TMS320F28335在电网频率测量中的应用

本文提出了一种基于TMS320F28335 的频率测量方法， 用于监测电力系统的电能质量。该方法采用DSP 的eCAP 模块和通用定时器对输入信号的上升沿进行捕捉， 通过记录两个上升沿的触发时间得到输入信号的频率。与软件测频方法相比， 其硬件电路简单， 可靠性高、实时性好。理论分析和实验测试表明， 该方法测频精度高， 很好的满足了电能质量监测装置的要求。
   　　 引 言:
   　　频率是衡量电能质量的重要指标， 也是判断电力系统故障的重要依据。一般情况下， 电力系统的频率会随着负荷的波动而有所变化。在正常情况下电网频率变化缓慢，即使发生系统事故， 在很短的时间内( 如一个工频周期) 电网频率的变化量也是较小的。频率测量若能不断实时地测量电网频率， 所测量的频率误差可减小到很小的程度。
   　　数字频率的测量方法主要有： ( 1) 测量电压波形某一整数周波的时间， 从而计算频率; ( 2) 利用波形识别或曲线拟合技术来估算频率。后一种方法不能很好的抑制谐波分量， 计算量偏大， 要对每一周波都进行一次计算， 将会占用过多的处理器时间， 其不能兼顾计算精度与实时性。
   　　而前者的测量精度受电压过零点的影响较大。
   　　本文提出通过过零检测电路将电网基波整型成方波，用TMS320F28335( DSP) 的捕捉模块对方波上升沿进行捕捉的频率测量方法， 在一定程度上抑制了电压过零点的影响， 有很好的测量精度和实时性。
   　　1 通用定时器与捕捉模块
   　　TMS320F28335 是指令周期为6. 67 ns。主频达150 MHz; 高性能的32 位CPU , 单精度浮点运算单元( FPU ) , 采用哈佛流水线结构， 能够快速执行中断响应。 并具有统一的内存管理模式。本文提出的测频方法主要应用TMS320F28335 中的捕获单元( eCAP) 和通用定时器( GPT ) 单元。
   　　1. 1 通用定时器
   　　通用定时器是TMS320F28335 常用的PIE 接口， 其核心是计数器， 32 位计数。通用定时器有多种工作模式，以满足不同的需要。每个定时器可以独立工作， 也可以相互同步工作。可以对寄存器事先设置来实现相应的功能。
   　　全局通用定时器控制寄存器GPTCON A ( EVA 中) 和GPT CONB( EVB 中) 规定通用定时器在不同事件中所采取的操作， 并规定它们的计数方向。为了完成测频所需要的功能， 需要设置GPT 的计数寄存器T xCN T、定时器比较寄存器Tx CMPR、定时器周期寄存器Tx PR 以及定时器控制寄存器T xCON ( x = 1, 2, 3, 4) 。
   　　1. 2 捕捉模块
   　　eCAP 模块是一个完整的捕捉通道， 能够实现多个时间的捕捉任务， eCAP 单元结构如图1 所示。
   　　
   
   　　图1 捕捉单元结构
   　　TMS320F28335 有6 个捕捉单元， 分两组， 每个捕捉单元都有一个专用的捕捉输入引脚， 能够对输入引脚的电平变化做出反应并捕捉电平变化发生的时间。当引脚电平发生变化， 触发事件将被触发： 将指定的通用定时器的计数值压到该捕捉单元的两级FIFO, 当FIFO 的数据个数大于或等于2 时触发捕捉中断请求。中断响应可以进行频率的计算及其相应操作。2 系统硬件电路及其测量原理
   
   　　2. 1 系统的组成
   　　系统主要由互感器、低通滤波、过零检测、控制处理等模块组成。系统模块如图2 所示。
   　　
   
   　　图2 系统硬件结构
   　　在模拟通道的前端通过精密互感器对电网信号进行采集。低通滤波滤除信号的高次谐波， 以避免谐波对过零检测环节的影响， 提高测量精度。过零检测电路由电压比较器MAX474 和电阻等元件组成， 对正弦信号进行整形，得到与电网基波相同频率的方波信号， 提高信号边沿的捕捉精度。过零检测电路对正弦信号的陷波有一定的抑制能力。
   　　2. 2 测量原理
   　　采用TMS320F28335 的eCAP1 模块对方波的上升沿进行捕捉， 每次捕捉完上升沿后都对32 位定时器进行置位， 上升捕捉的计数值为N 1。
   　　则除设备开始运行的第一周波之外， 之后的捕捉到的定时器值N 1 与频率f 成比例关系， 即：
   　　
   
   　　( 其中K 为输入信号分频系数)。
   　　在150 MHz 主频的DSP 中， 32 位的定时器溢出的时间接近半分钟， 对电力系统基波进行上述的测量， 其不会溢出。
   　　3 测频在DSP 中的实现
   　　3. 1 时间预定标器与误差分析
   　　时间预定标器的功能框图如图3 所示。
   　　
   
   　　图3 事件预定标器功能
   　　输入的被捕捉信号可以通过预定标器进行频， 或者选择直通工作方式。分频系数由寄存器ECCT L1 的PRESCALE 控制， 可以进行2 到62 偶数次分频。分频有利于提高测量精度， 因为频率测量时计数值越高， 测频的测量精度也就越高。
   　　采用直通方式对50 Hz 的信号进行测频， 计数值大概为3× 106 次。假设对信号进行K 次分频， 则计数值将是K× 3× 106 次。定时器由于计数造成的绝对误差为：
   　　
   
   　　采用时间预定标器对信号分频可以提高测量精度， 但也会降低测量的实时性。对于K 分频， 则需要K 个周波才能得到频率信息， 即此时得到的测量频率是K 个周波之前的频率。采用直通方式造成的绝对误差大约为310- 7 , 完全可以满足电力系统测频的要求。考虑到电力系统频率测量的实时性， 本设计采样直通方式对频率进行测量。3. 2 捕捉单元的处理
   
   　　输入信号可以由GPIO5、GPIO24、GPIO34 引出， 可选择其中的一个作为输入， 并对相应的寄存器GPXMU Xn 进行设置即可。对ECCT L1 进行设置： 选择直通方式， 不对信号进行， 提高实时性; 使能CAP1 寄存器装载， 使得在捕捉事件发生时装载计数器的计数值; 选择CAP1 为上升沿触发， 并在装载计数器之后重置计数器。
   　　对ECCT L2 进行设置： 设置在捕捉事件1 发生后停止计数， 等待捕捉; 选择单次操作模式。并对中断使能寄存器ECEINT 进行设置， 使能捕捉事件1 作为中断源。
   　　捕捉过程的流程如图4 所示。
   　　
   
   　　图4 捕捉过程流程
   　　由于每次读取计数器的计数值之后都对计数器进行重置， 捕捉到的计数值就是与周期对应的值。每个周期都对上升沿进行捕捉并计算频率， 实现了对频率的实时跟踪。
   　　此测频方法可以用于电力系统相位的测量。只需将同一相的电压、电流信号分别作为两个eCA P 的输入信号。采用上述设置方法对两个eCA P 进行设置， 只将其中的一个e CA P 的装载计数器操作之后重置计数器。两个e CAP 捕捉到的计数值的差▽ N 与相位差▽成正比， 即：
   　　
   
   　　实现相位差的测量。
   　　4 实验室测试结果
   　　在实验室条件下， 用示波器和基于TMS320F28335电能质量装置对同一含有谐波的信号进行频率测量。频率测量的对比数据如表1, 其中的f OSC 和f DSP 分别是美国泰克T ekt ronix TDS2024B 数字示波器和基于TMS320F28335 电能质量装置所测得的频率值。
   　　由表1 所测的数据可知， 本文提出的测量装置与T ektronix 示波器测频的最大绝对误差为0. 0053 Hz。频率测量结果表明此装置有很高的测频精度。
   　　表1 频率测量数据对比
   　　
   
   　　5 结束语
   　　本文提出了一种基于TMS320F28335 的测频方法，该方法硬件电路简单， 实时性好。文章还给出将该方法用于相位测量的初步思路。将该方法应用到电能质量监测装置中， 实际运行的结果表明， 该方法可行。