电子节气门控制系统设计

摘要摘要21世纪随着各种各样滤波器的发展和应用，就出现了大量的谐波和无功电流流入了电网并产生的各种各样的危害，但是现在的国家电网有了明确的标准，并且明确交流充电桩的主要能源，家用的电动汽车所供应的设施，所以电池充电的车辆，并没有非常清楚的考虑到汽车充电对电网所产生的谐波。原因是产生污染是非常的严重，电能质量问题也就造成 过去国内外的谐波抑制和无功补偿滤波装置的使用。目的当然是为了改善自身所造成的不足和缺陷。所以直到今天，有源滤波技术依然成为学术会议以来工程研究的热点话题。根据基于加窗插值的傅里叶在电网基波频率的估计算法的特点，然后用基与带采样频率准同步采样电网所含有的谐波信号的整数倍，然后通过使用快速傅立叶变换估计方法，谐波参数对提出的新方法所进行了仿真，其仿真的结果能够非常充分的表明该方法所测得精度要明显的好于加窗插值所用的快速傅立叶算法，并且在进行准同步采样时也可以减少采样所用的周期，来进一步提高算法的实时性。此方法很容易在DSP中得以实现，并且适合在线快速检测装置中得到应用。关键词：有源滤波器；有源滤波技术；加窗插值；谐波 IABSTRACTWith the development and application of the filter, a large number of harmonics and reactive current into the grid, national grid standards provide a clear picture of the exchange charge pile of energy, household electric vehicle supply facilities, the vehicle battery charging, and did not considerthe car charging grid harmonic. The reason is that pollution is very serious, caused by power quality problems. In the past, domestic and international harmonic suppression and reactive power compensation filter device to use, the purpose is to improve their own shortcomings and deficiencies. Today, active filtering technology has become the hot topics of the Conference since engineering studies. Windowed interpolation FFT on the basis of the error in the characteristics of the grid fundamental frequency estimation algorithm, and then use the baseband sampling frequency quasi-synchronous sampling grid containing an integer multiple of the harmonic signal, and then use the fast Fourier transform is estimated that the method of harmonic parameters proposed new method for simulation, the simulation results show that the measured accuracy of this method is superior to the windowed interpolation FFT algorithm, quasi-synchronous sampling can reduce the sampling period, and further improve the algorithms real-time. This method is easily implemented in the DSP, suitable for fast online detection device applications.Keywords: active filters; active filtering technology; windowed interpolation; harmonic目录目录摘要IABSTRACTII第一章 绪论- 1 -1.1选题背景及意义- 1 -1.2滤波器的发展及其应用- 1 -1.3滤波器的概述- 2 -1.4有缘滤波器的分类- 3 -1.5有源滤波器的基本原理- 4 -1.6混合型的有源滤波器- 5 -1.6.1串联型的混合滤波器- 5 -1.6.2并联型的混合滤波器- 6 -1.7设计的主要内容- 7 -第二章 有源电力滤波器- 8 -2.1 主电路- 8 -2. APF的系统构成- 8 -2.3 APF的性能- 11 -第三章 谐波的检测算法- 13 -3.1傅立叶变换理论的谐波的检测方法- 13 -3.2 栅栏效应- 19 -3.3 窗函数及其特性- 19 -3.4 谐波检测算法- 19 -第四章 系统设计- 23 -4.1 系统硬件设计- 23 -4.2 DSP芯片的选择- 24 -4.3 过零检测电路部分- 26 -4.4 锁相倍频采样电路部分- 27 -4.5 A/D采样电路- 27 -4.5.1 A/D的选择- 27 -4.5.2设计模拟输入通道电路- 28 -4.6 DSP外围电路- 30 -第五章 软件设计- 31 -5.1 软件开发- 31 -5.2 McBSP和AD73360的初始化- 32 -5.3 数据传输- 33 -结论- 34 -参考文献- 35 -致谢- 36 -附录- 37 -IV第一章 绪论第一章 绪论1.1 选题背景及意义 随着电力电子的发展和科技的进步，广泛应用于工业和民用领域。这些器件工作在开关模式，具有明显的非线性特性，并且转换电能的效率和利用率，同时，他们也有大量的谐波，使电网电压和电流波形畸变，对电网造成了严重的污染。于此同时，有源电力滤波器的迅速发展，并且对电网质量的要求会更高更加的严格。在喜爱电力电子设计的基础上，将会学到很多有关滤波器设计的专业知识。今天有很多的电信设施都实现了现代化，并且有很多的器件得到了广泛的应用，有很多的电子类器件很很多的优缺点，如何应用优点并改进缺点是很多国家研究的重点。1.2 滤波器的发展及其应用二十世纪的二十年代发明了第一个无源的滤波器，并且在该世纪的中期滤波器的技术比较的接近了成熟的水平。随着计算机技术的快速发展，集成技术的快速发展，滤波器朝着一个比较稳定的并且比较便宜的方向发展，并且在该世纪的70年代。有了有源滤波器方面的全面地发展，数字方面的滤波器和电容方面的滤波器得到了快速的大发展，在该世纪该年代的末，滤波器的集成得到了很大的应用。 再该世纪的七八十年代，各种新的滤波器，它们的性能得到了很大的提高并且得到了很大应用。在该世纪的年代末，对各种滤波器进行了很深入的研究并且得到很大的应用。现在对滤波器本身的研究还在不断的进行当中。滤波器也在中国进行很深入的研究当中，经过很长时间的研究和发展，滤波器的发展，生产和应用很快的进入了国际发展的步伐，但是，由于我们缺乏专门的研究机构和开发的机构，集成技术和材料都无法跟上最先进的步伐，使得许多我们的发展和应用新的过滤器一段距离国际发展。- 1 -电讯设备及各种控制系统，过滤器的应用，却处处可见。作为一个干净的电网和提高有源滤波器的电源质量，具有很好的发展和应用前景。从有源滤波器可以看出，在近几年有广阔的发展前景：降低成本，提高效率和扩大产能，有源滤波器和无源滤波器组合混合型有源滤波器系统将是一个很好的应用。为了满足多功能有源滤波器，有源滤波器的实际使用道路复杂控制的需要，一些先进的控制策略，包括变结构与智能控制将是一个真正的应用程序，以获得更好的控制性能和结果。1.3 滤波器的概述过滤器是用来消除设备的干扰噪声，过滤，以获得纯直流输入或输出。有效过滤电路，特定频率或频率以外的频率滤波器的频率，其功能是获得一个特定的频率或消除一个特定的频率。该过滤器是一种设备或电路的信号处理，尽量不衰减，能通过尽可能大的无用信号来衰减有用信号。这样的滤波器的功能可以说是一个特定的正弦波滤波器也可以是一个方波群。该过滤器是由电感和电容网络构成，允许混合交流和直流电流分开。由于的互联网的滤网脉动的直流纹波，整流的电源，就可以获得相对纯净的直流输出。最基本的滤波器可以说是有电容器和电感器构成，并且可以称为L型滤波器。所有类型的滤波器可以说是L型饿单制成的滤波器的收集。基本的单过滤器由一系列手臂与手臂平行，串联臂电感，平行臂电容。在电源和音频电路，最常见的L型和两个型过滤。L形的滤波器，由于感抗L和电容C的任何频率上的乘积可以说是一个常数，它们的关系为；L-型的滤波器也可以被称之为K常数的滤波器。如果一个过滤器比K常数类型的组件有一个尖锐的截止频率（即选择性频率范围），而这个截止频率之外的其它频率，只是一个很小的衰变率，调用的n常数滤波器。在所谓的截止频率，即是尖锐的共振频率和过滤器。 - 2 -截止频率和衰减频率衰减比每个n恒定不变的K-滤波器过滤阻抗之间的关系，确定由n常数，常数范围0和1之间。当n是接近零值，截止频率的清晰度增加，但截止频率倍频程的衰减率会降低。最实用的n =0.6。至于其中的频率需要被切断，可调，以共有的凝聚力决定。滤波器的截止频率的衰减的聚力的有效值的大小由Q所决定。如果达常数K和n常数滤波器级联电路，并获得锋利的过滤效果和良好的频率衰减。1.4 有源滤波器的分类 有源滤波器从不同的角度的类型来分类的话，就会有不同类型的分类方法。有源电力滤波器的系统结构从大体上就可以分为两大类型，即并联类型和串联类型这两大类，这是现在比较常用的分类方法。如下图1.1所示；串联混合型有源滤波器串联型单独使用型并联型与电机混合使用型注入回路方式单独使用型并联混合型串联谐振式并联谐振式与无源滤波器串联与无源滤波器并联 图1-1 有源滤波器的分类- 3 -1.5 有源滤波器的基本原理有源滤波器是一种串联或并联的非线性负载和消除无功和谐波电流的电力电子器件。通过检测系统的谐波和无功电流信号，作为主电源的有源滤波器的有源电力开关控制信号，由于系统的谐波和无功的电流大小相等但是两者的方向相反的且补偿电流并入电网，两者可以相互的抵消，使电源电流只含有一个组成部分。该过滤器的变化频率和幅度清晰度长凳得出希望和无功功率动态补偿，并从电网阻抗的补偿功能，可以克服传统的无源滤波器的不足之处。有源电力滤波器的工作原理图1-2如下图所示。图1-2 有源电力滤波器的工作原理图从功能的结构上就可以看出，有源电力滤波器的控制系统是可以由运算电路和补偿电路两个部分构成的。由于运算电路的主要的功能是要获得可以补偿的电流，并且可以在所谓的谐波检测电路的影响下可以获得补偿电流的指令的信号，补偿电路的主要功能是运算主电路，从而获得所要构成的补偿电流脉冲驱动电路所产生的补偿电流。 其中直流母线电容器的PCB电源，以获得控制权操作转换后，控制电路板供电。由于控制信号所产生的驱动信号来控制逆变模块，将得到系统谐波电流的补偿。由于断路器的合闸，总线上的一些电容的直流母线电容器，一个过程， - 4 -持续8秒，冲击的时刻，以防止上电。有源电力滤波器是利用现代电力电子技术和高速DSP器件为基础的数字信号处理技术，以获得新的电源谐波抑制设备。滤波器的指令可以说主要是由补偿电路和运算电路两个部分所构成。指令电流实时监控业务电路线电流，模拟信号可以转换为数字信号，信号处理到高速数字信号处理器（DSP），谐波和基波分离，并将脉冲宽度调制（PWM）信号形式的补偿电流产生电路发出驱动脉冲来驱动IGBT或IPM模块产生的谐波电流幅值相等的情况，但是由于极性相反的补偿电流可以流入电网，从而可以将谐波电流进行补偿或者是抵消，以便可以主动消除谐波。1.6 混合型的有源滤波器有源型的滤波器与无源型的滤波器相比具有很多的优点，比如说，一个滤波器可以适用不同类型的负载；并且还具有谐波补偿得功能，而且响应的时间仅仅为几个毫秒而已；在接入系统时不但不会改变系统阻抗特有的属性；而且还不会引起谐波与无功功率之间的矛盾。然而，由于电力电子开关的广泛的应用，就会使的电力滤波器的成本很高，使广泛分布存在比较大的困难的、。其容量有源滤波器可以减少一定量的非线性负载的有源电力滤波器的容量成比例关系，产生的成本接可以降低了。所以说，混合型的有缘电力滤波器就出现了。从一方面可以看出，单独使用类型的有源滤波器非常的缺少。另一方面也可以看出，我们可以有效地减少了有源滤波器的容量，从而可以效降低生产的成本。1.6.1 串联型的混合滤波器如图1-3所示，串联型的混合滤波器其中的无源部分先与有源部分进行串联然后才与电网进行并联，因此可以说有源滤波器所承受的电压要比单独接入系统时药小得多，也就可以有效地降低有源滤波器的容量。- 5 - 图1-3 串联型的混合滤波器1.6.2 并联型的混合滤波器并联型的APF与PF相并联的滤波方式主要是为了克服单独类型的并联型APF的这个缺点。PF与APF相对来说，它的优点可以说是非常的明显；结构很简单，成本也不高，同时它的补偿性能也比较好。 图1-4 并联型的混合滤波器- 6 -并联型的APF和PF所并联的滤波方式可以说主要有两种方式1）是PF高次谐波的补偿，一方面，高通滤波器可以用来消除主电路器件，另一方面，它可以用来补偿高次的谐波，因此可以说，APF的主电路开关频率可以降低，PF的补偿谐波的任务可以只有一小部分，而APF的谐波补偿，并不是一个明显的作用，所以说APF的主电路的器件具有开关频率的能力，它的要求并不高，实现也比较的容易。2）由于PF中包括高通滤波器所以它承受的绝大部分谐波，所以说APF得主要作用就是为了改善系统的性能，因此它所需要的容量和单独并联型的使用方式相比较而言可以说降低了不少。1.7 设计的主要内容本课题要求设计相关的滤波电路及控制算法，实现电动公交车充电电源的滤波，满足国家电网对谐波的要求。主要设计技术指标与参数；1额定输入电压：380V AC 2额定输出电流：300A3谐波总含量(THD) ： 5%- 7 -第二章 有源电力滤波器第二章 有源电力滤波器2.1 主电路APF的主电路图 图2.1 APF的主电路图APF的主电路可以由断路器、接触器、电感、交流器、电容等几部分构成；这个图的有源电力滤波器要采用三相全桥型的PWM交流器；电感的主要作用是将在交流器是产生补偿电流；电容的主要作用是存储能量或滤除毛刺。2.2 APF的系统构成下图为APF的系统框图。其中为交流电源，它的负载是可以产生谐波并且也可以消耗无功电流的。运算型的电路的主要作用可以说是检测补偿电流的谐波和无功电流的分量。补偿电路的主要功能是由运算电路得出的指令的信号产生补偿电流，它主要由控制类型的电路、它的驱动类型的电路和它的主电路三个部分所组成。- 8 - 图2.2 有源电力滤波器的框图而有源电力滤波器可以说主要是有它的运算电路，它的驱动电路，它的控制电路以及它的主电路四个部分所构成。运算电路的主要作用是检测负载电流的谐波。它的驱动电路，它的控制电路和它的主电路可以一起称为补偿电路，它是由于运算电路所得出的补偿指令所产生的补偿电流的作用。 图2.3 APF系统的原理图- 9 -继电回路APF继电回路主要是由继电控制部分、电源系统部分和同步信号部分所组成的电路。继电控制主要由于继电回路部分和控制系统部分的联系，主要是用它来传递信号。电源系统的主要功能是供电，电源系统主要有变压器、滤波器、开关电源和电流接板几个部分构成。同步信号在同一时间在同一载波信号源发出的，这样，收件人可以收到更多更好的信息。驱动电路驱动电路部分主要有电源模块、驱动模块和保护模块三个部分所组成。电源主要作用是提供电源；驱动模块主要包括了驱动电路部分和外围的电路部分两大模块部分；保护模块主要作用是检测电流和温度，必要的时候会停止PWM变流器。控制系统控制系统可以说是根据你想要的方式来维持和变换机器的任何信息或变化的量，或其是他的设备。控制系统也正在实施，以使对象进行控制，以达到预期的理想状态。APF的控制系统可以说主要是由它的运算电路和它的电流跟踪电路两个部分所构成。 - 10 - 图2.4 控制系统构成示意图 图2.5 控制系统控制策略示意图 2.3 APF的性能电气性能1)输入电压的范围；交流38057V(可根据用户需要调整)。- 11 -在有缘电力滤波器的投入以后，THD的含有量明显的减小了。从而进一步分析见下表。从上面的表中可以清晰的看出来，在有源电力滤波器的投入之前，三相负载电流的大小是几乎的相等，如果需要进一步的补偿谐波和无功的电流。再投入之后，三相电流的THD含有量就明显的下降了，功率因数也都提到了0.97。- 12 -第三章 谐波的检测算法第三章 谐波的检测算法3.1 傅立叶变换理论的谐波的检测方法离散傅立叶变换（DFT）谐波失真的波形包含了一些的不一样的频率的正弦函数相似类型，所以说傅里叶分析可以称为最常用的谐波分析所要用的工具。如果非正弦周期的函数可以满足狄里赫利的条件时就可以分解为傅里叶类型的级数，即任何的非正弦周期的函数就可以分解成不同频率类型的正弦信号的很多的数量。= (3.1)式中， 直流分量；幅值和初相位；和 正弦项和余弦项系数； 周期函数角频率； ,arctan当- 13 -其中的相互关系是： (3.2) (3.3) （3.4）可以说我们如果从理论上分析傅立叶的级数，再到对电力系统的谐波进行分析，就要用到傅立叶级数的指数形式来依次计算各次谐波的幅值。傅立叶级数的指数形式为： 连续的周期性函数，它的傅立叶的频谱的在一系列系数的基础上可由上面的一些公式可得到指数形式的傅里叶级数的展开式。事实上，一些不规则的波形严格意义上不能说是上述的傅里叶级数的函数。常用的方法是反过来采样间隔和采样值转换成一个数字序列等的时间连续信号波形。对于这样的一个离散型的信号，我们就可以用傅里叶变换来分析的光谱一些特征。将连续的非正弦型周期的一个信号 f(t)的一个周期T分成K个等分点，在以采样间隔为T/K进行采样就得到离散时间的信号。在上式中，我们就可以用离散的点来代替连续的点，所以我们就可以取离散时间的点t=NT/K则f(t) =f(NT/K)=- 14 -以累积和代替的积分可以得到如下公式：即： （3.5）由于；所以就可以说离散的频谱是一个周期性离散的序列，其周期也可以为M个点，所以 的周期为K, 而信号f(t)的离散傅立叶变换相当于的一个周期，于是信号f(t)的离散傅立叶变换式为： m=0,1,K-1 （3.6）下面引入常用的符号；快速傅立叶变换的基本原理FFT是DFT的快速算法的适当安排，用来满足工程设计的需要。- 15 - 常用的方法是反过来采样间隔和采样值转换成一个数字序列等的时间连续信号波形。 快速傅里叶变换在时域分析，是一个长期的时间序列分解成一个相对短的时间序列，分时间序列还可以继续分解成更小的子时间序列，继续进行，直到结束的递归最简单的子时间序列，也就是说，直到一个数字，然后使用傅立叶变换公式，最终用最简单的子系列，傅立叶变换，然后每个子时间序列结果的傅立叶变换结合按照一定的规则，他们最终会将原来时间序列的傅立叶变换所得到的结果用来满足一些分解的需求和组合的需求，以及时间序列的长度必须满足正整数的关系。如果这个条件不符合，可以将这个条件添加到零值，以便满足这样的一个要求。设x(k)为 点有限常数列则它的离散傅里叶变换就可以得到下面的公式为； n=0,1,.K-1 （3.7）我们可以将 的序列 x(k),也可以先按照k的奇偶类型来分为两个序列。X(2R)=,X(2R+1)=则DFT化为 （3.8）- 16 -所以可以将上式可表达为 （3.9） (3.9)式中分别是及的点DFT，且由上面的公式可以得出，一个K点DFT是能分解成两个K/2的点的DFT，并且它们又可以根据此公式来组合成一个k点 DFT。但是X1(R)，X2(R)，以及(n)(n)，都是K/2点的序列，而X(n)却有K点，所以由上面的公式可以得到X(n)前一半所有项数的结果，并且用(n),(n)来表达出X(N)全部的值，而且还要用系数周期性的关系，即： (3.10) （3.11）充分考虑到所具有的对称性将上面的公式代入x(n)的表达式就可以得到前后两部分前半部 （3.12）后半部分- 17 - （3.13） （3.14） （3.15） 19世纪中期数学家傅里叶第一次提出了要将周期性函数通过一系列的变换展开为正弦级数原理并得到证明。现在的谐波检测的频谱分析是离散傅立叶变换（DFT）最广泛使用的方法之一，这是典型的交流采样计算的测量方法皆可以获得的所需要的参数。这样就可以分解成一个特定的样品和一个基本频率的周期和连续谐波信号的整数倍，其理论基础是假设输入的信号是一个特定的周期信号，信号的基波和谐波分量，你可以得到的信号幅度，频率，以及每个组件的电气参数和那相应的公式，舍很容易找到其余的参数值的。在傅立叶变换或者是小波变换时，现代的频谱估计方法和二次转型的测试理论方法并没有得到充分的开发，所以在DFT谐波检测之前，将会在谐波的测量中发挥的非常重要的作用。快速傅里叶变换在时域分析，是一个长期的时间序列分解成一个相对短的时间序列，分时间序列还可以继续分解成更小的子时间序列，继续进行，直到结束的递归最简单的子时间序列，也就是说，直到一个数字，然后使用傅立叶变换公式，最终用最简单的子系列，傅立叶变换，然后每个子时间序列结果的傅立叶变换结合按照一定的规则。过滤器是用来消除设备的干扰噪声，过滤，以获得纯直流输入或输出。有效过滤电路，特定频率或频率以外的频率滤波器的频率，其功能是获得一个特定的频率或消除一个特定的频率。通过检测系统的谐波和无功电流信号，作为主电源的有源滤波器的有源电力开关控制信号。- 18 -3.2 栅栏效应N点FFT频谱信号的采样点在频率范围内的间隔，只是栅栏的另一边的栅栏间隙（离散点），（相当于连续频谱）通过观看图片，只要在一个独立的地方看到图片，就有堵围墙的一部分（谱），我们称之为“栅栏效应”这一现象。由于屏障功能的存在，很可能会错过一个大的频率分量。有一种方式以减少屏障作用，使更密集的频域采样频率域中增加采样点并没有改变的数据字段，将增加零点范围内的数据。因此，在一段时间内可以增加，但是不会改变原来的记录的数据。采样点之间的距离就会更加的受单位圆上（样品）的约束，频谱相对密集，就会看到的频谱分量的线条变粗了。3.3 窗函数及其特性FFT的分析实际信号信号被切断，直接截断（截断矩形窗口）信号频谱分析过程中，其高频成分阀门之间的频谱将导致更大的相互干扰，这种干扰可以抑制使用其他良好的窗口功能性能。理想的窗函数就应该有一个最小峰值和最快的旁瓣衰减，以尽量减少旁瓣之间的相互干扰的影响;截断窗口：主瓣宽度较大的主瓣信号光谱分辨率的窗口效应，频率分辨率低，它应该有一个最低的主瓣宽度。谐波测量精度。如果在非同步采样的情况下，加窗插值的FFT的窗截断后如果第一个信号的傅立叶变换，插值修正，要求求取频率接近信号在频谱导致固定频率，振幅和相位的测量频率。3.4 谐波检测算法由于峰值频率不会刚好位于离散谱线频的点上，也就是说，我们可以假设- 19 -附近幅值最大和次最大的谱线，显然，=+l，令这两条谱线幅值分别是，由于0-1，所以可以引入一个辅助参数显然，a的数值范围是，这样： （3.16）插值算法有很大的优势，解决了非同步采样，直接快速傅立叶测量误差问题。该算法的不足之处是实时分析窗口宽度达十几信号周期，参数估计不理想。此外，当信号包含噪声，如何提高参数估计的准确性和精确度，值得进一步研究。 表3-1谐波基波2次3次4次5次6次7次8次9次10次11次12次13次14次15次16次17次18次19次20次幅值50.10.30.150.250.30.040.20.10.60.050.240.310.160.030.210.10.20.090.1相位1.10.80.20.60.51.30.51.51.51.30.50.61.80.61.22.10.620.21.5仿真的过程：对128X 50Hz的采样频率进行采样，采样16次。对比与准同步算法（准同步采样两个周期），测量精度（仿真结果图，然后通过降低采样周期，然后比较两种方法的测量精度，证明插值算法这种方法既减少采样周期，提高实时测量值精度高，是比较相对误差。可以得到下面的计算公式： （3.17）- 20 -其中，相对误差，测量值的是，实际价值的是。然后逐步减少采样周期，然后比较两者的准确性。具体的模拟过程如下比较l；插值算法采样16次，估计基本频率准同步的两个周期的仿真结果采样图。分析：准同步算法在本文提出的谐波参数估计与实际值吻合良好，从而可以多测量2个周期，可大大提高测量精度。 图3.1 幅度误差- 21 -图3.2 基值与准同步相对误差比较图3.3 相位误差- 22 -第四章 系统设计第四章 系统设计4.1 系统硬件设计谐波测量系统是一个由电脑控制，自动化测试平台和虚拟仪器技术，根据信号的传感器信号采集，模拟到数字转换器，接口电路，计算机的处理顺序。电能质量的改善，管理必须对电网的实时监测，分析，数据处理，实时数据采集和底层DSP芯片的处理，以发挥其运算能力和专业知识。系统硬件设计思路：先是由标准电流通过电流互感器(CT)，标准电压通过电压互感器(PT)，然后由信号调理电路模块、过零检测电路模块以及锁相倍频采样电路模块，并且由数模转换模块经采样后转化为数字信号可以处理的数字信号，并且存储在DSP内部中的RAM，经过FFT运算这些数据就可以得到各次谐波的含量以及谐波的畸变率，然后就可以通过串口把这些运算的数据传输出到PC机，就可以实现数据的存储，以便供工作人员的查询，就可以熟练掌握谐波的各种情况。硬件系统的总体结构如图4-1所示。电源管理模块信号调理模块数模转换模块数字信号处理(DSP)异部通信模块PC机部分 图4-1硬件系统总体机构图- 24 -本设备是以TMS320的芯片为核心的设计，是一种结构简单，成本低，易于操作的设计以及强大的功能。谐波测量设备在电力信号的数据采集时间，快速，准确的电压和电流，电源的基本参数分析，以及存储的结果能够直接的显示出来。硬件系统可以由数据采集单元，数据处理单元和上层控制单元这三部分构成。而数据采集单元也可以由两部分构成。第一，电压互感器和电流互感器可以讲高电压和高电流转换为适当的电压和电流;第二，数据采集部分可以由模拟到数字的转换。第三，数据处理部分也可以由完成采集到的信号FFT分析谐波的含量。第四， PC机的主要作用是数据的存储，打印以及分析。(1)信号调理模块主要作用是完成强烈的信号，弱信号转换，信号范围的A/ D转换器输入范围的要求。(2)模数转换模块主要作用是A / D转换测量信号处理，转换为在一个特定的存储单元中存储的数据值。 (3)DSP模块的主要作用是对数字信号进行FFT运算，经运算可以得到各次谐波的含量，再经过精确的计算得到总的谐波畸变率(THD)。(4)外设接口模块的主要作用是通过串口与PC机相连，完成对运算结果数据的存储。(5)电源管理模块的主要作用是为系统的各个模块提供合适的电源。4.2 DSP芯片的选择在设计DSP系统的过程中，对于DSP芯片的选择是一个必不可少的重要环节，一般说来，要把芯片的选择与实际的应用相结合起来。所以DSP芯片的选择一般要考虑以下几个方面:（1）芯片的价格：根据芯片的不同应用，以便确定一个负担得起的芯片，在一般情况下，芯片制造商的主流芯片的价格也相对便宜。（2）芯片的资源：主要是指总线结构，直接存储器存储，方便连接的I / O- 26 -总线体系结构，芯片的片上存储器的大小。（3）芯片的运算精度：一般的定点DSP芯片字长为16位，少数24位。浮点芯片的字长一般为32位，累加器为40位。（4）芯片的功效：便携式的DSP设备、手持设备、野外应用的DSP设备等对功耗有特殊的要求。其他因素：如生命周期，质量标准，封装形式等。DSP应用计算是确定DSP芯片的选择。电力系统谐波测量中使用基于FFT的谐波分析方法，样品必须从一个周期为20ms进行计算。20ms的FFT算法在回路电压的谐波功率信号和电流的采集应循环6次 ，所以DSP芯片必须满足20ms的处理能力和计算复杂性的一个周期波。256点FFT的的TMS320VC5402周期约需需50uS，约300ms，其他的幅度，谐波分析处理的信号，功率计算需要计算时间，所以选择TMS320系列能满足此时的要求。此外，还要考虑到了芯片的硬件资源，以及现有的实验室资源和其他原因的价格，谐波测量系统的主体，所以我选择TMS320VC5402的芯片TMS320一种关于定点的数字信号处理器的芯片，它采用了当时最先进的修正结构，芯片里面含有8条数据总线、还有中央处理器、C54x的片内存储器和片上外围电路和其他硬件，再加上一个高度专业化的指令集，低功耗，高度并行，以满足许多领域的实时处理的要求TMS320的主要特性如下面所示：CPU模块是指多总线结构包括1条程序总线、3条数据总线和4条地址总线；存储器模块包括程序的存储器、数据的存储器以及IO的空间。当然程序存的储器可以扩展；指令系统模块包括；1）单指令重复块以及指令可以重复操作；2)块存储器传送指令；3)32位的操作指令；4)也可以读入2到3个操作指令；5)条件存储指令；6)中断快速返回指令；信号调理电路、过零检测电路、锁相倍频采样电路、AD采样、电路设计、- 28 -电网信号调理模块AD 73360TMS320C54X通信接口 LT16C550PC机EPRAMRAM 图4-2 原理框图4.3 过零检测电路部分使主芯片实现同步采样，从而提高了数据处理的真实性，因此，在电路中应加入到过零检测电路，过零检测电路是一个方波电路，其谐波分析同步采样起着非常重要的作用，相同频率的方波信号，通过DSP捕获方波跟踪电网频率的上升沿，将电压信号，以确保同步采样提供了条件。过零检测电路如图 图4-3 过零检测电路- 26 -4.4 锁相倍频采样电路部分电力信号分析和处理，你必须解决频谱泄漏的问题。如果频谱泄漏，将会非常严重的影响测量的准确度，电网的基波频率不一定是恒定的。因此，每一个采样周期必须重新确立电网基本频率的采样时间，消除频谱泄漏误差。为了消除采样同步锁相倍频，采样和测量方法的测量精度和周期测量误差。锁相倍频测量方法实际上是硬件同步测量方法，锁相A / D采样频率和时间同步的循环频率，每个锁相环发送一次脉冲（过渡）启动采样电路数据收集。谐波测量系统的应用PLL倍频电路锁相倍频采样电路如图所示 图 4-4锁相倍频电路4.5 A/D采样电路4.5.1 A/D的选择AD73360是工业电能计量多通道模拟输入6声道模拟输入前端（AFE）面向处理器的一个常见的应用。在声带信号带宽，与16位A / D转换通道，每个通道都可以达到77分贝的信号噪声比6。集成一个可编程输入增益放大器（PGA），被划分成8个增益设置：0分贝至38分贝。 AD73360特别适合用于工业能源计量，因为所有通道同时采样，可以转换之间的时间（相位）延降。- 27 -AD73360有6个同时采样模拟输入通道，它特别适合三相系统电源监测和控制型的应用（一相电压和三相电流采样）系统的运行参数。AD73360一共有八个控制寄存器单元，分别是CRA直到CRH，这些单元所占用的地址为7，长度为8位，4.5.2 设计模拟输入通道电路为AD733606个模拟输入通道，每一个被配置为单端输入，也可以配置为差分输入。两种耦合，AC耦合和DC耦合单端输入模式。由于电力系统的频率为50Hz，50Hz交流信号可以直接耦合IJAD73360模拟输入。具体电路如图所示了AD73360原则模拟信号输入，单端输入，直流耦合连接的输入模式。因为我们要品尝的直流信号，所以使用直流耦合方式。 100欧姆的电阻，并在原理图的形式0.047uF电容一阶低通滤波器的截止频率是34KHz。AD73360的输出参考电压，直接接入到VINNx端。实际输入信号为负值，输入信号移动到由AD73360允许的输入动态范围。运算放大器的到AD73360 参考电压与输入信号的总和。运算放大器加法器功能。原理图如图所示： 图4-5 模拟电路输入从脚下的J1模拟输入信号VI（电压信号调理电路），直流电源输入电压信号调理电路的参考电压，JCR4558运算放大器的输入信号。上述RI= R2，R3 = R7，运算放大器实现输入两个信号和输出信号，然后34KHz的一阶低通滤波器的截止频率，最终的信号输入到输入端的AD73360- 28 -在实际测试中测得AD73360输出参考电压只有0.6V，所以通过一个分压器电路的参考电压，精密可调电阻，可以调整可变电阻改变输入的参考价值电压。 5V REFOUT RESISTOR TAPPED 1 图4-6 AD73360使能端控制DSP端的XF引脚通过SN74HC04N的一个非门与一个三极管输出至tJAD73360使能端，具体原理图如图。 在实际测试DSP输出XF的信号电压只有2.6V的低电压（3.3V至5V）不能被启用，通过非门输出低到AD73360，XF的输出为高时（实际上，只有2.6V）晶体管的基极，三极管截止，EN端（18脚AD73360使最终）输出电压为5V 图4-7 信号使能当F的输出为低电平，晶体管的基极输入为5V时，晶体管导通，EN端（18脚）低。在DXL DSP的串行数据发送信号，两个后非门，然后接/ X要IJAD73360的SDIiJI脚（17），DSP输出信号电压为5V。- 29 -4.6 DSP外围电路DSP外围电路包括DSP系统电路模块、存储器电路模块、电源电路模块。使用扩展片外存储器的数据总线，地址总线，控制总线扩展的地址选通，外部程序存储器，数据存储器的I / O空间选择信号PS，DS，外部存储器DQS MSTRBIO频闪IOSTRB读/写信号R。外部输出的标志信号XF，用发光二极管发送信号，表明该系统工作正常。扩展到多通道缓冲串行CIMcBSP串行数据线，控制线，以促进扩大AD转换器。为了降低芯片功耗芯片TMS320VC5402的低电压设计。电源供电，内核电源CVDD和FO电源DVDD，通常I / O从一个3.3V电源供电。核心与1.8V电源电压供电，包括CPU，时钟电路和所有的外围逻辑芯片内部逻辑。采用最新的TI的芯片TPS73HD3g两个输出功率，3.3V和1.8V的输出电压，的每个输出750毫安最大的电流，两个宽度200ms的低电平复位脉冲。电源电路设计如图 图4-8电源电路设计- 30 -第五章 软件设计第五章 软件设计5.1 软件开发CCS是 DSP集成开发环境。它提供的环境配置，源文件编辑，调试，跟踪和分析工具，可以帮助用户完成编辑软件环境，编译链接，调试和数据分析工作。 CCS可加快软件开发过程，提高工作效率。结束结束数据发送数据处理模拟量采集硬件自检开中断初始化 程序入口CCS由以下几个分构成；C编译器，代码生成工具，指令仿真器、实时软件、主机和目标及的数据交换，系统软件设计可以分为:对DSP的初始化，对McBSP的初始化，对AD的初始化，数据的采集、计算，以及串口通信。- 31 -5.2 McBSP和AD73360的初始化初始化McBSP和AD73360，使他们能够达到互相沟通的目的。 McBSP的初始化，包括：接收发送字长，自由运行模式; AD73360初始化包括：黄色的时钟设置，通道选择，增益设置，工作环境。AD73360初始化完成后，打开串口接收中断服务程序接收数据的A / D转换中断。字符串信号采样的信号表明，CCS环境下，整个硬件和软件系统的设计是正确的数据收集，准备正确的数据分析。数据可视化谐波计算应开始采样的FFT得到的数据，然后计算出各次谐波有效值率。数据传输，包括厄尔尼诺初始化数据的接收和发送的字符串。如图所示，结束结束串行数据传输串口初始化波特率字长八位停止位0校检为偶各次谐