基于TMS320VC33的电网谐波测试仪的硬件设计.doc

毕业设计（论文）题目基于TMS320VC33的电网谐波测试仪的硬件设计院系电气工程学院专业自动化班级学生姓名学号指导教师职称20年06月08日I摘要随着电力工业的不断发展,电力电子装置和非线性系统的使用日益增多,造成大量谐波电流注入电网,引起电力系统中电压、电流的正弦波形发生严重畸变,使得公用电网的谐波污染日趋严重,致使电能质量严重下降。因此，实时测量电网及非线性用电设备的谐波分量，掌握系统中谐波的实际情况，对于防止谐波危害、提高供电质量是十分必要的。针对上述问题,本文设计了一种多功能的电力参数测量与分析系统:以DSP为核心的电力参数测量及谐波分析装置。该装置具有运算速度快,计算精确高,功能强大等优点。本装置利用了TMS320VC33DSP集高速运算能力和高效控制能力于一体的优势，用单片DSP(DigitalSignalProcessor)芯片作为整个系统的CPU(CentralProcessorUnit),结合外围电路，通过分时处理来完成系统管理、对外接口扩展、通讯、数据处理、谐波测试和分析等一系列的工作。关键词电能质量数字信号处理（DSP）谐波测试和分析AbstractAlongwiththedevelopmentofelectricpowerindustrycontinuously,theusageoftheelectricpowerelectronicsequipmentandthenonlinearsystemincreasingly,resultinginagreatdealofharmonicelectriccurrentinfuseintotheelectricpowernet,causingthesinewaveformoftheelectricvoltageandcurrentintheelectricpowersystemtakeplaceaseriousmutationandmakingtheharmonicpollutionofpublicelectricpowernetisgraduallyseriousandthequalityofelectricpowerisdeclining.Therefore,real-timemeasurementofharmonicandincontroloftheactualcircumstanceoftheharmonicinthesystemisveryimportantforavoidingtheharmonicperilandimprovingthequalityofpowersupply.Aimingattheabove-mentionedproblem,thispaperdesignedakindofmulti-functionelectricpowerparametertomeasureandanalyticalsystem:takingDSPasIItheelectricpowerparametermeasureandtheharmonicanalysisdeviceofthecore.Thedevicehavefollowingadvantage,suchasspeedofoperationquickly,calculationprecisionhigh,thefunctionisstrongandsoon,thisdevicemakesuseoftheadvantageofTMS320VC33DSPgatheringhighspeedoperationabilitywithcontrolanabilityefficientlyinthewholebody,usesasinglesliceDSP(theDigitalSignalProcessor)chipbethewholeCPU(theCentralProcessorUnit)ofsystem,combinestheoutercircleelectriccircuit,bymeansoftime-sharinghandletocompletethefollowingseriesofwork,suchassystemmanagement,connecttoexpandoutward,communication,dataprocessing,theharmonicmeasureandanalysisetc.KeywordsQualityofelectricpowerDigitalsignalprocessor（DSP）HarmonicmeasureandanalysisIII目录摘要.Abstract.目录.1绪论11.1本设计的目的和意义.11.2电网谐波测试仪的设计理念及研究现状11.3本文的主要工作及达到的要求.32设计方案52.1傅立叶变换.52.2方案论证.62.3测电压、电流电路.72.4测频率电路.72.5串行通讯部分.82.6扩展接口部分.83硬件设计.93.1系统原理框图.93.2TMS320VC33DSP.93.3电压、电流取样跟随电路.253.4测量部分.283.5A/D转换.313.6倍频电路.373.7存储器扩展443.8显示电路.483.9键盘电路523.10通讯电路.55总结和展望62谢辞.64参考文献.64附录外文翻译及原文.66A1.1译文:TMS320C6000DSP增强型直接存储访问(EDMA)控制器参考IV指南.66A1.2原文:TMS320C6000DSPEnhancedDirectMemoryAccess(EDMA)ControllerReferenceGuide76附录谐波测试仪电路图.87B1.1前向通道87B1.2扩展接口88B1.3显示电路89-1-1绪论1.1本设计的目的和意义首先，谐波带来的严重影响已经危及到用电设备、变电站设备和电力系统载波通讯。如何能够把谐波的危害最大限度地减少，是目前电力电子领域极为关注的问题，而解决这一问题的关键在于定量地确定谐波的成分、幅值和相位等。这也正是我们进行谐波测试的目的所在。其次，由于现代工业、商业及居民用户的用电设备对供电质量提出的要求越来越高，因此，谐波抑制及补偿装置的研制已势在必行。这些装置到底需要补偿多大的谐波，需要进行怎样的补偿配置，以及需要达到怎样的补偿效果都是以谐波测试、分析得到的结果为依据的。最后，谐波研究的意义更可上升到从治理环境污染，维护绿色环境角度来认识，对于电力系统这个环境来说，无谐波是“绿色”的主要标志之一。一些文献中所指的纯净或无污染的电能就是指那些无谐波的电能，但这些无污染的波形仅在实验室条件下存在，而谐波会在其他场合存在较长的一段时间并且会继续存在下去。目前，对地球的环境保护已成为全人类的共识，对电力系统谐波污染的治理已成为电工技术学科所亟待解决的问题1.2电网谐波测试仪的设计理念及研究现状数字处理器从20世纪70年代问世以来，以其独特的结构和快速实现各种数字信号处理算法的突出优点，发展十分迅速，并在通信，雷达，声纳，语音合成和识别，图象处理，高速控制，家用电器等众多领域得到了广泛的应用，随着DSP芯片性价比的不断提高，开发环境的更加完备，可以预计，DSP芯片将降到合理的水平。同时也显示出了其在信息处理方面独特的优势：（1）它采用了多总线技术且实现了并行机制，同时可以运行程序指令和存储数据，而单片机一次只能完成一种操作。（2）采用了独立的加法器和乘法器，可以单周期完成这些操作，而单片机只靠子程序来完成。（3）程序控制可以四级流水线操作。（4）DSP有完善的片内外设，可以构-2-成完整的单片机系统，而单片机只能靠接口电路来扩展。（5）DSP的速度远远超过了单片机，DSP单周期指令执行时间为50ns，而单片机执行一条指令为1s。所以可以预见在不久的将来，DSP将在控制系统，通信系统，网络系统仪器仪表中得到广泛的应用。在数字信号处理过程中，乘积相加是最常见的一种运算，这对单片机是比较困难的，只能用软件来完成。而DSP具有独立的加法器和乘法器，且连了比例移位器，可以实现单周期乘法运算。系统的单片机使用冯诺依曼存储器结构，只有一个存储空间通过一组总线连接到处理器核，通常做一次乘法运算需要4次访问存储器，至少需要4个指令周期。DSP使用哈佛结构，将存储器空间分成两个分别存储程序和数据。它们有两组总线连接处理器核，允许同时对他们进行访问，可以同时为处理器提供数据和指令。在这种布局下，DSP得以单周期实现MAC命令。DSP处理器支持专门的寻址模式，他们对通常的信号处理和算法是很有用的。如：模块寻址，位列序寻址等，在传统的单片机中，这些寻址模式是没有的，只能由子程序完成。所以，这也是本设计采用DSP而不使用传统单片机的主要原因。谐波测量是谐波问题的一个重要分支，它是谐波问题研究的主要依据，对抑制谐波有着重要的指导作用，对谐波的分析和测量是电力系统分析和控制的一项种要工作，是对继电保护、判断故障点和故障类型等工作的重要前提。准确、实时的检测出电网中瞬态变化的畸变电流、电压，是众多国内外学者致力研究的目标。根据查阅的文献，分析总结了现有国内外谐波分析测量的主要方式，共有三种：（1）、采用模拟滤波器的谐波测量，即采用带阻滤波器将基波分量滤除，得到谐波分量；或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测量相减得到谐波分量。该检测方法的优点是电路结构简单，造价低，输出阻抗低，品质因素易于控制。但也有很多缺点，如精度不高、误差较大等。因此，使用不广泛。（2）、利用小波分析方法进行谐波测量，小波分析作为调和分析的重大进展，克服了傅里叶变换在频域完全局部性，而在时域完全无局部性的缺点，即它在频域和时域同时具有局部性。通过对含有谐波的电流信号进行正交小波分解，利用多分辨的概念，将低频段（高尺度）上的结果看作不含谐波的基波分量。基于这种算法，可以利用软件构成谐波检测环节，同时由于其计算速度快，能快速跟踪谐波的变-3-化。小波变换应用在谐波测量方面尚处于初始阶段。因此，具有一定的局限行。（3）、基于傅里叶变换的谐波测量，它是应用最广泛的一种，它的核心理论建立在傅里叶变换的基础上。它是利用离散傅里叶级数，或由离散傅里叶变换（DFT）过渡到快速傅里叶变换（FFT）的基本原理构成。模拟信号经采样、离散化为数字序列信号后，经微型计算机进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波的幅值和相位，并可获得更多的信息，如谐波功率、谐波阻抗、以及对谐波进行各种统计处理和分析，各种分析计算结果可在屏幕上显示或按需要打印输出，或者存放在磁盘中供将来统计使用。由于利用这种原理设计的分析仪精度较高、功能较多、使用方便，同时由于微机芯片的性能不断提高，因此利用FFT原理、多通道输入技术而设计的谐波分析仪已经取代其他的分析仪器，成为应用最为广泛的一种。综上所述，傅里叶变换是目前谐波测试、分析仪器中广泛应用的基本理论依据。但如何寻求新的数学方法，将新理论应用于谐波测量，提出新的测量方法和测量手段，使谐波测量在精度和实时性方面取得突破，仍是人们关注的方向。1.3本文的主要工作及达到的要求本设计是以TMS320VC33DSP为核心的谐波测试仪的硬件电路设计，它采用钳形电流互感器输入和电压直接输入，实现电压，电流，功率，电网频率，电网功率因数的测量。用户通过键盘可以方便地进行人机对话，实现各种功能；通过显示器可以及时看到测量数据，通过扩展存储器可以保存实验数据，通过异步串行通信口可以方便的同其他计算机进行信息传递和数据的交换共同完成各种功能。同时，DSP软件编程灵活，自由度大，可用软件编程来实现各种算法和逻辑控制，DSP系统可以用LED显示测量值，对电压电流信号进行预处理。在测量交流电流电压信号时，信号经过比较电路，利用倍频得到脉冲控制A/D转换。另外测量功率时，因为要做到电