ステータ電流による鉱石重量の測定。 練習。 パート1. MKの信号処理アルゴリズム

前の記事では、エンジンを持ち上げるときに発生する力を測定することにより、サイロ容器内の鉱石の重量を測定する基礎を理論的に調べました。 回路は、MKで処理するためにモーターステーターの電流信号と電圧信号を準備しました。 この記事では、MKの持ち上げられた負荷の質量を計算するソフトウェア実装を検討します。 MK用のプログラムの作成を開始するには、MKでこれらの信号を適切に処理する方法を理解する必要があります。 それでは始めましょう。



電流信号と電圧信号は正弦波信号であり、基本的には供給ネットワークの主要な周波数（実際には50 Hz）を含んでいます。 電源電圧の高調波やその他のコンポーネントについては説明しません。それらは存在し、ネットワークの品質と電気モーターの動的特性に影響を与えます。 どの生産においても、彼らは可能な限り戦われているので、それらの影響は、取るに足らないものではないが、まだ小さい。 これにこだわることはありません。

そして再び、式と少しの理論

アナログ入力MKに供給される電圧信号のグラフを考えます。 すべての計算、結論は現在の信号に対して完全に当てはまります。







正弦波の仮想ゼロは、回路のオペアンプの人工アースである1.5ボルトのレベルにあります。 実効電圧値を計算するには、次の式を使用する必要があります。



ご覧のとおり、正弦波全体が正であり、この式を直接使用しても実際のデータは得られません。 つまり、ADCから読み取った読み取り値は、正弦波信号の現実に合わせて、つまり正と負の半波でスケーリングする必要があります。 このためには、読み取られたADCコードから、人工の土地、中間点に対応するADCコードを減算する必要があります。 つまり、式は次の形式になります。



ADCコード計算は、いくつかの方法で実装できます。

• ミッドポイントドライバーからMKのアナログ入力に電圧を設定し、電圧測定の開始時にADCコードを読み取り、計算に使用します。
• このような測定には、高精度の電圧基準源と安定化されたアナログ回路電源の使用が必要であるため、回路のセットアップ後にADC値を一度計算し、将来この値を使用できます。
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この実装では、2番目の方法を使用しますが、使用する各チャネルのAOCの値を決定するこの手順をわずかに自動化します。 しかし、エンジンの前を走らないようにしましょう。



電源電圧の期間（つまり、サンプリング周波数）で測定値が多いほど、計算の精度が高くなります。 チャネルをスキャンした後、新しい測定を開始する前に取得した結果を処理すると、この周波数に制限が課せられます。 ここでは、このタスクが委任されるMKの常識とハードウェア機能を使用してアプローチする必要があります。 1つの期間ではなく、複数の期間で測定を行うと、精度が向上します。 主な条件は、調査対象の信号の周期の倍数が測定回数に適合することです。



電流信号の場合、電圧だけでなくすべてが正確です。



有効電力を計算するには、次の式を使用します。



現実を考慮して書き直します。



したがって、同時に、2つのADCチャネル（電圧と電流）から読み取り値を取得し、必要な計算を行って、次の測定などに進む必要があります。 ここからそのようなアルゴリズムが生まれます。

MKの値を測定するためのアルゴリズム。

1. 信号レベルを変更するためのハードウェア割り込みハンドラーでMKレッグに巻き上げられる測定開始の検出器からの信号に従って、電流および電圧信号を測定するときにタイマーを開始して、等しい時間間隔をカウントします。 測定カウンターを0に設定します。
2. タイマーからの割り込みにより、2つのアナログチャネルからADCコードを読み取ります。 予備的な信号処理に必要な計算を行います。 測定カウンタを1増やします。カウンタ値がN測定の目的の値に達していない場合は、手順2の最初に進みます。
3. 測定数がNの場合、タイマーを停止します。 測定終了のフラグを設定します。
4. メインサイクルでは、測定終了のフラグにより​​、測定データに基づいて最終的な計算を行います。
5. すべての計算の後、測定の開始の検出器からの中断を開始し、すべての反復が再び繰り返されます。

MKプログラムはそこで停止しません。 測定と計算の結果は、ディスプレイの形で人とやり取りするか、インターフェイスを介してPCに送信するか、別のディスプレイデバイスまたはデバイスとの通信を整理する必要があります。 この実装では、MKはModBus RTUプロトコルを使用するRS-232インターフェイスを介してPCと対話します。 MKでのこのプロトコルの実装は複雑ではなく、MKのハードウェアリソースを必要としません。

ハードウェアプラットフォームの選択と信号処理サンプルレートの計算

このタスクのMKハードウェアプラットフォームの要件は、それほど高くありません。 8ビットマイクロコントローラーは、このタスクに完全に対応します。 MKでのプログラムの動作と得られた結果を視覚化するために、Proteusシミュレーターを使用します。 この問題を解決するための原則を理解するには、これで十分です。 このシミュレータは、多種多様なMKをサポートしていますが、すべてではありません。 この実装では、PIC18FファミリのMicrochip社のMKの例を示します。 このMKのモデルはプロテウスです。



MK PIC18F2580。 その主な特徴を考慮してください。 メーカーのウェブサイトにアクセスして、このファミリのデータシートをダウンロードします。 このMKの「機能」の表を次に示します。





サンプリングレートを計算するには、つまり 時間はハードウェアタイマーからの割り込みであるため、2チャネルのADCの変換時間、測定の中間結果を実行し、プログラムコードの残りの実行に少し時間をかける時間を計算する必要があります。 そして、この時間が不十分であることが判明した場合、それを増やすことは理にかなっています。



中間計算では、測定値と合計を二乗し、測定数で除算して平方根を抽出する必要があります。 整数でさえ除算することは、速度の点でMKにとってかなり高価な操作であるため、ビットシフトに置き換えることをお勧めします。つまり、測定数を2の倍数にする必要があります。



他のすべての変換は、タイマーが停止した後、つまりメインプログラムループの割り込みの外側で発生します。

このMKのADCでの変換結果は10ビット値になり、2乗した後、20ビット値になります。 ADC測定値の2乗和、つまり32ビットを保存する4バイトのレジスタを定義してみましょう。したがって、32ビットのレジスタがオーバーフローするまでの測定値の最大数は2 ^ 12です。 まともな値。 符号値がある有効電力を計算するには、1ビットにアクセスできなくなります。 したがって、測定の数は2 ^ 11に削減されます。 常識を加えて、測定数N = 2 ^ 9 = 512に制限してください。



ここで、測定数に適合する完全な期間の数を決定します。 まず最初に、5つのフルピリオドを取ります。 タイムラインで100ミリ秒。 したがって、ハードウェアタイマーのオーバーフロー時間はT = 100ms / 512 = 195.3125μsです。 したがって、サンプリング周波数f = 1 / T = 1 / 195.3125 * 10-6 = 5120 Hz。 MKの精度と必要な速度の両方について、かなり正気です。



特定のMKに対する1つの命令の実行時間は最大0.1μsです。 したがって、次の割り込みまでのハードウェアタイマーの「チック」の間、1953,125命令を処理できます。これは間違いなく、「頭」で十分です。 ただし、結果の数値は整数ではありません。 また、ハードウェアタイマー（8または16ビット）のクロッキングは、PLLを4で割った後の周波数に等しいクロックから発生します。つまり、512の等しい測定間隔で正確に100 msをカウントするようにタイマーを設定することはできません。 。 いつものように、いくつかの方法があります。

• 整数の多重度ではなく、石英を見つけます。 たとえば、6.4 MHzで
• 500度の測定に制限されます。つまり、2次ではなく、メインサイクルで除算を行い、ビットシフトは行いません。

他のメーカーやアーキテクチャのMKでは、このような問題は発生しない場合があります。



この例では、「エキゾチックな」水晶振動子を探しません。 そのため、数学演算を備えたMKプロセッサを少しロードします。



小計



電源電圧の全5周期にわたる測定数は500です。これは、ハードウェアタイマーの時間間隔が200μsであることを意味します。 この場合のサンプリング周波数は5000 Hzです。

ADCおよびMKタイマー設定

PIC18F2580ファミリのデータシート、特にADCに関連するすべてのものを見てみましょう。 ADCを使用して測定を行うには、いくつかの側面をガイドする必要があります。

• チャネルをADCモジュールに接続した後、モジュール内でコンデンサが完全に充電されるのを待つ必要があります。
• 10ビット変換では、時間がかかります。

データシートによると、10ビットの変換には11 Tadが必要です。 ここで、Tadは2μs以上である必要があります。 これにより、変換の最大精度が保証されます。



チャネルをADCモジュールに接続した後、ADCモジュールのコンデンサを充電するのに必要な時間は、データシートの上記の手順を使用して計算できます。 ここでは、計算に必要なデータを示す例を検討します。 時間の計算に含まれる値は、回路の設計とプリント基板のトポロジに依存します。 そのため、この記事ではそれらは考慮されず、データシートから例を取り上げます。



ADCモジュールのコンデンサを充電するのに必要な時間は、12.86μsの例から取られています。 変換の時間は、不等式Tad> = 2μsに基づいて計算します。 変換クロックはADCON2レジスタで設定されます。 また、次の意味があります。

• 2トスク
• 4トスク
• 8トスク
• 16トスク
• 32トスク
• 64トスク
• 内部RCオシレーター

私たちの場合、PLLの後にMKが40 MHzからクロックされると、Tosc = 0.1μs、したがってTad = 3.2μs、つまり32 Toscです。



合計で、1つのADC変換には、Tacp = 12.86 + 11 * 3.2 = 48.06μsの時間がかかります。 2つのチャネルの場合、96.12μs。 200 usのハードウェアタイマーオーバーフローがあります。 その結果、すべての計算について、200-96.12 = 103.88μsが残ります。 十分なはずです。

ADCからの値を処理するためのタイマーを設定します。



TMR0モジュールを使用します。 8ビットモードと16ビットモードの両方で機能します。 彼には仕切りがあります。 外部ソースと内部ソースの両方からクロックされます。



200μsの正確な時間間隔を確保するには、タイマーからの割り込み中に、0以外のプリセット値をロードする必要があります。

結果を表示する

外部と通信するために、ModBus RTUプロトコルを実装した通常のUSART周辺モジュールを使用します。 この記事では、PIC16FファミリのMKのソフトウェア実装について説明します 。 プログラムを作成するときに、レジスタテーブルに入力します。



プロテウスシミュレーターを使用すると、仮想および物理の両方のシステムのCOMポートで動作するコンポーネントを使用できます。 ModBus RTUプロトコルを使用するデータの最終消費者として、原則として、あらゆる企業のOPCサーバーを使用します。 OPCサーバーはポーリングを提供し、独自のツール（この場合は完全なセット）でポーリング結果を表示します。 OPCデータを多くのサードパーティアプリケーションに送信できます。 たとえば、SCADAパッケージ。



クロック周波数と必要な交換レートから開始して、USARTモジュールを構成します。

中間点計算プロセスの自動化

記事の冒頭で、各チャネルの中点ADCコードの計算が自動化されることが発表されました。

「使用する各チャネルのAOC0の値を決定するために、この手順をわずかに自動化します。」

そのような自動計算のアルゴリズムを見てみましょう。



rms値を計算して信号を測定します。 デバイスの電源を入れた最初の瞬間に、両方のチャネルのALCコードの不揮発性メモリにゼロが記録されました。 できればソースで、信号、電流および電圧トランスのソースをオフにしてください。 これは、中点の定電圧がADCの入力に到達することを意味し、長いケーブルラインから何らかの干渉が生じる可能性があります。 信号を測定するための組み込みアルゴリズムに従って、定電圧のrms値を計算します。 たとえば、ModBus RTUプロトコルを使用するネットワーク経由のコマンドにより、これらの計算値を対応するチャネルのASCに入力し、不揮発性メモリのデータを更新します。 安定化されたアナログ回路の供給と正確な電圧基準源の使用によるこれらの値は、実際には時間とともに変化しません。



将来、デバイスの操作中に、これらの作業を実行してASCを修正することが可能になります。 ここで、もしあれば、ケーブルラインの一定の成分をフィルタリングすることができます。 さらに、別の方法で、十分な精度で、マイクロ回路の後の電流入力の中点を計算することはできません。

おわりに

変圧器からの信号を測定するためのアルゴリズムを検討しました。 MKハードウェアモジュールに必要な設定を分析しました。 それでは、MKの実際のプログラムの作成を始めましょう。



PS

この記事は非常に広範囲にわたることが判明したため、 次の出版物で、ソースコードの例とともに、結果のプログラムの説明を直接検討します。