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1、基于TMS320C6713 DSP开发板的240V交流电源的谐波分析Dody Ismoyo, Mohammad Awan, 和Norashikin Yahya国油工艺大学电气和电子工程学院马来西亚霹雳州端洛市斯里伊斯干达班德拉邮编：31750(通讯作者: Dody Ismoyo; e-mail: )摘要电力系统谐波问题由来已久。随着非线性负载在电力系统中的不断应用，谐波污染问题也越来越严重。快速傅里叶算法(fast Fourier transform, FFT)是电力系统谐波分析中常用的一种算法。本文实现了利用TMS320C6713 DSP开发板的基于FFT的电力系统谐波分析仪的设计和相应的电
2、力系统谐波分析。供电电压为50Hz下240V至5V间可调，以配合DSP开发板的输入功率。仿真结果显示在示波器和Code Composer Studio软件的显示界面上。这项工作揭示了利用该DSP开发板对240V交流电源谐波含量的分析的可行性。关键词：谐波分析, DSP.I. 引言谐波是指该电气量的正弦波分量的频率是基波频率整数倍的电气量。电力系统中引起谐波的源头是电力系统中的非线性元件。电力系统中，谐波分析被用于评价谐波冲击对于电力系统带来的负担。这项技术被广泛用于系统开发、设备配置、故障修复等情况。谐波对于电力系统的影响主要有降低电力系统运行效率、是设备过热、绝缘老化等方面1 2。谐波分析的
3、算法很多3-7，但是FFT的分析方法是最为广泛使用的一种计算方法7-9。FFT相比于离散傅里叶变换(discrete Fourier transform, DFT)效率更高，是高效的DFT算法。DFT用固定的采样时间对连续的模拟信号进行采样从而得到频域中一系列复制离散的频率量，即频谱。本文主要研究的是基于单片机开发板上的利用FFT对240V，50Hz电源的谐波分析。论文的主要组成部分如下：第二部分“实现方法”为DSP电路板的设计要求；第三节是对分析结果的讨论；最后，在第四节对本文所做工作进行了简单小结。II. 实现方法A. TMS320C6713 DSP开发板TMS320C6713 DSP套件
4、, 10 由德州仪器的SDI公司利用廉价开发平台开发的一款浮点型数字信号处理器(digital signal processor , DSP)。该套件采用通用串行总线(USB)可实现即插即用和播放功能间的快速切换。套件的采样频率为32千赫兹。图1 TMS320C6713 DSK 11的结构框图该DSK开发板内部有一个具有16位分辨率的AIC多媒体数字信号编解码器，可实现模数/数模转换功能。该套件的接口和内部框图如图1所示。本文所涉及的实现方法即用到了如图所示的AIC编解码器的模数/数模转换功能。AIC编解码器的界面如图2所示：图2 TMS320C6713 DSK 11的AIC编解码器界面示意图
5、试验用到的谐波分析仪的完整电路图如图3所示。图中，DSP开发板通过USB接口和微机联通，并通过Code Composer Studio (CCS)软件来显示分析结果。图中示波器用于显示DSP套件的时域输出结果。图3 谐波分析仪的配置在仿真过程中用MATLAB 7.1 (或更高版本)中的Simulink 6.3模块来初始化DSP开发板，使其可以作为电源输入的模数转换器。该模数转换器的采样率设置为32 kHz，数模转换器的输入源设置为“Line In”。用于初始化系统的Simulink模块如图4所示。如图，C6713DSK模块必须放在Simulink仿真界面中才可以设置目标参数和内存分配表，继而生
6、成DSP开发板的代码。图4 用以初始化仿真系统的ADC，DAC以及C6713DSK模块B. CCS软件界面上的谐波分析结果显示关于CCS软件的设置总结在表1当中。有关其中一些关键参数的详细设置解释如下：a. 显示模式:：FFT模式FFT模式可用于显示输入信号的频谱或者谐波含量。b. 起始地址:：adc2_B.ADC起始地址是从CCS的模数转换器的实时编码工作组算起的。adc2_B.ADC是在S功能块的最终输出地址。c. FFT序列：10选择更高的FFT序列可是编程更精确，但是程序的时效性会相应降低。d. FFT 窗函数：矩形窗选择矩形窗函数是为了能对信号频谱的某些特定区域进行分析。e. 采样率
7、(Hz)：200对于50Hz的输入信号，其采样频率必须要大于被分析信号的最大频率的两倍(即至少100Hz以上)，因此采用200Hz的采样率可保证被采样信号满足应用要求(即不产生信号丢失或混频现象)。III. 分析结果要用该DSP套件来分析240V电源的谐波成分，首先，必须将电源调至5V档，使和DSP开发板的输入电压相匹配。将电源电压调到5V的方法有：i) 分压器；ii) 240 V/6 V步进变压器。DSP套件时域的输入和输出图形显示在示波器上，其频域特性曲线显示在CCS软件界面当中。显示方式FFT模式图名波形显示信号类型实时起始地址adc2_B.ADC图形处理数据大小128限时间隔1FFT框
8、架100FFT顺序10FFT窗函数矩形窗显像保持关DSP数据类型8位带符号整数Q值0采样率(Hz)200成像方向从左到右数据左移显示禁止自动缩放开直流电压0显示坐标轴开频率单位赫兹状态栏开幅值刻度线性数据成像类型条形栅格类型全栅格指针模式数据指针表1 CCS软件属性对话框设置为了与DSP套件的电压相匹配，使用一个17W电阻多构成的分压电路来使输入电压从240V降到5V。基于对电流的单独计算，以及分别对电阻耐压、不同电阻的分压的计算，电阻的电阻值采用940和44k。计算过程如下：完整的DSP仿真电路接线图如图5所示：图5 用分压器的电源谐波分析电路接线图结果显示，从电压源获得的总电流大小是5.3
9、4mA，这对于DSP开发版来说是允许的。940电阻所承受的电压是5.02V，这与DSP开发板的启动电压也是很接近的。DSP开发板的输入输出结果如图6所示。DSK的输入和输出波形看上去有细微的差别，这是因为DSK内部数字化过程多产生的。但是，很重要的一点是输入信号的绝大部分频谱都保存在了输出信号中，因为我们主要研究的是信号的频谱。图6 按图5连接的DSK电路的输入信号（上）和输出信号（下）的时域波形图离散化的波形可由DSK用数字形式采集。从CCS上可以得到不同波形的频谱，50Hz 5V交流正弦波的频谱图如图7所示。图7显示，在50Hz处频率达到一个峰值，正好对应于电源的基波频率，还有在0Hz处也
10、有一个峰值，此处对应于电源的直流分量，此处的正弦波不是一个纯的正弦波。图7 输出端50 Hz 5V交流正弦波的频谱图在实时谐波分析过程中，使用到了CCS软件中的“图像属性对话框”中的“显示方式”下的“FFT多帧显示”选项。每执行刷新命令后，不同情况下的电源的频谱就显示在FFT多帧显示图中，如图8所示。图示仍然说明了0Hz和50Hz处的频率峰值分别对应于电源的绝大部分直流分量和电源信号的基波频率。图8 按图5连接的DSK电路输出的实时FFT频谱图VI. 结论上述即为基于TMS320C6713 DSP套件的电源谐波分析仪的频域分析技术。从分压器电路输出的波形并不是一个标准的正弦波形。这是因为电阻元
11、件在降压阶段亦产生谐波，这一点可以从正弦波里面产生的纹波干扰中证实。文中所设计的谐波分析仪已正确的将谐波分析结果显示出来。即对输入信号经过FFT处理后，频谱图中0Hz和50Hz时出现的频率的峰值分别对应于电源的直流分量和电源信号的基波频率。参考文献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. 2nd ed. Christchurch: John
12、 Wiley & Sons Ltd, 2003.3 A. Mehorai and B. Porat, “Adaptive comb filtering for harmonic signal enhancement,” IEEE Trans. Acoust. Speech Signal Processing, vol. ASSP-34, no. 5, pp. 11241138, Oct. 1986.4 G. Takata, et al., “The time-frequency analysis of the harmonics with wavelet transform for the p
13、ower electronics systems,” in Proc. Power Conversion Conf., vol. 2, Apr. 2002, pp. 733737. 5 Y. Z. Liu and S. Chen, “A wavelet based model for on-line tracking of power system harmonics using Kalman filtering,” in Proc. IEEE Power Engineering Society Summer Meet., vol. 2, Jul. 2001, pp. 12371242. 6
14、H. Xue and R. Yang, “A novel algorithm for harmonic measurement in power system,” in Proc. Int. Conf. PowerCon, vol. 1, Oct. 2002, pp. 438442. 7 M. Meunier and F. Brouaye, “Fourier transform, wavelets, Prony analysis: tools for harmonics and quality of power,” in Proc. 8th Int. Conf. Harmonics Quali
15、ty Power, vol. 1, Oct. 1998, pp. 7176. 8 A.A. Girgis, The Fast Fourier Transform and Its Applications. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall, 1990. 9 A. N. Mortensen and G. L. Johnson, “A power system digital harmonic analyzer,” IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. 37, no. 4, pp. 537540, Dec. 1988. 10 Texas Instruments Incorporated. (2008). TMS320C6713 DSP Starter Kit (DSK). Texas Instruments. Retrieved 23 June 2008 from 11 N.N. TMS320C6713 DSK Technical Reference. 2003 ed. Tex
