基于CS5463 芯片的軌道車輛能耗計量裝置

井明忠，趙穎異，曾潔

（大連交通大學電氣信息工程學院，遼寧大連 116028）

隨著我國鐵路電氣化的快速發(fā)展，電力牽引機車越來越普及，軌道交通運輸對電能的消耗也越來越大。為了降低軌道交通運輸所造成的能耗以及減排，對電力牽引機車能效提出更高要求。為此，對軌道車輛運行的電能消耗進行準確計量非常有必要。由于我國現(xiàn)存軌道車輛數(shù)量龐大，研究開發(fā)一款能夠準確計量軌道車輛電能消耗的計量裝置在鐵路現(xiàn)場具有很大的需求和發(fā)展空間。準確計量軌道車輛電能消耗對于科學統(tǒng)計軌道交通運輸成本、機車技術(shù)改造以及科學地指導司機節(jié)能駕駛有非常重要的意義[1-3]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)

文中設(shè)計的電能計量裝置的無功功率精度要求達到國家二級標準，有功功率要求達到國家一級標準。另外，由于所設(shè)計的裝置要適應全天候和強電磁工作環(huán)境，因此該裝置要求具有高可靠性、高測量精度以及較強的抗電磁干擾能力等特性。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)電能表的實際工作環(huán)境以及設(shè)計要求，該款電能表的總體設(shè)計框圖如圖1 所示。

圖1 電能表總體設(shè)計框圖

1.2 系統(tǒng)的主要參數(shù)

1）系統(tǒng)工作電源：直流5 V，經(jīng)由直流110 V 電源降壓產(chǎn)生；

2）電壓通道輸入范圍：交流0～150 V，額定電壓為100 V；

3）電流通道輸入范圍:交流0～8 A，額定電流為5 A；

4）電壓變比：25 000/100；

5）電流變比：400/5；

6）精度等級：有功功率一級，無功功率二級；

7）顯示模式：100 V 交流電壓輸入，經(jīng)系統(tǒng)標量變換在顯示屏對應輸出25 000 V；5 A 交流電流輸入，經(jīng)系統(tǒng)標量變換在顯示屏對應輸出400 A；顯示有功能耗和無功能耗、功率因數(shù)以及頻率。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 計量芯片基本電路

由于該款電能計量芯片自身的特點原因，只需要給其輸入電力機車運行時的電壓以及電流信號，芯片內(nèi)部自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器會自動計算出電力機車運行時的電能消耗以及瞬時功率等數(shù)據(jù)。因此，只需設(shè)計出安全、合理的交流電壓及交流電流的基本輸入電路，便可測得電力機車運行時的瞬時功率以及總的電能消耗。該款電能表的電能計量芯片基本電路原理如圖2 所示。

圖2 電能計量芯片基本電路圖

2.2 交流電壓采集電路

由總體設(shè)計框圖可以看出，交流電壓經(jīng)電壓采樣電路后給電能計量芯片輸入電壓信號，由圖2電能計量芯片的基本電路可以看出，電壓采樣電路采用HKPT 31C 電流型電壓互感器，該型號電壓互感器一方面起到安全隔離作用，另外，其初、次級匝比為1∶1，輸入的100 V 交流電壓不能直接施加于初級繞組，需串入阻值為120 kΩ的限流電阻將電壓信號轉(zhuǎn)換為毫安級電流，次級輸出的毫安級電流信號經(jīng)并聯(lián)的150 Ω電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，最后由并聯(lián)電阻分壓，經(jīng)濾波電容后接入CS5463電能計量芯片的VIN+和VIN-引腳。

2.3 交流電流采集電路

由總體框圖可以看出，交流電流經(jīng)電流采樣電路后給電能計量芯片輸入電流信號，出于安全考慮，由圖2 電能計量芯片的基本電路可以看出，該設(shè)計電流采樣電路的電流互感器HKCT21BM，由于CS5463 的電流檢測實際上是將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘柡蟮碾妷簷z測，所以在設(shè)計電路時會在電流互感器的二次側(cè)并聯(lián)一電阻，將一次側(cè)輸入的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再通過限流電阻和濾波電容將電壓信號輸入到電能計量芯片的電流檢測管腳IIN+和IIN-[4-6]。

交流電壓和電流信號輸入CS5463 電能計量芯片后，電壓信號會經(jīng)10 倍增益放大器放大，然后由其內(nèi)部集成的Δ-Σ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化；電流信號會經(jīng)過芯片內(nèi)部的PGA，使輸入峰值電壓可選擇為±250 mV 或±50 mV，再通過芯片內(nèi)部集成Δ-Σ 模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化[7-10]。

2.4 電能計量芯片輸出模式控制電路

CS5463 芯片的18、21 和22 引腳分 別控制 著該款電能計量芯片的不同工作模式，當外部電路分別給不同引腳輸入脈沖時，電能計量芯片向單片機傳輸不同的測量量。其外部脈沖輸入電路設(shè)計如圖3 所示，該模塊采用HEF40106 六反相施密特觸發(fā)器與光耦PIC817，連接到電能計量芯片的E1、E2、E3 引腳，電能計量芯片內(nèi)部含有電能轉(zhuǎn)換脈沖模塊，對應分別輸出有功電能、視在電能和無功電能[11-13]。

圖3 外部脈沖輸入電路

2.5 系統(tǒng)工作電源變換電路

在中央處理器電源供電模塊中，列車上直流110 V 電壓經(jīng)過壓敏電阻、保險絲與兩個共模電感連接，壓敏電阻與保險絲的存在可以防止輸入電壓過大損壞元器件，共模電感的存在會過濾電磁干擾，然后接到降壓電源模塊，將110 V 電壓降到單片機用5 V 直流電壓，再接到單片機供其正常工作使用，電路原理圖如圖4 所示。

圖4 直流電源降壓模塊

2.6 微處理器

電能表的微處理器采用了Dspic30f4011 芯片，該芯片的最小系統(tǒng)電路原理如圖5 所示。系統(tǒng)采用微處理器來控制CS5463 的檢測過程和數(shù)值顯示，電能表上電后處理器首先讀取存儲單元數(shù)據(jù)，會直接顯示于顯示屏上，按下復位按鍵系統(tǒng)初始化，電能計量芯片對輸入的交流電壓以及交流電流信號進行采樣，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過芯片內(nèi)部Δ-Σ 數(shù)模轉(zhuǎn)換器處理，微處理器讀取數(shù)據(jù)后顯示于顯示屏。由圖5 可以看到，電能計量芯片CS5463 的5、6、7 腳通過串行總線的方式分別與微處理器的24、26、30 引腳連接。另外，微處理器與顯示屏通過SPI 總線的方式進行連接，由圖5 也可以看出，顯示器與位處理器的2～9 引腳通過總線連接[14-16]。

2.7 按鍵模塊

電能表的按鍵模塊電路原理如圖6 所示，系統(tǒng)上電后顯示屏會直接顯示微處理器讀取有功電能的數(shù)據(jù)，通過按動按鍵，顯示屏顯示數(shù)據(jù)會翻頁顯示出所測量的不同數(shù)據(jù)：有功功率、無功功率、無功電能以及有功電能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖5 微處理器最小系統(tǒng)

圖6 按鍵模塊

該系統(tǒng)采用MPLAB IDE 編程環(huán)境，該開發(fā)環(huán)境使用內(nèi)部編輯器創(chuàng)建和編輯源代碼，可在線調(diào)試程序，在觀察窗口觀測變量，調(diào)試完成可使用MPLAB IDE2 編程器對單片機進行程序燒寫。系統(tǒng)主程序主要包含模塊初始化子程序、電能計量模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、按鍵模塊以及精度調(diào)節(jié)子程序等，該部分是整個系統(tǒng)的核心，可以實時測量瞬時電壓和瞬時電流，經(jīng)電能計量芯片處理實時輸出瞬時功率，并計算出實時能耗。其主流程圖如圖7 所示。

4 實物調(diào)試

電能計量裝置實物如圖8 所示。此次設(shè)計的電能表采用YT3301 便攜式電能表檢驗裝置（如圖9）來檢驗產(chǎn)品的精度，首先該檢驗裝置可以根據(jù)需要設(shè)置為列車在各種不同的負載情況下運行，其次輸入的交流電壓、電流也可以根據(jù)不同運行條件設(shè)置為不同參考值。檢測輸入交流電壓100 V,交流電流5 A，直流電壓110 V，調(diào)節(jié)系統(tǒng)使輸入交流電流分別為0.05Ib、0.1Ib、0.2Ib，再在輸入電流不變的情況下，使功率因數(shù)分別為1.0、0.5L、0.5C、0.8L、0.8C，測試結(jié)果如表1 所示（Ib=5 A，Imax=8 A）。由測量數(shù)據(jù)可以看出，該電能計量裝置測量精度達到設(shè)計要求。

圖7 系統(tǒng)主流程圖

圖8 電能表實物圖

圖9 電能表精度檢驗裝置

5 結(jié)論

文中主要介紹了電能表電能計量模塊硬件電路的設(shè)計，采用電能計量芯片CS5463 和微處理器Dspic30f4011，并在MPLAB IDE 編程環(huán)境下編寫程序。該電能表經(jīng)過專用設(shè)備在各種負載情況下檢測，均能達到設(shè)計要求，有功、無功功率精度均達到國家一級標準，且運行穩(wěn)定，該電能表具有精度高、成本低等優(yōu)點，此款電能表現(xiàn)已成功應用到電力機車上。此外，該電能表還可根據(jù)不同需求來改進功能，如加入通訊模塊、以太網(wǎng)等。

表1 電能表精度檢測