数字系统的一些共同优点，如抗干抗性强，便于大规模集成等。与传统的模拟信号方法相比拟，还有一些明显的优点，如精度高、灵活性强，可以实现模拟系统很难到达的指标和特性。论文首先围绕电能质量这一主题，论述了电能质量的根本概念和船舶电网电能质量问题及其产生的

3、原因，回忆了国内外电能质量检测领域的现状，概述了现有检测装置存在的问题；接着论述了衡量船舶电网电能质量的几个重要指标，介绍了DSP芯片的特点和开展情况以及它的性能指标和选择标准；然后详细介绍了该检测系统的数据采集和模数转换设计、DSP处理单元设计、数模转换设计等；最后介绍了该系统基于DSP的软件设计方法，对可能产生的误差进行了分析。电能质量测量技术是电测量领域的拓展。近年来，依托电力电子技术开展起来的供电系统的各种负荷，诸如变流装置、炼钢电弧炉和电力机车等，一方面对工农业生产自动化水平、效率的提高推动巨大；另一方面，由于它们非线形、冲击性及不平衡的用电特性，也造成供电网的电压波形发生畸变，引起

4、电压波动和闪变以及二相不平衡，甚至导致系统频率出现波动，供电质量降低，影响电力网和电工、通讯及电力电子设备的平安与经济运行。而对电能质量的监督有赖于准确可靠的测量仪器和科学合理的测量方法。在对电能质量问题的研究的同时，也极大到促进了数据采集等多种测量方法的开展。本装置采用TI公司的TMS320LF2407A DSP芯片作为系统的中央处理器，实现了对电能质量参数的实时检测。另外，为了防止采样过程中的频谱混叠，在软件上采用了数字滤波的方法。1 绪论1.1船舶电网电能质量课题的背景和研究意义电能既是一种经济使用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，又是一种由电力部门向电力用户，并由供、用双方共

5、同保证质量的特殊产品。如今，电能作为走进市场的商品，与其他商品一样，无疑也应该讲求质量。1.1.1电能质量的定义在现代电力系统中，电能质量这一技术名词涵盖着多种电磁干扰现象。迄今为止，关于电能质量的定义概括起来要有以下三种：定义1：合格电能质量是指，提供应敏感设备的电力和为其设置的接地系统均适合于该设备工作。定义2：造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题，其表现为电压、电流或频率的偏差。定义3：电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值的正弦波形电压与连续供电。我们应当看到，电能质量问题终究是由电力用户的生产需求驱动的，所以用户的衡量标准占有优先的位置。因此电

6、能质量可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性。1.1.2船舶电网的电能质量问题在我国电力工业蓬勃开展、电力负荷急剧增长的同时，非线性和冲击性负荷也在不断地增长，这些负荷对供电系统电能质量造成了严重的污染。对于船舶电站而言，特别是近几年来，电能质量不断下降，例如，在动态条件下，电压平均值的偏差可达20或更多，频率的偏差可达10。船舶电网的电能质量问题越来越严重，具体原因如下：(1)为了提高船舶自动化水平和节约能源，大量控制设备和电子装置投入到使用，

7、如对冷却水温的控制有阀门的档板调节改为对冷却水泵电机的调速，以及越来越多地应用轴带发电机。而这些装置对电能质量常常产生不利影响。(2)船舶电力系统中用电负荷结构发生了较大的变化，负荷的种类和容量有显著增长。值得一提的是，近年来船舶电力推进方式已越来越成为船舶技术的开展方向。目前，交流电力推进通常使用同步电动机，其变频器有交-交变频器、交-直-交变频器和PWM变频器。这些都需要应用GTO、IGBT等大功率电力电子器件，也都将产生大量的谐波。(3)一些大负载的功率占船舶电网总容量的百分比拟高，所以这些大负载的合闸，将使多台发电机并联运行，而发电机在并联运行时的次瞬态电抗对谐波的影向较大。例如，当次

8、瞬态电抗为10时，12脉波的总谐波畸变为11。(4)由于船舶设备的容量选择比拟保守，正常运行时功率因数偏低。(5)另外，由于船舶电网是一个独立的小容量电网，而冲击性、波动性负载较多，在运行中不仅产生大量谐波，而且使得电网的波动、闪变、三相不平衡日趋严重。当然，还有另外一些原因起到了推波助澜的作用，如负荷性质各异且随机变化，系统参数的非线性与不对称，加之调控手段的不完善及各种故障，均对电网产生不利影响。正因为船舶电力系统与船舶的各个系统均有牵连，它是船舶系统中一个极为重要的组成局部，直接影响着船舶运行的平安性与经济性，故船舶电网的电能质量问题是值得关注的。1.2国内外的开展现状计算机和微电子技术

9、的开展进一步促进了电能质量问题的研究及其监测装置的研制。电测量理论及仪表技术的开展历经了早期、初期、中期和近期四个阶段。早期和中期的电测量技术主要是以模拟量测量为主。20世纪50年代，数字电子技术和微电子技术的引入，促进了电测量及其仪表技术的开展，模拟式电测仪表逐渐在越来越多的场合被数字式仪表所代替。1974年出现的电压、电流波形等间隔采样技术，使数字电子技术在测量领域中作用日益增大，成为电测与仪表技术步入中期开展阶段的重要标志。在这一阶段，以微型计算机、独立操作系统、各种标准总线式结构为特征，可相互通讯、可扩展式仪器和自动测试系统以及相应的测量技术得到了蓬勃开展，并逐渐走向成熟。20世纪80

10、年代中期以来，电测与仪表技术进入了迅猛开展的近期阶段。大规模集成电路技术的开展使得芯片体积缩小到可以置入传统仪器内部，使仪器具有控制、存储、运算、逻辑判断及自动操作等智能化特点，并在测量准确度、灵敏度、可靠性、自动化程度及解决测量问题的广度和深度等方面均有了明显的进步。电能质量测量技术是电测量领域的拓展。近年来，依托电力电子技术开展起来的供电系统的各种负荷，诸如变流装置、炼钢电弧炉和电力机车等，一方面对工农业生产自动化水平、效率的提高推动巨大；另一方面，由于它们非线形、冲击性及不平衡的用电特性，也造成供电网的电压波形发生畸变，引起电压波动和闪变以及二相不平衡，甚至导致系统频率出现波动，供电质量

11、降低，影响电力网和电工、通讯及电力电子设备的平安与经济运行。而对电能质量的监督有赖于准确可靠的测量仪器和科学合理的测量方法。在对电能质量问题的研究的同时，也极大到促进了数据采集等多种测量方法的开展。电能质量测量技术己成为电测与仪表技术领域的一个不可缺少的重要分支。随着对电能质量问题的研究与重视，国内外也出现了相应的测量仪表。如美国福禄克公司生产的Fluke 43型手持式供电质量分析仪，可以提供电力系统维修、供电故障排除及设备故障诊断所需的测量值，功能先进。我国对电能质量监测装置的研制尚处于起步阶段，国内生产厂家的前沿测控装置大多是采用单片微机来实现的，其主要优点是构成简单、实现方便，价格也比拟

12、低廉。电能质量的含义和内容非常广泛，对不同电能质量问题的监测方式和要求也不尽不同。迄今为止，国内外对电能质量的监测方式可概括为连续监测、定期或不定期检测和专门测量三种方式。(1)连续监测连续监测也称为在线监测或日常监测。按电能质量标准的规定和要求，需要进行连续监测的内容有电压偏差和频率偏差，以及大型干扰源、危害较大或容易引发事故的有关电能质量指标，如大型电弧炉引起的电压波动、大型电容器组的谐波电流、易受干扰的大型设备或线路的谐波电流、以及重要用户的电能质量指标。连续监测对使用的监测设备有一定要求。特别是电网中监测点较多、监测信息需要远传时，那么需要建立一个监测网络系统。(2)定期或不定期检测对

13、于普通干扰源的监测，根据干扰的大小、危害程度、以及需要等，选择采取定期或不定期检测方式。定期检测多用于电网电能质量的定期普查。定期普查是每隔一定时间(如23年)对全网进行普查测试，全面了解和掌握全网的电能质量水平或干扰源的特性。定期普查的检测点和检测指标由普查需要确定，但应包括连续监测的内容。对于一些特殊情况根据电能质量监督管理的需要，也可采取不定期检测方式。定期或不定期检测一般采用专门仪器、设备到现场进行测试，测试之后根据测试结果提出测量和分析报告。 (3)专门测量专门测量是指对各种干扰负荷或补偿设备，如电弧炉、换流设备、电容器组、滤波器等接入电网前后，比拟这些设备投入前后对电网电能质量水平

14、及影响进行的测量，以决定其能否正式投入运行。对于可能产生各种干扰的设备，如果投入电网之后产生的干扰超过标准，那么不允许该设备投入运行。 就名词含义和意义而言，监测和检测是两个不同的概念。监测是一个连续时间的概念，在监测时间段内往往持续不断地执行某个例行的任务；而检测那么是一个时间的概念，它大多是为了完成某一具体的任务而执行一次操作，虽然有些检测也需要持续一段时间，但这只不过是一个过程中的不同阶段而己。另外，监测往往是对全程的跟踪监视，在监测伊始，往往不能具体预测监测结果；而检测那么带有明确的目的，所有的操作都紧紧围绕着检测的目的而进行着。 电能质量检测在改善电能质量的过程中起着关键的作用，因为

15、为了改善电能质量问题就必须首先将电能质量中存在的问题认识清楚。如为了减轻或消除谐波对系统造成的不利影响就必须先检测出谐波分量的大小，并以此作为控制变量来削弱谐波造成的不利影响。1.3当前电能质量检测装置存在的问题近些年，我国也开发了一些电力测控装置和电能质量检测装置，但在功能上、实用化方面均未到达理想效果。还存在一些问题： 处理功能较差，可扩展存储空间较小，运算速度较慢，难以运用精确严格的算法进行大量的实时数据处理，不满足电力检测高实时性的要求。 电力系统中最常用微处理器包括51系列等控制型器件，但随着电力系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高，这些器件在计算能力方面已不能很好地适应电力系统

16、的要求。致使电力系统的高精度测量、实时监控和先进算法的运用受到了限制。 有的产品虽然直接引进了国外的技术模块，功能较强，可是价格较高，且不完全适合我国市场。有的产品无通讯和控制输出功能，不满足电力系统网络化、自动化的开展方向。人机交互性不好。在过去的几十年里，单片机的广泛使用实现了简单的智能控制功能。但是随着计算机科学与技术、信号处理理论与方法的迅速开展，需要处理的数据量越来越大，对电测仪表的实时性和精度的要求也越来越高。而电能质量检测装置不同于一般的电力根本参数测量仪器，要进行电能质量指标的计算、分析，并且要运用复杂的数学算法。如果采用比拟先进的单片机Intel 80C196KC进行根本的3

17、2点FFT运算，在12M主频下采用快速算法仍然需要0.25秒左右，如采用更加先进复杂的算法那么需要的时间更长。显然，传统的单片机技术已不能满足电力系统实时监控的需要。1.4本论文的任务数字信号处理采用数字系统完成信号处理的任务，具有数字系统的一些共同优点，如抗干抗性强，便于大规模集成等。与传统的模拟信号方法相比拟，还有一些明显的优点，如精度高、灵活性强，可以实现模拟系统很难到达的指标和特性。本文在研究船舶电力系统电能质量指标和测量方法的根底上，研制出一种基于数字信号处理器(DSP)的电能质量检测系统，主要工作包括：1回忆了电能质量的概念以及开展的概况，指出了现有的船舶电力系统存在的电能质量问题

18、，介绍国内外电能质量的检测方法以及现有电能质量检测装置存在的问题。2讨论了衡量船舶电网的电能质量指标。3简单介绍了DSP的开展和特点，以及DSP的性能指标和选择标准，设计基于DSP技术的电能质量检测系统的软硬件结构。4，对于基于DSP技术的检测系统进行了误差分析。5结论与展望。2船舶电网的电能质量分析根据国家技术监督局先后公布的六个有关电能质量国家标准，我们得知，衡量电能质量的主要指标是：电压偏差，谐波畸变率，三相不平衡度，电压波动与闪变以及暂时过电压和瞬时过电压。通常提及的电能质量指标总是指电压质量。但这显然是不够的，还应该同喇采用其它指标，如有功功率和无功功率方面的指标。因此，船舯电网的电

19、能质量指标常为：主配电板汇流排的电压特性(电压偏差，电压波形畸变率，不平衡电压)、电网频率偏差和并联运行发电机组的有功功率和无功功率的畸变特性。判断电能质量的最好方法即为分析其各项质量指标。2.1电压偏差电压偏差是衡量电压质量的重要指标，它的计算公式比拟简单，表示如公式(2.1)12： 2.1(1)35KV及以上供电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10。(2)10KV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的7。(3)220V单相供电电压允许偏差为额定电压的7、10。对电压质量的评价需要许多静态和动态的电压参数值，这些参数值涉及电压波形特性，电压对称性、频率、电压均方根值等。这些参数可用于

20、确定电压受干扰情况。从测量的角度来看，电压均方根值和频率都是易于测量的，相形之下，波形畸变的测量会复杂一些。在静态条件下，电压波形的畸变可由其谐波(有时还包含间谐波)来描述。通常可被检测到40次谐波至50次谐波。但在大多数情况下，这样高次的谐波在实际电力系统中影响很小，通常检测2至20次谐波已经足够忆另外，我们并没有必要具体地将每一次谐波均表达出来，而应是分析各次谐波产生的共同影响，最典型的就是求THD(谐波总畸变因子)的值，其定义如公式(2.2)： 2.2其中，s1为基波的均方根值。求THD值无需测出每次谐波的值。如果THD较大或波动较明显，那么要对谐波进行总的谐波频谱分析，可以通过简单的傅

21、氏变换进行在线分析，而无需采用仪表测量窗口或同步采样频率，而且可以采用离线形式。因谐波在频谱中是下降趋势，故对于谐波的各种规定，如船级社的规定，超过一定次数的高次谐波在分析时忽略不计。以一条实船(滚装船)为例，THD相对较小，为178，而25次谐波的幅值达基波的1.68。解决这个问题的方法在检测阶段考虑补充因素，用DBF表述，其定义如公式(2.3)： 2.3其中，Urms(f1-f2)为在f1至f2频段中电压的均方根值。求DBF值的最好的方法是采用数字小波变换法。此外，如果将数字小波变换用于瞬态分析，那么测量装置无需附加运算功能便可对DBF进行有效计算。总之，只有在DBF值较高时才有必要对相应

22、频带的谐波幅值进行测量，而且大多数情况下离线测量即可。但是当DBF值较低而THD值较高时，那么应仔细分析低次谐波。仍以上述的滚装船为例，对于频率f1=812.5Hz和f2=1625Hz，用DBFf1-f2的值为1.7。通过这个值对频带进行分析是困难的，还有一个类似的参数为频带总谐波畸变THBD。 另一个问题是在瞬态情况下，常用峰-峰值和脉冲持续宽度，有时还有其能量来描述。瞬态时其能量常如公式(2.4)所描述： 2.4其中，Utt为瞬时电压值，t1为瞬态起始时间，t2为瞬态结束时间。上述对能量的定义可以被认为是消耗在1欧姆电阻上的被分析的信号的能量。2.2电压波动电压波动Ut，用式(2.5)表示

23、。 (2.5) 式中：Umax，Umin工频电压调幅波的相邻两个极值电压。 为了使电压波动与电压偏差相区别，规定电压变化率大于每秒0.2%时为电压波动，否那么视为电压偏差。2.3电网频率偏差 电力系统的标称频率为50Hz，频率的偏差可由公式(2.6)表示：3 (2.6)式中： f频率偏差 f实际频率额定 fn额定频率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：U2三相电压用对称分量分解后的负序分量的幅值； U1三相电压用对称分量分解后的正序分量的幅值。?电能质量三相电压允许不平衡度?(GB/T15543-1995)中规定，电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为

24、2%，短时不得超过4%。2.5谐波畸变率由于电力系统中非线性负荷的增加，给系统带来了大量的谐波污染，影响了电网的平安运行和用户对电能质量的要求。在谐波测量上多数采用数学方法对电压电流信号进行谐波分析，对于稳态谐波的测量，快速傅里叶变换FFT是分析谐波的最好方法，利用FFT可以直接得到波形所含的各频谱分量。 3基于DSP实时检测系统的硬件设计3.1数字信号处理器DSP的选择数字信号处理(Digital Signal Processing)是一门以众多学科为理论根底而又广泛应用于许多领域的新兴学科。数字信号处理器(Digital Signal Processor)是微电子学、数字信号处理、计算机技

25、术这三门学科综合研究的成果。两者的简称都是DSP。893.1.1数字信号处理器(DSP)的开展和特点自然界中的模拟信号(如声音、图象)通过采样成为.组用数字表示的序列即数字信号。数字信号处理就是对这样的数字信号进行分析、处理，它侧重于理论分析、算法确定及软件实现，如快速傅立叶变换(FFF)、卷积、数字滤波等。要实现这些算法，特别是要实现实时地完成某种算法，就需要有特殊的硬件支持，这种硬件支持的最正确方案之一就是数字信号处理器。随着人们对实时信号处理要求的不断提高和大规模集成电路技术的迅速开展以及数字信号处理器性能的提高和价格的下降，数字信号处理技术(简称DSP技术)得到广泛的普及和应用。101

26、1123.1.2 DSP芯片的类别和使用选择数字信号处理器的采用是为了到达实时信号的高速处理，为适应各种各样的实际应用，产生了多种类型、档次的DSP芯片。在DSP市场上，从廉价型到超高性能型各类品种都有，世界上生产和开发DSP芯片的公司也很多，著名的有美国德州仪器(Texas Instruments，简称TI)公司，美国模拟器件(Analog Devices，简称AD)公司，MOTOROLA，ATT，Intel，NEC，Fujitsu，National等。在我国推广和应用较多的有TI公司、AD公司和MOTOROLA公司的DSP芯片。1芯片的类别从DSP芯片的数据结构分，DSP芯片分为定点和浮点

27、两种类型。数据以定点格式工作的DSP芯片称为定点DSP芯片；数据以浮点格式工作的芯片称为浮点DSP芯片。从使用的广泛性可以把DSP分为通用DSP和专用DSP芯片两种。专业型DSP芯片一般用以完成特定的运算功能，并且已经将控制算法固化在芯片内，通用性比拟差；通用型DSP芯片是内部资源对用户开放的系统，用户可以根据不同的需要进行编程，可以实现各种数字信号的处理算法。从性能上可以按精度动态范围和处理速度将通用作进一步的划分。另外，各个厂家还根据DSP芯片的CPU结构和性能将产品分成假设干系列。2使用选择在设计DSP系统时，如何根据系统要求选择适宜的DSP芯片，是决定系统性能的一个重要环节。由于DSP

28、芯片的开展速度很快，并且种类很多，用户在选用芯片，要考虑以下几种因素：(1)性能：描述DSP性能的最重要的技术指标是运算速度。在快速的实时处理系统中，要选择运算速度快的DSP芯片，例如定点运算的DSP芯片特点是运算速度快、功耗低，价格廉价，体积小，但运算精度不高， 般是16位，片内也只有32位，所以用得最多。而浮点运算的DSP芯片特点是运算速度慢、功耗大，本钱较高，体积稍大，但运算精度高，一般是32位，片内一般可达40位，适合丁对数据动态范围和精度要求高的特殊应用。(2)片内硬件资源：不同的DSP芯片所具有的片内硬件资源是不相同的，即使是同一公司的同一系列的DSP芯片，也具有不同的片内硬件资源

29、。片内硬件资源包括片内RAM、ROM的数量，I/O接口的种类和个数，总线驱动能力，外部可扩展的程序和数据空间等。选用片内硬件资源丰富的DSP芯片，其系统设计更为简单、可靠，且体积小、抗干扰能力强。(3)价格：TI公司的价格规律是刚上市的DSP芯片价格一般较高，上市一至两年后，芯片价格会大幅度下降；将要淘汰的芯片(公司不推广的)价格略高；量越大，价格越廉价，厂家主推的产品，价格较廉价。因此，选择DSP除了考虑运算速度以外，还要对其总线结构、数据的传输能力、运算精度、存储器容量、可编程能力、功耗、价格等因素进行选择，同时还要有功能完善的开发工具(软、硬件仿真)支持，这样力。能使所选的芯片不仅满足数

30、字信号处理系统设计的要求，而且使用方便，性能价格比高。3.1.3 TI公司TMS320LF2407 DSP介绍及选择原因前面已经提过，数字信号处理器(DSP)是当前开展非常迅速的一类电子器件，其功能强大，应用相当广泛。在世界上几个生产DSP芯片的大公司中，TI(TexasInstruments)公司的TMS系列DSP芯片的市场占有率最高。目前，国内应用的DSP主要以TI公司的TMs320系列为主。C2000系列DSP是TI公司TMS320 DSP的三大系列之一，它既具有一般DSP芯片的高速运算和信号处理能力，又和单片机一样在片内集成了丰富的外设，所以特别适用于数字控制系统，TMS320C200

31、0系列包括TMS320C20 x、TMS320C24x和TMS320C28x三类。TMS320C24x系列DSP芯片针对数字控制系统应用作了优化设计，芯片内部具有多达16路的10位数模转换功能，具有多个通用定时器和一个监视(Watchdog)定时器，具有多达16个通道的PWM(Pulse Width Modulation)通道，最多具有41个通道输入输出引脚。表31列出了TMS320C24x系列芯片的资源配置。图31是该系列芯片中TMS320LF2407A DSP的方框图。表3.1TMS320C24x系列新品的资源配置Tab. 3.1 TMS320C24x series of allocati

32、on of resourcesTMS320C24xMIPSRAM/字ROM/字Flash/字I/O引脚比拟/PWM通道定时器同步串行口异步串行口A/D通道数/转换时间/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组成包括：40MHz、40M1PS的低电压33VCPU、片内存储器、事件管理器模块、片内集成外围设备。TMS320LF2407A的CPU是基于TMS320C2XX的16位定点低功耗内核。体系结构采用四级流水线技术加快程序的执行，可在一个处理周期内完

34、成乘法、加法和移位运算。其中央算术逻辑单元(CALU)是一个独立的算术单元，它包括一个32位算术逻辑单元(ALU)、一个32位累加器、一个16x16位乘法器(MUL)和一个16位桶形移位器，同时乘法器和累加器内部各包含一个输出移位器。完全独立于CALU的辅助存放器单元(ARAU)包含八个16位辅助存放器，其主要功能是在CALU操作的同时执行八个辅助存放器(AR7至AR0)上的算术运算。两个状态存放器ST0和STl用于实现CPU各种状态的保存。TMS320LF2407A采用增强的哈佛结构，芯片内部具有六条16位总线，即程序地址总线(PAB)、数据读地址总线(DRAB)、数据写地址总线(DWAB)

35、、程序读总线(PRDB)、数据读总线(DRDB)、数据写总线(DwEB)，其程序存储器总线和数据存储器总线相互独立，支持并行的程序和操作数寻址，因此CPU的读/写可在同一周期内进行，这种高速运算能力使自适应控制、卡尔曼滤波、神经网络、遗传算法等复杂控制算法得以实现。TMS320LF2407A地址映象被组织为三个可独立选择的空间：程序存储器(64K)、数据存储器(64K)、输入输出(I/O)空间(64K)。这些空间提供了共192K字的地址范围。其片内存储器资源包括：544字16位的双端口数据程序DARAM、2K字16位的单端口数据程序SARAM、片内32Kl6位的Flash程序存储器、256字x

36、16位片上Boot ROM、片上FlashROM具有可编程加密特性。TMS320LF2407A的指令集有三种根本的存储器寻址方式：立即寻址方式、直接寻址方式、间接寻址方式。TMS320LF2407A包含两个专用于电机控制的事件管理器模块EVA和EVB，每个事件管理器模块包括通用定时器(GP)、令比拟单元、正交编码脉冲电路以及捕获单元。通用定时器。TMS320LF2407A共有四个16位通用定时器，可用于产生采样周期，作为全比拟单元产生PWM输出以及软件定时的时基。通用定时器有四种可选择的操作模式：停止保持模式、连续增计数模式、定向增减计数模式和连续增减计数模式。每个通用定时器都有一个相关的比拟

37、存放器TXCMPR和一个PWM输出引脚TXPWM。每个通用定时器都可以独立地用于提供一个PWM输出通道，可产生非对称或对称PWM波形，因此，四个通用定时器最多可提供4路PWM输出。全比拟单元。每个事件管理器模块有三个全比拟单元(1、2和3； 4、5和6)，每个比拟单元各有一个16位比拟存放器CMPRx，各有两个CMPPWM输出引脚，可产生2路PWM输出信号控制功率器件，其输出引脚极性由控制存放器(ACTR)的控制位来决定，根据需要，选择高电平或低电平作为开通信号，通过设置T1为不同工作方式，可选择输出对称PWM波形、非对称PWM波形或空间矢量PWM波形。死区控制单元(DBTCON)用来产生可编

38、程的软件死区，使得受每个全比拟单元的两路CMPPWM输出控制的功率器件的间次开启周期间没有重叠，最大可编程的软件死区时间达16us。正交编码脉冲电路。正交编码脉冲(QEP)电路可以对引脚CAPlQEPl和CAP2QEP2上的正交编码脉冲进行解码和计数，可以直接处理光电编码盘的2路正交编码脉冲，正交编码脉冲包含两个脉冲序列，有变化的频率和四分之一周期(90.)的固定相位偏移，对输入的2路正交信号进行鉴相和4倍频。通过检测2路信号的相位关系可以判断电机的正反转，并据此对信号进行加减计数，从而得到当前的计数值和计数方向，即电机的角位移和转向，电机的角速度可以通过脉冲的频率测出。捕获单元。捕获单元用于

39、捕获输入引脚上信号的跳变，两个事件管理器模块总共有六个捕获单元。EVA模块有三个捕获单元引脚CAPl、CAP2和CAP3，它们可以选择通用定时器1或2作为时基，但CAPl和CAP2一定要选择相同的定时器作为时基；EVB模块也有三个捕获单元引脚CAP4、CAP5和CAP6，它们可以选择通用定时器3或4作为时基，但CAP4和CAP5一定要选择相同的定时器作为时基。每个单元各有一个两级的FIFO缓冲堆栈。当捕获发生时，相应的中断标志被置位，并向CPU发中断请求。TMS320LF2407A片内集成了丰富的外设，大大减少了系统设计的元器件数量。串行通讯口。TMS320LF2407A设有一个异步串行外设通

40、讯口(SCI)和一个同步串行外设通讯口(SPI)，用于与I位机、外设及多处理器之间的通讯。SCI即通用异步收发器(UART)支持RS-232和RS-485的工业标准仝双工通信模式，用来与卜位机的通讯；SPI可用于同步数据通讯，典型应用包括TMS320LF2407A之间构成多机系统和外部IO扩展，如显示驱动。AD转换模块。包括两个带采样保持的各8路10位AD转换器，具有自动排序能力，一次可执行最多16个通道的自动转换，可工作在8个自动转换的双排序器工作方式或一组16个自动转换通道的单排序器工作方式。AD转换模块的启动可以有事件管理器模块中的事件源启动、外部信号启动、软件立即启动等三种方式。控制器

41、区域网(CAN)。是现场总线的一种，主要用于各种设备的检测及控制。TMS320LF2407A片上CAN控制器模块是一个16位的外设模块，该模块完全支持CAN2.0B协议，6个邮箱(其中0、1用于接收；4、5用于发送；2、3可配置为接收或发送)每次可以传送O8个字节的数据，具有可编程的局部接收屏蔽、位传输速率、中断方案和总线唤醒事件，超强的错误诊断，自动错误重发和远程请求回应，支持自测试模式等功能。CAN总线通讯可靠性高，节点数有110个，传输速度高达1Mbs(此时距离最长为40m)，直接通讯距离可达10km(速率5kbs以下)，采用双绞线差动方式进行通讯，有很强的抗干扰能力。锁相环电路(PLL

42、)和等待状态发生器。前者用于实现时钟选项；后者可通过软件编程产生用于用户需要的等待周期，以配合外围低速器件的使用。看门狗定时器与实时中断定时器。均为8位增量计数器，前者用于监控系统软件和硬件工作，在CPU出错时产生复位信号；后者用于产生周期性的中断请求。外部存储器接口。可扩展为192K字x16位的最大可寻址存储器空间(64K字程序存储器、64K字数据存储器、64K字IO空间)。数字IO。TMS320LF2407A有40个通用、双向的数字IO引脚，其中大多数都是根本功能和一般IO复用引脚。JTAG接口。由于TMS320LF2407A结构复杂、工作速度快、外部引脚多、封装面积小，引脚排列密集等原因

43、，传统的并行仿真方式己不适合于TMS320LF2407A的开发应用。TMS320LF2407A具有符合IEEEll491标准的5线JTAG(边界扫描逻辑)串行仿真接口，能够极其方便地提供硬件系统的在线仿真和测试。外部中断。有五个外部中断(功率驱动保护、复位、不可屏蔽中断NMI及两个可屏蔽中断)。3.2硬件的总体设计在电能质量检测系统中，为了有效地了解船舶电力系统电能质量参数的实际情况，使其具有较强的测量功能、准确度高、速度快和高抗干扰性，同时尽可能降低本钱，必须及时测量船舶电力系统电能质量参数和采用“物美价廉的器件。同步采样由于能够反映交流信号的变化本质，并保持采样信号与被测信号严格同步，因此

44、在电能质量参数测量系统中被广泛使用。同步采样中最关键的是如何保证采样频率与信号频率严格同步，这是本文硬件设计的重点之一。同时，由于本测量单元需要处理大量数据，用一般串口进行数据传输己经不能满足电力系统信号实时分析的要求。为此设计以下硬件电路来满足同步采样和快速传输采样数据，硬件组成框图如图3.1所示。硬件设计的组成模块包括模拟量输入模块、数据采集模块、DSP数据处理模块以及模拟量输出模块等。其详细原理图及PCB图见附录A所示。图3.1 系统硬件组成框图Fig.3.1 The system hardware composition block diagram3.3模拟量输入模块3.3.1模拟信号

45、输入电路模拟量输入电路包括电压互感器(PT)、电流互感器(CT)、电压变换器和电流变换器几局部组成。PT将一次侧的380V电压转变为二次侧的100V低压，再经电压变换器输出-5V+5V的交流信号。运用CT将一次侧大电流转变为5A额定电流，然后经电流变换器，并在其二次侧并联电阻，将得到-5V+5V的交流电压信号。电压和电流变换器同时起将强电与微机的弱电系统隔离和抗干扰作用。3.3.2模拟抗混叠低通滤波电路系统处在一个强大的干扰源一电网中，另外由于前面的模拟量输入电路中的互感器、变换器的影响，使得信号在进入数据采集模块之前，所采样的信号混有各种频谱的信号，而这些信号很多是我们不需要的。在实际应用中

46、，必须满足奈奎斯特采样定理的要求，防止频谱混叠的发生。我们采用传统的方法，用模拟滤波器滤除高于采样频率fs一半的高频，但是由于模拟滤波器的物理特性，往往难以保证低通频带的较好的特性。这里采用模拟低通滤波与数字滤波相结合的方法提高抗混叠效果，减少单纯模拟滤波器的非平直通带特性带来的测量误差。假定所需测量的信号频率范围为0fp，模拟低通滤波器只需滤除fx= fp以上的频率成分，并保证0fp。范围内的特性品质，而对于fpfs2范围内的信号频率成分那么可以采样后用数字滤波的方法来滤除。为了使滤波特性更接近于理想情况，模拟抗混叠低通滤波器采用两极RC式结构，如图3.2所示。45图3.2 模拟抗混叠低通滤

47、波器Fig.3.2 Simulation of anti aliasing low-pass filter3.4数据采集模块采集的信号由此单元进入仪器，在此根底上仪器进行数据处理，因此，仪器的测量精度也与该单元的质量密切相关，所以，要根据仪器的技术要求合理选择通道的结构，恰当地选用芯片，并把它与主机电路正确连接起来，它包括前端信号调理电路、AD转换电路和同步锁相电路等。在周期性的电力参数测量中，进行同步采样是准确测量实时信号的关键，而对于数据采集模块来说，AD转换器是模数转换电路的核心器件，模数转换电路的测量精度也主要取决于AD转换器的分辨率，它在整个测量系统中占有举足轻重的作用。在不同的应用

48、场合对A/D转换器的要求不同，器件选型时，应考虑以下几条原那么：(1)A/D转换的位数满足测量精度要求(2)A/D转换速率满足测量精度要求(3)系统实现的性能价格比A/D转换器的位数与整个测量控制系统所要测量控制的范围和精度有关。A/D转换器的位数至少要到达测量精度要求的最高分辨率。实际选取A/D转换器的位数还要与其它环节所能到达的精度相适应。A/D转换的“分辨率可以用A/D转换器的位数表示，也可以用“量化单位表示。“量化单位是指输出数字量最低位变化一位所对应的输入模拟信号的变化范围，记为1LSB。设n位ADC器件的模拟输入范围为VFS，那么有：1LSB=VFS2n“。因为实际的A/D转换器一

49、般是按四舍五入原理进行的，故其“量化误差实际最大到达其量化单位的一半。经过计算选择12位A/D转换器可以满足设计指标的0.05范围内的误差要求。通常A/D转换器的位数至少要比总精度要求的最低分辨率高一位，本仪器在测试中的最小精度等级要求为0.05级(0.05)，考虑到整个系统的设计，我们初步决定选用14位A/D芯片。由于DSP芯片中自带的A/D转换器不能满足设计的要求，因此在本系统中采用的是Maxim公司推出的14位A/D芯片MAXl25。3.4.1前端信号调理电路在A/D转换之前，先要对输入信号进行适当的信号调理，使得调理后的信号满足A/D转换器的输入要求。MAXl25模拟输入通道的输入电压

50、范围为-5V+5V，在图3.3所示的电路中使用了2个运算放大器，A1用作跟随器，用来缓冲MAXl25输出的2.5V基准电压源；A2和4个电阻构成了信号条理网络，适当配置R1R4电阻可以实现对输入信号Vi的缩放和平移，以适合MAXl25模拟通道的要求。67图3.3 前端信号调理电路Fig.3.3 Front end circuit for signal disposal3.4.2 A/D转换电路经过信号调理后的模拟信号就可以进入A/D转换器的模拟通道，前面已经介绍过A/D转换器的选择标准，这里就不再赘述，下面主要介绍MAXl25的主要特点和功能。MAXl25是内部带同步采样保持器的高速多通道14

51、位数据采集芯片，芯片内部包含1个14位，转换时间为跏s的逐次逼近型模拟数字转换器，1个+25V的内部参考电压基准，1个参考输入缓冲器，4个同步采样保持放大器，1个可编程序列发生器，1个内部的16MHz时钟和4个存放转换数据的14位RAM。4个连续的读信号可访问4个转换数据，每路具有17V的输入故障保护，防止外界对芯片冲击而造成损失。每个同步采样保持放大器均与一个2选1电路相连。内部序列发生器被编程后，可实现A，B两组(CHlA，CH2A，CH3A，CH4A或CHlB，CH2B，CH3B，CH4B)中的任何1组产生1路输入、2路输出、3路输入、4路输入的同步采样方式。它采样连续逼近的转换技术实现

52、模数转换，对于每一个指定的通道，模/数转换器最快能在3us内完成转换，并将数据依次存于内部RAM中。在每个脉冲下，内部序列发生器将产生最少1个通道、最多4个通道的转换顺序(在缺省模式下，CHlA通道上的数据被转换)，连续转换指定通道上的数据。在一个转换顺序里的最后一个通道转换结束后，端出现一个低电平。MAXl25输入指令(AoA3)与数据输出(DoD13)在低4位通过三态门实现复用，与UP或DSP接口容易。，控制读/写操作。是标准的片选信号，能控制MAXl25作为地址线的IO端口。当为高电平时，所有的I/O呈现高阻，读/写操作无效。首先要在引脚输入一个脉冲信号，此脉冲信号的带宽必须大于30 n

53、s：当引脚处于上升沿时，表示启动采样，转换正在进行，随后引脚处于下降沿，表示此次转换结束，如果此时引脚同引脚均为低电平，14位的转换结果就会输出到数据总线。对于具有16位数据总线的DSP而言，可一次读出转换结果。MAXl25的转换时序图如图3.4所示。图3.4 MAXl25时序图Fig.3.4 MAXl25 sequence diagramMAXl25有8个转换方式，并通过对A0A3地址线编程实现。上电时，：薛片自动选择CHlA为转换通道。如果对MAXl25输入转换指令，应将拉低，对A0A3根地址线进行编程，然后再给一个低脉冲，编程指令在或的上升沿被锁存。这时模数转换器做好了转换的准备，一旦转

54、换程序执行，模数转换器就在指定方式下连续执行转换，直到重新编程或断电为止。选择了转换通道以后，给一个低脉冲，就可进行一个转换顺序。在的上升沿，模拟信号被采样。在转换进行时不能进行新的转换。随时检测输出，一旦输出下降沿就说明一个转换顺序结束。在读周期，向面引脚提供连续脉冲，通过并行接口可连续访问片内RAM中的数据。接收到信号后，可执行4个读操作来访问4个转换数据。低电平，转换结果从CH_1开始。在每个的上升沿，内部地址指针指向下一个通道。如果只转换单个通道，只需一个脉冲，地址指针重新指向CH_1。3.4.3 A/D转换器与数据处理模块的接口设计由于MAXl25的并行接口数据访问和总线释放的定时特

55、性与绝大局部数字信号处理器及16-bit/32-bit微处理器的特性兼容故MAXl25 可以与这些处理器直接相连，而不需等待状态。MAXl25与数据处理模块TMS320LF2407A的接口电路如图3.5所示。图3.5 MAXl25与TMS320LF2407A的接口电路Fig.3.5 MAXl25 interface circuit with TMS320LF2407A3.4.4同步锁相电路由交流采样原理可知，提高交流采样精度的一条途径是提高A/D转换器的位数，另一条是增加周期内的采样点数N。但是在满足这两点的前提下，能否将一个周期内采样点数N保持恒定也是提高测量精度的途径。对于电力信号来说，不

56、仅信号成分复杂、幅度可变，而且基波频率也不是恒定不变的。如果按照固定的基波频率为50Hz来确定采样率，就必然产生频谱泄漏效应，而正在采样的那个周波的频率又是无法事先直接测到的。对于频谱泄漏，只要保证窗口函数的宽度为基波周期的整数倍，就可以防止泄漏效应的产生。其解决方法有二，一是采用适当的窗函数来降低泄漏效应的影响，但是，这种方法同时也增加了计算量。对于大数据量的数据处理而言是不适宜的；其二，也是最实用、最有效的解决方法，设计有效的频率跟踪电路，使采样频率实时跟踪信号的基波频率。由于系统的惯性，相邻两个周波或相邻几个周波的频率变化却很小，因此，在本系统的硬件中设计了同步锁相电路来解决这个问题。跟

57、软件同步采样法相比，虽然这种方法确实增加了硬件开销，但是大大减少了软件的工作量，并且可靠性和误差特性都要比前者好，所以在本设计中采用硬件同步采样的方法产生采样脉冲。它由1片定时/计数器CD4024和1片数字锁相环CD4046来共同实现完成，如图3.6所示。图3.6同步锁相电路Fig.3.6 Synchronous phase-locked circuitCD4046是CMOS数字锁相环，内含相位比拟器(I和II)和压控振荡器(VoltageControlled Oscillator)，在使用时外接低通滤波器。CD4046具有电源电压范围宽、可靠性高、性能稳定和功耗低的特点。CD4046采用16

58、脚双列直插式，各引脚功能如下：1脚相位输出端，环路入锁时为高电平，环路失锁时为低电平。2脚相位比拟器I的输出端。3脚比拟信号输入端。4脚压控振荡器输出端。5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。6、7脚外接振荡电容。8、16脚电源的负端和正端。9脚压控振荡器的控制端。10脚解调输出端，用于FM解调。11、12脚外接振荡电阻。13脚相位比拟器II的输出端。14脚信号输入端。15脚内部独立的齐纳稳压管负极。CD4046的引脚如图3.7：图3.7 CD4046引脚图Fig.3.7 Pin figure3.5数据处理模块数据处理模块是本测量系统的核心环节，它对进行数据采集后的数字信号进行

59、数值运算和数据存储。3.5.1 DSP芯片的选取根据第三章所介绍的DSP的特点和开展情况，本设计所选用的是TI公司专为基于控制的应用而设计的TMS320LF2407ADSP。它将高性能的DSP内核和丰富的微控制器的外设集成于单片中，从而成为传统的微控制器单元(MCUs)和高本钱的多片设计的理想代替。40MIPS(每秒百万条指令)的运行速度，使得LF2407ADSP控制器提供比传统16位微控制器和32位微处理器更高的性价比。LF2407A芯片的16位定点DSP内核为模拟控制系统的设计者提供了一个数字解决的方案，并且不会牺牲原来系统的精度和性能。通过采用诸如白适应控制、卡尔曼滤波和状态控制等先进的

60、控制算法，可以增强系统的性能。由于LF2407A DSP控制器的可靠性和可编程性，也克服了模拟控制系统硬件解决方案所存在的老化、器件失效、部件间配合误差和漂移等因素。TMS320LF2407A DSP除了具有TMS320系列DSP的根本性能外，还具有以下一些特点：采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为33V，减少了控制器的功耗；40MIPS的执行速度使得指令周期缩短到25ns，从而提高了控制器的实时控制能力。 基于TMS320C2xx DSP的CPU内核，保证了TMS320LF2407A DSP代码和TMS320系列DSP代码兼容。片内高达32x16位的Flash程序存储器(EPROM，