NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY ĐO CÔNG SUẤT VẠN NĂNG PMM100 PGS.TSKH Phạm Thượng Cát, KS Phan Minh Tân, KS Nguyễn Xuân Hoàng, KS Chu Ngọc Liêm Phòng Công Nghệ Tự Động Hoá-Viện Công
Trang 1NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY ĐO CÔNG SUẤT VẠN NĂNG PMM100
PGS.TSKH Phạm Thượng Cát, KS Phan Minh Tân,
KS Nguyễn Xuân Hoàng, KS Chu Ngọc Liêm
Phòng Công Nghệ Tự Động Hoá-Viện Công Nghệ Thông Tin
Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam
Tóm tắt: Hầu hết các thiết bị đo điện năng ở nước ta hiện nay là các thiết bị cơ, thời gian sử dụng đã lâu,
nên nhu cầu thay thế bằng các thiết bị đo kỹ thuật số với những tính năng vượt trội là một xu thế tất yếu Tuy nhiên, chủ yếu chúng ta vẫn nhập ngoại các thiết số bị này với giá thành rất cao Do đó việc nghiên cứu, chế tạo các thiết bị đo điện hiện đại trong nước là cần thiết, có ý nghĩ về cả mặt khoa học và kinh tế Áp dụng những công nghệ tiên tiến là IC đo điện năng chuyên dụng của Analog Device và họ vi xử lý PSoC của Cypress Micro chúng tôi đã chế tạo thiết bị đo công suất vạn năng PMM100 với độ chính xác cao, giá thành thấp, phù hợp với nhu cầu trong nước
RESEARCH AND DEVELOPMENT OF POWER MULTIMETER PMM100
Prof.DSc Pham Thuong Cat, Eng Phan Minh Tan, Eng Nguyen Xuan Hoang, Eng Chu Ngoc Liem
Department for Automation Technology-Institute of Information Technology
Viet Nam Academy of Science and Technology
Abstracts: Nowadays, almost Watt-hour Meter in Viet Nam are mechanical devices, long service life,
therefore the need for new, digital, developed characteristics devices is indispendable trend However, new devices are generally imported with very high cost With these reasons, the research and developement of measuring devices made in Viet Nam are neccessary, and meaningfule in both science and economicwise By applying modern power multimeter IC of Analog device and chip PSoC of Cypress Micro, we have designed and built power a multimeter PMM100 that is highly reliable, low cost, and suitable with local environment and need
1 ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT
Máy đo công suất vạn năng PMM100 giao
tiếp với người sử dụng qua một màn hình LCD
(2x16) và các phím bấm, cho phép đo được đầy đủ
8 đại lưọng điện năng: dòng điện (Irms), điện áp
(Urms), công suất hiệu dụng (Watt), công suất phản
kháng (VAR), công suất toàn phần (VA), hệ số
công suất (cosϕ), tần số (f), điện năng Các đặc
trưng kỹ thuật của PMM100 như sau:
Thế Hiệu
Dải đo 15Vrms đến 500Vrms
Độ chính xác 0,25%
Chịu cực đại 5000Vrms
Dòng điện
Độ chính xác 0,25%
Chịu cực đại 200Arms
Công suất Hiệu dụng
Độ chính xác 0,5%
Công Suất Toàn phần
Độ chính xác 0,5%
Công Suất Phản kháng
Độ chính xác 0,5%
Hê Số Công suất
Độ chính xác 0,5%
Tần số
Độ chính xác 0,1%
Công Suất tích luỹ
Môi trường – 4000C đến +850C
Trang 22 NGUYấN Lí VÀ GIẢI PHÁP THỰC HIỆN
Lưới điện với tần số f, cung cấp cho tải hiệu
điện thế tức thời u(t), dũng điện tức thời chạy qua
tải là i(t), trễ pha ϕ so với hiệu điện thế cú thể mụ tả
như sau:
) 2π sin(
.U 2 )
) 2π sin(
.I 2 )
rms
rms
ϕ +
=
=
ft t
u
ft t
) 2 (
) 1 (
Trong đú, Irms và Urms là cỏc giỏ trị hiệu dụng của
dũng điện và hiệu điện thế
Giỏ trị hiệu dụng Vrms của một tớn hiệu tuần
hoàn liờn tục v(t) tớnh như sau
= ∫
T
0
2 rms ()
T
1
Với cỏc biờn độ hài của v(t) ta cú thể tớnh Vrms theo
cụng thức:
∑
=
=
N
1
2
N
1 V
i
i
v (4)
trong đú T là chu kỳ của tớn hiệu v(t), v(i) là biờn độ
hài thứ i của tớn hiệu v(t)
Cụng suất tiờu thụ tức thời p(t):
) ( )
( )
(t t u t
Tuy nhiờn việc tớnh cụng suất tiờu thụ tức thời
p(t) khụng cú nhiều ý nghĩa, đại lượng cần quan
tõm hơn chớnh cụng suất hiệu dụng, là giỏ trị cụng
suất trung bỡnh tớnh trong một chu kỳ T:
=
T
0
rms rms.I cos U
) (
T
1
Cụng suất hiệu dụng P đặc trưng cho quỏ trỡnh biến
đổi điện năng sang cỏc dạng năng lượng khỏc như
nhiệt năng, cơ năng,…
Đại lượng cụng suất phản khỏng Q đặc trưng
cho quỏ trỡnh trao đổi năng lượng điện từ trường:
ϕ
=U I sin
Q rms rms (7)
Hợp của cụng suất hiệu dụng P và cụng suất
phản khỏng Q cú cụng suất toàn phần S của thiết bị
2 2 rms rms.I P Q
U
Ba đại lượng S, Q, R quan hệ theo một tam
giỏc vuụng như Hỡnh 1, gọi là tam giỏc cụng suõt
P, Q, S cú cựng thứ nguyờn nhưng để phõn biệt
người ta dựng cỏc đợn vị khỏc nhau Đơn vị của P
là Watt, đơn vị của Q là VAR, đơn vị của S là VA
Đại lượng cosϕ được gọi là hệ số cụng suất, đỏnh giỏ hiệu suất sử dụng nguồn điện Nõng cao
hệ số cosϕ sẽ tăng được hiệu suất sử dụng nguồn, đồng thời làm giảm tiết diện dõy dẫn truyền tải, giảm tổn hao điện năng Việc xỏc định hệ số cosϕ cũng rất cần thiết
Dựa trờn phương trỡnh (6) để thiết kế thiết bị
đo cụng suất hiệu dụng P, Hỡnh 2 biểu diễn quỏ
trỡnh xử lý tớn hiệu Tớn hiệu liờn tục của điện ỏp và dũng điện đo được đưa trực tiếp qua một bộ nhõn Tớn hiệu sau bộ nhõn là tớn hiệu liờn tục, tớn hiệu này được xử lý bằng một bộ lọc thụng thấp (LPF)
để cho kết quả là giỏ trị cụng suất trung bỡnh P
Khi chuyển sang kỹ thuật số, cỏc tớn hiệu tương tự được lấy mẫu thành tớn hiệu rời rạc Tớn hiệu sau khi rời rạc húa qua bộ chuyển đổi tương tự/số thành tớn hiệu số dưới dạng mó nhị phõn hay
mó Hecxa Quỏ trỡnh xử lý mụ tả trờn Hỡnh 3
Cỏc tớn hiệu sau khi số hoỏ thành mó nhị phõn được xử lý dễ dàng với cỏc bộ vi xử lý tớn hiệu DSP, àP, àC để cho ra cỏc đại lượng theo yờu cầu,
mụ tả trờn Hỡnh 4
Từ những cơ sở trờn, Hỡnh 5 đưa ra một cấu
trỳc chung cho một thiết bị đo điện năng Thiết bị gồm cú một sensor dũng điện và một sensor điện ỏp kết hợp với chuyển đổi ADC số hoỏ tớn hiệu dũng điện và điẹn ỏp trước khi vào bộ xử lý trung tõm,
xử lý kết quả đo Số liệu sau khi xử lý được lưu giữ trong EEPROM, hiển thị kết quả hoặc truyền ra
P
S
Q ϕ
Hình1 : Tam giác công suất
Hỡnh 2: Xỷ lý tớn hiệu tương tự
∫
=
T
0
) T
1
Hình 3: Chuyển đổi tương tự sang số
Hỡnh 4: Xử lý tớn hiệu số
Trang 3ngoài để giao tiếp với thiết bị khác Ngoài ra cần
các bộ phận quản lý hoạt động của thiết bị, nguồn
nuôi cho thiết bị
Với một sơ đồ cấu trúc như trên, có nhiều giải
pháp để chọn lựa
Hình 6 là giải pháp sử dụng DSP có tích hợp
ADC DSP xử lý số liệu từ ADC, tính toán ra các đại lượng đo cần thiết, cho phép giao tiếp trực tiếp với vi xử lý (MCU) khác hoặc các ngoại vi
Hình 7 là cấu trúc dùng ADC có tích hợp
DSP, cho phép xử lý các tín hiệu đo, tính toán các đại lượng cần thiết Không giao tiếp được trược tiếp với ngoại vi mà phải thông qua một vi xử lý (MCU) Với cấu trúc này, các ADC được chế tạo chuyên biệt nên độ chính xác cao, thuận tiện hơn khi sử dụng, cho phép hạ được giá thành sản phẩm chế tạo
Với cấu trúc này ADC đã được tích hợp các chức năng DSP trên một chip, cho đầu ra là các đại lượng cần đo, người dùng chỉ cần đọc lưu giữ bằng
bộ nhớ, đưa ra hiển thị hay truyền thông theo yêu cầu Giải pháp này cho phép có những sản phẩm nhỏ gọn, với giá thành thấp
3 THIẾT KẾ
Thiết bị đo công suất PMM100 sử dụng phương án dùng một ADC tích hợp với DSP của hãng Analog Device Các số liệu được thu thập bởi một vi xử lý
Thiết bị giao tiếp với người sử dụng qua một màn hình LCD và các phím chức năng
Mạch đệm trước khi vào ADC là một Shunt dòng đo dòng điện và một mạch phân áp
ADC được sử dụng là ADE7753 của hãng Analog Device, đây là một IC đo điện chuyên dụng
độ chính xác cao, giao tiếp đơn giản với vi xử lý qua cổng truyền thông SPI và các thanh ghi truyền thông, không cần cách ly điện với nguồn điện đo
Vi xử lý sử dụng là CY8C26443 của hãng Cypress Micro Đây là một họ vi xử lý PsoC (Programmable System on Chip) có tính linh hoạt cao, lập trình đơn giản, công cụ phát triển giá thành thấp
Hình 7: ADC tích hợp DSP
Hình 5:Cấu trúc một thiết bị đo công suất
Hình 6: DSP tích hợp ADC
Hình 8: Cấu trúc thiết bị PMM100
Trang 4Việc chọn lựa phần cứng cho phép phát triển
một dòng sản phẩm nội địa với giá thành thấp với
tính năng, độ chính xác không thua kém các sản
phẩm nhập ngoại
ADE7753
Hình 9 mô tả sơ đồ khối chức năng của một
IC chuyên dụng ADE7753
Chức năng
IC ADE7753 có độ chính xác cao, tuân theo
tiêu chuẩn IEC61036 và IEC1268
Tích hợp bộ tích phân số nối trực tiếp được
với các sensor dòng đầu ra tỉ lệ với di/dt
Tính các giá trị công suất tiêu thụ, công phản
kháng, công suất biểu kiến, giá trị hiệu dụng của
dòng điện, điện áp, Sampled Waveform, với độ
chính xác nhỏ hơn 0,1%
Chế độ chỉ tích luỹ năng lượng dương
Cho phép người dùng đặt mềm ngưỡng sụt
áp, quá điện áp, có khối quản lý nguồn nuôi
Cho phép chỉnh định pha và độ lệch đầu vào
Có Sensor đo nhiệt độ trên chip (±30 C)
Chế độ truyền thông nối tiếp SPI
Chân yêu cầu ngắt và thanh ghi trạng thái
ngắt
Có 2 ADC cấu trúc sigma-delta và DSP cho
dữ liệu với độ chính xác cao trong điều kiện môi
trường và thời gian biến động mạnh
Điện áp chuẩn 2,4V, cho đưa từ ngoài
Nguồn nuôi 5V, công suất thấp (25mW)
Mô tả hoạt động của ADE7753
Giá trị dòng điện hiệu dụng (I RMS ) được xử
lý và lưu trong thanh ghi số nguyên dương 12 bit
(IRMS) Với tín hiệu đủ thang 0,5V ADC cho ra
mã đầu ra xấp xỉ 63% của giá trị đủ thang Giá trị
tín hiệu AC đủ thang là 1868467d (1C82B3h)
Tuyến tính trong khoảng FS đến FS/100
Giá trị điện áp hiệu dụng (V RMS ) được xử lý
và lưu trong thanh ghi VRMS, 24 bit, số nguyên dương Với tín hiệu đủ thang đầu vào, thang ghi VRMS có giá trị tương đương 1561400(17D338h) Tuyến tính trong khoảng FS đến FS/20
Công Suất tiêu thụ được tích luỹ liên tục
bằng một thanh ghi năng lượng 48 bit, 24 bit cao của thanh ghi này là thanh ghi AENERGY[23:0]
Công suất phản kháng được tích luỹ theo
một số nguyên nửa chu kỳ, lưu trong thanh ghi LVARENEGY
Công suất toàn phần tích luỹ bằng một
thanh ghi năng lượng toàn phần VAENERGY[23:0]
Chuẩn định thiết bị đo tuỳ thuộc vào đai
lượng cần đo của thiết bị Với thiết bị đo công suất vạn năng như yêu cầu thiết kề, phải tiến hành chuẩn định 8 đại lượng đo ADE7753 cung cấp các thanh ghi đủ để tiến hành chuẩn định bằng phần mềm, thông qua cổng truyền thông SPI, các hệ số đươc MCU tính toàn và truyền xuống cho ADE7753
Chế độ chuyển thông nối tiếp của ADE7753
ADE7753 giao tiếp với ngoại vi thông qua cổng truyền thông SPI với bốn dây tín hiệu DIN, DOUT, SCLK, CS Việc giao tiếp, truy suất dữ liệu được điều khiển bằng một thanh ghi truyên thông 8 bit
CY8C26443
Hình 9 là sơ đồ khối chức năng của IC họ
PsoC PsoS là họ vi xử lý tốc độ cao, 8-bit, kiến trúc Harvard Việc phân chia bus dữ liệu và bus địa chỉ cho phép đẩy tốc độ xử lý lên cao PsoS có thể đạt tốc độ xử lý đến 24MHz, tuy nhiên có thể đặt tốc độ thấy hơn để phù hợp với các ứng dụng khác nhau Họ vi xử lý này phân chia cấu trúc cứng thành các khối ngoại vi số và khối ngoại vi tương tự khác nhau với một CPU tốc độ cao, bộ nhớ chương trình (Flash program memory), bộ nhớ dữ liệu (SRAM data) Các khối này cho phép người dùng thiết lập thành nhiều dạng thiết bị với các chức
Hình 9: Sơ đồ khối chức năng của ADE7753
ADC
ADC
+
-+
-TEMP SENSOR
2.4V REFERENCE
HPF dt
LPF1
Φ
PHCAL[5:0]
∑ INTEGRATOR MULTIPLIER LPF2
WGAIN[11:0]
APOS[15:0]
2
VRMSOS[11:0]
2
IRMSOS[11:0]
VAGAIN[11:0]
DFC ÷
÷ ÷ VADIV[7:0] WADIV[7:0]
ADE7753 REGISTERS &
SERIAL INTERFACE
CFNUM[11:0]
CFNUM[11:0]
4kΩ
AGND REF IN/OUT CLKIN CLKOUT DIN DOUT SCLK CS IRQ
V1P
V1N
V2N
V2P
CF
ZX SAG PGA
PGA
Π 2
×
Trang 5năng khác nhau Với mười hai khối ngoại vi tương
tự và tám khối ngoại vi số, có thể cấu trúc thành
các bộ đếm thời gian, các bộ UART, bộ phát CRC,
bộ điều chế độ rộng xung PWM, các bộ ADC,
DAC, cùng nhiều các modul cao cấp hơn như
modem, điện kiển động cơ, sensor, Một hệ lệnh
phong phú rất hiệu cho phép dùng các ngôn ngữ lập
trình bậc thấp, ngoài ra còn hỗ trợ cả ngôn ngữ lập
trình bậc cao (ngôn ngữ lập trình C) Những điều
thể hiện khả năng mềm dẻo dường như không giới
hạn tích hợp trên một hệ thống vi xử lý PSoC có thể
tạo ra mà khó có họ vi xử lý nào đạt được
Bộ vi xử lý kiến trúc Harvard nhân và tích
luỹ nhanh
- Tốc độ xử lý đến 24MHz
- Chế độ địa chỉ mềm dẻo
- 8x8 multiply, 32-bit accumulate
- Register speed memory transfers
- Bit manipulation on I/O and memory
Bộ nhớ trên chip linh hoạt
- Bộ nhớ chương trình từ 4K đến 16K
- 100000 chu kỳ xoá/ghi
- 256 byte SRAM
- In-System Serial Programming
- Chế độ bảo vệ linh hoạt
- EEPROM đến 2304 byte
Khối chức năng khả trình
- Người dùng có thể cấu trúc các khối chức
năng để dùng riêng rẽ hay kết hợp
- 12 khối tương tự cung cấp
- ADC Delta-Sigma đến 11 bit
- ADC xấp xỉ liên tục đến 8 bit
- ADC Incremental đến 12 bit
- DAC đến 10 bit
- Bộ khuếch đại khả trình
- Bộ lọc khả trình
- Bộ so sánh vi sai
- 8 khối chức năng số cung cấp:
- Các chức năng về thời gian: sự kiện, thời
gian thực, điều chế độ rộng xung (PWM)
- Module CRC
- Truyền thông UART
- Truyền thông SPI
- Nguồn tần số cho các khối tương tự
Thay đổi được cấu trúc chân
- Các chân I/O kiểu TTL
- Mức logic ra 25mA với pull-up trong hoặc điện trở pull-up, High Z, strong driver
- Thay đổi chân ngắt
- Vào tương tự bởi 40mA
Lập trình chu kì, tần số
- Dao động trong 24/48MHz
- Dao động tinh thể ngoài 32.768Hz
- Dao động thấp cho Watchdog và Sleep
Ngoại vi chuyên dụng
- Watchdog, Sleep timer
- Nhận biết mức sụt điện áp
- Điện áp chuẩn
Với công nghệ Flash
- Công suất thấp với tốc độ cao
- Điện áp hoạt động từ 3,0 đến 5,25 V
- Điện áp hoạt động xuống đến 1,0V trong chế
độ bơm điện áp trên chip
- Dải nhiệt độ hoạt động: -400C đến +850C
Các phần cứng khác
LCD Display 2x16 : HD44780 của Hitachi Shunt dòng : BVO-M-R0002-5.0 của hãng RHOPOINT
Phối ghép CY8C26443 với ADE7753
Hình 10: Sơ đồ khối chức năng CY8C26443
Hình 11: Lưu đồ chương trình
Trang 6PSoC giao tiếp với ADE7753 qua cổng truyền
thông SPI PSoC là thiết bị Master, ADE7753 là
thiết bị Slave PSoC truy cập ADE7753 qua các
thanh ghi, được điều khiển qua thanh ghi truyền
thông
Trình tự các bước truyền thông được PsoC
tiến hành như sau:
- Gửi mà lệnh xuống thanh ghi truyền thông Mã
lệnh gồm có địa chỉ thanh ghi truy cập, đánh dấu
chế độ đọc/ghi cho hoạt động tiếp theo
- Gửi dữ liệu xuống nếu ghi dữ liệu Nhận dữ liệu
lên nếu đọc dữ liệu
ADE7753 thực hiện công việc xử lý các đại
lượng dòng điện, điện áp, công suất và lưu trong
các thanh ghi PsoC thu thập số liệu số liệu từ các
thanh ghi này, tiến hành xử lý số liệu để chuyên đổi
thứ nguyên tương ứng, và tính toàn các đại lượng
trung gian không đo được trục tiếp (hệ số sô công
suất cosϕ)
Chuẩn định thiết bị được tiến hành bằng phần
mềm Chuẩn định bằng một thiết bị đo chuẩn, so
sanh với các đại lượng đo được, từ đo tính toán các
độ lệch cũng như các hệ số Sau khi tính toán các
hệ số, kết quả này được truyền xuống cho
ADE7753, ADE7753 sẽ sử dụng kết quả này để bù
các sai số cần thiết cho toàn bộ thiết bị
Hình 11 là lưu đồ phần mềm thực hiện cho
máy đo PMM100
4 KẾT QUẢ
Thiết bị đo công suất đã được chế tạo hoàn
chỉnh Đã chạy thử nghiệm với các chế độ ngắn hạn
và đáp ứng được các chỉ tiêu đề ra Hiện đang trong
quá trình thử nghiệm dài hạn Và có thể khả định
các thiết bị đo điện năng hoàn toàn có thể chế tạo
trong nước, với giá thành rẻ hơn thiết bị nhập ngoại
nhiều lần, mở ra hướng nội địa hoá các thiết bị đo điện năng
Kết quả này có ý nghĩa về cả mặt khoa học và
cả mặt kinh tế
Các dải pháp tích hợp truyền thông qua RS485/RS232, hồng ngoài đang được xây dựng trên thiết bị mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi hơn trong dân dụng cũng như trong công nghiệp
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Device Data Sheet for PsoCTM (Cypress
MicroSystems Inc, Aug 18 2003)
[2] PsoCTM (IDE) Design Integrated Development Environment.(Cypress MicroSystems Inc, Dec 8 2003)
[3] PsoCTM (IDE) Design C Language Compiler
(Cypress MicroSystems Inc, June 17 2003) [4] PsoCTM (IDE) Design Assembly Language (Cypress MicroSystems Inc, June 20 2003) [5] A Power Meter Reference Design Based on the ADE7756 (www.analog.com)
[6] Active and Apparent Energy Metering IC with didt sensor interface ADE7753 (www.analog.com) [7] Evaluation Board Documentation ADE7753 Energy metering IC (www.analog.com)
Hình 12: Máy đo công suất vạn năng PMM100
