基于DSP+ARM的矿井电容电流自动检测装置的研究

段永岐

（西山煤电西铭矿，山西太原 030052）

0 引言

目前世界上一般采用无源检测法来检测电网中的电容和电流，但是由于检测中需要不断地调节传感器线圈位置，所以导致了其装置寿命短，响应时间长等特点；同时中心点电压的大小对检测的准确度影响比较大，但是由于矿井下用电设备比较多，中性点很难做到平衡，所以导致该方法的检测精度大大折扣。而且由于其在检测过程中改变了系统的运行方式，导致系统存在安全隐患。学者们针对无源检测法的缺陷，又提出了利用注入信号法来实现电网中电流和电容的检测。这种方法是通过将电流和电压的相同相位进行比较来判断谐振点，但是在实际应用中也暴露出了该方法无法回避的缺陷。首先，当信号中存在高频干扰时很难准确测量相位；其次，当出现多个电压电流同相位时比较不好处理；最后是控制软件负杂度高导致了采样速度无法达到要求。针对此问题本文提出了一种基于DSP+ARM双CPU结构的检测方法，利用DSP快速的数据处理能力和ARM强大的逻辑处理功能，既提高了检测的快速性，又提高了判断的准确性，为矿井安全生产提供了保障[1-2]。

图1 系统总体结构图

1 系统总体结构

如图1所示为本设计中电容电流自动检测系统的整体架构。最上层是三相电，也就是供电电网。电能通过Z型接地变压器变压后供整个系统使用，同时通过变压器将电网的中性点引出，便于后续控制与测量。电能质量控制具体是通过电压源型偏磁式消弧线圈来实现的，而控制主要是通过其内部的励磁系统输出的励磁电流来实现的，而励磁系统的电流又是通过系统最下层的控制系统输出电压来完成调节的。

控制系统的工作原理如图2所示。中性点电压就是消弧线圈两端电压，通过PT电压隔离以及信号调理电路的处理后输入到DSP中，经过DSP处理后产生PWM波形来控制驱动电路的动作，这样就能控制扫频信号源发出一定频率的扫频信号，用于监测电路中电流流入的过程，同时将监测到的数值与消弧线圈两端的电压值进行不断的比较，当比较结果出现最大值时就是相同的输出频率。然后根据特定的算法计算出谐振度以及此时电源中电流和电容的大小。然后将结果转化为需要补偿励磁电流的数值保存在DSP中。通过将结果通过特定的通讯方式传输给ARM，ARM单片机将其显示到LCD显示屏上，同时ARM还负责键盘信息的读取以及逻辑功能的处理等。

图2 控制系统工作原理图

当电源系统中有单相接地故障发生时，DSP在检测到故障后会进入到中断模式中，在中断子程序中会利用故障触发的前一时刻保存的励磁电流值对电压源消弧线圈进行调节，在极短时间内达到最佳的补偿效果。同时将故障信息传输给ARM，通过其发出报警的相关信号和故障的界面显示。最后将故障相关信息存储到相应的内存空间中，方便故障查询时调用。

当故障消失后经过全面的检测和判断后，通过切断励磁电流来达到切断控制的目的，停止对电路进行补偿，重新进入到监测状态。

2 控制系统硬件设计

2.1 CPU选型

（1）主CPU模块

本系统使用的主CPU模块是由美国TI公司设计生产的DSP处理器，型号为TMS320LF2407A，这是一款具有较高性能的16位定点数字信号处理能力的芯片。供电电压为3.3 V，指令周期最高速度能够达到40 MHz。其内部集成的A∕D转换电路转换时间最短为500 ns。此外其内部还集成了多种通讯接口，如表1为主CPU的主要硬件资源[3-4]。

表1 DSP内部主要硬件资源

（2）从CPU模块

从控制器需要具备屏幕显示、键盘输入以及声光报警等功能，因此需要的CPU管脚比较多，同时还需具备一定的通讯接口。本系统选用了意法半导体公司生产的STM32系列微控制器。型号为STM32F103ZET6。该芯片为一款32位处理芯片，具有强大的处理能力，主频为72MHz，由3.3V的直流电提供工作电压。如表2所示为STM32微控制器主要硬件资源。

表2 STM32内部主要硬件资源

2.2 电压采集模块设计

如图3所示为本系统的电压采集电路。在本系统中为了使DSP模块能够识别电路中的电压信号，必须对其进行采集后再经过信号调理电路的调理后才能被DSP模块直接处理。电路中将电压互感器连接到被测电压的输出端。然后将测量到的交流电压信号经过100∶1的电路分压后输入到整流电路中。其中整流电路是由两级放大器组成的，通过这两级放大器的作用将交流信号调理为半波的直流信号，然后经过进一步发滤波后提供给DSP模块进行采样。这样的设计可以有效解决因为波形不稳定造成的采样错误。

2.3 扫频信号源模块

如图4所示为扫频信号源硬件模块电路图。扫频信号是将直流电通过IGBT等开关器件逆变为交流电。其中能够提供直流电信号的模块包括直流电源以及其它的直流电提供装置。其中直流电主要是通过电路中左侧输入的AC220 V交流电经过桥式整流后产生大约300 V上下的直流电源。然后将整流出的直流电源通过IGBT模块组成的逆变电路产生特定的方波信号，方波信号的占空比可以通过控制IGBT的开关频率来控制。控制范围为20～40 Hz。通过DSP内部集成的定时器模块能够方便地达到控制频率的目的[5-6]。

图3 电压采集模块电路

图4 扫频信号源硬件结构

3 控制系统软件实现

3.1 主程序设计

如图5所示为本系统的主程序流程图。系统上电后首先进行自检，其中自检包括传感器是否在线、各模块工作是否正常等。自检完毕后进入判断出程序，判断从机是否有数据传输过来，如果有则继续对中性点电压进行检测。然后判断位移电压是否超出限制，如果超出则说明发生了单项接地故障，此时需要调用上一时刻正常的数据并启动消弧装置，对其进行补偿。然后全面检测故障是否消失，如果消失则退出补偿模式并继续检测，如没有则继续补偿。如果检测电压没有超过限制则立即启动对地面的电流电容检测，然后将检测结果保存，将数据发送给从机。

图5 主程序流程图

图6 电容电流检测程序流程图

3.2 电容电流检测程序

如图6所示为本系统设计的电容电流检测程序。由于本系统使用的检测方法为改进后的电容电流检测方法，在自动模式下首先通过消弧线圈向电网中注入变频信号。然后测量消弧线圈两端的电压，通过增加频率来测量电压，如果测量的电压大于预设电压时，则此时的频率便为谐振频率，然后通过这个频率利用相关公式计算出电容和电流的数值，最后将结果保存[7-8]。

4 小结

本文设计的矿井电网电容电流检测控制系统经过工业现场试验后证明性能稳定，功能实现良好，完全能够满足设计需求。为矿井电网中同类型设备的设计提供了经验。