DSP的电网谐波检测系统的设计与实现
DSP的电网谐波检测系统的设计与实现[20200121204556]
摘要
随着我国经济与社会的快速发展，电力工业的日益壮大，电力系统谐波已经成为电力领域日益重要的研究课题。谐波检测是解决其他谐波相关问题的基础和重要依据，因此进行谐波检测的研究具有重要的理论和实践意义。
本设计核心算法是基2-FFT原理，在以DSP芯片(TMS320F28335 )为核心的控制器上实现256点FFT运算。系统硬件部分主要由电源转换电路、信号转换与调理电路、DSP控制器模块与液晶显示组成，实现对电网谐波的测量与显示。
本系统硬件电路实现了将电网电压信号转换为DSP的AD可以采样的信号、将220V交流电向为系统所需的低压直流电源的转换；软件设计通过FFT算法实现了将信号由时域到频域的变换、通过按键控制实现了液晶对采样信号及电网谐波含量的显示。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电网谐波基2-FFTDSPAD液晶DesignandRealizationofMeasuringDeviceofPowerGridHarmonicBasedonDSP
目录
1. 绪论 1
1.1 电网谐波检测的背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题主要内容及目标 2
1.4 课题总体设计方案 3
1.5 论文的章节安排 4
2. 系统硬件设计 5
2.1 硬件系统的整体结构设计 5
2.2 电源电路的设计 6
2.2.1 交流电源整流稳压电路的设计 6
2.2.2 +5V与+3.3V稳压电路的设计 8
2.3 信号转换模块 9
2.3.1 信号调理转换电路的设计 10
2.3.2 中断信号转换电路的设计 14
2.4 TMS320F28335最小系统模块 16
2.5 人机交互电路的设计 17
3. 系统软件设计 19
3.1 系统软件总体设计流程 19
3.2 系统的初始化 20
3.3 快速傅里叶变换 21
3.3.1 改进 的算法 21
3.3.2 快速傅里叶变换算法 22
3.3.3 基2时域抽取法 的运算规律 25
3.3.4 基2-FFT算法 27
4. 系统调试 29
4.1 系统硬件电路调试 29
4.2 硬件调试 29
4.2.1 电源部分 29
4.2.2 信号部分 30
4.3 软件调试 31
5. 总结与展望 34
5.1 总结 34
5.2 展望 34
参考文献 36
附录 37
附录一：系统程序 37
主程序 37
FFT算法程序 38
液晶显示程序 39
附录二：系统硬件电路图 42
致谢 44
1. 绪论
1.1 电网谐波检测的背景与意义
最早提出谐波这一概念的是法国数学家傅里叶，他提出：任意一个函数都可以用无穷个频率大小不同的正弦信号的和来表示。如今国际上普遍认为谐波的定义为：谐波是在一个周期中频率为此信号基波频率的整数倍的正弦波的分量。
当今社会随着科学技术的突飞猛进的发展带来的工业生产精度的不断提高，各行各业对高质量电力的需求也在不断增加。各式各样的电气设备投入到电网中使用，产生了大量会对用电设备造成或多或少的损害的谐波。谐波危害大致可以归结为以下几种：
（1）、产生额外的损耗，使用电设备温度增高从而缩短设备寿命；
（2）、会造成电机的机械振动，带来各种不确定的后果；
（3）、由于谐波的存在会造成谐振；
（4）、因为谐波带来的干扰而造成系统的误动作或影响系统的正常工作；
因此对电网谐波的抑制就显得刻不容缓。而对电网谐波的测量恰恰是谐波抑制的首要任务，是谐波抑制的前提和依据。
1.2 国内外研究现状
在 世纪 年代 发表了与交流器谐波相关的论文。如今几乎每个国家都根据自己的国家发展情况制定了自己的电网谐波限制标准。同时在国际上也成立了许多与电网谐波标准限制有关的组织如：国际电气电子工程师协会（ ）、国际电工委员会（ ）、国际大电网会议（ ）等等。国际上与谐波相关的会议自 年以来每两年召开一次。
自 世纪 年代以来，随着微电子技术和数字电子技术的快速发展，电子测量仪器仪表也逐步由模拟测量向数字测量发展。电压等间隔采样技术的出现和迅猛发展也大大的提高了数字电子技术在现代测量中的地位。在国外与电网谐波测量相关的公司生产的先进仪器主要有：美国 公司的 系列手持式供电质量分析仪；瑞士莱姆公司的钳性功率谐波分析仪（ ）；瑞典联合电力公司的便携式电能质量分析仪( )等。
年，我国第一次在石家庄市召开谐波学术研讨会，标志着我国开始了开展关于谐波研究的工作。 年，中国电机工程学会谐波分会开始举办每两年一届的学术研讨会。 年，国家技术监督局正式发布了《电能质量一公用电网谐波》。 年，我国召开电能质量技术发展研讨会。目前国内的谐波分析仪器与欧美发达国家相比还有很大差距例如：处理功能差、运算速度慢、实时性与精确度不高等。
1.3 课题主要内容及目标
本设计主要是要测量电网电压信号的谐波含量，在本设计中是将220V单相交流电经变压器降压后再通过全波整流滤波电路后得到+19V的直流电，再经过线性稳压芯片与开关稳压芯片后得到+12V、-12V、+5V 、+3.3V、+1.5V分别作为各个模块所需要的电源及信号。同时将通过变压器后的电压信号经过信号调理电路、二阶巴特沃斯低通滤波电路后得到的0~3V的电压信号再由TMS320F28335的A/D进行采样，同时将此信号通过电压比较器后转换为方波信号再经过由锁相环与分频计数器组成的锁相倍频电路进行256倍频后作为TMS320F28335的外部触发A/D同步采样的中断信号。同时将采样信号进行基2-FFT运算后得到电网电压信号的频谱并将其通过液晶显示。本系统通过按键控制采样的开始与液晶显示的具体内容。
本系统主要设计与实现的任务有：
1、交流电源转直流电源电路的设计与实现；
2、DSP的A/D采样信号调理电路的设计与实现；
3、锁相倍频电路的设计与实现；
4、基2-FFT算法通过C语言在DSP中的实现；
5、按键与液晶显示部分的设计；
主要实现的目标：
1、实现对单相电信号的处理与转换；
2、实现对采样信号的锁相倍频；
3、实现对单相电信号基波与谐波成分的计算；
4、实现对采样信号及其谐波幅值的显示；
1.4 课题总体设计方案
本系统是为了实现检测并显示电网谐波成分的功能，因此需要将电网电压经过一系列的信号转换，使得转换后的信号能被本系统已经确定应用的控制处理器TMS320F28335的AD采样引脚识别并进行采样，然后将采样的信号经过相应的算法运算后处理得到采样信号的频谱，并将其幅值通过人机交互工具液晶显示器显示。
在信号转换中，由于本系统需要测量的单相电压信号是220V的交流电源，因此需要设计相应的电路将其转换为0~3V的信号输入到TMS320F28335的AD引脚。本系统在设计时为了增加其实用性与便捷性，决定将设计的整个系统做成一个整体即：只需要单相电网电压的输入即可实现工作。基于此设定的方案，需要把硬件部分分为两个部分即信号的调理转换部分和模块供电电源电压转换部分。两部分的电压均来自于电网电压经变压器后的输出端，具体设计方法将在下一章进行详细的介绍说明。
采样信号处理的算法主要有两种即：傅里叶变换与小波变换。本系统采用的是最常用且应用范围最广的傅里叶变换。对使用傅里叶变换算法实现电网信号谐波的计算将在第三章第四节作详细的介绍说明。
摘要
随着我国经济与社会的快速发展，电力工业的日益壮大，电力系统谐波已经成为电力领域日益重要的研究课题。谐波检测是解决其他谐波相关问题的基础和重要依据，因此进行谐波检测的研究具有重要的理论和实践意义。
本设计核心算法是基2-FFT原理，在以DSP芯片(TMS320F28335 )为核心的控制器上实现256点FFT运算。系统硬件部分主要由电源转换电路、信号转换与调理电路、DSP控制器模块与液晶显示组成，实现对电网谐波的测量与显示。
本系统硬件电路实现了将电网电压信号转换为DSP的AD可以采样的信号、将220V交流电向为系统所需的低压直流电源的转换；软件设计通过FFT算法实现了将信号由时域到频域的变换、通过按键控制实现了液晶对采样信号及电网谐波含量的显示。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电网谐波基2-FFTDSPAD液晶DesignandRealizationofMeasuringDeviceofPowerGridHarmonicBasedonDSP
目录
1. 绪论 1
1.1 电网谐波检测的背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 课题主要内容及目标 2
1.4 课题总体设计方案 3
1.5 论文的章节安排 4
2. 系统硬件设计 5
2.1 硬件系统的整体结构设计 5
2.2 电源电路的设计 6
2.2.1 交流电源整流稳压电路的设计 6
2.2.2 +5V与+3.3V稳压电路的设计 8
2.3 信号转换模块 9
2.3.1 信号调理转换电路的设计 10
2.3.2 中断信号转换电路的设计 14
2.4 TMS320F28335最小系统模块 16
2.5 人机交互电路的设计 17
3. 系统软件设计 19
3.1 系统软件总体设计流程 19
3.2 系统的初始化 20
3.3 快速傅里叶变换 21
3.3.1 改进 的算法 21
3.3.2 快速傅里叶变换算法 22
3.3.3 基2时域抽取法 的运算规律 25
3.3.4 基2-FFT算法 27
4. 系统调试 29
4.1 系统硬件电路调试 29
4.2 硬件调试 29
4.2.1 电源部分 29
4.2.2 信号部分 30
4.3 软件调试 31
5. 总结与展望 34
5.1 总结 34
5.2 展望 34
参考文献 36
附录 37
附录一：系统程序 37
主程序 37
FFT算法程序 38
液晶显示程序 39
附录二：系统硬件电路图 42
致谢 44
1. 绪论
1.1 电网谐波检测的背景与意义
最早提出谐波这一概念的是法国数学家傅里叶，他提出：任意一个函数都可以用无穷个频率大小不同的正弦信号的和来表示。如今国际上普遍认为谐波的定义为：谐波是在一个周期中频率为此信号基波频率的整数倍的正弦波的分量。
当今社会随着科学技术的突飞猛进的发展带来的工业生产精度的不断提高，各行各业对高质量电力的需求也在不断增加。各式各样的电气设备投入到电网中使用，产生了大量会对用电设备造成或多或少的损害的谐波。谐波危害大致可以归结为以下几种：
（1）、产生额外的损耗，使用电设备温度增高从而缩短设备寿命；
（2）、会造成电机的机械振动，带来各种不确定的后果；
（3）、由于谐波的存在会造成谐振；
（4）、因为谐波带来的干扰而造成系统的误动作或影响系统的正常工作；
因此对电网谐波的抑制就显得刻不容缓。而对电网谐波的测量恰恰是谐波抑制的首要任务，是谐波抑制的前提和依据。
1.2 国内外研究现状
在 世纪 年代 发表了与交流器谐波相关的论文。如今几乎每个国家都根据自己的国家发展情况制定了自己的电网谐波限制标准。同时在国际上也成立了许多与电网谐波标准限制有关的组织如：国际电气电子工程师协会（ ）、国际电工委员会（ ）、国际大电网会议（ ）等等。国际上与谐波相关的会议自 年以来每两年召开一次。
自 世纪 年代以来，随着微电子技术和数字电子技术的快速发展，电子测量仪器仪表也逐步由模拟测量向数字测量发展。电压等间隔采样技术的出现和迅猛发展也大大的提高了数字电子技术在现代测量中的地位。在国外与电网谐波测量相关的公司生产的先进仪器主要有：美国 公司的 系列手持式供电质量分析仪；瑞士莱姆公司的钳性功率谐波分析仪（ ）；瑞典联合电力公司的便携式电能质量分析仪( )等。
年，我国第一次在石家庄市召开谐波学术研讨会，标志着我国开始了开展关于谐波研究的工作。 年，中国电机工程学会谐波分会开始举办每两年一届的学术研讨会。 年，国家技术监督局正式发布了《电能质量一公用电网谐波》。 年，我国召开电能质量技术发展研讨会。目前国内的谐波分析仪器与欧美发达国家相比还有很大差距例如：处理功能差、运算速度慢、实时性与精确度不高等。
1.3 课题主要内容及目标
本设计主要是要测量电网电压信号的谐波含量，在本设计中是将220V单相交流电经变压器降压后再通过全波整流滤波电路后得到+19V的直流电，再经过线性稳压芯片与开关稳压芯片后得到+12V、-12V、+5V 、+3.3V、+1.5V分别作为各个模块所需要的电源及信号。同时将通过变压器后的电压信号经过信号调理电路、二阶巴特沃斯低通滤波电路后得到的0~3V的电压信号再由TMS320F28335的A/D进行采样，同时将此信号通过电压比较器后转换为方波信号再经过由锁相环与分频计数器组成的锁相倍频电路进行256倍频后作为TMS320F28335的外部触发A/D同步采样的中断信号。同时将采样信号进行基2-FFT运算后得到电网电压信号的频谱并将其通过液晶显示。本系统通过按键控制采样的开始与液晶显示的具体内容。
本系统主要设计与实现的任务有：
1、交流电源转直流电源电路的设计与实现；
2、DSP的A/D采样信号调理电路的设计与实现；
3、锁相倍频电路的设计与实现；
4、基2-FFT算法通过C语言在DSP中的实现；
5、按键与液晶显示部分的设计；
主要实现的目标：
1、实现对单相电信号的处理与转换；
2、实现对采样信号的锁相倍频；
3、实现对单相电信号基波与谐波成分的计算；
4、实现对采样信号及其谐波幅值的显示；
1.4 课题总体设计方案
本系统是为了实现检测并显示电网谐波成分的功能，因此需要将电网电压经过一系列的信号转换，使得转换后的信号能被本系统已经确定应用的控制处理器TMS320F28335的AD采样引脚识别并进行采样，然后将采样的信号经过相应的算法运算后处理得到采样信号的频谱，并将其幅值通过人机交互工具液晶显示器显示。
在信号转换中，由于本系统需要测量的单相电压信号是220V的交流电源，因此需要设计相应的电路将其转换为0~3V的信号输入到TMS320F28335的AD引脚。本系统在设计时为了增加其实用性与便捷性，决定将设计的整个系统做成一个整体即：只需要单相电网电压的输入即可实现工作。基于此设定的方案，需要把硬件部分分为两个部分即信号的调理转换部分和模块供电电源电压转换部分。两部分的电压均来自于电网电压经变压器后的输出端，具体设计方法将在下一章进行详细的介绍说明。
采样信号处理的算法主要有两种即：傅里叶变换与小波变换。本系统采用的是最常用且应用范围最广的傅里叶变换。对使用傅里叶变换算法实现电网信号谐波的计算将在第三章第四节作详细的介绍说明。
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