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1、电机电能质量分析仪基于DSP+CPLD一、应用场合 用于供电部门对生产的电能进行监视和检 测，以保证提供电力用户合格的电能 ，如 变电所出线端监控供电质量 帮助电力用户清晰的了解其设备工作所处 的电网，如在电机三相电源处监控工作电 压、电流二、性能指标分析 GB/T198622005电能质量监测设备通 用要求对电能质量监测设备规定如下： 监测功能：电压偏差、频偏、三相不平衡 度、谐波、闪变等 显示功能 通讯功能：至少一种标准通讯接口 其他功能：权限管理、记录存储等1.基本电量测量指标测量对象测量范围准确度灵敏度 三相电压 (V)0220（有效值 ）0.5%0.2%三相电流 (A)020(有效值
2、)1%0.5%频率(HZ)13000.01HZ0.005HZ其他电量测量：有功、无功、视在功率、功率因数 2.电能质量分析：谐波含量分析（最高13次谐波）、三相 不平衡度分析、电压/电流瞬态记录功能 3.用户交互功能：液晶显示的多级菜单配合按键，方便用 户操作 4.通讯功能：RS485通信三、系统整体结构DSPDSP电流电流 传感器传感器键盘键盘RS485RS485通信到上位机通信到上位机调调 理理 单单 元元LCDLCD显示显示电压电压 互感器互感器 CPLDCPLDA/DA/D存储器存储器过零比较过零比较设计思路 基本电量测量：直接测量3相电压、3相电流，计算公式：再由3相电压、电流计算功
3、率：频率测量：测周法电能质量分析： 1.谐波含量分析：FFT 其他分析方法：模拟带通带阻方法、小波变换 要解决的问题：频谱混叠、频谱泄漏 措施：防止频谱混叠：AD转换前加防混叠滤波器防止频谱泄漏：同步采样+软件修正 2.三相不平衡度分析对称分量法 四、硬件设计 微处理及控制器电路设计 信号调理电路设计 同步采样电路设计 人机交互电路设计 其他部分电路设计4.1 微处理及控制器电路设计1.对控制系统的要求强大的数字信号实时处理能力较丰富的I/O口资源中断能力强、中断响应快速一定容量的ROM和RAM2.控制方案选择方案一：采用ARM处理器控制方式，利用其 较高的工作频率来换取数据处理的高速， 并利
4、用其强大的事务管理能力对系统各个 功能进行实时控制。 方案二：采用DSP+CPLD控制方式，DSP的 软硬件资源非常适合实时信号处理，再配 合CPLD的逻辑控制实现仪器的智能化。 方案比较： ARM处理器在控制方面的性能优于DSP，利 用其丰富的片上资源，很适合运行嵌入式实 时操作系统，使得仪器的多任务处理能力增 强，操作界面更人性化，但ARM芯片及其外 围存储芯片价格较贵，在不跑操作系统的情 况下应用ARM芯片显得大材小用。DSP在数 字信号处理方面的性能优于ARM，配合 CPLD能够很好的完成多路电压、电流信号 的运算、处理，并实现实时控制，且价格相 对较低，有利于提高仪器的性价比。 综合
5、考虑，选择方案二。 3.器件选型 DSP：TMS320LF2812 主要参数：32位高性能DSP（哈佛结构）；最高工作频率150MHZ；128K字16位的Flash；128K字 16位的ROM；用于L0和L1两块4K字16的单存取RAM，H0一块8K字16的 SARAM和M0、M1两块1K字16的SARAM ；指令系统采用流水线技术 CPLD：EPM7032AE 主要参数： 逻辑门数600门，I/O口36，最大计数频率227.3MHZ4.2 信号调理电路设计1.模拟量采集电路设计 功能要求：采集3相电压、3相电流 信号 电压传感器选择：电流型电压传感 器TV16E 原理：采用了取样电阻的电流互
6、感 器 主要参数：最高工作频率：20KHz输入电流：2.5mA输出电流：2.5mA（变比1：1）副方取样电阻参考值：400欧姆抗电强度：3500V AC/1min一次最高检测电压：2000V AC最大不失真输出电压：1V相移：10kHZ ADS8364 主要参数：16位，并行输出 6路差分输入（-Vref +Vref ），6通道采样保持器，6通 道ADC 最高采样速率250kHZ 内置2.5V电压基准源4.4 人机交互电路设计 LCD：320240A-3点 阵式液晶模块 按键：行列式键盘与 CPLD接口4.5 其他部分电路设计 通信：RS485 存储器扩展： SST39VF400多用途 Fla
7、sh存储芯片 供电系统：开关电源模块提供+5V 和15V电压AMS1117-3.3实现5V 到3.3V转换 五、软件设计 分为：DSP程序部分、CPLD程序、上位机 通信及Labview界面程序设计 设计思想：模块化设计，逐层分析、设计D SP控制流程图六、改善仪器整机性能的措施6.1 提高测量精度1. 从原理上改进：同步采样（避免栅栏效应）、对信号滤波（过零点 的扰动） 2. 合理设计硬件：选用低噪声、高精度传感器（电流型、霍尔器件） ，低噪声、高共模抑制比运放（AD620），各芯片加电源滤波电路， 选用高精度ADC 3.软件补偿：对采样信号进行数字滤波；对仪器进行校准；做线性拟合 ，软件进
8、行频谱修正 6.2 提高测量实时性1. 选用高速器件（DSP、高速ADC）2.采用合理的算法（FFT）和通信手段（RS485） 6.3 提高可靠性1.简化电路结构（选用一块多通道ADC代替多个采样保持器及AD器件）2.提高硬件抗干扰能力，合理走线、接地（数模地分开，信号、电源、 控制线分开走）3.软件抗干扰（WatchDog）七、仪器性能评估 7.1 特点1. 采用DSP+CPLD控制结构，比单CPU 系统处理速度更快，实时性更高2.采用数字锁相环技术实现同步采样，节约了硬件开销，电路结构更为简单， 测量准确度和系统可靠性更高3.具有上电自检功能和软件WatchDog，具有更高的稳定性 7.2 成本及研制周期估计DSP+CPLD控制系统约150元，传感器及信号调理电路约 200元，采样电路约100元，LCD控制模块约150元，PCB 印制板约200元，其他成本合计800元，共计约1600元研制周期估计：23人的硕士研究生团队约5个月完成（一 周5个工作日）欢迎批评！
