JAJU896 June   2023 ADS131M08 , MSPM0G1507

 

  1.   1
  2.   概要
  3.   リソース
  4.   特長
  5.   アプリケーション
  6.   6
  7. 1システムの説明
    1. 1.1 最終製品
    2. 1.2 電気メータ
    3. 1.3 電力品質メータ、電力品質アナライザ
    4. 1.4 主なシステム仕様
  8. 2システム概要
    1. 2.1 ブロック図
    2. 2.2 設計上の考慮事項
      1. 2.2.1 TPS3840 を使用する外部電源電圧スーパーバイザ (SVS)
      2. 2.2.2 TMAG5273 リニア 3D ホール効果センサによる磁気改ざん検出
      3. 2.2.3 アナログ入力
        1. 2.2.3.1 電圧測定のアナログ・フロント・エンド
        2. 2.2.3.2 電流測定のアナログ・フロント・エンド
    3. 2.3 主な使用製品
      1. 2.3.1  ADS131M08
      2. 2.3.2  MSPM0G3507
      3. 2.3.3  セグメント LCD ディスプレイ駆動用の MSP430FR4131
      4. 2.3.4  TPS3840
      5. 2.3.5  THVD1400
      6. 2.3.6  ISO6731
      7. 2.3.7  ISO6720
      8. 2.3.8  TRS3232E
      9. 2.3.9  TPS709
      10. 2.3.10 TMAG5273
  9. 3システム設計理論
    1. 3.1  計測テスト用のソフトウェアを実装する方法
    2. 3.2  クロック供給システム
    3. 3.3  GUI 通信用の UART のセットアップ
    4. 3.4  リアルタイム・クロック (RTC)
    5. 3.5  MSP430FR4131 の LCD コントローラ
    6. 3.6  ダイレクト・メモリ・アクセス (DMA)
    7. 3.7  ADC のセットアップ
    8. 3.8  フォアグラウンド・プロセス
      1. 3.8.1 数式
    9. 3.9  バックグラウンド・プロセス
    10. 3.10 ソフトウェア関数 per_sample_dsp()
      1. 3.10.1 電圧と電流の信号
      2. 3.10.2 周波数測定とサイクル・トラッキング
    11. 3.11 LED パルスの生成
    12. 3.12 位相補償
  10. 4ハードウェア、ソフトウェア、テスト要件、テスト結果
    1. 4.1 必要なハードウェアとソフトウェア
      1. 4.1.1 ハードウェア
      2. 4.1.2 注意および警告
    2. 4.2 テスト構成
      1. 4.2.1  TIDA-010243 を計量テスト機器に接続する
      2. 4.2.2  電源オプションとジャンパ設定
      3. 4.2.3  電気メータの計測精度のテスト
      4. 4.2.4  計測読み取り値の表示とキャリブレーション
        1. 4.2.4.1 LCD から結果を表示する
        2. 4.2.4.2 PC からのキャリブレーションと結果の表示
      5. 4.2.5  MSPM0+ MCU のキャリブレーションとフラッシュの設定
      6. 4.2.6  ゲインのキャリブレーション
      7. 4.2.7  電圧および電流ゲインのキャリブレーション
      8. 4.2.8  有効電力ゲインのキャリブレーション
      9. 4.2.9  オフセット・キャリブレーション
      10. 4.2.10 位相キャリブレーション
      11. 4.2.11 ソフトウェア・コードの例
    3. 4.3 テスト結果
      1. 4.3.1 SVS 機能テスト
      2. 4.3.2 電気メータの計測精度の結果
  11. 5設計とドキュメントのサポート
    1. 5.1 設計ファイル
      1. 5.1.1 回路図
      2. 5.1.2 BOM
      3. 5.1.3 PCB レイアウトに関する推奨事項
      4. 5.1.4 レイアウトのプリント
      5. 5.1.5 ガーバー・ファイル
    2. 5.2 ツールとソフトウェア
    3. 5.3 ドキュメントのサポート
    4. 5.4 サポート・リソース
    5. 5.5 商標
  12. 6著者について

3.8.1 数式

このセクションでは、電圧、電流、電力、エネルギーの計算に使用する式について説明します。以前に説明したように、電圧と電流のサンプルはサンプリング・レート 8000Hz で取得されます。約 1 秒のフレームにおいて取得されたすべてのサンプルが保存され、各位相の電圧と電流の RMS 値を取得するために使用されます。RMS 値は、次の数式で求められます。

式 4. V R M S 、 p h = K v 、 p h x ∑ n = 1 S a m p l e   C o u n t v p h n   ×   v p h ( n ) S a m p l e   C o u n t - v o f f s e t 、 p h
式 5. I R M S 、 p h = K i 、 p h × ∑ n = 1 S a m p l e   C o u n t i p h n   ×   i p h ( n ) S a m p l e   C o u n t - i o f f s e t 、 p h

ここで、

  • pH = 計算される位相パラメータ [すなわち、位相 A (= 1) または B (= 2)]
  • Vph(n) = サンプル時 n における電圧サンプル
  • Voffset、ph = 電圧コンバータからの加算性白色ガウス雑音の影響を差し引くために使用されるオフセット
  • iph(n) = サンプル時 n における各電流サンプル
  • ioffset、ph = 電流コンバータからの加算性白色ガウス雑音の影響を差し引くために使用されるオフセット
  • サンプル数 = 現在のフレーム内のサンプル数
  • Kv、ph = 電圧のスケーリング係数
  • Ki、ph = 電流のスケーリング係数

電力とエネルギーは、1 つのフレームの有効エネルギーと無効エネルギーのサンプルについて計算されます。これらのサンプルは位相補正され、フォアグラウンド・プロセスに渡されます。フォアグラウンド・プロセスは、サンプルの数 (サンプル数) を使用して、位相の有効電力と無効電力を次の数式で計算します。

式 6. P A C T 、 p h = K A C T 、 p h ∑ n = 1 S a m p l e   C o u n t v n   ×   i p h ( n ) S a m p l e   C o u n t - P A C T _ O f f s e t 、 p h
式 7. P R E A C T 、 p h = K R E A C T 、 p h ∑ n = 1 S a m p l e   C o u n t v 90 、 p h n   ×   i p h ( n ) S a m p l e   C o u n t - P R E A C T _ O f f s e t 、 p h
式 8. P A P P 、 p h = P A C T 、 p h 2 + P R E A C T 、 p h 2

ここで

  • V90(n) = サンプル時「n」が 90°シフトした電圧サンプル
  • KACT、ph = 有効電力のスケーリング係数
  • KREACT、ph = 無効電力のスケーリング係数
  • PACT_offset、ph = 他の位相および中間から有効電力測定へのクロストークの影響を差し引くために使用されるオフセット
  • PREACT_offset、ph = 他の位相および中間から無効電力測定へのクロストークの影響を差し引くために使用されるオフセット

無効エネルギーの場合、次の 2 つの理由で 90°位相シフト・アプローチが使用されることに注意してください。

  1. このアプローチにより、非常に小さい電流に対する無効電力を正確に測定できる
  2. このアプローチは、IEC および ANSI 規格で規定されている測定方法に準拠している

計算された商用電源周波数を使用して、90°シフトされた電圧サンプルを計算します。商用電源の周波数は変動するので、電圧サンプルをそれに応じて位相シフトするために、最初に商用電源の周波数を正確に測定します。

正確な 90°の位相シフトを得るには、2 つのサンプル間で補間を使用します。これら 2 つのサンプルにおいて、電流サンプルの前で電圧サンプルが 90°よりわずかに大きく、電流サンプルの使用前で電圧サンプルが 90°よりわずかに小さくなっています。アプリケーションの位相シフトの実装は、整数部と分数部で構成されています。整数部は、N サンプルの遅延により実現されます。分数部は、1 タップの FIR フィルタにより実現されます。テスト・ソフトウェアでは、分数遅延の作成に使用されるフィルタ係数はルックアップ・テーブルから得られます。

位相ごとの有効電力と無効電力の計算に加えて、これらのパラメータの累積和も、式 9、式 10、式 11 を使用して計算されます。

式 9. P A C T 、 C u m u l a t i v e = ∑ p h = 1 2 P A C T 、 p h
式 10. P R E A C T 、 C u m u l a t i v e = ∑ p h = 1 2 P R E A C T 、 p h
式 11. P A P P 、 C u m u l a t i v e = ∑ p h = 1 2 P A P P 、 p h

計算された電力を使用して、式 12 でエネルギーを計算します。

式 12. E A C T 、 p h = P A C T 、 p h × S a m p l e   C o u n t E R E A C T 、 p h = P R E A C T 、 p h × S a m p l e   C o u n t E A P P 、 p h = P A P P 、 p h × S a m p l e   C o u n t

ここから、式 13、式 14、式 15 によってエネルギーが累算され、累積エネルギーが計算されます。

式 13. E A C T 、     C u m u l a t i v e = ∑ p h = 1 2 E A C T 、 p h
式 14. E R E A C T 、 C u m u l a t i v e = ∑ p h = 1 2 E R E A C T 、 p h
式 15. E A P P 、 C u m u l a t i v e = ∑ p h = 1 2 E A P P 、 p h

次に、計算されたエネルギーがバッファに累積され、システムのリセット後に消費された合計エネルギー量が保存されます。これらのエネルギーは、エネルギー・パルスの出力用にエネルギーを累算するため使用される作業変数とは異なることに注意してください。使用可能なバッファは、位相ごとに 1 つ、全位相の累算用に 1 つ、合計 4 セットです。バッファの各セットには、次のエネルギーが累算されます。

  1. 有効なインポート・エネルギー (有効エネルギー ≧ 0 のときは有効エネルギー)
  2. 有効なエクスポート・エネルギー (有効エネルギー < 0 のときは有効エネルギー)
  3. 無効なクワッド I エネルギー (無効エネルギー ≧ 0、有効電力 ≧ 0 のときは無効エネルギー、誘導性負荷)
  4. 無効なクワッド II エネルギー (無効エネルギー ≧ 0、有効電力 < 0 のときは無効エネルギー、容量性ジェネレータ)
  5. 無効なクワッド III エネルギー (無効エネルギー < 0、有効電力 < 0 のときは無効エネルギー、誘導性ジェネレータ)
  6. 無効なクワッド IV エネルギー (無効エネルギー < 0、有効電力 ≧ 0 のときは無効エネルギー、容量性負荷)
  7. 皮相インポート・エネルギー (有効エネルギー ≧ 0 のときは皮相エネルギー)
  8. 皮相エクスポート・エネルギー (有効エネルギー < 0 のときは皮相エネルギー)

バックグラウンド・プロセスでは、商用電源サイクルあたりのサンプル数の形式で、周波数も計算されます。その後で、フォアグラウンド・プロセスが商用電源のサイクルあたりのサンプル数を、式 16 で Hz に変換します。

式 16. F r e q u e n c y   ( H z ) = S a m p l e   R a t e   ( s a m p l e s   /   s e c o n d ) F r e q u e n c y   ( s a m p l e s   /   s e c o n d )

有効電力と皮相電力を計算した後で、力率の絶対値を計算します。システムの力率の内部表現では、正の力率は容量性負荷に対応し、負の力率は誘導性負荷に対応します。力率の内部表現の符号は、電流が電圧よりも先か後かによって決定され、これはバックグラウンド・プロセスで決定されます。したがって、力率の内部表現は式 17 で計算されます。

式 17. I n t e r n a l   R e p r e s e n t a t i o n   o f   P o w e r   F a c t o r = P A C T P A p p a r e n t 、   i f   c a p a c i t i v e   l o a d P A C T P A p p a r e n t 、   i f   i n d u c t i v e   l o a d