Напишите нам!
 
     
Электронные компоненты от ведущих мировых производителей









Сканти Рус > Бюллетень TI > Авторам | Выпуски >     2009:   21 | 22 | 23 | 24         2010:   25 | 26 | 27 | 28     2011:   29 | 30 | 31 | 32      2012:   33 | 34 | 35 | 36      2013:   37 | 38| 39| 40      2014:   41 | 42 | 43

Стивен Андервуд (Stephen Underwood), Винсент Чан (Vincent Chan), Крайпасагар Венкат (Kripasagar Venkat)

Реализация трёхфазного электронного счётчика электроэнергии с использованием MSP430F471xx

В данной работе описана реализация трёхфазного счётчика электроэнергии с использованием микропроцессора типа «система-на-кристалле» (SOC) MSP430F471xx от корпорации Texas Instruments. Статья содержит необходимую информацию, касающуюся метрологического программного обеспечения, схемотехники и процедур калибровки этого однокристального устройства. Приведены результаты и показаны эксплуатационные характеристики счётчика при трёхфазных измерениях и использовании трансформаторов тока в качестве датчиков.

Введение

Устройства MSP430F471xx принадлежат к семейству микроконтроллеров MSP430F4xx. Эти микросхемы находят широкое применение в области измерения энергии, так как обладают необходимой для этого архитектурой. Контроллеры MSP430F471xx имеют мощное 16МГц ЦПУ с известной архитектурой MSP430. Аналоговый интерфейс содержит до семи сигма-дельта АЦП, основанных на архитектуре второго порядка, поддерживающей дифференциальные входные сигналы. Эти АЦП (SD16), имеющие разрешающую способность 16 бит, могут быть сконфигурированы и сгруппированы вместе для одновременного измерения напряжений и токов по одному и тому же сигналу запуска. Каждый SD16 способен выдержать напряжение синфазного сигнала до -1 В и допускает привязку всех датчиков к общей земле. Кроме того, имеется встроенный усилительный каскад с коэффициентом усиления до 32 для усиления сигналов от датчиков с низким выходным сигналом. Аппаратный умножитель 32х32-бит, расположенный на кристалле, может использоваться для ускорения сложных математических операций при энергетических расчётах. Имеется программная поддержка расчётов различных параметров как для всех трёх фаз вместе, так и для каждой отдельной фазы. При энергетических измерениях рассчитываются следующие ключевые параметры: действующие значения токов и напряжений, активная и реактивная мощности, коэффициент мощности и частота. Все эти операции используют около 1/3 вычислительной мощности и около одной десятой части ресурсов.

Блок-схема

На рисунке 1 приведена блок-схема трёхфазного счётчика. В данном случае показана трёхфазная четы-рёхпроводная схема подключения к сети - «звезда». Трансформаторы тока (CT) подключены к каждому из токовых каналов, а для измерения соответствующих фазных напряжений используются простые делители напряжения. Каждый CT имеет связанный с ним балластный резистор, который должен быть подключён постоянно для защиты измерительного устройства. СТ и балластный резистор выбираются разработчиком исходя из диапазона токов при измерении электроэнергии. Резисторы делителей напряжения для каждого канала выбираются таким образом, чтобы обеспечивался штатный диапазон входных напряжений для АЦП MSP430. Численные значения смотрите в руководстве пользователя MSP430F4xхx и в соответствующих справочных листках [3, 4].

Аппаратная реализация

В данном разделе описаны основные узлы, образующие аппаратную часть счётчика электроэнергии, построенного на MSP430F471xx.

Источник питания

Семейство устройств MSP430 представляет собой микроконтроллеры корпорации Texas Instruments со сверхнизким потреблением энергии. Эти устройства поддерживают ряд режимов малого энергопотребления и, кроме того, обладают малым потреблением энергии в активном режиме, то есть когда работает ЦПУ и периферийные устройства. Малое энергопотребление устройств этого семейства позволяет использовать источники питания, имеющие очень простую и дешёвую конструкцию. Источник питания позволяет питать счётчик электроэнергии непосредственно от сети. В следующем подразделе обсуждаются различные исполнения источника питания, доступные пользователям.

Резистивно-емкостной (RC) источник питания

На рисунке 2 показан простой резистивно-емкостной источник питания на одно выходное напряжение 3,3 В, получаемое непосредственно от сети.

Номиналы резисторов (R4-R6) и конденсаторов (C1-C3) выбираются исходя из требуемого выходного тока источника питания. Напряжение сети подаётся непосредственно на RC-цепочки, за которыми установлены выпрямительные цепи, обеспечивающие постоянное напряжение питания для MSP430. Это постоянное напряжение стабилизировано на уровне 3,3 В, необходимом для работы MSP430 с максимальной скоростью. Для схемы (рисунок 2) приблизительное потребление тока по каждой фазе составляет около 12 мА. Схема с конфигурацией(рисунок 2)позволяет получить при использовании всех трёх фаз выходной ток, втрое превышающий ток, потребляемый по каждой фазе. При необходимости обеспечения более высокого выходного тока можно использовать выходной буферный каскад на NPN-транзисторе или трансформаторный источник питания.

Трансформаторный источник питания

В случаях, когда от источника питания требуется большой выходной ток, в частности, при использовании радиочастотных приёмопередатчиков, простой резистивно-ёмкостный источник не может обеспечить требуемый ток. Поэтому требуется трансформаторный источник питания. Напряжение сети понижается с помощью трансформатора, на выходе которого включается выпрямительная схема. В этом случае трансформатору не требуются все три фазы. Для обеспечения тока, требуемого схемой, необходимо выбрать соответствующий трансформатор. На рисунке 3 показан пример трансформаторной схемы, которая может быть использована для питания счётчика электроэнергии на базе MSP430F47197.

Аналоговые входы

Аналоговые входные цепи MSP430, то есть входы АЦП SD16, являются дифференциальными и требуют, чтобы напряжения на выводах не превышали ±500 мВ (коэффициент усиления = 1). Чтобы удовлетворить этим требованиям, входные сигналы тока и напряжения должны быть масштабированы. Кроме того, SD16 допускают максимальное отрицательное напряжение -1 В, следовательно, сигналы переменного тока от сети могут восприниматься непосредственно, без необходимости использования устройств для сдвига уровня. В данном подразделе описывается аналоговый входной интерфейс, используемый для каналов тока и напряжения.

Входы по напряжению

Напряжение сети обычно составляет 230 В или 110 В и должно быть понижено до диапазона 500 мВ. Аналоговый входной интерфейс для сигналов напряжения содержит ва-ристоры для защиты от выбросов напряжения, после которых установлен простой делитель напряжения и RC-фильтр нижних частот, выступающий в роли противошумового фильтра.

На рисунке 4 показан аналоговый входной интерфейс для сигналов напряжения для напряжения сети 230 В. Напряжение снижается примерно до 350 мВ действующего значения, что соответствует 495 мВ пикового значения, и подаётся на положительный аналоговый вход, имея величину, лежащую в допустимых для MSP430 SD16 пределах. Напряжение нуля может быть подключено к отрицательному входу SD16. Кроме того, SD16 имеет встроенный источник опорного напряжения 1,2 В, которое может быть использовано внешними устройствами, а также, в случае необходимости, в качестве напряжения сдвига нуля.

Важно учитывать, что антишумовые резисторы положительной и отрицательной ветвей имеют различные номиналы, поскольку входной импеданс по положительной ветви значительно выше, и поэтому в фильтре используется резистор меньшего номинала. Если не соблюдать этого условия, может возникнуть сравнительно большой фазовый сдвиг, достигающий нескольких градусов.

Входы по току

Аналоговый входной интерфейс для сигналов тока несколько отличается от аналогового входного интерфейса для сигналов напряжения. На рисунке 5 показан аналоговый входной интерфейс, используемый для канала тока I1 после используемого трансформатора тока.

Резистор R27 является балластным и выбирается исходя из используемого диапазона токов и коэффициента трансформации CT. Номинал балластного резистора в данной конструкции составляет около 5,1 Ом. Противошумовой фильтр содержит R26, R28, C20 и C22, включённые после балластного резистора. Входной сигнал преобразователя является полностью дифференциальным с максимальным размахом по напряжению ±500 мВ в случае коэффициента усиления преобразователя, равного 1. Как и в каналах измерения напряжения, в качестве точки начала отсчёта выбирается или аналоговая земля (AGND), или внутреннее опорное напряжение (VREF).

Реализация программного обеспечения

В данном разделе рассматривается программное обеспечение для реализации 3-фазного счётчика. Сначала обсуждается настройка различных периферийных устройств микроконтроллера MSP430, затем описывается измерительное программное обеспечение, включающее в себя два основных процесса - приоритетный и фоновый.

Настройка периферийных устройств

К основным периферийным устройствам относятся 16-разрядный дельта-сигма АЦП (SD16), система синхронизации, ЖК-индикатор, базовый таймер (BT) и сторожевой таймер (WDT).

Настройка SD16

Как уже упоминалось, микроконтроллеры MSP430F471xx имеют до семи независимых дельта-сигма преобразователей. В трёхфазной системе для независимого измерения трёх напряжений и трёх токов необходимы как минимум шесть SD16. Программа, описываемая здесь, реализует измерения в трёхфазной системе и обеспечивает некоторые меры, затрудняющие несанкционированный доступ. Для этого, следовательно, конфигурируются все семь SD16. Измерения мощности или потребляемой электроэнергии опираются на произведения мгновенных значений напряжений и токов. Для обеспечения достоверности этих произведений не должно быть временных задержек при снятии отсчётов. Узел MSP430 SD16 предлагает несколько функций, обеспечивающих простое и точное снятие отсчётов напряжения и тока по всем шести каналам. Функция group группирует SD16 таким образом, что обеспечивается одновременное снятие отсчётов по одному сигналу запуска. Более подробно это обсуждается при рассмотрении фонового процесса. Тактовая частота для SD16 (fM) обеспечивается системой ФАПЧ, работающей с внешним кварцевым резонатором на частоте 32,768 кГц (ACLK). Частота дискретизации определяется как fS = fM/ OSR, OSR выбрано равным 256 и частота модуляции, fM, выбрана равной 1,048576 МГц, что даёт частоту дискретизации в 4,096 тыс. выборок в секунду. SD16 сконфигурированы для генерации регулярных прерываний в каждый момент выборки. Назначение каналов SD16:

  • A0.0+ и A0.0- — Напряжение V1
  • A1.0+ и A1.0- — Напряжение V2
  • A2.0+ и A2.0- — Напряжение V3
  • A3.0+ и A3.0- — Ток I1
  • A4.0+ и A4.0- — Ток I2
  • A5.0+ и A5.0- — Ток I3

Дополнительный сигнал нейтрали может обрабатываться с помощью канала A6.0+ и A6.0-.

Система синхронизации

MSP430 функционирует от внешнего низкочастотного кварцевого резонатора (ACLK) на частоту 32,768 кГц, с которым работает размещённая на кристалле система ФАПЧ. Система ФАПЧ обеспечивает тактовый сигнал ЦПУ (MCLK) и SMCLK, которые конфигурируются как частоты, кратные ACLK. Для описываемого устройства обеспечиваются частоты 12 и 16 МГц.

Базовый таймер (BT)

BT конфигурируется таким образом, чтобы обеспечивать точные 1-се-кундные прерывания, необходимые для работы часов реального времени (RTC). Сигналом синхронизации для BT служит ACLK, задаваемый внешним кварцевым резонатором на частоте 32,768 кГц.

Контроллер ЖКД

Контроллер ЖКД на F47197 может поддерживать режим мультиплек-са, равный 2, 3 или 4, и индикаторы с числом сегментов до 160. Он также снабжён встроенным умножителем напряжения с накачкой заряда, который можно использовать для улучшения контрастности. В описываемом устройстве контроллер ЖКД сконфигурирован для работы в режиме с мультиплексом 4 и с использованием всех 160 сегментов. Частота регенерации равна ACLK/128, что составляет 256 Гц.

Устройство контроля напряжения питания (SVS)

Модуль SVS является основным устройством MSP430, которое обеспечивает контроль напряжения питания. На рисунке 6 показана зависимость частоты ЦПУ от напряжения, требуемого для надёжной работы устройств F471xx. Встроенный аппаратный SVS включается для гарантии того, что микроконтроллер постоянно находится в жёстко определённом состоянии.

ЦПУ F47197 CPU может работать с частотами до 16 МГц и эта максимальная скорость может быть достигнута только при напряжении питания (Vcc) > 3,3 В. Для обеспечения надёжной работы ЦПУ на выбранной частоте минимальное значение Vcc должно быть определено по рисунку 6. Модуль SVS может быть сконфигурирован для выполнения такого контроля и это должно быть первым шагом при программировании перед изменением параметров ФАПЧ для работы на более высокой частоте. SVS может постоянно контролировать Vcc и может генерировать сигнал системного сброса в случае снижения напряжения ниже минимального уровня, необходимого для заданной скорости работы. Кроме того, Vcc для MSP430, получаемое из сетевого напряжения, может быть также подключено ко входу компаратора. Этот сигнал может предупредить систему о необходимости перехода в режим сверхнизкого энергопотребления в случае пропадания сетевого напряжения.

Приоритетный процесс

Приоритетный процесс предусматривает исходную настройку аппаратной и программной частей MSP430 непосредственно после сброса устройства. На рисунке 7 показана блок-схема алгоритма этого процесса.

Подпрограммы инициализации включают настройку аналого-цифрового преобразователя (SD16), системы синхронизации, контроллера ЖКД, выводов порта ввода-вывода общего назначения, таймера и универсального последовательного коммуникационного интерфейса (USCI) для работы в режиме UART. Выполняется проверка наличия сетевого питания, и в случае его отсутствия устройство переходит в режим LPM0. При штатной работе фоновый процесс с помощью флагов состояния каждый раз уведомляет приоритетный процесс о наличии кадра данных для обработки. Этот кадр состоит из информации о накопленных за 1 секунду отсчётах. Это эквивалентно накоплению 50 или 60 циклов измерений, синхронизированных с входным сигналом напряжения. Кроме того, в счётчике отсчётов сохраняется информация о числе отсчётов, накопленных за период кадра. Это число может изменяться в зависимости от частоты сетевого напряжения. Набор отсчётов состоит из обработанных тока, напряжения, активной и реактивной мощности. Все значения накапливаются в отдельном 48-разрядном регистре для дальнейшей обработки и получения действующих и средних значений.

Формулы

В этом разделе кратко описываются выражения, используемые для расчёта напряжения, тока и количества электроэнергии.

Напряжение и ток

Как уже обсуждалось в предыдущих разделах, одновременные отсчёты напряжения и тока получаются от шести независимых преобразователей SD16 с частотой выборки 4096 Гц. Набор отсчётов за 1 с — кадр — сохраняется и используется для получения действующих значений напряжений и токов по каждой фазе.

где ph - фаза, принимающая значения 1, 2 или 3; vph(n) — отсчёт напряжения в момент отсчёта 'n'; iph(n) — отсчёт тока в момент отсчёта 'n'; Счётчик отсчётов - число отсчётов за 1 с; Kv — масштабный коэффициент для напряжения; Ki — масштабный коэффициент для тока.

Мощность и энергия

Мощность и энергия рассчитываются для значений отсчётов активной и реактивной мощности в кадре. Эти отсчёты корректируются по фазе и передаются в приоритетный процесс, использующий число отсчётов и приведённые ниже формулы для расчёта суммарной активной и реактивной мощностей.

где v90ph(n) — отсчёт напряжения в момент отсчёта 'n' со сдвигом на 90°; Kp(ph) — масштабный коэффициент для мощности.

Затем, исходя из значений активной мощности для каждого кадра, рассчитывается потреблённая энергия, аналогично расчёту импульсной энергии в фоновом процессе, за исключением того, что EAct Total = PAct Total×Sample count.

Для реактивной мощности используется метод с 90-градусным фазовым сдвигом, что делается по двум причинам:

  1. Это позволяет точно измерить реактивную мощность при токах вплоть до очень малых.
  2. Это соответствует международно принятому способу измерения.

Поскольку частота сети изменяется, важно сначала точно измерить эту частоту и затем соответствующим образом сдвинуть по фазе отсчёты напряжения.

Фазовый сдвиг состоит из целой и дробной частей, целая часть реализуется путём обеспечения задержки на N отсчётов. Дробная часть реализуется с помощью фильтра дробной задержки (смотрите раздел «Компенсация фазы»).

Индикация

Из приоритетного процесса вызывается дополнительная подпрограмма индикации. Она с 2-секундной задержкой обеспечивает отображение значений Vrms, Irms, мощности, частоты, коэффициента мощности, температуры, часов реального времени и т. п.

Фоновый процесс

Фоновый процесс использует прерывания от sD16 в качестве сигнала для запуска процесса накопления отсчётов напряжения и тока по каждой фазе (всего шесть значений). Далее эти отсчёты обрабатываются и накапливаются в предназначенных для этого 48-разрядных регистрах. Функции фонового процесса работают в основном с критическими по времени событиями. Как только накапливается достаточное количество отсчётов (за 1 с), запускаются функции фонового процесса для расчёта конечных значений Vrms, Irms, мощности и электроэнергии. Фоновый процесс также полностью ответственен за импульсы, пропорциональные потреблённой электроэнергии, расчёт частоты и коэффициента мощности по каждой фазе. На рисунке 8 показан алгоритм фонового процесса.

В последующих разделах обсуждаются различные элементы электрических измерений, выполняемых в фоновом процессе.

Прерывания сигма-дельта преобразователя

Преобразователь SD16 самозапускается с частотой дискретизации 4096 выборок в секунду. Для работы в групповом режиме настраиваются семь независимых преобразователей. В течение каждого интервала дискретизации, составляющего около 250 мкс, возвращаются три пары отсчётов тока (I) и напряжения (V), а также, при необходимости, отсчёт нейтрали. На рисунке 9 показан поток сигналов SD16 с функциональными блоками для одной из фаз. При этом все три фазы обрабатываются аналогично.

Сигналы напряжения и тока

Сигма-дельта преобразователь имеет полностью дифференциальный вход и поэтому, в отличие от большинства преобразователей с несимметричным входом, при предварительной обработке сигнала не требуется добавлять постоянное смещение.

Выходным сигналом сигма-дельта преобразователя является 16-разрядное целое число со знаком. Любое случайное постоянное смещение удаляется независимо для V и I путём вычитания выходного сигнала постоянного тока от следящего фильтра с большой постоянной времени из каждого отсчёта SD16. Этот следящий фильтр синхронизирован с периодами сети для обеспечения высокостабильного выходного сигнала.

Результирующие отсчёты мгновенных значений напряжения и тока используются для формирования следующей информации:

  • Накопленных квадратичных значений напряжения и тока для расчёта Vrms и Irms.
  • Накопленных отсчётов энергии для расчёта всей активной энергии.
  • Накопленных отсчётов энергии, полученных из значений тока и сдвинутых по фазе на 90° значений напряжения для расчёта реактивной энергии.

Эти накопленные значения обрабатываются приоритетным процессом.

Эти накопленные значения обрабатываются приоритетным процессом.

Трансформатор тока (CT), при использовании его в качестве датчика, совместно с пассивными компонентами входной цепи вносит дополнительный фазовый сдвиг между сигналами тока и напряжения, который требует компенсации. Преобразователь SD16 имеет встроенные аппаратные средства задержки, которые даже при группировании могут применяться к отдельным отсчётам, что может быть использовано для обеспечения требуемой компенсации фазы. Значения задержек образуются во время калибровки и загружаются в соответствующий регистр предварительной загрузки (PRELOAD) для каждого канала преобразователя. На рисунке 10 показано использование PRELOAD.

Разрешающая способность задержки зависит от входной частоты (fin), OSR и частоты дискретизации (fS).

где Delay resolutionDeg - разрешающая способность задержки.

Для описываемого устройства, при входной частоте 60 Гц, значении OsR, равном 256, и частоте дискретизации, равной 4096, разрешающая способность одного разряда регистра предварительной загрузки составляет около 0,02° при максимальном значении 5,25° (максимум 255 ступеней). Это с учётом того, что запуск отсчётов -групповой. Часто используемым методом является применение 128 шагов задержки для всех каналов с последующим увеличением или уменьшением этого базового значения. Это позволяет обеспечить сдвиг задержки в плюс или в минус по времени для компенсации опережения или отставания по фазе. В описываемом устройстве этот сдвиг практически ограничен до значений ±2,62°. При использовании CT, дающих фазовый сдвиг, превышающий этот максимум, необходимо обеспечить полное возможное значение задержки, наряду с дробной частью. Компенсация фазы может производиться и «на лету», для учёта температурного дрейфа в трансформаторах тока.

Измерение частоты и отслеживание цикла

Мгновенные значения I и V для каждой фазы накапливаются в 48-разрядных регистрах. Счётчик отслеживания циклов и счётчик выборок сохраняют число накопленных выборок. После накопления примерно односе-кундного массива выборок фоновый процесс сохраняет эти 48-разрядные регистры и уведомляет приоритетный процесс о необходимости выработки усреднённых результатов, таких как действующие значения и значения мощности. Для запуска процедуры усреднения в приоритетном процессе используются границы цикла, поскольку при этом получаются наиболее стабильные результаты.

При измерении частоты применяется линейная интерполяция между отсчётами пересечения нуля по напряжению. На рисунке 11 показаны отсчёты в районе пересечения нулевой линии и процесс линейной интерполяции.

Поскольку импульсные помехи также могут приводить к появлению погрешности, используется контроль скорости изменения для отфильтро-вывания возможных искажённых сигналов и обеспечения гарантии того, что две точки интерполируются от подлинной точки пресечения нуля. Например, если имеется два отрицательных отсчёта, импульсная помеха может сделать один из них положительным, и полученная таким образом пара из положительного и отрицательного отсчётов будет выглядеть как пересечение нуля.

Результирующие отсчёты «от цикла к циклу» пропускаются через фильтр низких частот для дополнительного сглаживания изменений. Этим обеспечивается стабильное и точное измерение частоты, устойчивое к воздействию помех.

Генерация импульсов для светодиода

В электрических счётчиках потребляемая энергия обычно измеряется в долях киловатт-часов и каждой доле соответствует импульс. Эта информация может использоваться для точной калибровки любого счётчика или для индикации процесса измерения при штатной работе. Для эффективного обслуживания обеих этих задач микроконтроллер должен генерировать точные импульсы и фиксировать их число. Основным требованием при генерации таких импульсов является относительно малое дрожание фазы. Хотя дрожание фазы и не является признаком низкой точности, осреднение такого дрожания может давать отрицательный вклад в общую точность счётчика электроэнергии.

Для генерации импульсов используется средняя мощность. Средняя мощность (рассчитывается в приоритетном процессе) накапливается при каждом прерывании sD16. Это эквивалентно преобразованию в энергию. После пересечения накопленной энергией заданного порога вырабатывается импульс. Количество энергии, превысившее этот порог, сохраняется, и новое количество энергии в следующем цикле прерывания просто добавляется сверху. Поскольку средняя мощность стремится сохранять стабильное значение, этот способ генерации импульсов энергии является очень надёжным и при этом отсутствует дрожание фазы.

Порог определяет минимальную долю электроэнергии, которая задаётся энергетической компанией и является постоянной величиной. Эта доля может, например, измеряться в киловатт-часах. В большинстве счётчиков электроэнергии эта минимальная доля электроэнергии определяется числом импульсов на киловатт-час. Например, в описываемом устройстве число импульсов на киловатт-час задано равным 1600 для активной и реактивной составляющих. Минимальная доля электроэнергии в этом случае составляет 1 кВтч/1600. В дополнение к импульсам по сумме трёх фаз вырабатываются импульсы для каждой отдельной фазы, которые индицируются светодиодами, расположенными на плате. Импульсы формируются путём переключения выводов порта, при этом контролируется ширина каждого импульса. На рисунке 12 показан алгоритм формирования импульсов.

Средняя мощность измеряется в единицах, равных 0,01 Вт, и порог в 1 кВтч определяется, как 1 кВтч порог = 1/0,01x1 кВх(число прерываний/с)х х (число секунд в одном часе) = 100000х х 4096x3600 = 0x15752A00000.

Демонстрационный пример электрического счётчика

Макетный модуль электрического счётчика (EVM), описываемый здесь, построен на микроконтроллере MSP430F47197 и обеспечивает измерение электроэнергии по трём фазам. Демонстрационная система в целом включает EVM, который легко установить в любой испытательной системе, измерительное программное обеспечение и графический интерфейс оператора для ПК, который может использоваться для просмотра результатов и выполнения калибровки. В данном разделе всё это обсуждается подробно.

Аппаратная платформа

EVM состоит из двух плат, одна из которых является платой источника питания, а вторая представляет собой измерительную плату. Платы соединяются между собой с помощью 10-контактного разъёма. Плата источника питания отделена от измерительной платы для простоты использования, а также для повышения устойчивости к электростатическому разряду и к процессам включения-выключения.

Обзор EVM

На приведённых рисунках 13-15 хорошо видно аппаратную часть EVM. На рисунке 13 представлен вид сверху на счётчик электроэнергии. Корпус помогает легко работать со счётчиком электроэнергии. В корпусе установлены две платы и расположенные на плате датчики тока, в качестве которых используются трансформаторы тока.

В верхней части EVM виден 160-сег-ментный ЖКД, на котором отображаются электроэнергия, ток, напряжение, часы реального времени и т. п. для всех трёх фаз. Для взаимодействия с ПК имеется разъём RS-232. Также предусмотрен JTAG для программирования MSP430, разъём для приёмопередатчиков Chipcon и расположенные на плате переключатели для управления отображением.

На рисунке 14 показан вид EVM спереди с соединителями, к которым необходимо подключить токовые выходы испытательной системы. Слева направо располагаются соединители для токовых каналов. К крайнему правому гнезду GND можно также подключиться сверху, вместе с напряжениями, как показано на рисунке 15.

Опции источника питания

EVM может быть сконфигурирован для работы с различными источниками питания. Источниками питания для MSP430 могут являться JTAG, сеть питания или резервная батарея.

В таблице перечислены конфигурации коннекторов JP1, JP2 и JP3 для различных вариантов источников питания MSP430. По умолчанию, если на JP1 перемычка отсутствует, MSP430 будет отключён от сетевого питания. При этом важно отметить, что при программировании через JTAG должна присутствовать перемычка на JP1 между [2-3], чтобы показать, что внешнее напряжение поступает на MSP430 и что все выходные линии JTAG USB-FET притянуты к этому уровню напряжения.

Таблица. Выбор источника питания для MSP430
Опция питания Коннектор JP1 Коннектор JP2 Коннектор JP7
JTAG Перемычка между [1-2] Перемычка отсутствует Перемычка отсутствует
Питание от сети Перемычка между [2-3] Перемычка отсутствует Перемычка отсутствует
Резервная батарея Перемычка между [2-3] Перемычка отсутствует Перемычка отсутствует

При питании от сети коннектор JP2 может также использоваться для измерения потребляемого тока путём подключения к нему амперметра. При питании через JTAG нельзя померить потребляемый ток с помощью JP2, вместо этого амперметр может быть подключён между [1-2] коннектора JP1.

Загрузка кода программы

Исходный текст программы разработан в среде IAR с использованием компилятора IAR версии 4.11. Если использовались более ранние версии IAR, файлы проекта не откроются. Если при загрузке проекта использовались версии более поздние, чем 4.11, появится подсказка для создания резервной копии и пользователь может ответить YES (да) для продолжения. Программное обеспечение для измерения электроэнергии состоит из двух частей: пакета средств разработки, содержащего библиотеку с математическими подпрограммами, и основной программы, содержащей исходный текст и файлы. Полный исходный текст программы доступен в виде zip-файла, прилагаемого к данному руководству. После распаковки архива появляются две папки, одна из которых содержит исходную программу, а вторая - графический интерфейс пользователя для калибровки.

Открытие проекта

Структура папки с исходной программой показана ниже.

Папка «emeter-ng» содержит файлы проекта для различных контроллеров семейства MSP430, и для данного устройства необходимо использовать файл проекта «emeter-47197. ewp». Папка «emeter-toolkit» содержит соответствующий файл проекта «emeter-toolkit-47197.ewp». При первом использовании рекомендуется полностью обновить оба проекта.

Открыть окно IAR, найти и загрузить проект «emeter-toolkit-47197.ewp» и выполнить полное обновление. Затем закрыть рабочую область и открыть основной проект «emeter-47197. ewp», полностью обновить и загрузить его в счётчик электроэнергии MSP430F47197. Это показано на моментальном снимке экрана (рисунок 16).

После обновления основного проекта его необходимо загрузить в EVM и использовать команду GO в меню отладчика. Необходимо выполнить соответствующую установку перемычек на коннекторе JP1; при установке перемычки между контактами [1-2] питание MSP430 будет осуществляться от программатора USB-FET, а при установке перемычки между контактами [2-3] — от внешнего источника. Внешнее питание может осуществляться от сети.

Результаты и калибровка

Если выполнены все процедуры и конфигурирование, описанные в предыдущих разделах, можно наблюдать результаты и исходя из них выполнить калибровку. Калибровка является основным фактором, определяющим эксплуатационные характеристики счётчика, и этой операции должен быть подвергнут любой счётчик. Изначально все счётчики будут обладать различной погрешностью из-за разных характеристик полупроводниковых приборов, разной точности датчиков и т. п. Чтобы исключить эти влияния, каждый счётчик подлежит калибровке. В этом разделе будут описаны несложные процедуры, позволяющие выполнить калибровку. Для точного выполнения калибровки необходимо иметь эталонный источник. Источник должен обеспечивать генерацию требуемого напряжения, тока и фазового сдвига (между напряжением и током), или коэффициента мощности. В дополнение к эталонному источнику необходим эталонный счётчик, который будет выступать в качестве «посредника» между источником и калибруемым счётчиком. В данном разделе обсуждается простой и эффективный метод калибровки 3-фазного EVM.

Графический интерфейс пользователя является частью zip-файла, загружаемого вместе с данным отчётом по применению. После распаковки в папке с именем «GUI» будут располагаться все файлы, необходимые для запуска этого приложения.

Просмотр результатов (Данный раздел подробно рассмотрен в документе [1])

После включения счётчика результаты можно легко просмотреть с помощью графического интерфейса пользователя (GUI), подключив разъём RS-232 к ПК. В папке GUI необходимо запустить исполняемый файл «calibrator.exe».

При правильном подключении пользователь должен наблюдать зелёную кнопку «Comms». При наличии проблем с каналом связи или при неправильном конфигурировании программы кнопка будет иметь красный цвет.

После щелчка по зелёной кнопке в GUI немедленно будут отображаться результаты измерений. Пример показан на рисунке 17.

Можно также просмотреть конфигурацию счётчика, щёлкнув по «Meter features» на этом экране.

Результаты также можно наблюдать в виде импульсов на счётчике. Импульсы электроэнергии для суммарной активной и суммарной реактивной составляющих доступны на JP8 (ACT) и JP9 (REACT). Кроме того, импульсы поступают на расположенные на плате устройства оптронной развязки, что может понадобиться для обеспечения совместной работы с испытательным оборудованием.

Калибровка счётчика

С помощью GUI счётчик может быть легко откалиброван для каждой фазы или для всех трёх фаз. Обычно корректировка усиления для напряжения и тока выполняется одновременно для всех трёх фаз, а корректировка усиления для активной мощности должна выполняться отдельно. После корректировки усиления производится коррекция фазы, которая должна выполняться для каждой фазы в отдельности.

Корректировка усиления

Корректировка усиления для напряжения и тока может выполняться одновременно:

  1. Подключить GUI для просмотра результатов по всем трём фазам.
  2. Щёлкнуть по кнопке Manual cal, показанной на рисунке 16.
  3. Значения, которые необходимо ввести, выражаются в %, и эти значения рассчитываются по приведённой ниже формуле. Например, для любого отдельного напряжения значение будет следующим:

  4. Отрицательные значения также могут быть введены в поля для напряжения и тока; аналогичная процедура применяется для остальных напряжений и токов. Для напряжений ввод осуществляется в поле «Voltage», а для токов - в поле «Current (low)». После ввода значений необходимо щёлкнуть по кнопке Update meter.
  5. Корректировка усиления для активной мощности выполняется иначе; наиболее точным является метод, когда испытательная система получает импульсы от счётчика. При калибровке фазы А необходимо запретить токи для фаз В и С и оставить включёнными только напряжения.
  6. Измерить погрешность с помощью эталонного счётчика, входящего в испытательную систему. Это даёт реальную погрешность счётчика для активной мощности по фазе А.
  7. Ввести «% accuracy» в поле «Active (low)». Щёлкнуть по кнопке «Update meter» для выполнения корректировки усиления для фазы А. Повторить эти операции для всех трёх фаз по отдельности, запрещая токи для остальных двух фаз.

Коррекция фазы

Коррекция фазы должна выполняться для каждой фазы в отдельности согласно приведённой ниже процедуре.

  1. Отдельно для фазы А задать напряжение и ток с фазовым сдвигом +60°.
  2. Просмотреть % погрешности в настройках испытания. Если погрешность неприемлема, начать вводить значения в поле «Phase (low)». В это поле должны вводиться только приращения/уменьшения, и предпочтительно начать с 1 или -1 для определения направления коррекции. Щёлкнуть по кнопке «Update meter».
  3. Снова измерить погрешность для того, чтобы определить, увеличилась она или уменьшилась. Если погрешность уменьшилась, продолжить добавлять приращение до тех пор, пока погрешность не приблизится к нулю.
  4. Щёлкать каждый раз по кнопке «Update meter» для получения изменений в этом поле.
  5. После этого изменить фазу на -60 градусов и проверить приемлемость погрешности. Если необходимая погрешность не достигнута, снова выполнить точную настройку значений Phase (low). В идеале погрешность должна быть симметрична и для опережения и для отставания по фазе.
  6. Повторить шаги с 1 по 4 для фаз В и С по отдельности.

После окончания калибровки счётчика можно для ознакомления просмотреть калибровочные значения. Щёлкнуть по кнопке «Meter calibration factors» для вывода показанного ниже экрана (только выборочные значения).

Результаты

На рисунке 17 представлены результаты для счётчика электроэнергии EVM.

Ключевые результаты:

  1. Погрешность менее 0,1% для единичного коэффициента мощности при комнатной температуре и динамическом диапазоне 2400:1.
  2. Погрешность менее 0,03% для единичного коэффициента мощности при комнатной температуре и динамическом диапазоне 1200:1.
  3. Суммарная погрешность 0,3% для опережения и отставания по фазе при комнатной температуре и динамическом диапазоне 2400:1
  4. Суммарная погрешность 0,2% для опережения и отставания по фазе при комнатной температуре и динамическом диапазоне 1200:1.

Литература

  1. slaa409a, "Implementation of a Three-Phase Electronic Watt-Hour Meter Using the MSP430F471xx", Реализация трёхфазного электронного счётчика электроэнергии с использованием MSP430F471xx
  2. Технические требования к счётчикам электроэнергии IEC62053.
  3. Технические требования к счётчикам электроэнергии GB/T 17883-1999.
  4. Техническое описание MSP430F471x6, F471x7.
  5. Руководство пользователя семейства MSP430x4xx SLAU056.

Задать вопрос по продукции

  


Москва

Россия, 117587, Москва,
Варшавское шоссе, д.125
(здание НИЦЭВТ,
секция 11), СКАНТИ РУС
Тел.: +7 (495) 781-49-45
          +7 (495) 781-21-72
          +7 (495) 781-20-62
Факс: +7 (495) 781-49-92

Санкт-Петербург

Россия, Санкт-Петербург,
Торфяная дорога, д.7,
БЦ "Гулливер-2", 7-й этаж, офис 715
Тел. +7 (812) 441-2524
Факс +7 (812) 441-2554

Минск

Республика Беларусь, Минск, 220099,
ул. Казинца 4, к. 514 (здание ГО "Белресурсы")
Тел/факс +375 (17) 256 0867
Тел. +375 (17) 398 2162

Киев

Украина, Киев,02160,
пр.Воссоединения, 7-А,
(офис 726)
Тел./факс: +380(44) 206 2277
(многоканальный)















ChipFind - поисковая система по электронным компонентам






© 2001-2014 ООО "Сканти Рус"      scanti.ru о компании продукция новости бюллетень TI В помощь разработчику