Článok v krátkosti popisuje návrh softvérovej a hardvérovej časti trojfázového wattmetra, jeho realizáciu a dosiahnuté praktické výsledky. Tento projekt byl zpracován k příležitosti konání "Freescale Technology Days" v Žilině, o kterém jsme vás informovali v článku o řízení pohonu akumulátorové vrtačky. Projekt kompletně zpracoval Martin Pieťka, student katedry výkonnových elektrotechnických systémů při Žilinské Universitě v Žilině.

Úvod

Merací prístroj je neodmysliteľnou súčasťou vybavenia každého elektrického laboratória, ale aj každého, kto sa elektrotechnikou v akejkoľvek miere zaberá. Konkrétne tento návrh vznikol z požiadavky Katedry výkonových elektrotechnických systémov. Prináša široké možnosti ako skvalitniť a zefektívniť merania v laboratóriu.

Vlastnosti wattmetra

Merané veličiny

Wattmeter meria nasledovné trojfázové veličiny:

• Napätie, prúd – stredná, stredná usmernená, efektívna, maximálna a minimálna hodnota, presnosť merania
• Výkon – činný, jalový, zdanlivý, deformačný
• Činiteľ výkonu, frekvencia
• Presnosť merania 1%

Harmonická analýza

Wattmeter vykonáva harmonickú analýzu napätia a prúdu po 50-tu harmonickú, pre každú fázu sa určuje maximálna a efektívna hodnota a fázový posun.

Rozsahy

4 rozsahy pre napätie a 4 pre prúd, rozsah výkonu je daný rozsahom napätia a prúdu. Maximálne rozsahy sú:

• Napätie – 1000 V
• prúd – 70 A
• výkon – 70 kW
• frekvencia – 300 Hz

Ovládanie a zobrazenie nameraných veličín

Prístroj sa ovláda pomocou klávesnice 2x8 kláves, na podsvietenom LCD displeji 4x40 znakov sa zobrazuje 16 nameraných veličín.

Pripojenie k PC

Wattmeter sa pripája k PC cez USB rozhranie ktoré je galvanicky oddelené. Na komunikáciu slúži program Free Master od firmy FreeScale. Ten umožňuje graficky zobrazovať merané veličiny, ukladať ich na disk atď.

Praktická realizácia

Hardvér

Pri návrhu hardvéru som vychádzal z toho, že wattmeter bude používaný v školskom laboratóriu a z toho som si stanovil priority pri návrhu:

• robustnosť, “nezničiteľnosť” preťažením
• cena
• univerzálnosť, jednoduché ovládanie

Robustnosť prístroja je zabezpečená použitím snímačov pracujúcich na princípe hallovho javu. Wattmeter je teda veľmi odolný voči krátkodobým preťaženiam a poškodiť by ho mohlo dlhodobé preťaženie, čo však v školskom laboratóriu hrozí oveľa menej. Celkové náklady na materiál sú 17 tis. Sk, čo je asi 1/10 z ceny profesionálneho prístroja podobných parametrov. Na následujícím obrázku je znázorněné blokové schéma hardvérovej časti.

Tvoria ju nasledovné funkčné celky:

• Snímače – použité sú snímače LEM, pre prúd LA55-P, pre napätie LV-25-600
• Analógová časť – prevádza prúdový výstup zo snímačov na napätie (0 až 3,3 V) pre A/D prevodník (integrovaný v DSP procesore), umožňuje meniť rozsahy pre meranie prepínaním rezistorov v spätnej väzbe OZ. Prepínanie zabezpečuje analógový multiplexor 4052, ktorý je riadený DSP procesorom. Presnosť rezistorov a ostatných komponentov nie je kritická, pretože kalibráciou  sa všetky odchýlky odstránia.
• DSP časť – obsahuje riadiaci 16-bitový DSP procesor Freescale DSP56F805 s výkonom 40 MIPS a integrovaným 2x4 kanálovým 12-bitovým A/D prevodníkom. K procesoru je pripojená externá 256kB SRAM pamäť, do ktorej sa ukladajú namerané hodnoty.
• Panel – tvorí LCD displej a klávesnica. Oba prvky sú obsluhované 8-bitovým RICS procesorom Atmel Atmega16. Komunikácia medzi DSP procesorom a panelom prebieha cez sériovú linku.
• Optické oddelenie USB rozhrania – je tvorené dvoma digitálnymi optočlenmi SFH934, prevod USB - seriová linka zabezpečuje obvod FT232RL, ktorý je napájaný z USB zbernice

Softvér

Program pre DSP procesor a aj pre AVRko je napísaný v jazyku C, pre DSP som bol použitý prekladač CodeWarrior, pre AVR CodeVisionAVR a AVR Studio pre programovanie a ladenie. Principiálna bloková schéma softvéru v DSP procesore je na následujícím obrázku.

Signály vystupujúce z analógovej časti sú vzorkované A/D prevodníkom s frekvenciou vzorkovania 10 kHz. Tieto hodnoty sa následne filtrujú dolnopriepustným filtrom, ktorého konštanty je možné meniť vo FreeMastri a násobia kalibračnou konštantou.

Na meranie frekvencie je využívané prerušenie Limit Error A/D prevodníka. Toto je vyvolané ak je výsledok  prevodu väčší, alebo menší ako hodnota nastavená v registroch HLR (high limit register) a LLR (low limit register). Pomocou tohto prerušenia je vytvorený schmitov preklápací obvod s nastaviteľnou hysterézou. Frekvencia na výstupe tohto preklápacieho obvodu bude zodpovedať frekvencii meraného signálu. Výhodou takéhoto merania frekvencie je, že je odolné voči rušeniu (šumu na vstupe ADC), umožňuje jednoducho meniť hranice hysterézneho pásma a voliť zdroj signálu.

V bloku výpočtov sa počítajú všetky veličiny z ich definícií integrovaním obdĺžnikovou metódou. Krok integrácie je rovný násobku frekvencie meraného signálu a  počtu vzoriek za periódu. Čím viac vzoriek za periódu zvolíme, tým bude integrácia presnejšia, ale náročnejšia na výpočtový výkon procesora. Zvolená hodnota 128 vzoriek za periódu sa javí byť dostatočná.

Harmonická analýza sa počíta v hlavnej slučke programu Rungeho metódou (podobná ako DFT). Počíta sa vždy iba jedna harmonická. Pre tento prípad je Rungeho metóda výhodnejšia ako FFT.

Ak nameraná hodnota napätia alebo prúdu presiahne maximálnu hodnotu pre daný rozsah, tak rozsah sa zväčší, naopak ak hodnota klesne pod určitú hranicu, rozsah sa prepne na menší. Rozsahy je možné vybrať aj manuálne, vtedy sa kontrola neuskutočňuje a ak bude reálna hodnota prekračovať daný rozsah, tak hodnota na A/D prevodníku zostane zasaturovaná na jeho maximálnej hodnote (3,3 V) a meranie bude chybné. Z tohto dôvodu je treba byť pri meraní pozorný a nepozabudnúť prepnúť rozsah ak treba.

Komunikácia s panelom prebieha rýchlosťou 57600 Bd/s. Dáta su posielané po jednotlivých balíčkoch. Každý obsahuje identifikačný bajt, samotné dáta a kontrolný súčet. Komunikáciu s PC zabezpečuje ako na strane DSP tak aj v PC FreeMaster.

Mechanická konštrukcia

Wattmeter je umiestnený v skrinke zloženej z kazety Bopla IZP 36380 (rám a bočné steny), vrchného a spodného krycieho plechu a predného a zadného panelu. Dosky plošných spojov sú izolovane uchytené na kovovom plate, ktoré je umiestnené na ráme kazety.

Na zadnej strane predného panela je umiestnený LCD displej a doska plošného spoja klávesnice. V paneli sú vyrezané otvory pre displej a tlačidlá, ktoré vyčnievajú  0,5 mm nad rovinu panela. Prednú stranu panela prekrýva fólia na ktorej sú zobrazené tlačidlá a ich popisky. Skutočné vyhotovenie zobrazuje následující obrázok. Takýmto spôsobom je vytvorená náhrada fóliovej klávesnice, ktorej výroba by bola finančné náročná, keďže ide o prototyp zariadenia a nepočíta sa so sériovou výrobou.

Na zadnom paneli je umiestnený konektor pre pripojenie napájania, vypínač, konektor pre pripojenie USB rozhrania a meracie svorky. Vyhotovenie zobrazuje následující obrázok. Meracie svorky sú zdvojené, na vnútornej strane prepojené medeným pásikom s prierezom 10 mm2.

Ochrana pred nebezpečným dotykom neživých častí je zabezpečená zemnením zadného panelu a  plata.

Overenie presnosti

Chybu merania wattmetra bola určená na základe porovnávacieho merania. Ako referenčný merací prístroj bol použitý wattmeter Infratek 305A a pri harmonickej bol použitý sieťový analyzátor DEWETRON PNA-560. Najväčšia chyba bola pri meraní jalového výkonu a stredných hodnôt. Percentuálna chyba z aktuálneho rozsahu neprekročila hranicu 1 %. Prístroj je teda možné zaradiť do triedy presnosti 1. Ak uvážime, že samotné snímače majú presnosť 1 %, tak je takáto presnosť úspechom, a je dosiahnutá korekciami v DSP procesore.

Záver

Článok popisuje trojfázový wattmeter – jeho vlastnosti , hardvér, softvér a konštrukciu. Na vytvorenom prototype boli vykonané merania na overenie presnosti. Aj napriek tomu, že wattmeter ponúka veľa možností, zostáva veľký priestor na vylepšenie vlastností wattmetra ako po hardvérovej tak aj po softvérovej stránke, najmä zdokonalenie metód výpočtu jalového a deformačného výkonu, úprava hardvéru s dôrazom na vyššiu presnosť a vytvorenie osobitného softvéru pre PC.
 

Použitá literatúra

• Oficiální stránky Freescale: http://www.freescale.com
• Kompletní diplomová práce, Martin Pieťka (542kB, pdf)
• Zdrojové kódy pro AVR a DSC (541kB, zip)
• Schémata a návrhy desky v Eaglu (406kB, zip)
• Katalógové listy jednotlivých obvodov
• Manuál k demo doske 56F805
• Manuál wattmetra Infratek 305A
• A-radio B1996/3
• Prof. Ing. Miloslav Neveselý, DrSc.:Analýza elektrických obvodov II, EDIS, Žilina, 2002
• Doc. Ing. Juraj Gyárfáš, CSc., Ing. Peret Kukuča, CSc,: Výkony deformovaných prúdov a napätí, ALFA, Bratislava, 1988
• Ing. Václav Čížek, CSc., Diskrétní Fourierova transformace, ČSAV, Praha, 1979
• Steven W. Smith :The Scientist and Engineer's Guide to Digital Signal Processing, California Technical Publishing, San Diego, 1999
• Michal Hanak :FreeMaster for Embedded Applications User Manual, Roznov Czech System Center, 2004
• DSP56800_Quick_Start User’s Manual, Motorola Inc, 2003
• DSP56800 16-Bit Digital Signal Processor Family Manual, Motorola Inc, 2003
• Ing. Miloslav Čejka, CSc. :Elektronické měřicí systémy, Skriptum Vysoké učení technické v Brně ,2002