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基于C2000内置12位ADC的电能计量计划

电能公式

  

基于C2000内置12位ADC的电能计量计划

  C2000芯片专注于电机电源控制,其优秀的性能已被业界普遍认可。本次设计是基于C2000 Piccolo系列芯片搭建的软件测试平台,实现一套满足智能家居能耗计量的软件库,使用最小的硬件代价实现对C2000应用领域的丰富。

  节能环保的倡导和推行使大部分家用电器都有对能耗统计的需求,对于这个巨大的应用市场,将C2000芯片在家电电机电源上的应用优势在最小硬件成本添加代价下兼容拓展能耗统计功能是本次设计的目的。

  EH和EL为大电流和小电流时功率的误差。(如100%Ib和5%Ib两点功率的误差)NH2L为大电流和小电流的比差。(如NH2L=100%Ib/5%Ib=20)

  本次参考设计硬件平台使用C2000 Piccolo Entry Line Control Pad,这是TI提供的一套低成本C2000开发板,基于此平台搭建的电路进行计量库开发可以使用户在逐步学C2000开发编程的同时实现一套能耗计量软件。

  考虑到代码将来的改动或扩展,地址不具体定义。使用枚举变量让编译器自动生成。用户可以include的这个变量定义,使用枚举地址设置和获取数据。

  校表软件目前只支持Voltage Gain有效电压增益、Current Gain有效电流增益、Power Gain有功功率增益、Phase Offset相位偏置单点校正。默认电压校正点为:220V有效电压,电流校正点为:1A有小电流,有功功率校正点为:220W;相位偏置校正点为:220V、1A、0.5L。

  无功的增益和偏置类似于有功,可参考有功校准。以下是一个单点校表的例子,说明如何编写校表软件:

  功率增益校准可以进行单点和两点校准。当单点校准时,功率偏置默认为0。当两点校准时,功率偏置为功率相对0点的截距。校表可以通过脉冲也可以通过多次读取功率值求平均进行。两点校表公式如下:(最好取100%Ib 和5%Ib两点)

  通讯数据模块实时显示串口收发的数据。设置过程中如果出现“Time out!”提示,表示连接超时,应当检查通讯线路连接,然后重新发送命令。校正数据设置成功后,通讯数据模块提示“Set successful!”。通过按键Clear Logs,可以清空通讯数据窗口历史数据。

  fM是电网频率。如果fM=50Hz,fm=256×4096=1MHz,每个步长是0.017,当功率增益和偏置都校准完毕后,才对角差进行校准。步骤如下:

  7,校正完毕后,点击Save保存数据,电表将最后的校正数据保存至MCU FLASH中。

  本方案在C2000F280270 Control Pad上进行搭建了测试平台,并在标准的电能表测试设备上进行了精度测试。图5为实际测试的样机:

  图4的校表软件界面分为5个模块:1,串口连接模块;2,实时数据模块;3,校正数据设置模块;4,校正数据读出模块;5、通讯数据模块。

  此参考设计实现一个单相电能计量方案。参考设计的目的旨在实现一个完整的单相计量库。使用户在这个参考设计的基础上快速建立自己的单相计量方案。代码库提供有功功率,无功功率,视在功率,有功能量以及无功能量,同时还能测量回路电流有效值,电压有效值,功率因数,频率等参数,满足单相电能计量的需求,软件支持数字校表。

  本计量库提供了专门的接口对计量参数进行校准。校表软件在pc端运行,通过串口通讯,进行参数设置。具体操作可参考示例代码。

  5,使用校表仪器输入有效电压,1A有效电流,功率因素0.5的信号,送至电表电压、电流输入端;

  实时数据模块将电表实时测量的数据通过串口读出在校表软件中显示,实时显示数据包括:Voltage(V)有效电压值(单位:伏特),Current(A)有效电流(单位:安培),Active Power(W)有功功率(单位:瓦特),Reactive Power(Var)无功功率(单位:乏),Apparent Power(VA)视在功率(单位:伏安),Power Factor 功率因素Frequency(Hz)频率(单位:赫兹)。点击Read按钮,可以显示电表实时测量的数据。

  1,使用校表仪器输出220V有效电压,1A有效电流,功率因素1.0的信号,送至电表电压、电流输入端;

  介绍:可以在ADC每个中断中调用adc_interrupt(adc_raw[2]),也可以缓存多个点然后再循环调用此函数,

  6,在Phase Offset中输入offset值,一个单位对应0.02,输入一个数值,然后通过实时数据窗口读出新的功率因素,反复校正,直至读出功率因素接近0.5即可;

  调用计量库时,只需要将emeter目录下的所有文件都添加进来,就能够使用计量功能了。其中文件emeter-interface.h中声明了所有对外调用接口,供程序调用,以实现校表和计量数据读取等功能。算法库默认配置ADC转换率为3200点/秒,转换数据为12bit,数据范围04096,实现单相计量。函数adc_interrupt()实现对原始转换数据的运算,measurement_callback()负责进一步处理adc_interrupt()中预处理的数据。因此可以在ADC每个中断中调用adc_interrupt(adc_raw[2]),也可以缓存多个点然后再循环调用此函数,函数入参adc_raw为信号输入,adc_raw[0]为电压转换数据,adc_raw[1]为电流转换数据。adc_interrupt(),measurement_callback()实现流程如图1所示:

  ,广泛应用于诸如马达驱动,数字电源等各种和功率控制相关的实时控制领域,而电能和功率的计算在以上应用中往往作为反馈控制的输入信号存在。因此,将软件平台上是实现各种实时控制SOC方案的关键。本文介绍了在C2000上实现软件计量算法的具体方法以及TI基于C2000的软件计量库的使用方法,同时给出了测试结果。

  计量前端电路由电压信号调理电路和电流信号调理电路组成。电压信号调理电路使用电阻器对输入工频信号分压,并经过运算放大器缓冲后送至MCU ADC输入引脚。电流互感器输出电流信号通过负载电阻转换成电压信号,经过运算放大器放大后送至MCU ADC输入引脚。推荐电路如图2所示:

  市电220V交流输入,经10k和15k并联再串联2M电阻分压,输入交流电压为220V*(6/(2000+6))=0.66V,直流电压3.3*10/25=1.32V。总的输入电压幅值0.66*1.414+1.32=2.25V,输入信号3.3V以内。电流互感器输入5A/2.5mA(根据互感器具体型号定),取样电阻电压2.5*10=25mV,经运放20倍放大(具体放大倍数调整R9,R10),输入交流信号25*20=0.5V,总的输入电流幅值(10A)1*1.414+1.6=3.014V,输入信号3.3V以内。当使用锰铜电阻获得电流信号时,电流信号调理电路形式如下:

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