|
隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、專(zhuān)用集成芯片技術(shù)和現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，對工業(yè)用電度表的計量精度和電量數據傳輸實(shí)時(shí)性的要求在不斷提高。我國目前電力機車(chē)上裝備的電度表基本上都是傳統的機械式電度表，雖然機械式電度表存在抗干擾和抗震動(dòng)性好的優(yōu)點(diǎn)，但是其精度差，電量數據需要人為讀數不能實(shí)時(shí)傳輸等弊端。為了改進(jìn)現有機車(chē)上使用的電度表，根據美國AD公司推出的電量計量專(zhuān)用芯片ADE7755，提出了一種新型的電量計量方案。根據本方案設計的電度表除具有精度高、抗干擾和電量數據能夠實(shí)時(shí)傳輸的功能外，還具有可以修改電度表初值的優(yōu)點(diǎn)。 硬件電路設計 目前廣泛使用機械式、電磁型和機電型等電度表普遍存在一個(gè)不能實(shí)時(shí)傳輸電量數據的缺陷，且各自又有或精度差或抗干擾能力差等弱點(diǎn)。作者結合當前普遍流行的現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和AD公司的ADE7755電量計量專(zhuān)用芯片以及飛利普公司的P87C591單片機，提出了一種能實(shí)現數據實(shí)時(shí)傳輸且具有抗干擾能力的電量計量方案�？傮w電路框圖如圖1所示： 圖1 總體電路框圖 圖 1中，由PT和CT在電網(wǎng)中測得相應的電壓和電流信號，送到ADE7755中進(jìn)行電量計算，算出來(lái)的功率值分兩種，一種是低頻的平均功率值，送往機電式電度表用于顯示；另一種是高頻瞬時(shí)功率值，送入帶CAN總線(xiàn)控制器的P87C591單片機，根據上位機的要求算出目前使用的電量值，并通過(guò)CAN總線(xiàn)，與上位機之間實(shí)現通信。 其中電壓輸入通道(V2N，V2P)輸入電壓信號是PT測得的電壓信號在經(jīng)過(guò)預防電磁干擾作用的鐵氧體和衰減網(wǎng)絡(luò )后進(jìn)入的。 在電流和電壓信號的輸入端，進(jìn)行了相應的濾波處理，以增強抗干擾能力。 ADE7755工作原理 若電壓U(t)和電流I(t)均為正弦波，且： 則瞬時(shí)功率P(t)為 平均功率P為： ADE7755 是一種采用電壓和電流直接相乘的方法得到瞬時(shí)有功功率，再由瞬時(shí)有功功率求出平均有功功率。如圖2所示，由電壓傳感器和電流傳感器得到電壓和電流信號分別經(jīng)兩路A/D轉換器轉換成數字信號送入電壓通道V2N、V2P和電流通道V1N、V1P。電流通道中的高通濾波器是用來(lái)濾除電流分量中的直流電流，以便減小電流直流分量對瞬時(shí)有功功率計算的影響。經(jīng)濾波后的電壓和電流信號經(jīng)乘法器相乘后，所得的信號經(jīng)低通濾波器后濾掉交流分量后，得到的直流分量就是瞬時(shí)有功功率。此信號經(jīng)過(guò)數頻轉換器轉換成與平均有功功率成正比的低頻信號經(jīng)過(guò)F1、F2端口輸出，同時(shí)從高頻口CF輸出與瞬時(shí)有功功率成正比的脈沖信號。低頻端口F1和F2的輸出脈沖頻率freq與高頻端口CF輸出脈沖頻率fCF可由下式確定： 其中系數Gin為輸入增益，F 1-4為可由主時(shí)鐘CLKIN獲得的分頻，Uref為基準電壓，K為比例系數。 ADE7755的外圍電路中，通過(guò)輸出頻率設置電路實(shí)現對CF口輸出頻率的設置，即電表常數的設置。本電表的電表常數設定為3200imp/kwh，即計錄一千瓦的功率，要求ADE7755在CF口輸出3200個(gè)脈沖。 圖2 ADE7755的內部框圖 ADE7755是一種高精度的電量計量芯片，在工頻情況下，在500：1的動(dòng)態(tài)范圍內，精度達到0.1%。技術(shù)指標超過(guò)了IEC1036標準的要求。 唯一的模擬電路是模數轉換電路，其他電路都是采用數字電路，這保證了該芯片具有足夠的抗干擾的能力。通過(guò)F1和F2實(shí)時(shí)輸出功率信息，能直接驅動(dòng)電度表計數器或直接和單片機連接。 電源電路的設計 ADE7755所用的+2.5V基準電壓是用AD780實(shí)現的，其接口電路簡(jiǎn)單。5V的基準電源電路如圖3所示： 圖3 5V基準電源電路 經(jīng)過(guò)此電路可以在電源模塊MC7805的3端得到+5V的基準電源。其中R25為壓敏變阻器。 P87C591外圍電路和CAN總線(xiàn)部分設計 通過(guò)P87C591電路可以實(shí)現指定時(shí)間內用電量的計算、數據存儲、修改電度表數值和通過(guò)圖4所示的CAN總線(xiàn)收發(fā)電路實(shí)現與上位機的通信。 有關(guān)P87C591外圍電路設計，可以參見(jiàn)其他單片機的外圍電路設計，這里不再贅述。 圖4 CAN總線(xiàn)收發(fā)電路 連接P87C591和單片機之間的芯片是P82C250。圖4這部分電路的原理可以參考有關(guān)CAN總線(xiàn)設計方面的資料，這里也不再闡述。 軟件部分設計 本方案的軟件部分主要由主程序和中斷服務(wù)子程序組成。其中主程序完成的功能有芯片和CAN總線(xiàn)的初始化、進(jìn)行電量的計算和存儲。 中斷服務(wù)子程序完成的功能是利用CAN總線(xiàn)實(shí)現和主機之間的通信和電表初值的設定。其中電表初值設置由上位機完成，這樣可以節省單片機的外圍電路并且可以防止現場(chǎng)人為惡意的更改電量值。其中CAN總線(xiàn)的初始化程序如下： voidinit_can_controller() { //進(jìn)入CAN控制器復位模式 CANMOD=0x01； //將CAN控制器設置為復位模式以啟動(dòng)初始化 //TXDCPort(P1.1)配置 //管腳TXDC設置為推挽模式 P1M2=P1M2|0x02；//P1M2.1=’1’，P1M1.1=’0’(默認) CANADR=BTR0； //BTR0和BTR1編程為125kbit/s@12MHz CANDAT=0x45； CANADR=BTR1；//TSEG1=12，TSEG2=3，SJW=2 CANDAT=0x2B；//Sample=1-＞sample point～81% //驗收濾波器的配置-- Bank1的濾波器1配置為接收ID=010.0000.0xxx CANADR=ACR10；//將地址設置到驗收代碼寄存器0(Bank1) CANDAT=0x50；//驗收代碼0用于濾波 CANDAT=0xE0； CANADR=AMR10；//將地址設置到驗收屏蔽寄存器0(Bank1) CANDAT=0x00；//bank1：驗收屏蔽0 CANDAT=0x0F；//bank1：驗收屏蔽1只與高四位有關(guān) CANDAT=0xFF；//bank1：驗收屏蔽2無(wú)關(guān) CANDAT=0xFF；//bank1：驗收屏蔽3無(wú)關(guān) CANADR=ACFMOD；//將地址設置到ACF模式寄存器 CANDAT=0x55；//單驗收濾波器使用11位ID(SFF) CANADR=ACFPRIO；//將地址設置到ACF優(yōu)先級寄存器 CANDAT=0xFF；//所有濾波器都為高優(yōu)先級 結束語(yǔ) 綜上所述，由于A(yíng)DE7755是專(zhuān)用電量計量芯片，且具有抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，而P87C591及其外圍電路也是當前成熟的技術(shù)，其可靠性和抗干擾性都得到了實(shí)際驗證，所以本方案簡(jiǎn)單易行。 本方案雖是針對改進(jìn)電力機車(chē)電度表而設計的。但由于電力機車(chē)工作于諧波污染嚴重工況，所以可以根據本方案針對實(shí)際情況作相應改動(dòng)以適用于不同的工業(yè)場(chǎng)合。 |
