CYFROWY POMIAR MOCY CZYNNEJ DLA SYGNAŁÓW

Paweł WRONA – IV rok
Koło Naukowe Techniki Cyfrowej
dr inż. Wojciech Mysiński – opiekun naukowy
CYFROWY POMIAR MOCY CZYNNEJ DLA SYGNAŁÓW
ODKSZTAŁCONYCH
DIGITAL ACTIVE POWER MEASUREMENT FOR DEFORMED
SIGNALS
Keywords: active power, active energy, deformed signals
Słowa kluczowe: moc czynna, energie czynna, sygnały odkształcone
1. Wstęp.
Temat pomiarów jest bardzo popularny wśród elektrotechników i na pewno każdy w
swoim życiu spotkał się z analogowymi miernikami mocy elektrycznej. Od jakiegoś czasu
jednak coraz częściej spotykamy mierniki cyfrowe. Na początku pomiary metodami cyfrowymi
były bardzo niedokładne ale dzięki firmom takim jak Analog Devices otrzymujemy coraz
dokładniejsze wyniki pomiarów cyfrowych. Wykonanie elektronicznego urządzenia, które
miałoby zrealizować takie zadanie, było tematem mojego projektu.
Pomiar mocy nie jest rzeczą trudną jeżeli mamy do czynienia z sygnałami stałymi.
Jedyne co należy zrobić to zmierzyć wartość natężenia prądu oraz napięcia i przemnożyć je
według znanego wszystkim wzoru P = U * I. Problem zaczyna się przy sygnałach zmiennych
gdzie musimy najpierw wyliczyć wartości skuteczne napięcia i natężenia prądu, musimy znać
również współczynnik przesunięcia fazowego. Jednak nawet z pomiarami sygnałów zmiennych
nie ma zbyt wielu trudności gdy mamy do czynienia z przebiegami sinusoidalnymi. W przypadku
przebiegów odkształconych problem jest już dużo większy ponieważ moc czynna jest sumą
mocy czynnych dla każdej z harmonicznych napięcia i prądu. Właśnie taki pomiar realizuje
układ, który przedstawię w tym artykule.
2. Budowa układu.
Rysunek 1 przedstawia schemat mojego urządzenia wykonany w programie eagle. Starałem się
wyraźnie podzielić schemat na dwie części aby było go łatwiej omówić. Każda ze stron ma swoje
serce, którym jak widzimy jest układ scalony taktowany generatorem kwarcowym. Urządzenie
zaczniemy omawiać od strony prawej. W tej części układem scalonym jest 8-bitowy
mikroprocesor ATmega16. O wyborze tego procesora zadecydowały jego dobre możliwości
obliczeniowe, jest łatwo dostępny oraz jak na procesor bardzo tani. Piny po lewej stronie
procesora łączą się z lewą częścią układu. Prawa strona natomiast łączy się ze standardowym
wyświetlaczem LCD (16x2) oraz czterema przyciskami.
Rys.1 Schemat układu wykonany w programie eagle.
Przyciski dodatkowo wyposażone są w prosty układ RC służący do tłumienia drgań na
stykach przycisków. Urządzenie zasilane jest z zasilacza 9V DC. Sygnał ten trafia na układ
stabilizujący zbudowany z par kondensatorów (w parze zawsze ceramiczny i elektrolityczny)
oraz standardowego stabilizatora napięcia zwracającego napięcie 5V DC. Kondensatory
dodatkowo mogą podtrzymywać pracę układu w razie gdyby nagle wystąpił krótkotrwały zanik
napięcia. Procesor zasilany jest przez filtr przeciwzakłóceniowy LC co dodatkowo usprawnia
jego pracę. Prawa oraz lewa strona urządzenia połączone są ze sobą 6-pinowym wejściem na
programator ISP.
3. Układ ADE7759 do pomiaru mocy.
Lewa część urządzenia na rysunku 1 to układ scalony wspomnianej przeze mnie
wcześniej firmy Analog Devices. ADE7759 bo o nim mowa to praktycznie kompletny watomierz
komunikujący się z mikroprocesorem poprzez szeregowy interfejs transmisji danych SPI.
Rys. 2 Opis wyprowadzeń ADE7759
Logiczne zero na tym pinie resetuje przetworniki ADC oraz cyfrowe układy.
Wejście zasilania części cyfrowej.
Wejście zasilania części analogowej.
Pierwsze wejście kanału prądowego.
Drugie wejście kanału prądowego.
Pierwsze wejście kanału napięciowego.
Drugie wejście kanału napięciowego.
Masa analogowa.
Wejście napięcia odniesienia.
Masa cyfrowa.
Wejście służące do kalibracji częstotliwości.
Wyjście sygnalizujące przejście napięcia na kanale napięciowym przez 0.
Sygnalizacja spadku bądź zaniku napięcia.
Wyjście sygnalizujące zgłoszenie przerwania.
Wejście generatora kwarcowego.
Połączony z CLKIN w określony w dokumentacji sposób.
Chip Select, jedna z czterech linii wchodzących w skład interfejsu SPI. Logiczne 0
pozwala układowi ADE7759 dzielić magistralę SPI z innymi urządzeniami.
18. Wejście taktujące pracę interfejsu SPI.
19. Wyjście danych na mikrokontroler.
20. Wejście danych z mikrokontrolera.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
Najważniejsze rejestry układu to:
- WAVEFORM to rejestr, z którego odczytujemy wartość mocy czynnej bądź pomiary z kanały
prądowego lub napięciowego
- AENERGY to wspomniany wcześniej rejestr, z którego czytamy wartość pobieranej przez
badane urządzenie energii
- STATUS jest rejestrem zgłaszającym przerwania zgłaszane przez ADE7759, jest to 8-bitowy
rejestr, z którego musimy na bieżąco czytać zwłaszcza jeden bit, bit WSMP bo o nim mowa
zgłasza kiedy nowe dane są gotowe do odczytu w rejestrze WAVEFORM
- MODE to najważniejszy rejestr, za jego pomocą sterujemy pracą praktycznie całego układu
scalonego, najważniejszymi jego funkcjami są wybór częstotliwości próbkowania sygnału oraz
wybór rodzaju sygnału, który będziemy odczytywać z rejestru WAVEFORM
- CH1OS, CH2OS, APOS to rejestry służące do regulowania offset’u kolejne w kanale
prądowym, napięciowym oraz wartości mocy czynnej.
- APGAIN rejestr korygujący wartość mierzoną w kanale prądowym o ±50%
- PHCAL rejestr służący do korekcji przesunięcia fazowego
- IRQN jest rejestrem, dzięki któremu możemy określić, które przerwania ADE7759 może
generować
4. Pomiar i przetwarzanie danych.
Układ posiada dwa dwuwejściowe kanały, jeden prądowy i jeden napięciowy. Wejścia
kanałów prądowego oraz napięciowego nieco się różnią. Na zbliżeniu schematu widzimy, że
wejście kanału napięciowego V2N jest na poziomie masy. Wejście V2P natomiast wychodzi na
zasilanie z sieci. Układ wejściowy napięcia zabezpiecza warystor. Za warystorem znajduje się
koralik ferrytowy służący do blokowania zakłóconych sygnałów o bardzo dużej częstotliwości.
Zasilanie sieci dzielone jest przez 500 dzięki dzielnikowi napięcia znajdującego się za ferrytem.
W kanale prądowym oba wejścia V1P i V1N są połączone z siecią. Razem z kanałem
napięciowym wejścia te połączone są z zasilaniem sieci od strony kanału napięciowego i od
strony kanału prądowego wtyczką przeznaczoną na wejście dla odbiornika, którego moc chcemy
zmierzyć. Oba wejścia kanału prądowego tak jak w przypadku kanału V2N mają na wejściu
koraliki ferrytowe. Wspólną cechą wszystkich wejść obu kanałów są filtry dolno-przepustowe
RC dopasowujące częstotliwość mierzonego sygnału aby był on zgodny z częstotliwością
Nyquist’a, która dla ADE7759 wynosi częstotliwość zegara podzielona przez 8 (układ taktowany
jest kwarcem 3,579 MHz). Oba kanały posiadają programowalne wzmacniacze operacyjne. Czy
oraz ile razy będzie wzmocniony sygnał określamy korzystając z rejestru GAIN. Poniżej
przedstawiam schemat ideowy urządzenia ADE7759.
Rys. 3 Schemat ideowy układu ADE 7759
Sygnał z komparatorów trafia na identyczne w obu kanałach przetworniki analogowocyfrowe typu sigma-delta. Przetworniki ADC zwracają wynik pomiaru w postaci 20-bitowej
liczby w kodzie U2 (uzupełnienie do dwóch).
W ramach kalibracji urządzenia jest możliwość korygowania wartości pomiaru w kanale
prądowym o ±50% za pomocą rejestru APGAIN. W kanale prądowym widzimy kolejno blok
HPF1, jest to filtr górnoprzepustowy eliminujący z pomiaru składową stałą a następnie układ
całkujący. Oba te układy nie są używane w moim urządzeniu. W kanale napięciowym znajduje
się blok służący do korekcji fazy, sterowany rejestrem PHCAL. Musi on być włączony gdy
korzystamy z wyżej wymienionego bloku HPF1. Nie korzystamy z niego ponieważ pomiar prądu
odbywa się przez bocznik (wejścia V1P i V1N są przy wyjściu na sieć połączone bocznikiem o
wartości 0,01Ohm) dzięki czemu nie jest wymagana korekcja fazy. Sygnały z przetworników
trafiają na układ mnożący który zwraca 20-bitową liczbę w kodzie U2. Liczba ta jest chwilową
wartością mocy czynnej.
Rys. 4 Schemat przetwarzania zmierzonych wartości.
Jest ona uśredniana poprzez filtr dolnoprzepustowy LPF2. Tak jak w przypadku kanału
prądowego i napięciowego wartość mocy można korygować dodatkowo za pomocą regulacji
offset’u dzięki rejestrowi APOS. Następnie trafia do rejestru WAVEFORM skąd możemy ją na
bieżąco odczytywać.
Wartość mocy jest akumulowana w 40-bitowym rejestrze AENERGY dzięki czemu
możemy bardzo dokładnie mierzyć ilość zużytej energii przez nasz odbiornik.
5. Komunikacja z mikroprocesorem.
Bardzo ważną rzeczą jest aby w pisanym programie skonfigurować połączenie SPI w
opcji hardware. W innym wypadku występuje błąd jednego LSB, o który myli się program.
Komunikacja między procesorem a układem ADE7759 odbywa się za pomocą rejestru
Communication.
Rys. 5 Rejestr komunikacji.
Pierwszy bit określa czy następnie wykonywana operacja będzie odczytem czy może
zapisem do wybranego przez nas rejestru. Dwa kolejne bity powinny mieć zawsze wartość 0
natomiast bity A4-A0 to adres rejestru, na którym chcemy wykonać kolejną operację.
Rys. 6 Odczytywanie danych z ADE7759. Wszystkie procedury związane z komunikacją SPI
inicjowane są wykryciem stanu niskiego na wejściu Chip Select.
Sygnał czytany z rejestru WAVEFORM należy próbkować w momencie kiedy bit
WSMP zgłosi nadejście nowych danych gotowych do odczytu. Odczytane wartości następnie
uśrednia się programowo przez mikroprocesor i taki uśredniony wynik stanowi naszą moc
czynną. Moc pozorną obliczamy mnożąc wartości mierzone przez kanał prądowy i napięciowy.
Musimy te wartości uśrednić tak jak to było w przypadku mocy czynnej po czym należy obliczyć
wartości skuteczne prądu i napięcia. Dopiero wtedy możemy obliczyć moc pozorną. Moc bierną
liczmy pierwiastkując różnicę kwadratu mocy pozornej i kwadratu mocy czynnej. Taki sposób
obliczeń wprowadza jednak dość duży błąd dlatego moc bierna nie powinna być akumulowana.
Nie ma natomiast żadnego problemu jeśli chodzi o moc i energię czynną. Wartości te są
wyjątkowo dokładne.
6. Podsumowanie.
Praca z układem ADE7759 daje naprawdę dobre rezultaty w pomiarach mocy czynnej a
dzięki wbudowanemu interfejsowi przeznaczonego do komunikacji SPI praca z nim jest
naprawdę wygodna. Jedyne problemy może powodować jedynie dostępność układu, którego nie
udało mi się znaleźć w obudowie innej niż SMD. Program pisałem w dwóch językach: Bascom
oraz C. Dużo mniej problemów z zaprogramowaniem układu jest w języku C oraz dzięki temu,
że ma dużo mniej uniwersalne (przez co też złożone) procedury niż Bascom, daje dokładniejsze
wyniki pomiarów.
7. Płytka PCB.
Przedstawiona na rysunku 7 płytka PCB została zaprojektowana w programie Eagle oraz
ręcznie wykonana przeze mnie. Mała zielona płytka widoczna na rysunku to płytka uniwersalna z
zamontowanym układem ADE7759, który niestety w Polsce dostępny jest tylko w wersji SMD.
Rys. 7 Widok ręcznie wykonanej płytki PCB
8. Literatura.
[1] Paweł Hadam: „Projektowanie systemów mikroprocesorowych”, Wydawnictwo BTC
Warszawa 2004.
[2] Andrzej Witkowski „Mikrokontrolery AVR programowanie w języku C przykłady
zastosowań”, Wydawnictwa Jacka Skalmierskiego 2007.