Измерение сигналов в системах солнечных панелей при помощи аппаратного модуля sinc процессора ADSP-CM403 с обеспечением гальванической развязки

Инвертр фотоэлектрической солнечной панели

Инвертр фотоэлемента солнечной панели осуществляет эффективное преобразование энергии, получаемой от солнечной панели, для передачи в энергосеть. Постоянный ток, источником которого является солнечная панель, преобразуется с высоким КПД в переменный ток с частотой энергосети. Преобразование может выполняться в одном или нескольких последовательных каскадах (рис. 1).

Рис. 1. Сигнальная цепочка инвертра фотоэлектрической солнечной панели на базе компонентов Analog Devices

Первым каскадом, как правило, является преобразователь постоянного напряжения, в котором низкое напряжение и высокий ток солнечной панели преобразуются в высокое напряжение и низкий ток. Это делается для того, чтобы поднять напряжение до уровня, совместимого с пиковым напряжением энергосети. Второй каскад обычно выполняет преобразование постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток и, как правило, реализуется на базе Н‑образного моста.

Принцип работы АЦП AD7401A

AD7401A — это ΣΔ-модулятор второго порядка, который выполняет преобразование аналогового входного сигнала в высокоскоростной битовый поток цифровых данных и содержит интегрированную схему гальванической развязки на базе разработанной компанией Analog Devices технологии iCoupler. AD7401A работает с напряжением питания 5 В и имеет допустимый диапазон входных дифференциальных сигналов ±250 мВ (при полной шкале преобразователя ±320 мВ). Аналоговый модулятор, избавляющий от необходимости во внешней схеме выборки и хранения, осуществляет непрерывное преобразование аналогового входного сигнала.

Информация о входном сигнале кодируется в виде плотности единиц в выходном потоке с частотой смены символов до 20 МГц. Исходная информация восстанавливается при помощи специального цифрового фильтра, который носит название sinc-фильтр. Часть компонента со стороны, подключаемой к процессору (неизолированная сторона), может работать с напряжением питания 5 или 3 В (V_DD2).

Пример схемы

Входной сигнал ΣΔ-модулятора представляет собой переменный синусоидальный сигнал, соответствующий напряжению однофазной сети со среднеквадратическим значением 220 В. Диапазон входного напряжения сокращается до уровней, с которыми может работать АЦП, при помощи резистивного делителя. Входной фильтр обеспечивает ослабление шума на входах устройства (рис. 2).

Рис. 2. Схема с гальванической развязкой напряжения

На выходной стороне интерфейс ΣΔ-модулятора включает в себя два сигнала: высокочастотный тактовый сигнал, получаемый от цифрового сигнального процессора ADSP-CM403xy, и выходной модулированный сигнал данных. Цифровой выходной поток может быть подан напрямую на фильтр sinc3, который формирует окончательный многоразрядный результат преобразования.

Пример выходного потока данных модулятора показан на рис. 3.

Рис. 3. Пример выходного потока данных демодулятора

Входному сигналу в нижней части рабочего диапазона напряжений АЦП соответствуют короткие единичные импульсы, а при достижении входным сигналом верхней части рабочего диапазона напряжений длительность импульсов близка к максимальной. Выходной сигнал, получаемый при прохождении такого потока через sinc-фильтр, показан на рис. 3 диагональной кривой.

В AD7401A применяется изоляционный барьер из полиимидного слоя толщиной 20 мкм, разность напряжений на двух сторонах которого может составлять до 891 В (однополярные напряжения) или 565 В (биполярные напряжения). Дополнительную информацию об этой технологии гальванической развязки и сертификации в соответствии со стандартами различных организаций можно найти в техническом описании AD7401A.

Периферийный модуль sinc3 процессора ADSP-CM403

В блок-схеме на рис. 4 изображены четыре пары sinc-фильтров (sinc0–sinc3), два источника тактовых сигналов модулятора и два банка регистров управления. Модуль может принимать на вход четыре цифровых потока от ΣΔ-модуляторов через входные выводы GPIO (линии ввода/вывода общего назначения) и выдавать два тактовых сигнала модуляторов на выходные выводы GPIO. Для оптимизации характеристик системы тактовые сигналы модуляторов синхронизируются при помощи сигнала с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Рис. 4. Блок-схема периферийного модуля sinc-фильтра процессора ADSP-CM403

Каждая пара sinc-фильтров включает в себя первичный фильтр, вторичный фильтр, интерфейс прямого доступа к памяти (DMA) и блоки обнаружения перегрузки. Первичный sinc-фильтр передает данные в память при помощи DMA. Вторичный sinc-фильтр генерирует сигналы перегрузки, которые могут быть направлены через модуль маршрутизации сигналов запуска (Trigger Routing Unit, TRU) в ШИМ-модулятор. Этот фильтр используют для формирования прерывания.

Для работы с AD7401A в спецификации рекомендуется использовать коэффициент децимации (Decimation Rate, DR), равный 256. В то же время компонент поддерживает работу и при других значениях коэффициента децимации.

Отклик фильтра sinc3 при выборе DR, равном 256, показан на рис. 5.

Рис. 5.
а) Характеристика фильтра sinc3 при коэффициенте децимации 256;
б) шумовой порог модуля

Цифровой фильтр

Передаточная характеристика sinc-фильтра хорошо подходит для реализации в цифровой логике, поскольку он представляет собой последовательность блоков суммирования и децимации. Назначение фильтра заключается в устранении сигнала тактовой частоты демодулятора и восстановлении цифрового отсчета дискретного сигнала. Архитектура фильтра (рис. 6) рассчитана на работу с биполярным ΣΔ-модулятором, формирующим цифровой поток со скважностью 50% при входном напряжении 0 В, более 50% при положительном входном сигнале и менее 50% при отрицательном.

Рис. 6. Блок-схема sinc-фильтра процессора ADSP-CM403

Цифровой фильтр представляет собой последовательную комбинацию набора интеграторов, управляемых тактовым сигналом модулятора (M_CLK), и набора дифференциаторов, управляемых тактовым сигналом децимации (D_CLK). Входные интеграторы преобразуют входной поток битов в многоразрядные слова, а выходные дифференциаторы вычисляют среднее значение плотности единиц в исходном потоке битов.

Количество каскадов интеграторов и дифференциаторов может быть равно трем или четырем, в зависимости от порядка фильтра. Коэффициент усиления постоянной составляющей и ширина полосы фильтра зависят от порядка фильтра (O) и коэффициента децимации (D), который, в свою очередь, равен отношению частоты тактового сигнала модулятора к частоте тактового сигнала децимации. Передаточная характеристика sinc-фильтра образуется произведением передаточных характеристик каскадов интеграторов и дифференциаторов, а ее формула в Z‑плоскости имеет вид:

Синхронизация ШИМ-генератора и данных sinc-фильтра

Периферийный модуль sinc-фильтра и ШИМ-генератор в процессоре ADSP-CM403 работают от одного системного тактового сигнала — обычно 100 МГц. Генератор ШИМ и sinc-фильтр можно синхронизировать таким образом, чтобы данные с выхода фильтра появлялись в определенные моменты времени и с определенной частотой, которые установлены согласно алгоритму системы управления. Как правило, эти параметры определяются временной диаграммой формирования сигнала ШИМ.

На рис. 7 изображен пример временной диаграммы, иллюстрирующий применение входного сигнала sinc-фильтра для синхронизации с энергосетью. При работе генератора ШИМ с частотой 20 кГц (50 мкс) сигнал PWM_SYNC (необходимый для синхронизации внутренних блоков генераторов ШИМ одного процессора или внешних блоков генераторов ШИМ разных процессоров) располагается в центре временного интервала сигнала ШИМ, в котором переключение уровней происходит редко.

Рис. 7. Синхронизация периферийных модулей ШИМ-генератора и sinc-фильтра в процессоре ADSP-CM403

Для синхронизации данных sinc-фильтра частоту тактового сигнала AD7401A следует установить равной 10,24 МГц, а коэффициент децимации — равным 256 (рекомендуемое значение из технического описания AD7401A). При этом частота обновления 16‑разрядных выходных данных будет равна 40 кГц (50 мкс), что вдвое больше рабочей частоты генератора ШИМ.

Поскольку sinc-фильтр можно настроить для синхронной работы с выходным сигналом PWM_SYNC, как показано на рис. 7, sinc-фильтр будет выдавать два слова данных на каждом периоде генератора ШИМ. Выходные слова будут доступны в статической памяти процессора (SRAM) по следующему сигналу PWM_SYNC. Этот пример наглядно демонстрирует, что выходные данные sinc-фильтра могут быть синхронизированы с алгоритмом управления энергосетью.