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 1. Logiczne zero na tym pinie resetuje przetworniki ADC oraz cyfrowe układy. 2. Wejście zasilania części cyfrowej. 3. Wejście zasilania części analogowej. 4. Pierwsze wejście kanału prądowego. 5. Drugie wejście kanału prądowego. 6. Pierwsze wejście kanału napięciowego. 7. Drugie wejście kanału napięciowego. 8. Masa analogowa. 9. Wejście napięcia odniesienia. 10. Masa cyfrowa. 11. Wejście służące do kalibracji częstotliwości. 12. Wyjście sygnalizujące przejście napięcia na kanale napięciowym przez 0. 13. Sygnalizacja spadku bądź zaniku napięcia. 14. Wyjście sygnalizujące zgłoszenie przerwania. 15. Wejście generatora kwarcowego. 16. Połączony z CLKIN w określony w dokumentacji sposób. 17. 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. 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.