TMS320F28335在电网频率测量中的应用

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1、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

2、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

3、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

4、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TxCNT、定时器比较寄存器TxCMPR、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。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

5、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。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

6、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eCAPl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N1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

7、预定标器的功能框图。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，

8、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 ECCTL2 进行设置： 设

9、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。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

10、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Tektronix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。