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TMS320F240在电压无功综合控制中的应用
摘要：介绍DSP芯片TMS320F240的特点，讨论了它在电压无功控制器（VQC）中的应用。提供了基于DSP芯片的VOC设计及DSP芯片外围电路设计，介绍TMS320F240的软件编程。DSP芯片的应用极大地提高了VQC的性能。关键词：DSP TMS320F240 电压无功控制器
电压质量对于电力系统的正常运行有着重要意义。电压能否维持在合格范围内直接影响着电力工业本身的安全；系统的无功功率对电压的影响极大，维持电网正常运行情况下的无功平衡是改善电压质量的基本条件。对电压无功进行综合控制可以保证电压合格和无功潮流平衡，同时还能提高电网的可靠性和经济性。利用变电站中电压无功控制器自动调节有载变压器分接头和并联补偿电容器组可以实现这一综合控制。
电压无功控制器通常由单片机系统构成，它集数据采集、数据处理、控制判断和控制输出于一身。这就使得单片机负担比较重，而且限于单片机自身的处理能力，无法实现复杂的数据处理和控制策略。将DSP芯片应用到电压无功控制器，可以有效地提高其性能。
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TMS320F24X系列是美国TI公司推出的高性能16位定点DSP，专门为电机控制和其它控制系统而设计。TMS320F240是其中典型的一种，片内的外设和强大的处理能力使它很适合用于电压无功控制器。本文着重介绍其于TMS320F240的电压我功控制器的设计及其编程。
1 基于TMS320F240的电压无功控制器的设计
1.1 TMS320F240简介
TMS320F240主要由CPU、存储器和片上外设三部分组成，其主要特点如下：
·采用改进型哈佛结构，具有分离的程序总线和数据总线，使用四级流水线作业，并且允许数据在程序存储空间和数据存储空间之间传输，从而提高了运行速度和编程的灵活性。指令执行速度为20MIPS，几乎所有的指令都可以在50ns的单周期内执行完毕。
图2 TMS320F240外围电路
·存储器可寻址空间224K字（64K字程序空间，64K字数据空间，64K字I/O空间，32K字全局空间）；片内有16K字的Flash EEPROM。
·双10位A/D转换器，共16位输入通道，转换时间为6μs。事件管理器中有3个定时/计数器，4个捕获单元等。
1.2 控制器的硬件结构
控制器总体结构如图1所示，由CPU、开关量输入、开关量输出、模拟量输入、键盘显示和通信等模块组成。CPU模块采用主从式结构：单片机（采用Intel公司的80C196）为主，完成外围电路的控制，处理整个控制器的工作流程；TMS320F240为从，完成数据采集，数据计算等。单片机和TMS320F240之间采用双口RAM进行通讯。TMS320F240主要外围电路如图2所示。
XTAL1和XTAL2之间接10MHz的晶振，经片内PLL时钟模块后系统时钟为20MHz。16个A/D通道分为两组:AD0～AD3和AD8～AD11为1组，采集变压器#1高压主侧电压电流及低压侧电压信号；AD4～AD7和AD12～AD15为II组，采集变压器＃2电量。高压侧每一相的电压电流同步采集，可以保证计算准确。扩展16K字外部数据存储器用来存放采集的电压、电流。扩展2K×8位的双口RAM用来和单片机（80C196）通讯。采用双口RAM进行通讯具有程序设计简单、数据传输方便快速等优点。
2 TMS320F240的编程
TMS320F240的程序采用汇编语言编写，其流程见图3。在程序初始化部分，对芯片内部寄存器进行设置。通用定时器1设置为连续递增计数模式，代码如下：
LDP #232
SPLK ＃1000000101000000h,T1CON
SPLK #0000000000101010b,GPTCON
SPLK #1563,T1PR ;set sample frequency=20000/2/1563=6.4kHz
频率为6.4kHz。数据采集部分采用定时器1，数据长度为128点。这样，对于50Hz信号可保证采样为一个整周期。A/D转换设置为双A/D同步采术，如通道0与通道8采样时，设置A/D的代码为:
LDP #224
SPLK #1001100100000000b,ADCTRL1
SPLK ＃0000000000000101b，ADCTRL2
谐波分析采用基2的128点快速速傅立叶变换，取前30次谐波数据传递给80C196。
程序中每一相的电压有效值、电流有效值、有功功率、无功功率使用下列各式计算（其中N=128）。
电压有效值：
电流有效值：
有功功率：
无功功率：
TMS320F240中没有开平方运算的指令，电压、电流计算中的开平方采用牛顿代法。开平方函数f(x)=x2-c=0的根的牛顿迭代公式为：
迭达收敛的速度取决于x初值的选取。初值x0越接近真值，收敛速度越快。政党情况下，电网的电压及电流尤其是电压变化范围不大，初值比较好选取。
由于单相电压电流采用同步采样，功率的计算比较准确。三相电路的有功功率及无功功率分别为它们的各相之和。电路为三相对称时，可采用单相功率的3倍作为总的三相功率。
TMS320F240与80C196的通讯采用双口RAM完成。在双口RAM中定义寄存器单元存放命令字DSP_MCU_CMD。DSP读取判断是否进行采样、是否进行FFT、是否计算有关电量。DSP完成指令后，将命令字相应位置1；80C196检测该位，从双口RAM中读取数据。
3 实验结果
利用信号发生器产生正弦信号，叠加2.5V的直流偏移后输入到两个A/D同步采集通道（通道0和通道8），进行测量实验。信号I视为电压无功控制器待测量的电压信号；信号II视为电流信号。实验一的输入信号波形见图4，频率为50.63Hz，电压U(信号I)领先电流I（信号II）27.6度，实验结果见表1；实验二输入信号波形见图5，频率为49.69Hz，电压U（信号I）落后电流I（信号II）44.5度实验，结果见表2。
表1 实验一测量结果及分析
表2 实验二测量结果及分析
U I P Q 真实值 1.614 1.425 1.697 -1.667 实验值 1.612 1.444 1.673 -1.697 误差 0.1% 0.6% 1.4% 1.8%由以上结果可知，DSP单元中的测量精度相当高，电压无功控制器设计中应着重提高前端模拟电路的精度。
TMS320F240的应用，极大地改善了电压无功控制器的性能，使得控制器能够对诸如过压、欠压、缺相、谐波越限等故障做出反应。同时电压无功控制器的数据处理与外围控制分开，有利于系统的模块化设计，提高了系统的可靠性。
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