מדידה מבודדת ביישומים סולאריים

מבוא

מדידות מתח וזרם ביישומי שמש דורשות טכניקות מדידה מבודדות. מבואות DSP sinc ביחד עם ה-ADC המבודד AD7401A מהוות רק דוגמה אחת משרשרת האותות המציעה מדידות מבודדות כעין אלה.

איור 1. שרשרת האותות של מהפך שמש PV

מסמך זה מתאר את שרשרת האותות האופיינית של יישום מדידה המתוכנן תוך שימוש בהתקני ADSP-CM403xy ו-AD7401A.

מערכת מהפך PV שמש

מהפך PV שמש ממיר הספק מלוח השמש ופורס הספק זה ביעילות אל סריג השירות (utility). הספק מלוח השמש, שהוא בסיסית מקור זרם dc, מומר לזרם ac ומוזן אל סריג השירות במופע עם תדר הסריג וברמת יעילות מאוד גבוהה. להמרה יכולים להיות שלב אחד או יותר (ראה איור 1). שלב 1 הוא המרה אופיינית dc ל-dc בו המתח הנמוך והזרם הגבוה של מוצא לוח השמש מומרים למתח גבוה וזרם נמוך. הסיבה לכך היא להעלות את המתח עד לרמה תואמת את מתח השיא של הסריג. שלב 2 הוא אופיינית המרה של מתח וזרם dc למתח וזרם ac, תוך שימוש בטופולוגיית גשר ה-H.

ה-AD7401A הוא מאפנן סיגמה-דלתא (Ʃ-Δ) מסדר שני, הממיר אות מבוא אנלוגי לזרם נתונים מהיר -1ביט עם בידוד דיגיטלי על-השבב מבוסס על טכנולוגיית ^®iCoupler. ה-AD7401A פועל מספק כוח של 5 וולט ומקבל אות מבוא הפרשי של ±250mV . המאפנן האנלוגי, המבטל את הצורך במעגל הדגם והחזק חיצוני, דוגם בקביעות את המבוא האנלוגי. מידע המבוא כלול בזרימת המוצא בתור צפיפות של אחדים בעלי קצב נתונים של עד 20 מגה-הרץ. המידע המקורי משוחזר בעזרת מסנן דיגיטלי מתאים, כלומר מסנן sinc. צד המעבד (לא מבודד) יכול להשתמש בהספקה של 5 וולט או 3 וולט (VDD2).

דוגמת מעגל – תאור

איור 2. מעגל מתח מבודד

מבוא ה-ac אל המאפנן Δ-Ʃ הוא גל סינוסי המייצג 220V rms מסריג בעל מופע יחיד. מחלק נגדים מקטין את תחום המבוא לזה של תחום המבוא המוצג של ה-ADC. מסנן מבוא מקטין את הרעש במבואות.

מוצא המאפנן Δ-Ʃ מכיל שני אותות: מבוא שעון מהיר מהמעבד ADSP-CM403xy DSP ואות נתונים המכיל את הנתונים המאופננים. נתונים אלה ניתן להעביר כמבוא ישיר למסנן sinc3 שם הנתונים יכולים להיות מומרים ישירות לתוצאת ADC. דוגמה של נתונים אלה מוצגת להלן.

בתחום הנמוך של ה-/ADC לאות המבוא יש רוחב פולס צר, בעוד בסוף הגבוה של הסקלה רוחב הפולס הוא במרב. כאשר מועברים דרך מסנן sinc, נתוני המוצא מוצגים בקו האלכסוני. ה-AD7401A יכול לפעול במתחים עד התחום החד-קוטבי של 891 וולט, או תחום דו-קוטבי של 565 וולט, על-פני מחסום הבידוד שלו: פולימיד של 20µm. מידע נוסף על כך ועל האישורים השונים ניתן למצוא בדפי הנתונים הרלוונטיים.

ADSP-CM403XY SINC3 – גוש היקפי

הדיאגרמה המלבנית מראה ארבעה זוגות מסנני sinc , שני מקורות שעון מאפנן ושני גושי אוגרי בקרה (יחידות). המודול מקבל ארבעה זרמי ביטים -ΔƩ מפיני המבוא של ה-GPIO ומפנה שני מקורות שעוני אפנון אל פיני המוצא של ה-GPIO. אות אפנון רוחב הפולס (PWM) מסנכרן את שעון האפנון כדי לייטב את ביצועי המערכת. כל זוג מסנני sinc כולל את המסנן הראשוני, המסנן המשני, ממשק DMA ותפקודי גילוי גבול עומס-היתר. המסנן sinc הראשוני מעביר את הנתונים לזיכרון תוך שימוש ב-DMA. מסנן ה-sinc במשני יוצר אותות עומס-יתר, שניתן להפנות דרך יחידת ניתוב התיחול (trigger routing unit – TRU) לשם המעדה של מאפנן PWM ולשם ייצור ניתוק.

כאשר משתמשים ב-AD7401A, ההתקן מוגדר בקצב decimation (decimation rate – DR) של 256. אולם, ניתן להשתמש בהתקן זה בקצבי decimation אחרים.

עבור DR=256, התגובה של מסנן sinc מוצגת באיור 5a ו-5b להלן.

מסנן דיגיטלי

איור 3. נתוני
דוגמה של
המאפנן

למסנן ה-sinc יש פונקציית מעבר המובילה עצמה למימוש בלוגיקה דיגיטלית, תוך שימוש בסדרת פונקציות של סיכום ו-decimation. מטרת המסנן היא להסיר את שעון הדגימה של המאפנן ולהשיב ערך דיגיטלי של האות הנדגם. תכנון המסנן תואם מאפנן -ΔƩ דו-קוטבי, תוך יצירת צפיפות פולסים של 50% עבור מבוא של 0 וולט, מעל 50% עבור מבואות חיוביים ופחות מ-50% עבור מבואות שליליים, כמוצג באיור 6.

המסנן הדיגיטלי הוא מערך של מצברים המוזן על-ידי שעון האפנון (M_CLK), שלאחריו סדרת מגברי שרת (differentiators) המוזנת על-ידי שעון ה-decimation( (D_CLK. מצברי המבוא ממירים את תזרים הביט במבוא למילה רב-בייטית, בשעה שמגברי השרת במוצא מזינים את הממוצעת היחידה של תזרים הביטים.

איור 4. דיאגראמה מלבנית של ADSP-CM403 היקפי
Sinc

מספר שלבי המצבר ומגבר השרת יכול להיות שלושה או ארבעה, תלוי בסדר המסנן. שבח ה-DC ורוחב הפס של המסנן תלויים בסדר המסנן (filter order – 0) וקצב ה-decimation (D) שהוא היחס של המאפנן לשעון ה-decimation. פונקציית המעבר של מסנן ה-sinc מיוצרת על-ידי הכפל של פונקציות המעבר עבור המצברים ומגברי השרת, והיא נתונה בתחום z על-ידי H(x)=[1/Dx1-z-D/1-z1] 0

כיוון של נתוני PWM ו-sinc

איור Sinc Decimation Rate=256 )a( .5 ו-) )b
רצפת הרעש של המודול

הגוש ההיקפי של sincוה-PWM פועלים באופן טבעי על אותו שעון מערכת ב-ADSP-CM403, לרוב ב-100 מגה-הרץ. ה-PWM וה-sinc ניתנים לסנכרון כך שניתן לקבל את הנתונים בזמן המתאים ובקצב הזהה לאלגוריתם הבקרה. דבר זה מכוון לרוב עם צורת הגל של רמת ה-PWM. הדיאגרמה להלן מציגה דוגמה של התזמון הדרוש כדי להשתמש במבוא sinc לשם סנכרון אל הסריג. כאשר ה-PWM פועל ב-20 קילו-הרץ (50 מיקרו-שניות), אות ה-PWM_SYNC (הדרוש לשם סנכרון גושי ה-PWM או PWMs חיצוניים מ-DSPs שונים) קורה במרכז של צורת הגל של ה-PWM, שם קורה מעט מיתוג. כדי לכוון את נתוני ה-sinc, קצב השעון עבור ה-AD7401A צריך להיות מכוון ל-10.24 מגה-הרץ עם קצב decimation של 256 (מצוין בדף הנתונים של ה-AD7401A. דבר זה נותן קצב מילים של -16ביט של 40 קילו-הרץ (50µs);

איור 6. דיאגרמה מלבנית של מסנן ADSP-CM403 Sinc

פעמיים זה של תדר ה-PWM. מאחר שה-sinc ניתן לכיוון עם המוצא של ה-PWM_ SYNC, כמוצג בדיאגרמה להלן, ה-sinc ייצור עתה שני מוצאי נתונים בכל מחזור של ה-PWM. מילות המוצא יהיו זמינות ב-SRAM באות ה-