风力发电机实验测试系统的设计与实现

电力18讯：    
　  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。

　　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4~20mA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6MS/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12bit，利用前端信号调理电路可将待测信号调理到-5V~+5V，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0～1500V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-5V～+5V交流电压和0～5A的交流电流。此外，本系统需测试的还有2路0~1500V直流电压，2路0~100mA直流电流，2路4~20mA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160MIPS，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16KB的ROM和128KB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

　　2.1THS1206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220mW，最高采样速率可达到6MS/s,4通道同时采样单通道采样速率可达到1MS/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(1.5V、2.5V、3.5V)。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0～1500V的交流电压和8路0～10A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。

　　2.2ADS7864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500kS/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。

　　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8MHz，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。