基于CSE7780的智能电能表设计

2011-03-08 13:32:53来源: 维库
基于CSE7780设计智能电能表旨在使设计方案更加合理,使之成为性价比更具优势的产品。本文对计量芯片CSE7780的性能特点和结构电路进行了分析,并从软、硬件两个方面给出符合国网智能电能表要求的设计方法。

  1.符合国网新标准电能计量方案

  CSE7780是一款高精度单相电能计量芯片,在动态范围(1500:1)内,非线性误差小于0.1%,提供两路电流有效值、一路电压有效值,在动态400:1的范围内,有效值误差小于0.5%。

  该芯片能够提供有功功率、有功能量、电流有效值、电压有效值、线频率、过零中断等功能,以及提供全数字增益、相位、失调校准,有功能量脉冲从PF管脚输出。CSE7780通过一个SPI串行接口可以与外部的MCU进行通信;具有潜动阈值可调功能;内部具有电源监控电路,可以保障芯片的正常工作。CSE7780使用5V单工作电源,内置2.5V电压参考源,也可以使用外置的2.5V参考源。

  CSE7780的内部功能结构框图如图1所示。在芯片工作时,将采样到的电流、电压信号先经过增益放大器,将采样信号放大,然后再通过高精度的Sigma-Delta、模数转换器(ADC)将模拟信号转换为数字信号,得到的数字信号通过低通滤波器、高通滤波器滤去高频噪声与直流增益,从而得到需要的电流、电压采样量化的数据。将这些数据相乘,经过低通滤波器输出平均有功功率;电流、电压量化后的数据通过平方电路、低通滤波器、开方电路得到电流、电压有效值。将有功功率按时间积分,计算出有功能量。通过能量频率转换器将得到的能量通过PF引脚输出,也可通过SPI总线获得经过数字信号处理得到的数字化数值。

CSE7780结构框图

图1:CSE7780结构框图

  2.软件设计

  CSE7780寄存器的配置流程如图2所示,先设置好计量控制寄存器,能后再配置校表寄存器。

  参数配置流程图

 图2:参数配置流程图

2.1CSE7780 ADC参数设计

  以设计一款额定电压220V(Un)、10(60)A电流规格、表常数为1600imp/KWh的电表为例,由于电流输入通道允许输入最大信号为±700mV的峰峰值(有效值为495mVrms),10(60)A的表考虑到通道A发热的情况,可选择200~250微欧的锰铜,若以250微欧的锰铜来采样,在Imax=60A时,通道A的采样信号为60A*250μΩ=15mV,由于电流通道A的允许最大输入信号为495mV,因此电流通道的增益选择可配置成16,通道B采用2500:1的互感器;负载电阻10Ω,电流通道B增益设置为1。电压通道允许最大输入信号为±700mV的峰峰值,考虑到电压会有130%Un过压,可将电压采样信号通过网络电阻将220V交流电压信号降至220mV左右,电压通道增益选择为1。

  通过上述的论述,我们需将电流通道A的增益设置为16,电流通道B的增益设置为1,电压通道的增益设置为1,因此SYSCON寄存器应设置为00C0H。

  2.2.HFConst寄存器的设置

  电表常数EC为1600imp/KWh;Vu=0.22V;Vi=10A*0.00025Ω*1*0mV;EC=1600;Un=220V;

  Ib=10A。根据公式HFConst= INT[39.3143*Vu*Vi*1011/(EC*Un*Ib)],可得HFConst=2*H,因此写入HFConst寄存器的值应为2*H。

  2.3.其他计量控制寄存器配置

  启动电流的配置:在Un、Ib的情况下,有功功率寄存器PowerA的数值为1A375D7H,按照要求在0.4%Ib的情况下能够正常启动,则Pstar寄存器可配置为0.2%Ib有功功率对应的数值pstar=00D6H(Pstart对应的是PowerA的高16位,计算出的PowerA是24'h00D6C3)。

  能量累加模式的配置:由于需要计量正反有功能量,因此我们须将能量累加模式配置成正反向功率都参与累加,累加方式是代数和方式,负功率有REVQ符号指示,使能PF脉冲输出及有功电能寄存器累加,即可将EMUCON配置为0001H。

  2.4.校表寄存器的配置

  a.有功功率校准

  功率增益校正:在输入信号为Un、Ib的情况下,从校表台获得通道A的误差为err:



  如果Pgain>=0,则GPQA=INT[Pgain*215],反之若Pgain<0,则GPQA=INT[216 +Pgain*215]。

  通道B的功率校准可通过配置GPQB来实现,方法与校正通道A的相同。

  相位校正:在PF=0.5L,输入信号为100%Un、100%Ib的情况下,从校表台上获得的误差为err,则相位误差补偿为



  对50Hz的电网而言,PHSA有0.020/LSB的关系,则:如果θ>=0,PHSA =INT(θ/0.020);如果θ<0,PHSA =INT(28+θ/0.02)-96。

  通道B的相位校正可通过配置PHSB来实现,方法与校正通道A的相同。

  有功功率失调校正:在小信号1.0的情况下,如果小信号偏差较大,可通过调整有功功率失调校正寄存器来修正小信号的偏差。

  在PF=1.0,Vu=Un,Vi=0的情况下,等待DPUDIF的更新,通过MCU获取PowerA的值,读取若干次去平均值,取平均值的补码的后4位写入APOSA校正寄存器。

  通道B的有功功率失调校正可通过配置APOSB来实现,方法与校正通道A的相同。

功率校正流程图

图3:功率校正流程图

  b.有效值校准

  有效值的校正流程如图4所示,先校正电流的失调,校正失调后,再进行A/B通道电流转换系数KIA/KIB及电压转换系数KU的计算,在PF=1.0、Vu=100%Un、Vi=Ib的情况下读取IARMS、IBRMS寄存器的数值,根据公式KIA=IARMS/Ib可得到电流通道A的转换系数,按同样的方法可得电流通道B的转换系数KIB及电压通道的转换系数KU。

有效值校正

 图4:有效值校正

5.CSE7780校准及初始化过程

  上电初始化MCU;对计量芯片的可写寄存器依次写入,完成计量控制寄存器及校表参数的初始化。

  在初始化的过程中,要保证写入到计量芯片的数值的正确。在正常工作的时候需要监控CSE7780的工作状态,确保计量芯片处在正常情况下工作,一般监控校验和是否正确以及芯片是否有被复位。

智能电能表原理框图

 图5:智能电能表原理框图

  3.硬件设计

  目前芯海可以向客户提供包括软、硬件在内的完整参考设计。图5为智能电能表原理框图,图6为目前推出的参考设计完整电路。



图6:国网单相智能表实物图

  下面是针对CSE7780使用过程中其它一些应该注意的问题给出的建议:在PCB布局的时候需要注意变压器对锰铜的影响,这会影响到计量芯片的小信号的误差;在采样输入端的走线应平行对称,减小采样线所包围的面积;晶体不能放在PCB板边,防止在打ESD的时候,将芯片打死,晶体下面最好不要走其它的信号线。

  本文小结

  通过在深圳计量院的整表测试,CSE7780能够准确测量单相智能电能表各个参数,计量精度完全满足要求。基于CSE7780的整机方案经EMC检测、认证的第三方专业认证机构信测科技验证了EMC等方面的性能,具有极佳的性能指标,完全符合新一代国网智能电能表的要求。其简单易懂的软件校表方式,既便于电能表开发工程师进行程序开发,又提高了生产线的效率。

关键字:智能  设计

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0308/article_4965.html
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