Powermeter

           

Powermeter Release status: stable [box doku]
Description	{{{description}}}
Author(s)	Pl4nkton, siro
Last Version	1.00
Platform	AVR (ATXmega192a3)
License	Source: GPL
Download	c Code, trac

Echtzeit Leistungsmessung der Labor Stromversorgung (und an 32A Außenleitung der Drehstromladekiste). Ein Xmega übernimmt die analoge Spannungsmessung und berechnet die Wirkleistung, den RMS-Strom, die RMS-Spannung und die Scheinleistung für jede Phase.

Details

Es werden 2 ADCs verwendet, die ihre Daten per DMA direkt in den sram schreiben. Ein Timer legt die Abtastrate fest. Diese beträgt momentan 128 Samples pro Periode der Netzspannung. (Limitierung des DMA, Max 255 möglich). Die berechneten Werte werden über CAN an den Laborserver geschickt. Es gibt eine RGB Status Led, welche den Zustand des Powermeter anzeigt. Die Schaltung beinhaltet eine galvanische Trennung zum CAN, da der Xmega direkt mit dem Stromnetz verbunden ist. Wie alle CAN-Geräte kann das Powermeter über diesen eine neue Firmware aufgespielt bekommen, so das es fest installiert werden kann.

Umsetzung

Bauteile

• 3 Stromwandler für 50A (L1, L2, L3) [1]
• ATXMEGA 192A3-AU
• Gehäuse HUT 4-C
• CAN
  • MCP2515
  • TI ISO1050
• SIM1-0505 SIL4 (5V DC/ 5V DC galvanische Trennung) ist ungeregelt also Linearregler nach schalten
• ZR431L (ADJUSTABLE PRECISION SHUNT REGULATOR) SOT23 1.24V

Xmega-ADC

• differential ADC signed mode, negativer Pin auf Vref (1,65V)
• alle Spannungen am ADC Eingang müssen zwischen GND - Vcc (0 - 3,3V) liegen !
• Messwerte sind +/- 11bit 0x031F == 3,3V, 0x0000 == 1,65V, 0xFCE0 == 0V

Layout

• Messbereich: 35A max
  • Um = SQRT(2)*35A/1000* 33 Ohm = +-1.63 V
• Messbereich: 250 V Max (Außenleiter-Nullleiter)
  • U = SQRT(2)*250V=354V
  • Spannungsteiler 215:1
  • mit R1=470k und R2=2k2 Spannungsteiler von 214.63:1
  • Um=SQRT(2)*250V*2200/472200=+-1,647V
• Spannungsreferenz Vref = 3.3V/2 = 1.65V
  • Vout=(1+R1/R2)*1.24V
  • R1/R2 = 1.65V/1.24V -1 = 0,330645161
  • mit R1 = 33k und R2 = 100k
  • Vout=(0,33+1)*1.24V=1,6492V

Energiebedarf

3,3V muss > 1W sein

• Xmega max 18mA + 6 mA ADCs + x
• mcp 2515 5mA
• iso 1050 2mA

5V

• iso 1050 73 mA

Spannungen

Nicht isoliert vom Bus

• 12-24V Canbus power
• 5V vom DC/DC aus 12-24V

Isoliert vom Bus

• 3,3V 1W vom DC/DC aus 5V
• 12V OLED ?

Gehäuse Pinbelegung

Pin	Funktion
2 - 5	CAN
10	L1
11	L2
12	L3
13	N
18 - 21	StromWandler Labor
22 - 25	StromWandler Tankstelle

ATXMega 192A3

Verwendete Peripherie

• Taktgenerator (32Mhz Interner PLL)
• Timer0 (16Mhz Takt an PD2)
• RTC
• Interrupt
• Events (startet den ADC, startet DMA Block transfers)
• ADC1, ADC2 (Messung der Spannungen)
• DMA0, DMA1 (Transfer der Messergebnisse in den SRAM)
• USARTC1 (Debugging)
• Timer1 (generiert Events, welche die ADCs starten)
• GPIO (LEDs,...)

Pinbelegung

PDI

• 56 - PDI_DATA
• 57 - RESET / PDI_CLK

PA / ADC1 - Spannung

Pin	Funktion
PA0	Nullpunkt
PA1	Nullpunkt
PA2	L3 Spannungsteiler
PA3	L2 Spannungsteiler
PA4	L1 Spannungsteiler

PB / ADC2 - Strom

Pin	Funktion
PB0	Nullpunkt
PB1	Nullpunkt
PB2	x Stromwandler
PB3	L2 Stromwandler
PB4	x Stromwandler
PB5	L1 Stromwandler
PB6	L3 Stromwandler
PB7	x Stromwandler

CAN - MCP2515

Pin	Funktion
PD1	INT
PD2	CLK
PD4	cs
PD5	mosi
PD6	miso
PD7	sck

RGB-LED common Anode

Pin	Funktion
PC0	BLUE
PC1	GREEN
PC2	RED

LED - Status

• LED aus - Powermeter aus, Energieversorgung überprüfen
• LED grün - Powermeter ist an, misst keine Daten
• LED blau - Powermeter misst Daten
• LED cyan - Powermeter berechnet Leistungsaufnahme
• LED rot - Fehler

Software

main()
{
 //configure powemeter_driver using Eventsystem:
 //Timer1 -> ADCA & ADCB -> DMA -> SRAM -> DMAInterrupt -> Timer1 -> ...
 //DMAInterrupt setzt Bit ADC_data_ready um Hauptprogramm zu signalisieren, das genug Daten im SRAM liegen
 //RAW-Werte im Hauptprogramm berechnet, danach die Seite im SRAM wieder freigegeben für weitere Messwerte
 //einmal pro Sekunde werden die RAW Werte über CAN geschickt
 while(1){
 check_can_handler
 if(ADC_data_ready){calculate RAW power}
 check for error
 }
}

Die Softare liefert RAW-Werte:

Die Spannung muss mit 0,1732177734375 = (1,65*215)/2048 multipliziert werden, um die Spannung in V zu berechnen.
Der Strom muss mit 0,0147964015151515 = 1000/(33*2048) multipliziert werden, um den Strom in A zu berechnen.
Die Leistung mit dementsprechend mit 0,0025629997253418 = (1,65*215*1000)/(33*2048*2048) multipliziert werden, um die Leistung in VA zu bekommen.

Lapcontrol

Die Daten des Powermeter können über lapcontrol powermeter ausgegeben werden. Bis jetzt wird aber nur der Gesamtverbrauch ausgegeben, nicht getrennt nach Phase.

lapcontrol -s kvm powermeter

CAN

Die Daten werden einmal pro Sekunde über den Can-Bus geschickt. Powermeter CAN Adresse: 0x05 Port: 0x06 TODO: was soll in Packet1 ?

Paket	Länge	data[0]	data[1-7]	Kennzeichner	Beispiel
1	4	0x00	(uint8_t)periods per Second, (uint16_t) ADC samples per second	Status Paket	0x00 0x32 0x0136
2	5	0x01	(uint32_t)WirkleistungC1	Phase 1 Wirkleistung	0x01 0x0001fdes
3	5	0x02	(uint32_t)WirkleistungC2	Phase 2 Wirkleistung	0x02 0x0001fdes
4	5	0x03	(uint32_t)WirkleistungC3	Phase 3 Wirkleistung	0x03 0x0001fdes
5	5	0x04	(uint32_t)ScheinleistungC1	Phase 1 Scheinleistung	0x04 0x0001fea5
6	5	0x05	(uint32_t)ScheinleistungC2	Phase 2 Scheinleistung	0x05 0x0001fea5
7	5	0x06	(uint32_t)ScheinleistungC3	Phase 3 Scheinleistung	0x06 0x0001fea5
8	5	0x07	(uint32_t)SpannungC1	Phase 1 Effektivspannung	0x07 0x00000552
9	5	0x08	(uint32_t)SpannungC2	Phase 2 Effektivspannung	0x08 0x00000551
10	5	0x09	(uint32_t)SpannungC3	Phase 3 Effektivspannung	0x09 0x00000553
11	5	0x0a	(uint32_t)StromC1	Phase 1 Effektivstrom	0x0a 0x0000af43
12	5	0x0b	(uint32_t)StromC2	Phase 2 Effektivstrom	0x0b 0x00007c43
13	5	0x0c	(uint32_t)StromC3	Phase 3 Effektivstrom	0x0c 0x0000d035

TODO

• Layout gnd gnd_iso mit x2 / widerstand und Überspannungsschutz nach Spannungsteiler
• Kalibirierung
• (optional) sqrt asm routine ?? -> geht auch so

Gemessene Messwerte

Spannungsteiler

• P1: 100/0,4650
• P2: 100/0,4647
• P3: 100/0,4647

Strom-Shunt

• P1: 32,9 Ohm
• P2: 32,9 Ohm
• P3: 32,9 Ohm

Stromkasten Vortragsraum Farbe der Phasen Labor

Strom:

• L1: grün (Pin 3 8P8)
• L2: braun (Pin 1 8P8)
• L3: blau (Pin 5 8P8)

Spannung:

• L1: 7
• L2: 8
• L3: 9

Nächste Version

• ADE7858
• Rogowski spulen zur Strommessung
• Display
  • EA DOGL128S-6 könnte passen [2]
  • oled 128*64 3.3V core / 12V led [3]
  • [4] color oled

Hilfreiche Links

Ähnliche Projekte:

• [AVR Powermeter]
• [DIY Powermeter für Solaranlage]

Verwandtes Projekt von dem man lernen kann:

• http://www.zabex.de/frames/wirkleistung.html

Brauchbarer Schaltplan zur Strommessung über Shunt: (Seite 5)

• http://www.elv-downloads.de/service/manuals/EM1000HSM/66387_EM1000HSM_km.pdf

Mathe:

• http://de.wikipedia.org/wiki/Wirkleistung#Drehstromnetz
• http://de.wikipedia.org/wiki/Blindleistung#Drehstromnetz
• http://www.zabex.de/frames/wirkleistung.html
• http://openenergymonitor.org/emon/node/59

Xmega zeug:

• http://www.avrfreaks.net/index.php?name=PNphpBB2&file=viewtopic&p=650685&sid=71172b31999915f30ac06da374c7a479#650685
• http://www.fourwalledcubicle.com/LUFA.php
• http://fourwalledcubicle.com/blog/archives/486
• http://de.farnell.com/atmel/at90usb162-16au/avr-usb-mcu-16k-flash-smd-tqfp32/dp/1455073
• http://www.elektronik-projekt.de/thread.php?threadid=6215

weblabctrl

• http://wl/power/ Auswertung über den aktuellen Verbrauch (10 Sekunden auf ersten Wert warten)
• http://bastel/power/ Auswertung über den aktuellen Verbrauch