基于32位DSP的高壓變頻器電流電壓采樣電路

劉 麗，馮東升，王 濤

(上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司，上海 200063)

0 引言

結(jié)合高壓變頻器輸入輸出端高壓大電流的信號特點，本文提出一種基于32位 DSP TMS320F2808的高壓變頻器采樣電路設(shè)計方案，如圖1所示。針對電壓信號，本文采用輸入輸出端串接高壓大電阻限流取樣的方法，將電流限制在0～2 mA，后續(xù)接入采樣板進行信號調(diào)制，同時為了防止過高壓信號串入線路板，在三相線上分別對地接壓敏電阻保護;針對電流信號，輸入端串接兩級電流互感器獲取，輸出端接霍爾器件獲取信號。采樣部分，采用多級運放進行信號調(diào)制、比較等，利用DSP芯片進行A/D采樣和頻率捕獲，獲取主電路輸入輸出三相交流信號。同時通過主從DSP實時通信，實現(xiàn)對高壓變頻器輸入輸出電流電壓信號的實時監(jiān)測與控制。

1 采樣電路結(jié)構(gòu)組成

該高壓變頻器采樣電路主要有:輸入輸出電流采樣電路，輸入輸出電壓采樣電路，DSP外圍及其控制電路。

1.1 輸入電流采樣電路

如圖1所示，該變頻器在主電路中利用一級電流互感器，將大電流信號轉(zhuǎn)換為5 A范圍內(nèi)信號，進而在采樣板上采用二級電流互感器獲取信號。針對三相電流，主電路中只采兩相，以R相為例，一級互感器L1后側(cè)電路如圖2所示。

圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 輸入電流采樣電路

變頻器輸入大電流經(jīng)一級電流互感器轉(zhuǎn)換為5 A電流信號后，接采樣板二級互感變?yōu)?～2.5 mA信號，經(jīng)運放電阻匹配，將該電流信號轉(zhuǎn)換為－2～+2 V電壓信號。由于DSP芯片A/D采樣電壓范圍為0～3 V，因此需要進行信號調(diào)制，與基準(zhǔn)電壓－2.048通過電阻匹配疊加運算，如圖2所示。同時為檢測輸入過流信號，將電流轉(zhuǎn)交流電壓信號后，將該交流電壓信號進行翻轉(zhuǎn)處理，利用二極管單向?qū)ㄗ饔脤⑵滢D(zhuǎn)換為0～2 V電壓，繼而通過運放電阻調(diào)理至0～3 V范圍進行A/D采樣。輸入三相電流采樣中T相采用與R相同樣的方法，S相電流通過R相和T相疊加得到。

1.2 輸入輸出電壓采樣電路

由圖1可知，該高壓變頻器輸入輸出端有電壓采集單元，該單元采用高壓大電阻限流方式，將高壓信號轉(zhuǎn)換為小電流信號輸給圖3所示電壓采樣電路，該電路含電流轉(zhuǎn)電壓—射極跟隨—電平轉(zhuǎn)換—限幅保護四大功能，如圖3所示，處理后電壓范圍為0～3 V，進行A/D采樣。

圖3 電壓采樣電路

1.3 輸出電流采樣電路

當(dāng)變頻器輸出側(cè)發(fā)生短路或電動機堵轉(zhuǎn)時，變頻器將流過很大電流，從而造成電力半導(dǎo)體損壞。為了防止過電流，變頻器中必須設(shè)有輸出過流保護電路。由于光電耦合器的發(fā)光二極管為電流驅(qū)動器件，因而應(yīng)以電流環(huán)路的形式進行傳送，而電流環(huán)路是低阻抗電路，其對噪聲的敏感度較低，因此提高了電路的抗干擾能力。輸出電流采樣電路如圖4所示，接霍爾器件，獲?。?～+4 V電壓信號，接運放后轉(zhuǎn)換為－2～+2 V，后通過線性光耦隔離，將該電壓信號以電流環(huán)路形式傳送，電壓范圍不變。其中一路給電壓調(diào)理電路，接DSP A/D采樣，實現(xiàn)參數(shù)實時顯示;另一路給過流檢測電路，以使主控DSP關(guān)斷開關(guān)器件，實現(xiàn)過流保護。

圖4 輸出電流采樣電路

2 DSP功能實現(xiàn)

2.1 DSP 功能框圖

該采樣板DSP芯片需完成輸入輸出電流電壓A/D采樣算法，電壓頻率捕獲，與主控芯片CAN通信，以及調(diào)試時與上位機進行485通信，此外還需要接光耦和繼電器控制外部器件。DSP功能框圖如圖5所示。

圖5 DSP功能框圖

2.2 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果及算法實現(xiàn)

該DSP具有12位轉(zhuǎn)換精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，參考電壓為0～3 V，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果可由式(1)進行計算。假設(shè):A/D結(jié)果寄存器轉(zhuǎn)換數(shù)字為X，輸入模擬電壓為UA0，則轉(zhuǎn)換結(jié)果X為

有效值UX為

由于變頻器輸入輸出信號波動較大，采用多次采樣去算數(shù)平均值方法，結(jié)果如下:

由于采樣電路得到的信號是一個周期函數(shù)，由基波、諧波、恒定直流分量組成，必須采取措施濾去諧波分量和直流分量。該DSP時鐘可達(dá)100 MHz，可滿足FFT計算量大，對CPU速度要求高的條件。在傅氏算法中，設(shè)周期函數(shù)u(t)=u(t+T)，周期為 T，滿足[0，T]區(qū)間上絕對可積，則u(t)可展開級數(shù):

將連續(xù)積分公式離散化為下面的求和公式:

式中:n為信號所包含的n次諧波，N為每周期采樣的點數(shù)。取n=1即基波，N=36，即36點采樣，得到基波36點傅氏計算公式:

展開后得到電壓的實部和虛部，每個周期從0°開始相距10°的36個等距采樣值(電壓瞬時值)，則

由于傅氏算法具有濾去恒定直流分量，并且對二次以上的諧波具有良好濾波作用，對基波計算精度也相當(dāng)可觀。因此本文采用傅氏算法。

2.3 A/D轉(zhuǎn)換程序?qū)崿F(xiàn)

圖6 A/D轉(zhuǎn)換程序

該DSP主要功能為A/D采樣算法，具體思想如圖6所示。A/D轉(zhuǎn)換精度直接影響著系統(tǒng)能否可靠動作，為了提高轉(zhuǎn)換精度，系統(tǒng)每個周期采樣36點，使其誤差控制在±5°。通過定時器T1計數(shù)來控制A/D轉(zhuǎn)換起動時間間隔，從而控制A/D轉(zhuǎn)換速度，T1計數(shù)值計算公式為

2.4 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

本文通過外部模擬電路給定三相交流電壓電流信號，驗證該FFT算法精度，測試數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)據(jù)結(jié)果表明三相交流電壓電流采樣精度均可控制在誤差±5%以內(nèi)。

表1 三相信號轉(zhuǎn)換結(jié)果

3 結(jié)語

本文介紹了以TMS320F2808 DSP為控制核心的三相交流采樣電路。通過對硬件電路設(shè)計和軟件編程，完成了對高壓變頻器輸入輸出電壓和電流采集處理。模擬給定A/D采樣FFT濾波運算后得到的數(shù)據(jù)表明，采用該采樣算法進行數(shù)據(jù)采集獲得的電壓、電流參數(shù)，具有較好的精度和穩(wěn)定性，表明該電路具有一定的實用價值。

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