风力发电机实验测试系统的设计与实现

摘  要： 设计了一种可同时测试多个参数，功能综合的风力发电机测试系统。分析了两种A/D芯片与DSP的连接电路，在系统前端对待测的高电压与高电流进行信号调理，实现A/D芯片与DSP芯片之间并行的连接方式。利用 DSP 定时器中断来触发A/D芯片进行数据采集，同时利用CPLD控制A/D芯片同步采样。采用内部软件滤波，要求滤除干扰的奇次谐波，实验结果证明滤波效果明显。
关键词： 数据采集； DSP； 信号调理

    风能是一种用之不竭、清洁的可再生能源，在众多可再生能源中具有很大潜力。我国风力资源丰富，研究发展适合风力发电使用的风力发电机，具有重要的理论意义与实用价值[1]。风力发电机研制成功后，为了保证风力发电机的正常运行与安全，出厂前的测试显得至关重要。目前的风力发电机测试系统中，测试参数单一，需用多个测试设备分别测试不同的参数。
　 针对目前风力发电机测试设备的缺点，本文设计了一套基于数字信号处理器TMS320C5416的功能全面的风力发电机测试系统，解决了以往测试仪器功能单一的问题。其中数据采集部分是整个系统高精度测量的关键所在。本数据采集部分以THS1206和ADS7864为核心，采用CPLD和DSP对两种采集芯片进行逻辑控制与数据传输，同时采集22个通道的数据,分别为8路交流电压、8路交流电流、2路直流电压、2路直流电流和2路4~20 mA信号。由于本测试系统需对交流部分进行频谱分析,对于需要进行频谱分析部分采用最高速率为6 MS/s的THS1206，不需进行频谱分析的部分采用可同步采样的ADS7864。采样转换精度为12 bit，利用前端信号调理电路可将待测信号调理到-5 V~+5 V，这种结构很好地满足了风力发电机测试系统的精度高、速率快、简单可靠的要求。
1 系统总体设计
　 本文的风力发电机测试系统总体实现框图如图1所示，主要组成部分为DSP和2种A/D芯片(分别为4片THS1206和4片ADS7864)。图中，8路0～1 500 V的交流电压和8路0～10A的交流电流首先经过交流电压互感器和交流电流互感器后分别变为-5 V～+5 V交流电压和0～5 A的交流电流。此外，本系统需测试的还有2路0 ~1 500 V直流电压，2路0~100 mA直流电流，2路4~20 mA标准信号。22路需测试的信号全部经过各自的信号调理电路,将电压范围调理到A/D芯片适用的范围。核心器件CPU采用TI公司的TMS320C5416, TMS320C5416是一种低功耗、高性能的16位定点DSP芯片，速度为160 MIPS，集实时信号处理能力和控制器外设功能于一身。满足测试系统要求，负责数据实时采集与处理。大规模可编程逻辑器件CPLD主要完成系统各个功能模块的总线（数据总线、地址总线、控制总线）管理。时钟电路可方便显示整个测试系统的采样开始与结束时间，可具体显示到年、月、日、时、分、秒，方便观看。LCD液晶显示屏可方便观测频谱分析的谐波波形。键盘作为整个测试系统的一个输入设备，可控制系统启动。TMS320C5416本身内部只有16 KB的ROM和128 KB的RAM，由于本测试系统需采集大量数据进行测试，所以有必要进行存储器外扩来进行数据及时存储，其中SRAM用于存储实时动态数据，Flash存储的数据可防止掉电时丢失，E²PROM用于存储采样频率及前端互感器的变比等。通过USB接口连接PC机，用于保存每次的测量结果，方便管理与打印，利于查找。

2 测试系统硬件设计
2.1  THS1206与TMS320C5416的接口电路
    THS1206是TI公司推出的可编程、多通道、低功耗、内置FIFO的12位并行高速A/D转换芯片，功耗只有220 mW，最高采样速率可达到6 MS/s,4通道同时采样单通道采样速率可达到1 MS/s以上，完全满足本系统需要进行频谱分析的高速率要求[3]。
    THS1206模数转换器主要特点是四个模拟通道可同时实现无相差采样，即可同时由采样方式转换到保持方式下。四个模拟通道可设置为3种方式：(1)四个单通道输入；(2)两个差分通道输入；(3)两个单通道输入和一个差分通道输入。THS1206提供了三个参考电压(1.5 V、2.5 V、3.5 V)。它的许多引脚功能是可编程的，这使得其与处理器的硬件接口很灵活，转换结果以并行方式通过数据总线的D0~D11位来传送。
    本系统THS1206采用4个单通道输入模式，图2为一片THS1206与TMS320C5416型DSP的接口电路。DSP采用复合引脚R/W来进行读写操作，THS1206的可编程引脚WR与DSP的R/W引脚连接。THS1206的RD引脚通过连接一个电阻上拉为高电平。THS1206有两个片选信号CS0和CS1。TMS320C5416通过IOSTRB引脚选择外围空间，与THS1206的CS0相连，地址线A17与CS1相连。THS1206的数据总线(D0~D11)可以直接与TMS320C5416的(D0~D11)数据总线相连，无需经过缓冲和电压转换。测试系统由DSP定时器提供转换时钟信号。DSP采用中断方式读取转换后的数据。THS1206的DATA-AV直接与DSP的INT2相连。

    由于本文的风力发电机测试系统需要进行频谱分析的是交流部分，8路0～1 500 V的交流电压和8路0～10 A交流电流,用于交流部分频谱分析的A/D芯片THS1206为4通道输入芯片，所以本系统需用4片THS1206。
2.2  ADS7864与TMS320C5416接口电路
　ADS7864是德州仪器(TI)公司Burr-Brown产品部推出的快速6通道全差分输入的双12位A/D转换器。能以500 kS/s的采样速率进行6通道同时采样，特别适合于数据采集系统中电力参数的采集[4]。
　图3为TMS320C5416与一片ADS7864的接口电路，6个差分模拟输入通道CHA0、CHA1、CHB0、CHB1、CHC0和CHC1输入的模拟信号被ADS7864的6个采样保持器保持，当ADS7864对采样的6路信号转换完毕后，ADS7864的BUSY引脚产生中断信号，与DSP的INT0引脚相连表示转换完毕，DSP可以通过中断程序对转换完毕的采样信号进行读取与处理。ADS7864的A2、A1、A0为地址和模式控制端，用于选择数据的读出方式，这里A2A1A0=110,输出模式为循环方式。BYTE信号用于决定输出数据宽度，令其为低电平，一次输出16位信号(DB15~DB0)，CLOCK信号用作A/D转换所需的时钟,这里选择时钟的最高工作频率为8 MHz，由CPU的时钟提供。控制三组输入通道的采样/保持信号HOLDA、HOLDB、HOLDC连接在一起，由CPLD进行控制。

    由于TMS320C5416的I/O口工作电压是3.3 V，ADS7864的数字端工作电压是5 V，所以它们之间必须连接由5 V转换到3.3 V的电平转换芯片74LVC16245。本文风力发电机测试系统需要同步测试22路信号，ADS7864为6通道差分输入A/D转换芯片，所以本系统需用4片ADS7864芯片。22路信号的同步采集由CPLD控制每片ADS7864的HOLDX引脚为低电平来实现。
3 测试系统软件设计
3.1 系统整体软件设计
　 本文风力发电机测试系统主程序流程图如图4(a)所示。首先进行系统初始化，根据DSP芯片固有的功能和特征，进入主程序的入口设置，所有寄存器清零，进行程序存储器ROM区和数据存储器RAM区的初始化，中断矢量设置等主程序运行前的准备工作，以及检查系统电源，监视芯片上电后的DSP芯片内的硬件运行情况。当DSP芯片运行正常后，进入测试系统软件的主程序运行，使用默认配置参数来设定系统的存储器资源和总线占用资源。

　 系统在默认配置参数正常的情况下，开始定时器设置，系统可通过定时器的设置确定采样时间。在一次采样结束后，首先进入数据预处理，再将数据通过USB接口向上位机传送。同时需要进行频谱分析的数据在液晶显示屏里显示出来。每次采样及数据处理结束后，都要对数据的采样数量进行判断，如果条件满足，则系统数据采样处理过程结束。如果不满足，还要继续进行定时器设定时间的判断，如果定时器设定时间到，则进行新一轮的采样过程，否则进行等待循环状态。
3.2 A/D芯片的采样控制软件设计
　 在启动系统采样工作前，系统首先要确定采集的数据是否要进行频谱分析，由CPLD进行软件编程设置，通过控制A/D芯片的片选信号，具体选择哪种A/D芯片进行采样。通过定时器中断启动系统的采样。图4(b)为A/D芯片采样控制流程图，其中A/D芯片ADS7864的同步采样是通过CPLD控制其HOLDX引脚为低电平实现的，当采样工作结束后，A/D芯片的INT端口会输出低电平信号给DSP的I/O端口。在程序中设置中断，一旦检测到I/O口工作结束的信号，通过DSP的地址总线选通A/D芯片，并输出读数据命令给A/D芯片，依次通过数据总线将结果读入DSP。
4 滤波试验测试
　 众所周知，风力发电机并网运行会给电网带来影响，谐波污染是其中之一。任何一种风力发电机并网运行都会引起电压和电流的畸变[5]。本文风力发电机测试系统前端22路模拟输入信号也会伴随产生奇次谐波。为了滤除掉这些干扰的奇次谐波，本文采用内部软件方法有效地滤除了这些谐波。试验中，输入部分为风力发电机频率为50 Hz的基波，伴随基波的还有150 Hz、250 Hz等奇波频率部分。要求滤除这些奇次谐波，只保留50 Hz的基波部分。具体滤波过程如下：首先应用MATLAB软件进行滤波仿真，设计一个IIR(Infinite Impulse Response)型数字滤波器，滤波器的阶数为3，观察仿真波形图，如果结果可行，则进行DSP实现。
　 通过TMS320C5416的JTAG仿真接口，利用DSP的软件开发平台CCS(Code Composer Studio)进行实验测试。输入50 Hz的基波和相伴产生的奇次谐波。采样频率为1 500 Hz，采样点为256点。图5为利用CCS的绘图工具绘制的采集到的256点数据的时域与频域波形，图5(a)为滤波前输入信号的时域图，图5(b)为滤波后信号的时域图，图中横坐标为采样时间，纵坐标为输入波形的幅度。由图5(b)滤波后波形可以看出，滤波效果明显，只剩下频率为50 Hz的基波部分，干扰的奇次谐波被有效地滤掉了。图5(c)、图5(d)为滤波前后输入信号的频域图，图5(c)中可以看出，除了50 Hz基波部分外,还伴随很多干扰的谐波成分，横坐标为信号周期，即频率倒数，纵坐标为信号的幅度,从图5(d)滤波后的频谱图可以看出，大部分干扰谐波被滤掉，效果明显，由于本实验采用的滤波器阶数仅为3阶，如果再提高滤波器阶数，则滤波效果会更加明显。

    在本文风力发电机测试系统中,对22路输入信号的采集至关重要，对于其中交流部分需要进行频谱分析，频谱分析中涉及到FFT变换，则要求系统具有很高采样速率。不需要进行频谱分析部分则要求同步性要好。本文所设计的风力发电机测试系统采用了两种A/D芯片，很好地满足了系统要求，实时性强、精度高，功能综合，能够同时测试多个不同参数，解决了目前风力发电机测试系统测试参数单一的缺点，并且内部算法滤波效果明显，达到了滤波要求。
参考文献