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TMS320F240在電壓無功綜合控制中的應用
摘要：介紹DSP芯片TMS320F240的特點，討論了它在電壓無功控制器（VQC）中的應用。提供了基于DSP芯片的VOC設計及DSP芯片外圍電路設計，介紹TMS320F240的軟件編程。DSP芯片的應用極大地提高了VQC的性能。關鍵詞：DSP TMS320F240 電壓無功控制器
電壓質(zhì)量對于電力系統(tǒng)的正常運行有著重要意義。電壓能否維持在合格范圍內(nèi)直接影響著電力工業(yè)本身的安全；系統(tǒng)的無功功率對電壓的影響極大，維持電網(wǎng)正常運行情況下的無功平衡是改善電壓質(zhì)量的基本條件。對電壓無功進行綜合控制可以保證電壓合格和無功潮流平衡，同時還能提高電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟性。利用變電站中電壓無功控制器自動調(diào)節(jié)有載變壓器分接頭和并聯(lián)補償電容器組可以實現(xiàn)這一綜合控制。
電壓無功控制器通常由單片機系統(tǒng)構(gòu)成，它集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制判斷和控制輸出于一身。這就使得單片機負擔比較重，而且限于單片機自身的處理能力，無法實現(xiàn)復雜的數(shù)據(jù)處理和控制策略。將DSP芯片應用到電壓無功控制器，可以有效地提高其性能。
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TMS320F24X系列是美國TI公司推出的高性能16位定點DSP，專門為電機控制和其它控制系統(tǒng)而設計。TMS320F240是其中典型的一種，片內(nèi)的外設和強大的處理能力使它很適合用于電壓無功控制器。本文著重介紹其于TMS320F240的電壓我功控制器的設計及其編程。
1 基于TMS320F240的電壓無功控制器的設計
1.1 TMS320F240簡介
TMS320F240主要由CPU、存儲器和片上外設三部分組成，其主要特點如下：
·采用改進型哈佛結(jié)構(gòu)，具有分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線，使用四級流水線作業(yè)，并且允許數(shù)據(jù)在程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間之間傳輸，從而提高了運行速度和編程的靈活性。指令執(zhí)行速度為20MIPS，幾乎所有的指令都可以在50ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。
圖2 TMS320F240外圍電路
·存儲器可尋址空間224K字（64K字程序空間，64K字數(shù)據(jù)空間，64K字I/O空間，32K字全局空間）；片內(nèi)有16K字的Flash EEPROM。
·雙10位A/D轉(zhuǎn)換器，共16位輸入通道，轉(zhuǎn)換時間為6μs。事件管理器中有3個定時/計數(shù)器，4個捕獲單元等。
1.2 控制器的硬件結(jié)構(gòu)
控制器總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由CPU、開關量輸入、開關量輸出、模擬量輸入、鍵盤顯示和通信等模塊組成。CPU模塊采用主從式結(jié)構(gòu)：單片機（采用Intel公司的80C196）為主，完成外圍電路的控制，處理整個控制器的工作流程；TMS320F240為從，完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)計算等。單片機和TMS320F240之間采用雙口RAM進行通訊。TMS320F240主要外圍電路如圖2所示。
XTAL1和XTAL2之間接10MHz的晶振，經(jīng)片內(nèi)PLL時鐘模塊后系統(tǒng)時鐘為20MHz。16個A/D通道分為兩組:AD0～AD3和AD8～AD11為1組，采集變壓器#1高壓主側(cè)電壓電流及低壓側(cè)電壓信號；AD4～AD7和AD12～AD15為II組，采集變壓器＃2電量。高壓側(cè)每一相的電壓電流同步采集，可以保證計算準確。擴展16K字外部數(shù)據(jù)存儲器用來存放采集的電壓、電流。擴展2K×8位的雙口RAM用來和單片機（80C196）通訊。采用雙口RAM進行通訊具有程序設計簡單、數(shù)據(jù)傳輸方便快速等優(yōu)點。
2 TMS320F240的編程
TMS320F240的程序采用匯編語言編寫，其流程見圖3。在程序初始化部分，對芯片內(nèi)部寄存器進行設置。通用定時器1設置為連續(xù)遞增計數(shù)模式，代碼如下：
LDP #232
SPLK ＃1000000101000000h,T1CON
SPLK #0000000000101010b,GPTCON
SPLK #1563,T1PR ;set sample frequency=20000/2/1563=6.4kHz
頻率為6.4kHz。數(shù)據(jù)采集部分采用定時器1，數(shù)據(jù)長度為128點。這樣，對于50Hz信號可保證采樣為一個整周期。A/D轉(zhuǎn)換設置為雙A/D同步采術(shù)，如通道0與通道8采樣時，設置A/D的代碼為:
LDP #224
SPLK #1001100100000000b,ADCTRL1
SPLK ＃0000000000000101b，ADCTRL2
諧波分析采用基2的128點快速速傅立葉變換，取前30次諧波數(shù)據(jù)傳遞給80C196。
程序中每一相的電壓有效值、電流有效值、有功功率、無功功率使用下列各式計算（其中N=128）。
電壓有效值：
電流有效值：
有功功率：
無功功率：
TMS320F240中沒有開平方運算的指令，電壓、電流計算中的開平方采用牛頓代法。開平方函數(shù)f(x)=x2-c=0的根的牛頓迭代公式為：
迭達收斂的速度取決于x初值的選取。初值x0越接近真值，收斂速度越快。政黨情況下，電網(wǎng)的電壓及電流尤其是電壓變化范圍不大，初值比較好選取。
由于單相電壓電流采用同步采樣，功率的計算比較準確。三相電路的有功功率及無功功率分別為它們的各相之和。電路為三相對稱時，可采用單相功率的3倍作為總的三相功率。
TMS320F240與80C196的通訊采用雙口RAM完成。在雙口RAM中定義寄存器單元存放命令字DSP_MCU_CMD。DSP讀取判斷是否進行采樣、是否進行FFT、是否計算有關電量。DSP完成指令后，將命令字相應位置1；80C196檢測該位，從雙口RAM中讀取數(shù)據(jù)。
3 實驗結(jié)果
利用信號發(fā)生器產(chǎn)生正弦信號，疊加2.5V的直流偏移后輸入到兩個A/D同步采集通道（通道0和通道8），進行測量實驗。信號I視為電壓無功控制器待測量的電壓信號；信號II視為電流信號。實驗一的輸入信號波形見圖4，頻率為50.63Hz，電壓U(信號I)領先電流I（信號II）27.6度，實驗結(jié)果見表1；實驗二輸入信號波形見圖5，頻率為49.69Hz，電壓U（信號I）落后電流I（信號II）44.5度實驗，結(jié)果見表2。
表1 實驗一測量結(jié)果及分析
表2 實驗二測量結(jié)果及分析
U I P Q 真實值 1.614 1.425 1.697 -1.667 實驗值 1.612 1.444 1.673 -1.697 誤差 0.1% 0.6% 1.4% 1.8%由以上結(jié)果可知，DSP單元中的測量精度相當高，電壓無功控制器設計中應著重提高前端模擬電路的精度。
TMS320F240的應用，極大地改善了電壓無功控制器的性能，使得控制器能夠?qū)χT如過壓、欠壓、缺相、諧波越限等故障做出反應。同時電壓無功控制器的數(shù)據(jù)處理與外圍控制分開，有利于系統(tǒng)的模塊化設計，提高了系統(tǒng)的可靠性。
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