1、基于TMS320C6713 DSP開(kāi)發(fā)板的240V交流電源的諧波分析Dody Ismoyo, Mohammad Awan, 和Norashikin Yahya國(guó)油工藝大學(xué)電氣和電子工程學(xué)院馬來(lái)西亞霹靂州端洛市斯里伊斯干達(dá)班德拉郵編：31750(通訊作者: Dody Ismoyo; e-mail: )摘要電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題由來(lái)已久。隨著非線性負(fù)載在電力系統(tǒng)中的不斷應(yīng)用，諧波污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重。快速傅里葉算法(fast Fourier transform, FFT)是電力系統(tǒng)諧波分析中常用的一種算法。本文實(shí)現(xiàn)了利用TMS320C6713 DSP開(kāi)發(fā)板的基于FFT的電力系統(tǒng)諧波分析儀的設(shè)計(jì)和相應(yīng)的電

2、力系統(tǒng)諧波分析。供電電壓為50Hz下240V至5V間可調(diào)，以配合DSP開(kāi)發(fā)板的輸入功率。仿真結(jié)果顯示在示波器和Code Composer Studio軟件的顯示界面上。這項(xiàng)工作揭示了利用該DSP開(kāi)發(fā)板對(duì)240V交流電源諧波含量的分析的可行性。關(guān)鍵詞：諧波分析, DSP.I. 引言諧波是指該電氣量的正弦波分量的頻率是基波頻率整數(shù)倍的電氣量。電力系統(tǒng)中引起諧波的源頭是電力系統(tǒng)中的非線性元件。電力系統(tǒng)中，諧波分析被用于評(píng)價(jià)諧波沖擊對(duì)于電力系統(tǒng)帶來(lái)的負(fù)擔(dān)。這項(xiàng)技術(shù)被廣泛用于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、設(shè)備配置、故障修復(fù)等情況。諧波對(duì)于電力系統(tǒng)的影響主要有降低電力系統(tǒng)運(yùn)行效率、是設(shè)備過(guò)熱、絕緣老化等方面1 2。諧波分析的

3、算法很多3-7，但是FFT的分析方法是最為廣泛使用的一種計(jì)算方法7-9。FFT相比于離散傅里葉變換(discrete Fourier transform, DFT)效率更高，是高效的DFT算法。DFT用固定的采樣時(shí)間對(duì)連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣從而得到頻域中一系列復(fù)制離散的頻率量，即頻譜。本文主要研究的是基于單片機(jī)開(kāi)發(fā)板上的利用FFT對(duì)240V，50Hz電源的諧波分析。論文的主要組成部分如下：第二部分“實(shí)現(xiàn)方法”為DSP電路板的設(shè)計(jì)要求；第三節(jié)是對(duì)分析結(jié)果的討論；最后，在第四節(jié)對(duì)本文所做工作進(jìn)行了簡(jiǎn)單小結(jié)。II. 實(shí)現(xiàn)方法A. TMS320C6713 DSP開(kāi)發(fā)板TMS320C6713 DSP套件

4、, 10 由德州儀器的SDI公司利用廉價(jià)開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)的一款浮點(diǎn)型數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor , DSP)。該套件采用通用串行總線(USB)可實(shí)現(xiàn)即插即用和播放功能間的快速切換。套件的采樣頻率為32千赫茲。圖1 TMS320C6713 DSK 11的結(jié)構(gòu)框圖該DSK開(kāi)發(fā)板內(nèi)部有一個(gè)具有16位分辨率的AIC多媒體數(shù)字信號(hào)編解碼器，可實(shí)現(xiàn)模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。該套件的接口和內(nèi)部框圖如圖1所示。本文所涉及的實(shí)現(xiàn)方法即用到了如圖所示的AIC編解碼器的模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。AIC編解碼器的界面如圖2所示：圖2 TMS320C6713 DSK 11的AIC編解碼器界面示意圖

5、試驗(yàn)用到的諧波分析儀的完整電路圖如圖3所示。圖中，DSP開(kāi)發(fā)板通過(guò)USB接口和微機(jī)聯(lián)通，并通過(guò)Code Composer Studio (CCS)軟件來(lái)顯示分析結(jié)果。圖中示波器用于顯示DSP套件的時(shí)域輸出結(jié)果。圖3 諧波分析儀的配置在仿真過(guò)程中用MATLAB® 7.1 (或更高版本)中的Simulink® 6.3模塊來(lái)初始化DSP開(kāi)發(fā)板，使其可以作為電源輸入的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣率設(shè)置為32 kHz，數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入源設(shè)置為“Line In”。用于初始化系統(tǒng)的Simulink®模塊如圖4所示。如圖，C6713DSK模塊必須放在Simulink®

6、仿真界面中才可以設(shè)置目標(biāo)參數(shù)和內(nèi)存分配表，繼而生成DSP開(kāi)發(fā)板的代碼。圖4 用以初始化仿真系統(tǒng)的ADC，DAC以及C6713DSK模塊B. CCS軟件界面上的諧波分析結(jié)果顯示關(guān)于CCS軟件的設(shè)置總結(jié)在表1當(dāng)中。有關(guān)其中一些關(guān)鍵參數(shù)的詳細(xì)設(shè)置解釋如下：a. 顯示模式:：FFT模式FFT模式可用于顯示輸入信號(hào)的頻譜或者諧波含量。b. 起始地址:：adc2_B.ADC起始地址是從CCS的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)時(shí)編碼工作組算起的。adc2_B.ADC是在S功能塊的最終輸出地址。c. FFT序列：10選擇更高的FFT序列可是編程更精確，但是程序的時(shí)效性會(huì)相應(yīng)降低。d. FFT 窗函數(shù)：矩形窗選擇矩形窗函數(shù)是為了

7、能對(duì)信號(hào)頻譜的某些特定區(qū)域進(jìn)行分析。e. 采樣率(Hz)：200對(duì)于50Hz的輸入信號(hào)，其采樣頻率必須要大于被分析信號(hào)的最大頻率的兩倍(即至少100Hz以上)，因此采用200Hz的采樣率可保證被采樣信號(hào)滿足應(yīng)用要求(即不產(chǎn)生信號(hào)丟失或混頻現(xiàn)象)。III. 分析結(jié)果要用該DSP套件來(lái)分析240V電源的諧波成分，首先，必須將電源調(diào)至5V檔，使和DSP開(kāi)發(fā)板的輸入電壓相匹配。將電源電壓調(diào)到5V的方法有：i) 分壓器；ii) 240 V/6 V步進(jìn)變壓器。DSP套件時(shí)域的輸入和輸出圖形顯示在示波器上，其頻域特性曲線顯示在CCS軟件界面當(dāng)中。顯示方式FFT模式圖名波形顯示信號(hào)類型實(shí)時(shí)起始地址adc2_B

8、.ADC圖形處理數(shù)據(jù)大小128限時(shí)間隔1FFT框架100FFT順序10FFT窗函數(shù)矩形窗顯像保持關(guān)DSP數(shù)據(jù)類型8位帶符號(hào)整數(shù)Q值0采樣率(Hz)200成像方向從左到右數(shù)據(jù)左移顯示禁止自動(dòng)縮放開(kāi)直流電壓0顯示坐標(biāo)軸開(kāi)頻率單位赫茲狀態(tài)欄開(kāi)幅值刻度線性數(shù)據(jù)成像類型條形柵格類型全柵格指針模式數(shù)據(jù)指針表1 CCS軟件屬性對(duì)話框設(shè)置為了與DSP套件的電壓相匹配，使用一個(gè)17W電阻多構(gòu)成的分壓電路來(lái)使輸入電壓從240V降到5V。基于對(duì)電流的單獨(dú)計(jì)算，以及分別對(duì)電阻耐壓、不同電阻的分壓的計(jì)算，電阻的電阻值采用940和44k。計(jì)算過(guò)程如下：完整的DSP仿真電路接線圖如圖5所示：圖5 用分壓器的電源諧波分析電路

9、接線圖結(jié)果顯示，從電壓源獲得的總電流大小是5.34mA，這對(duì)于DSP開(kāi)發(fā)版來(lái)說(shuō)是允許的。940電阻所承受的電壓是5.02V，這與DSP開(kāi)發(fā)板的啟動(dòng)電壓也是很接近的。DSP開(kāi)發(fā)板的輸入輸出結(jié)果如圖6所示。DSK的輸入和輸出波形看上去有細(xì)微的差別，這是因?yàn)镈SK內(nèi)部數(shù)字化過(guò)程多產(chǎn)生的。但是，很重要的一點(diǎn)是輸入信號(hào)的絕大部分頻譜都保存在了輸出信號(hào)中，因?yàn)槲覀冎饕芯康氖切盘?hào)的頻譜。圖6 按圖5連接的DSK電路的輸入信號(hào)（上）和輸出信號(hào)（下）的時(shí)域波形圖離散化的波形可由DSK用數(shù)字形式采集。從CCS上可以得到不同波形的頻譜，50Hz 5V交流正弦波的頻譜圖如圖7所示。圖7顯示，在50Hz處頻率達(dá)到一個(gè)

10、峰值，正好對(duì)應(yīng)于電源的基波頻率，還有在0Hz處也有一個(gè)峰值，此處對(duì)應(yīng)于電源的直流分量，此處的正弦波不是一個(gè)純的正弦波。圖7 輸出端50 Hz 5V交流正弦波的頻譜圖在實(shí)時(shí)諧波分析過(guò)程中，使用到了CCS軟件中的“圖像屬性對(duì)話框”中的“顯示方式”下的“FFT多幀顯示”選項(xiàng)。每執(zhí)行刷新命令后，不同情況下的電源的頻譜就顯示在FFT多幀顯示圖中，如圖8所示。圖示仍然說(shuō)明了0Hz和50Hz處的頻率峰值分別對(duì)應(yīng)于電源的絕大部分直流分量和電源信號(hào)的基波頻率。圖8 按圖5連接的DSK電路輸出的實(shí)時(shí)FFT頻譜圖VI. 結(jié)論上述即為基于TMS320C6713 DSP套件的電源諧波分析儀的頻域分析技術(shù)。從分壓器電路輸

11、出的波形并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形。這是因?yàn)殡娮柙诮祲弘A段亦產(chǎn)生諧波，這一點(diǎn)可以從正弦波里面產(chǎn)生的紋波干擾中證實(shí)。文中所設(shè)計(jì)的諧波分析儀已正確的將諧波分析結(jié)果顯示出來(lái)。即對(duì)輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT處理后，頻譜圖中0Hz和50Hz時(shí)出現(xiàn)的頻率的峰值分別對(duì)應(yīng)于電源的直流分量和電源信號(hào)的基波頻率。參考文獻(xiàn)1 E. Acha and M. Madrigal, Power Systems Harmonics. West Sussex: John Wiley&Songs, Ltd, 2001.2 J. Arrillaga and N. R. Watson, Power System Harmonics

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