基于CS5463 芯片的轨道车辆能耗计量装置

井明忠，赵颖异，曾洁

（大连交通大学电气信息工程学院，辽宁大连 116028）

随着我国铁路电气化的快速发展，电力牵引机车越来越普及，轨道交通运输对电能的消耗也越来越大。为了降低轨道交通运输所造成的能耗以及减排，对电力牵引机车能效提出更高要求。为此，对轨道车辆运行的电能消耗进行准确计量非常有必要。由于我国现存轨道车辆数量庞大，研究开发一款能够准确计量轨道车辆电能消耗的计量装置在铁路现场具有很大的需求和发展空间。准确计量轨道车辆电能消耗对于科学统计轨道交通运输成本、机车技术改造以及科学地指导司机节能驾驶有非常重要的意义[1-3]。

1 系统总体结构与主要技术参数

文中设计的电能计量装置的无功功率精度要求达到国家二级标准，有功功率要求达到国家一级标准。另外，由于所设计的装置要适应全天候和强电磁工作环境，因此该装置要求具有高可靠性、高测量精度以及较强的抗电磁干扰能力等特性。

1.1 系统总体结构

根据电能表的实际工作环境以及设计要求，该款电能表的总体设计框图如图1 所示。

图1 电能表总体设计框图

1.2 系统的主要参数

1）系统工作电源：直流5 V，经由直流110 V 电源降压产生；

2）电压通道输入范围：交流0～150 V，额定电压为100 V；

3）电流通道输入范围:交流0～8 A，额定电流为5 A；

4）电压变比：25 000/100；

5）电流变比：400/5；

6）精度等级：有功功率一级，无功功率二级；

7）显示模式：100 V 交流电压输入，经系统标量变换在显示屏对应输出25 000 V；5 A 交流电流输入，经系统标量变换在显示屏对应输出400 A；显示有功能耗和无功能耗、功率因数以及频率。

2 系统硬件电路设计

2.1 计量芯片基本电路

由于该款电能计量芯片自身的特点原因，只需要给其输入电力机车运行时的电压以及电流信号，芯片内部自带的模数转换器会自动计算出电力机车运行时的电能消耗以及瞬时功率等数据。因此，只需设计出安全、合理的交流电压及交流电流的基本输入电路，便可测得电力机车运行时的瞬时功率以及总的电能消耗。该款电能表的电能计量芯片基本电路原理如图2 所示。

图2 电能计量芯片基本电路图

2.2 交流电压采集电路

由总体设计框图可以看出，交流电压经电压采样电路后给电能计量芯片输入电压信号，由图2电能计量芯片的基本电路可以看出，电压采样电路采用HKPT 31C 电流型电压互感器，该型号电压互感器一方面起到安全隔离作用，另外，其初、次级匝比为1∶1，输入的100 V 交流电压不能直接施加于初级绕组，需串入阻值为120 kΩ的限流电阻将电压信号转换为毫安级电流，次级输出的毫安级电流信号经并联的150 Ω电阻转换成电压信号，最后由并联电阻分压，经滤波电容后接入CS5463电能计量芯片的VIN+和VIN-引脚。

2.3 交流电流采集电路

由总体框图可以看出，交流电流经电流采样电路后给电能计量芯片输入电流信号，出于安全考虑，由图2 电能计量芯片的基本电路可以看出，该设计电流采样电路的电流互感器HKCT21BM，由于CS5463 的电流检测实际上是将电流信号转变为电压信号后的电压检测，所以在设计电路时会在电流互感器的二次侧并联一电阻，将一次侧输入的电流信号转化为电压信号，再通过限流电阻和滤波电容将电压信号输入到电能计量芯片的电流检测管脚IIN+和IIN-[4-6]。

交流电压和电流信号输入CS5463 电能计量芯片后，电压信号会经10 倍增益放大器放大，然后由其内部集成的Δ-Σ 模数转换器数字化；电流信号会经过芯片内部的PGA，使输入峰值电压可选择为±250 mV 或±50 mV，再通过芯片内部集成Δ-Σ 模数转换器数字化[7-10]。

2.4 电能计量芯片输出模式控制电路

CS5463 芯片的18、21 和22 引脚分 别控制 着该款电能计量芯片的不同工作模式，当外部电路分别给不同引脚输入脉冲时，电能计量芯片向单片机传输不同的测量量。其外部脉冲输入电路设计如图3 所示，该模块采用HEF40106 六反相施密特触发器与光耦PIC817，连接到电能计量芯片的E1、E2、E3 引脚，电能计量芯片内部含有电能转换脉冲模块，对应分别输出有功电能、视在电能和无功电能[11-13]。

图3 外部脉冲输入电路

2.5 系统工作电源变换电路

在中央处理器电源供电模块中，列车上直流110 V 电压经过压敏电阻、保险丝与两个共模电感连接，压敏电阻与保险丝的存在可以防止输入电压过大损坏元器件，共模电感的存在会过滤电磁干扰，然后接到降压电源模块，将110 V 电压降到单片机用5 V 直流电压，再接到单片机供其正常工作使用，电路原理图如图4 所示。

图4 直流电源降压模块

2.6 微处理器

电能表的微处理器采用了Dspic30f4011 芯片，该芯片的最小系统电路原理如图5 所示。系统采用微处理器来控制CS5463 的检测过程和数值显示，电能表上电后处理器首先读取存储单元数据，会直接显示于显示屏上，按下复位按键系统初始化，电能计量芯片对输入的交流电压以及交流电流信号进行采样，采样数据经过芯片内部Δ-Σ 数模转换器处理，微处理器读取数据后显示于显示屏。由图5 可以看到，电能计量芯片CS5463 的5、6、7 脚通过串行总线的方式分别与微处理器的24、26、30 引脚连接。另外，微处理器与显示屏通过SPI 总线的方式进行连接，由图5 也可以看出，显示器与位处理器的2～9 引脚通过总线连接[14-16]。

2.7 按键模块

电能表的按键模块电路原理如图6 所示，系统上电后显示屏会直接显示微处理器读取有功电能的数据，通过按动按键，显示屏显示数据会翻页显示出所测量的不同数据：有功功率、无功功率、无功电能以及有功电能。

3 系统软件设计

图5 微处理器最小系统

图6 按键模块

该系统采用MPLAB IDE 编程环境，该开发环境使用内部编辑器创建和编辑源代码，可在线调试程序，在观察窗口观测变量，调试完成可使用MPLAB IDE2 编程器对单片机进行程序烧写。系统主程序主要包含模块初始化子程序、电能计量模块、数据存储模块、按键模块以及精度调节子程序等，该部分是整个系统的核心，可以实时测量瞬时电压和瞬时电流，经电能计量芯片处理实时输出瞬时功率，并计算出实时能耗。其主流程图如图7 所示。

4 实物调试

电能计量装置实物如图8 所示。此次设计的电能表采用YT3301 便携式电能表检验装置（如图9）来检验产品的精度，首先该检验装置可以根据需要设置为列车在各种不同的负载情况下运行，其次输入的交流电压、电流也可以根据不同运行条件设置为不同参考值。检测输入交流电压100 V,交流电流5 A，直流电压110 V，调节系统使输入交流电流分别为0.05Ib、0.1Ib、0.2Ib，再在输入电流不变的情况下，使功率因数分别为1.0、0.5L、0.5C、0.8L、0.8C，测试结果如表1 所示（Ib=5 A，Imax=8 A）。由测量数据可以看出，该电能计量装置测量精度达到设计要求。

图7 系统主流程图

图8 电能表实物图

图9 电能表精度检验装置

5 结论

文中主要介绍了电能表电能计量模块硬件电路的设计，采用电能计量芯片CS5463 和微处理器Dspic30f4011，并在MPLAB IDE 编程环境下编写程序。该电能表经过专用设备在各种负载情况下检测，均能达到设计要求，有功、无功功率精度均达到国家一级标准，且运行稳定，该电能表具有精度高、成本低等优点，此款电能表现已成功应用到电力机车上。此外，该电能表还可根据不同需求来改进功能，如加入通讯模块、以太网等。

表1 电能表精度检测