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      MSP430F149在電力測控保護(hù)產(chǎn)品中的應(yīng)用

      時間:2024-06-23 11:19:49 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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      MSP430F149在電力測控保護(hù)產(chǎn)品中的應(yīng)用

      摘要:介紹使用MSP430F149在電力測控保護(hù)產(chǎn)品研制中實(shí)現(xiàn)基本參數(shù)測量的軟硬件設(shè)計方法,及該芯片在使用中應(yīng)用注意的問題和相應(yīng)的處理措施。

      MSP430F149(以下簡稱“F149”)是德州儀器(TI)公司推出超低功耗Flash型16位RISC指令集單片機(jī)。F149有豐富的內(nèi)部硬件資源,是一款性價比極高的工業(yè)級芯片。在應(yīng)用中,F(xiàn)149不需做過多的擴(kuò)展,適合要求快速處理的實(shí)時系統(tǒng),故可在電力系統(tǒng)微機(jī)測量和保護(hù)方面得以應(yīng)用。詳細(xì)的F149資料可參閱有關(guān)文獻(xiàn),本文主要對電力系統(tǒng)中基本參數(shù)測量的實(shí)現(xiàn)方法和開發(fā)中一些應(yīng)注意的問題進(jìn)行論述。

      1 F149外圍模擬信號調(diào)理

      在電力系統(tǒng)微機(jī)測量中,通常將一次額定電流和電壓通過電流互感器(TA)、電壓互感器(TV)分別轉(zhuǎn)換為0~5A的電流信號和0~100V的電壓信號,該信號再經(jīng)一級互感器轉(zhuǎn)換為數(shù)百mV~幾V的電壓信號,具體輸出電壓的幅值,可根據(jù)實(shí)際電路的情況來定制。

      F149內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的單極性ADC,其輸入范圍0~2.5V。對于雙極性的輸入信號,必須轉(zhuǎn)換為單極性輸入信號,即對信號進(jìn)行直流偏置。實(shí)現(xiàn)直流偏置可采用電阻分礦井或運(yùn)放升壓的方式。電阻分壓方式的電路形式如圖1所示,這種電路實(shí)際上采用的是單電源供電,可雙極性輸入的ADC芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu), 2.5V的基準(zhǔn)可由F149提供。運(yùn)放升壓的方式是利用運(yùn)放的特性將零點(diǎn)進(jìn)行偏置,如圖2所示,輸入與輸出的關(guān)系有:V0=1.25V-Vi?梢,輸入與輸出在相位上是反相的,在使用多級運(yùn)放對信號進(jìn)行放大或縮小處理時,應(yīng)保證各路輸出信號相位的一致。當(dāng)然,相位的處理也可通過軟件的數(shù)據(jù)處理來實(shí)現(xiàn)。

      電阻分壓方式具有結(jié)構(gòu)簡單,成本低的優(yōu)點(diǎn),且允許幅值較大的雙極性模擬信號在板內(nèi)傳輸,在外界干擾一定的時候,提高了信噪比。對于F149內(nèi)部的積分型ADC而言,電阻分壓方式的輸入阻抗較大,為保證片內(nèi)電容的充電時間,以達(dá)到應(yīng)有的測量精度,需相應(yīng)延長采樣的時間。

      運(yùn)放升壓方式需要精密運(yùn)放的配合,成本較高,且低阻抗輸出的 0.625V基準(zhǔn)源也不易得到,但電路的輸出阻抗低,可提高ADC的采樣速度。

      電力系統(tǒng)中電流測量的范圍很大,在額定值1.2倍范圍內(nèi),要求測量精度為0.5級;在1.2~20倍保護(hù)范圍內(nèi),要求精度較低,為3級。在電路設(shè)計中,通常使用可編程PGA(增益放大器)來解決大范圍信號測量的問題?紤]PGA方式判斷、切換所需的時間較長和保護(hù)范圍內(nèi)對測量的高實(shí)時性要求,在本系統(tǒng)中,采取對電流的兩段范圍同時采樣的方法,即將電流信號一分為二,保護(hù)范圍內(nèi)的信號進(jìn)行壓縮處理,使用兩路A/D口同時進(jìn)行采樣。

      對于三相電路,此時有3路電流測量信號、3路電流保護(hù)信號和3路電壓信號,共9路信號,而F149僅提供8路外部信號采樣通道。為此,將F149的負(fù)參考電平VeREF測量通道用于信號測量。

      2 F149內(nèi)置ADC采樣時序控制

      內(nèi)置ADC工作于序列通道單次轉(zhuǎn)換模式,通過控制采樣/轉(zhuǎn)換位ADC12SC來觸發(fā)ADC。ADC12SC可由一定時器來置位,該定時器的定時時間根據(jù)當(dāng)前工頻的實(shí)際周期和每周期的采樣點(diǎn)來確定,使得采樣時間間隔能跟蹤工頻的變化,減小了測量的非同步誤差。

      當(dāng)ADC數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成時,ADC12SC自動復(fù)位,同時會產(chǎn)生一個中斷,對各通道的當(dāng)前讀數(shù)據(jù)讀取,并可對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。

      3 交流采樣算法

      交流采樣算法有多種選擇,考慮F149的運(yùn)算速度和采樣速度,在每周期采樣24點(diǎn)或36點(diǎn)和不需做諧波分析的情況下,在測量范圍內(nèi)計算,推薦使用真有效值算法,這樣方法具有高的嚴(yán)謹(jǐn)和相對較小的運(yùn)算量。在保護(hù)范圍內(nèi)計算,此時精度要求不高,而對實(shí)時性要求高,要使用基于正弦波模型的半周期積分法進(jìn)行計算,這種方法僅須半個周期的數(shù)據(jù)窗,計算量小。半周期積分法的精度與采樣點(diǎn)數(shù)和計算的首點(diǎn)有關(guān),當(dāng)計算首點(diǎn)最接近其有效值時,誤差最小。以下給出兩種方法離散化后的計算公式。

      真有效值算法:

      式中N為每周期等間隔采樣點(diǎn)數(shù),u(k)、i(k)分別為第k次采樣的電壓、電流瞬時值。

      4 快速開平方算法

      計算有效值離不開開平方運(yùn)算,開平方運(yùn)算是非常耗時的算法。常見的定點(diǎn)數(shù)開平方運(yùn)算有牛頓選代法、快速查表法、直流逼近法和試根法等。對于查表法,當(dāng)被開方數(shù)變化范圍較大時,提高運(yùn)算精度和減少內(nèi)存占用量是相矛盾的;直線逼近法需要存貯各段線性逼近函數(shù)的斜率和截距值,當(dāng)要求的運(yùn)算精度增加時,線性段的劃分越密,運(yùn)算處理時間隨著增加;試根法的缺點(diǎn)是運(yùn)算時間與被開放數(shù)的大小有關(guān),并被開方數(shù)據(jù)很大時,試根次數(shù)增加,運(yùn)算執(zhí)行時間將變長;牛頓迭代法是一種一致收斂的開平方算法,若初始值選取得當(dāng),只需很少次甚至是一次迭代算法,即可得到滿足給定精度要求的運(yùn)算結(jié)果,但如果初值選擇不當(dāng),將須多次迭代,在微機(jī)測量保護(hù)中電流、電壓的動態(tài)變化范圍很大,從而增加了選擇初值的難度。

      開平方函數(shù)f(x)=x2-c=0的根的牛頓迭代公式為:

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