Department of Science and Technology Institutionen för teknik och naturvetenskap Linköping University Linköpings universitet

gnipökrroN 47 106 nedewS ,gnipökrroN 47 106-ES

LiU-ITN-TEK-A--16/059--SE

Kombinerad jordfelsbrytare,energiövervakare samt

fasväxlare förelbilsladdning, styrd via en

FPGADaniel Hedberg

Erik Wetterin

2016-12-14

LiU-ITN-TEK-A--16/059--SE

Kombinerad jordfelsbrytare,energiövervakare samt

fasväxlare förelbilsladdning, styrd via en

FPGAExamensarbete utfört i Elektroteknik

vid Tekniska högskolan vidLinköpings universitet

Daniel HedbergErik Wetterin

Handledare Kjell KarlssonExaminator Qin-Zhong Ye

Norrköping 2016-12-14

Upphovsrätt

Detta dokument hålls tillgängligt på Internet – eller dess framtida ersättare –under en längre tid från publiceringsdatum under förutsättning att inga extra-ordinära omständigheter uppstår.

Tillgång till dokumentet innebär tillstånd för var och en att läsa, ladda ner,skriva ut enstaka kopior för enskilt bruk och att använda det oförändrat förickekommersiell forskning och för undervisning. Överföring av upphovsrättenvid en senare tidpunkt kan inte upphäva detta tillstånd. All annan användning avdokumentet kräver upphovsmannens medgivande. För att garantera äktheten,säkerheten och tillgängligheten finns det lösningar av teknisk och administrativart.

Upphovsmannens ideella rätt innefattar rätt att bli nämnd som upphovsman iden omfattning som god sed kräver vid användning av dokumentet på ovanbeskrivna sätt samt skydd mot att dokumentet ändras eller presenteras i sådanform eller i sådant sammanhang som är kränkande för upphovsmannens litteräraeller konstnärliga anseende eller egenart.

För ytterligare information om Linköping University Electronic Press seförlagets hemsida http://www.ep.liu.se/

Copyright

The publishers will keep this document online on the Internet - or its possiblereplacement - for a considerable time from the date of publication barringexceptional circumstances.

The online availability of the document implies a permanent permission foranyone to read, to download, to print out single copies for your own use and touse it unchanged for any non-commercial research and educational purpose.Subsequent transfers of copyright cannot revoke this permission. All other usesof the document are conditional on the consent of the copyright owner. Thepublisher has taken technical and administrative measures to assure authenticity,security and accessibility.

According to intellectual property law the author has the right to bementioned when his/her work is accessed as described above and to be protectedagainst infringement.

For additional information about the Linköping University Electronic Pressand its procedures for publication and for assurance of document integrity,please refer to its WWW home page: http://www.ep.liu.se/

© Daniel Hedberg, Erik Wetterin

Abstract

This master thesis investigates the subsystems required to create a combined residual-current

device, power manager and phase-switcher for electric vehicles charging, controlled by an

FPGA. The purpose of this task is to create a prototype design for Chargestorm, a company

that manufacture charging stations for electrical vehicles and provides a portal for payment.

Each subsystem will be separately investigated to see the available alternatives and

evaluate which solutions fit this design best. The system is designed to handle currents of 32

A on three phases.

The design consists of a hall sensor to detect the residual current, switches to meet

the switching requirements and to break the circuit when needed, current transformers to

measure current and differential amplifiers to measure voltage. All logic and communication

is controlled by an FPGA.

Specific isolation requirements are set to prevent the power grid from arcing to the low

voltage components. Optocouplers are used to allow communication between the components

on the high voltage and the low voltage sides. The final design is placed on a six layer printed

circuit board. This is mainly to allow for more copper to conduct the high current and thermal

management.

Theoretically, the work is complete and all requirements are fulfilled. In practice however,

the prototype have not been fully tested and evaluated to see if the theory matches the real

world.

Abstrakt

Den här examensrapporten undersöker de delsystem som behövs för att skapa en kombinerad

jordfelsbrytare, energiövervakare samt fasväxlare för elbilsladdning, kontrollerade utav en

FPGA. Syftet är att skapa en prototypdesign åt Chargestorm, ett företag som tillverkar

laddningsstolpar för elbilar och tillhandahåller ett system för betaltjänster.

Varje delsystem kommer undersökas separat för att se vilka tillgängliga alternativ som

finns och utvärdera vilken lösning som passar designen bäst. Systemet är designat för att

hantera strömmar på 32 A trefas.

Designen består utav en hall sensorn för att upptäcka läckströmmen, reläer för hantera

fasväxlingen och bryta laddningen vid behov, strömtransformatorer för att möta strömmen

och differentialförstärkare för att mäta spänningen. All logik och kommunikation styrs via

en FPGA.

Särskilda isolationskrav ställs för att undvika att elnätet kortsluter till lågspänningskom-

ponenter. Optokopplare används för att tillåta kommunikation mellan de isolerade sidorna.

Den slutgiltiga designen är ett sex lagers mönsterkort, detta är för att få mer koppar till

värmeavledning.

Teoretiskt sett är arbetet klart och alla krav är uppfyllda. I praktiken har prototypen in-

te testats eller utvärderats.

Förord

Vi vill här med tacka vår handledare Erik Johansson på Chargestorm som varit ett stort stöd

genom hela projektets gång. Alltid lika intresserad och har kunnat förklara saker som har

varit oklara på ett pedagogiskt sätt!

Ett stort tack ska även Kjell Karlsson ha, vår handledare på Linköpings Universitetet.

Han har alltid varit positiv och intresserad av vad vi arbetat med!

Over and Out! // Erik & Daniel

Norrköping december 2016

Civilingenjörsprogrammet Elektronikdesign

Innehåll

Figurer i

Tabeller iii

Nomenklatur v

1 Inledning 1

1.1 Bakgrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Syfte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.3 Frågeställning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.4 Metod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.5 Avgränsningar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.6 Rapportens disposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Systemöversikt 5

3 Strömmätning 7

3.1 Halleffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.2 Shuntresistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.3 Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.4 Jämförelse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4 Spänningsmätning 15

4.1 Transformator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.2 Spänningsdelning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.3 ADC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.4 Jämförelse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

6 Innehåll

5 Jordfeldetektering 19

5.1 Teori jordfeldetektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5.2 Vald komponent för jordfeldetektering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

6 FPGA 23

6.1 Teori och metod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

6.2 Systemskiss av mjukvaran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

7 Kommunikation 25

7.1 Modbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.2 SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

8 Systemdesign 29

8.1 Strömförsörjning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

8.2 Implementering av FPGA på mönsterkortet . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

8.3 Brytning av faser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

8.4 Fasväxling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

8.5 Ledarbanor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

8.6 Krypavstånd och isolation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

8.6.1 Isolerad högspänningssida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

8.6.2 Optokopplare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

8.7 Kontaktdon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

8.8 Avkopplingskondensatorer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

9 Resultat 39

9.1 Mönsterkort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

9.2 Mjukvara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

9.2.1 VHDL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

9.2.2 MCU/Soft core . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

9.2.3 Modbus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

10 Verifiering 53

10.1 Test av delsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

10.1.1 Jordfeldetektor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

10.1.2 Reläer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

10.1.3 Mjukvaran . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Innehåll 7

11 Slutsats 55

11.1 Diskussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

11.1.1 Resultatutvärdering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

11.1.2 Problem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

12 Framtida arbete 57

Litteraturförteckning 59

Bilaga A Kretsschema 63

Figurer

2.1 Systemöversikt över PCU:n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.1 Halleffekten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

3.2 Två typer av hallgivare. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

3.3 Enkel skiss på shunt-mätning av ström. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3.4 Shuntmotstånd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3.5 Enkel skiss på en strömtransformator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.1 Enkel skiss på en spänningstransformator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.2 Enkel skiss på en spänningsdelning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

5.1 Generell jordfelsbrytare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5.2 Jordfeldetektorn RCMB121 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

6.1 Enklare systemskiss. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

7.1 Illustration av SPI-kommunikation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

8.1 Uppkoppling regulator fem volt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

8.2 Illustration av fasväxling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

8.3 Strömledningsförmåga i koppar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

8.4 Illustration optokopplare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

9.1 3D-vy utav Altiumdesignen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

9.2 Topplagret. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

9.3 Innerlager ett. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

9.4 Innerlager två. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

9.5 Innerlager tre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

9.6 Innerlager fyra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

9.7 Bottenlagret. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

ii Figurer

9.8 Blockschema över VHDL-schemat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

9.9 Flödesschema över programmet i MCU:n. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

10.1 Uppkoppling för att verifiera hall-givaren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Tabeller

3.1 Översiktlig tabell över strömmätning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

7.1 Modbus-datastrukturer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

7.2 Modbus-frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

8.1 Spänningsnivå för komponenter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8.2 Rekommenderade värden på spänningar till FPGA:n. . . . . . . . . . . . . 30

9.1 Färgtillhögrighet för mönsterkortets lager . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

9.2 Kommunikation mellan FPGA och ADC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

9.3 Sanningtabell över triacsignal från CCU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

9.4 Modbus register. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

9.5 Statusregister. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

10.1 Resultat från energisparfunktion, ett relä. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Nomenklatur

ADC Analog Digital Converter

CCU Charge Control Unit

FPGA Field Programmable Gate Array

JTAG Joint Test Action Group

LDO Low Dropout

MCU MicroController Unit

MUX MUltipleXer

PCU Power Controller Unit

RMS Root Mean Square

VHDL VHSIC (Very high speed integrated circuit) Hardware Description Language

Kapitel 1

Inledning

1.1 Bakgrund

Det här arbetet är utfört på begäran utav företaget Chargestorm. Chargestorm utvecklar

samt producerar elbilsladdare och tillhandahåller betallösningar för dessa. Uppgiften som

tilldelades var att utveckla samt utvärdera en lösning där jordfelsdetektering, strömmätning,

fasväxling och spänningsmätning tillämpas på en och samma enhet. Eftersom utrymmet i

laddningsstolparna är begränsade ställs vissa krav på hårdvaran. Detta examensarbete syftar

till att skapa en första prototyp på en sådan produkt. Chargestorm har utvecklat en Charge

Control Unit, hädanefter refererad som CCU, som är ett gränssnitt mot bilens laddning och

deras egna portal. CCU:n reglerar hur mycket ström en bil får samt sköter kommunikationen

mellan bilen och laddaren. I denna rapport kommer inga detaljer hur CCU:n fungerar eller

verkar mot bilen då den inte har något med denna produkt att göra.

1.2 Syfte

I dagsläget använder sig Chargestorm utav flera separata produkter för att uppfylla en säker

och mätbar laddning. De vill minska inköpskostnaden för en laddstolpe och därför undersöka

om det är möjligt att utveckla en ”allt i ett”-lösning på ett enda mönsterkort. Därför är priset

av vikt, men vissa undantag har gjorts för att förenkla processen, då det är en första prototyp.

Denna produkt ska även vara bakåtkompatibel då det finns flera versioner utav CCU:n.

2 Inledning

1.3 Frågeställning

Chargestorms grundidé med denna produkt är:

• Leda 32 A trefasig växelström genom kortet.

• Upptäcka jordfel på 6 mA likström och 30 mA effektivvärde växelström.

• Bryta alla faser samt neutralledare med integrerade reläer vid upptäckt jordfel.

• Reglera vilken inkommande fas som kopplas till utgående vid enfasladdad bil.

• En FPGA som styrenhet.

• Modbus-kommunikation med CCU.

• Styra reläerna med antingen Modbus-kommunikation eller triacsignaler ifrån CCU.

• Alla delsystem skall få plats på ett mönsterkort med höjden 108 mm och en maximal

längd på 300 mm.

Det leder till följande frågeställningar:

• Är det möjligt att få alla delsystem på ett enda mönsterkort med de givna dimensions-

begränsningarna?

• Kan ett mönsterkort leda en ström på 32 A på tre faser samtidigt?

• Hur mäts ström, spänning samt läckström på bäst sätt?

• Är det möjligt att implementera en soft core-lösning i FPGA:n för att hantera kommu-

nikation?

1.4 Metod

För att få en enklare arbetsgång så delas projektet in i mindre delar där varje delmoment

utvärderas individuellt. Stor vikt kommer läggas vid att studera datablad för komponenter

och se till så att de klarar av kraven som ställs. Då den här produkten ska fungera väl ihop

med Chargestorms CCU så ges Chargestorm inflytande vid stora beslut.

1.5 Avgränsningar 3

1.5 Avgränsningar

Mjukvaran för FPGA:n kommer inte utvecklas till fullo. Ett fullständigt program för att

få in all funktionalitet anses ligga utanför ramarna för projektet. Tester för att få använda

produkten i ett kommersiellt syfte kommer inte genomföras.

1.6 Rapportens disposition

Systemskiss ger en förklaring över hur systemet fungerar i sin helhet och förklarar alla

delsystem. I de kapitel som följer, Strömmätning, Spänningsmätning samt Jordfeldetektering,

diskuteras dessa delsystem teoretiskt och det förklaras vilken lösning som har valts att

genomföra i praktiken.

Därpå följer kapitlena FPGA samt Kommunikation. I FPGA går det att läsa vilken FPGA

som valts för att implementera en soft core-lösning och hur mjukvaran för att styra all

logik är uppbyggd i ett blockdiagram. Under kommunikation ges en beskrivning över hur

kommunikationsprotokollen Modbus och SPI fungerar.

Kapitlet Systemdesign berättar hur alla delsystem nu implementeras på ett mönsterkort

och de stödkomponenter som behövs. Här går även att läsa om isolationskrav och hur

ledarbanorna dimensioneras för att klara av det höga kravet på strömledningsförmåga.

Efter det så kommer kapitlet Resultat där det visas en fullständig layout för mönsterkortet

och FPGA-mjukvaran gås igenom grundligt. Därefter följer kapitlet Verifiering som går

igenom hur vissa delsystem har förhandstestats för att kontrollera funktionaliteten.

Slutligen kommer slutsatsen med utvärdering av resultat, och ett kapitel om vad som kan

förbättras vid framtida arbete.

Produkten kommer hädanefter hänvisas som Power Controller Unit, PCU som kort.

Kapitel 2

Systemöversikt

Figur 2.1 visar en systemöversikt över PCU:n. Elnätet är de tre faser samt neutralledare som

matas i kretskortet och bilen är de faser samt neutralledare som matas ut från kretskortet.

Jordfelsdetektor

Strömmätning

Spänningsmätning

Relä /fasväxling

Elnät

Bil

A

D

C

FPGA

CCU

relä-

utgång

RS485

MODBUS

6 kanaler SPI

Figur 2.1 Systemöversikt över PCU:n.

Det första som skall hända när faserna ansluts till kortet är att det detekteras om en

felström har uppkommit mellan ledarna. Därefter följer ström- samt spänningsmätning för

6 Systemöversikt

att kunna mäta energin som flödar till bilen vid laddning. Brytare för att kunna koppla från

strömmen skall även implementeras. Chargestorm erbjuder lösningar för multipla laddare på

samma område med samma elnätkälla. Därför önskas en så kallad fasväxling för att kunna

balansera upp lasten på de olika faserna vid många enfasladdningar på olika stolpar. Styrning

av detta sker via CCU:n. Detta sker genom att ändra om så att exempel ingångsfas två går till

utgångsfas ett.

All implementering av logik på kortet kommer ske med hjälp av en FPGA som hämtar

samt processar data från en Analog till digital konverterare, ADC. För att kommunicera med

styrenheten på CCU:n kommer det utvecklas ett Modbus-gränssnitt för att det redan finns på

CCU:n. För att göra PCU:n så bakåtkompatibel som möjligt så att den skall kunna arbeta

med alla CCU-versioner kommer en så kallad triacingång implementeras. Detta är i själva

verket en sensoringång för att känna av om CCU:n försöker öppna några reläer via deras

reläutgångar.

Kapitel 3

Strömmätning

Det finns olika sätt att mäta ström på, i det här kapitlet behandlas några av sätten teoretisk

samt jämförs.

3.1 Halleffekt

Halleffekten i sin enkelhet är när det uppkommer en potentialskillnad vinkelrät mot strömmen

i en ledare med hjälp av ett genomgående magnetfält. Elektronerna böjer av åt en av sidorna i

ledaren, därav en potentialskillnad. Effekten upptäcktes av Edwin Hall 1879 och uppkallades

efter honom. Figur 3.1 visar en enkel skiss på hur halleffekten uppkommer. Ekvationerna

3.1 och 3.2 [1], härleder hur man med hjälp av att känna till VH samt BZ kan man ta reda på

strömmen som flödar i en ledare med tjocklek t.

Figur 3.1 Halleffekten [2].

8 Strömmätning

VH = RhIBZ

d(3.1)

Rh =−Ex

jX BZ(3.2)

Sensorer i dess enklaste form, som visas i Figur 3.2a, är väldigt känsliga för yttre

störningar i form av magnetiska fält från annan elektrisk utrustning. Denna sensor används

oftast i inbyggda system, där man kan kontrollera miljön enklare, när man skall mäta på en

ledarbana.

När man mäter ström vill man alltså isolera mätområdet så man inte får med dessa

störningar i mätresultatet. Det kan man göra med till exempel en omslutande ring av ferrit-

material, vilket medför att externa fält elimineras. Figur 3.2b visar hur man med hjälp av en

ring kan koncentrera fältet, från ledarna inom ringen, till en viss punkt där man placerar en

Hall-givare.

(a) PCB-monterad (b) Strömsensor med öppen kärna.

Figur 3.2 Två typer av Hall-givare [3] & [4]

3.2 Shuntresistor

Ett annat sätt att mäta strömmen i en ledare är att använda en så kallad shuntresistor, en

seriekopplad resistor. Figur 3.3 visar en skiss på hur en sådan koppling. Rshunt är en känd

3.2 Shuntresistor 9

resistor där man mäter spänningsfallet som uppstår och kan sedan med Ohms lag 3.3 enkelt

räkna ut strömmen som flödar genom kretsen.

R_shuntt

R_lastt

V

Figur 3.3 Enkel skiss på shunt-mätning av ström.

U = RI ⇒ I =U

R(3.3)

När man väljer shuntmotstånd är det viktigt att veta vilket strömintervall man skall mäta

på, som exempel hade inte en shunt som klarar av att mäta strömmar upp till 1 A klarat att

mäta 32 A. I princip är ett shuntmotstånd bara en kopparledare med väldigt låg och precis

uppmätt resistans. Idealt sett vill man att resistansen skall vara så fast som möjlig för att inte få

olinjäritet i mätningen, men när stora strömmar går igenom en resistor bildas värmeutveckling

och resistansen ändras. Det gäller alltså att välja ett material med så bra ledningsförmåga

samt låg temperaturkoefficient som möjligt, varav koppar är ett sådant material. Det är

viktigt att även tänka på ledarbanor till och från tapparna så inget spänningsfall uppkommer

där. Tapparna brukar därför vara extremt nära motståndet, se Figur 3.4. I och med att man

vill ha resistensen så pass liten i shunten för att minimera effektförluster, leder det till att

spänningsfallet blir väldigt litet. Detta kan lösas med en differentiell förstärkare som sedan

matas in i en ADC. Problemet som kan uppstå då är att man kan råka förstärka upp brus på

linorna. Det kan minskas med ett ingångsfilter om man vet vilken frekvens man skall mäta

på.

10 Strömmätning

Figur 3.4 En 200 A shunt, där de små skruvarna är tappar. [5]

3.3 Transformator

Ett tredje sätt att mäta ström är den vanliga transformatorn, där man transformerar en

stor ström till en lägre mer mätbar nivå. Detta med hjälp av ett växlande magnetfält i en

järnkärna med en primär- samt sekundärlindning. En så kallad strömtransformator brukar

bestå av en primärlindning på bara ett varv för att kunna öka på ledartjockleken så mindre

effektförluster uppkommer i transformatorn. På sekundärsidan kan lindningsantalet variera

beroende på mätområdet. Ekvation 3.4 visar hur strömmen i sekundärspolen ändras beroende

på lindningarna. Figur 3.5 visar en enkel skiss hur en strömtransformator är uppbyggd, Rtermär ett termineringsmotstånd av känd resistans. Med hjälp av Ohms lag 3.3 kan man räkna

ut strömmen i sekundärlindningen och även vilken ström primärlindningen har. Storleken

på termineringsmotståndet sätts med avseende på effektutvecklingen på sekundärsidan samt

vilket intervall på mätområdet man vill ha.

Is

Ip=

Np

Ns⇒ Is =

IpNp

Ns(3.4)

3.4 Jämförelse 11

T1

R_last R_t erm01:10000

V

Figur 3.5 Enkel skiss på en strömtransformator.

3.4 Jämförelse av de olika strömmätningsalternativen

För att kunna jämföra de olika alternativen måste mätområdet specificeras. Enligt kravspe-

cifikationen skall PCU:n klara 0-32 A, maximal ström vilket måste tas in i beräkningarna.

Tabell 3.1 visar en enklare översiktlig tabell över strömmätning.

Tabell 3.1 Översiktlig tabell över strömmätning.

Galvanisk skild KostnadEnergiförbrukning på

mätområdetStörkänslighet AC/DC

Hall Totalt skild Dyr Försumbar Hög AC/DC

Shunt Inget skild Billig Hög Liten AC/DC

Trafo Skild Medel Medel Liten AC

Galvanisk isolation

Hallgivaren är totalt galvaniskt isolerad, i och med att man inte behöver vidröra mätområdet

utan använder sig av det utstrålade magnetfältet. Transformatorn är också isolerad i och

med att den har en kärna som skärmar av de olika sidorna. Det man behöver tänka på här

är krypavstånd. Shuntresistorn är till skillnad mot de andra metoderna integrerad i själva

kretsen och därmed inte galvaniskt isolerad.

12 Strömmätning

Kostnad

Kostnaden för sensorn spelar roll för PCU:n i med att det är trefas och alla faser måste mätas.

Hallgivaren är ganska dyr i och med att noggrann elektronik behövs för att mäta Hallspän-

ningen. Transformatorn och shunten är av ungefärliga samma låga prisklass, beroende på

vilken upplösning på mätområdet man vill ha.

Energiförbrukning på mätområdet

Med energiförbrukning menas hur mycket energi mätutrustningen tar på mätområdet. Hall-

givaren är avrundat till noll. Shuntresistorns storlek är en avvägning man får göra, då en stor

resistor ger större mätvärde. Det är dock en mycket högre energiförbrukning och en stor

påverkan på elektroniken den sitter i förbindelse med. Transformatorn har en relativt låg

effektförbrukning, om man skulle anta en ideal transformator så följer:

Ip = 30A

Np = 1

Ns = 1000

Rterm = 50Ω

Is =NpIpNs

Is =30

1000 ⇒ Is = 30mA

p = RI2

p = 50∗0,032 ⇒ p = 45mW

(3.5)

Ekvation 3.5 visar alltså hur stor påverkan en strömtransformator på 1:1000 lindning och

Rterm på 50 Ω har på en 30 Amper ledare. Ganska liten om man ser till helheten.

Störkänslighet

Hur stor påverkan yttre fält har på mätutrustningen. Hallgivaren är extremt känslig för

externa fält i med att magnetfält påverkar hallspänningen i kretsen. Som diskuterats i 3.1

kan man utesluta vissa externa fält med hjälp av en ring(kärna) runt mätområdet. När man

implementerar en sådan krets kan det vara bra att ha med en kalibreringssekvens för att

säkerställa rätt nollnivå. Det man bör tänka på med shunten är att man har mätkretsar så

nära mätområdet som möjligt, så inga yttre störningar plockas upp av långa ledare. Annars

är den väldigt robust för yttre störningar och man kan även lägga till filter. Samma gäller

transformatorn.

3.4 Jämförelse 13

Val av komponent

Efter mycket granskning har strömtransformatorn valts för att mäta ström i PCU:n. I och

med att det är ström i tre ledare som skall mätas så behövs en billig komponent som inte tar

för mycket plats. Sirio transformatorn TA_150811 är en billig och liten transformator med

en lindning på 1:1000. Denna komponent tillsammans med ett termineringsmotstånd på 50

Ω och en 8-kanaler ADC ut utgör strömmätningen. Det nämns mer om ADC:n under kapitel

4.3.

Kapitel 4

Spänningsmätning

Det finns ett antal olika sätt att mäta spänning. I detta kapitel kommer två olika typer tas upp

samt jämföras.

4.1 Transformator

När man man vill mäta på nätspänningar upp till ±325Vpeak med till exempel en ADC

med mätområde 0-5 V måste man på något sätt skala ned spänningen. Som man kan se i

Ekvation 4.1 så kan man antingen ändra lindningsantalet på primär- eller sekundärspole för

att uppnå detta. Annars kan man utnyttja att det går samma ström i båda lindningarna om

varvantalet är detsamma för primär- och sekundärspole. Figur 4.1 visar en enkel skiss på en

spänningstransformator.

R1 är till för att begränsa strömmen in i primärspolen och därmed begränsa strömmen i

sekundärspolen. Därmed kan man skala R2 utefter det spänningsintervall man vill mäta på.

Ekvation 4.2 härstammar från U = RI och visar skalning av R2.

Us

Up=

Ns

Np⇒Us =

NsUp

Np(4.1)

Us

R1=

Up

R2⇒ R2 =

UpR1

Us(4.2)

16 Spänningsmätning

R1R2

T1

V1000:1000

LN

Figur 4.1 Enkel skiss på en spänningstransformator.

På samma sätt som strömtransformatorn så ger också en vanlig transformator galvanisk

isolation. När man handskas med nätspänningar på 230 VRMS är det extra viktigt att ha

isolation i med att det kan bli livshotande om 230 V smiter in på berörbar elektronik.

4.2 Spänningsdelning

Ett annat vanligt sätt att mäta på högre spänningar är att använda sig av vanliga spännings-

delare. Figur 4.2 visar en enkel skiss på en sådan koppling. Varför det sitter tre resistorer

i serie på både fas och neutral är för att öka upp isolationsavståndet mellan hög- och låg-

spänning. Voltmetern i Figur 4.2 kan ersättas med en differentialförstärkare eller en så kallad

instrumentförstärkare.

R1 R2 R3

R4 R5 R6V

L

N

R7

R8

Figur 4.2 Enkel skiss på en spänningsdelning.

4.3 ADC 17

4.3 ADC

I båda uppkopplingarna som nämnts ovan behöver man någon slags krets som förvandlar

analoga signaler till digitala. I det flesta fallen kan man då använda sig av en ADC (Analog

to Digital Converter), analog till digital konverter.

I och med att PCU:n skall mäta både ström samt spänning på tre faser så kommer tre

strömtransformatorer användas samt tre spänningsmätningar, en per respektive fas. I stället

för att ha en separat ADC för varje mätning, som hade medfört mer hårdvara på kretskortet,

har en ADC med åtta kanaler använts. Det hade räckt med sex kanaler men en sådan krets

har inte hittats. Kretsen som valts är en Microchip MCP 3208 [6] som har en tolv bitars

upplösning med en samplingsfrekvens på 100 k sampels/s.

ADC:n har ett mätbart område mellan noll och fem volt. Eftersom att mätningarna sker

på växelspänning så måste en offsetspänning inkluderas i uppkopplingarna. I stället för att

spänningen och strömmen svänger runt noll volt så lyfter man upp nollnivån till hälften av

det mätbara området för att få ut maximal precision från ADC:n.

För att förenkla ytterligare för mjukvaruimplementeringen så kan man använda sig av

en så kallad spänningsreferens. Denna väljs med avseende på vilken upplösning man har på

ADC:n, i fallet vid PCU:n tolv bitar. Maximala talet man kan uppnå med ett tolv bitars tal

är 4096, därför kan det vara bra att välja en spänningsreferens på 4,096 V . Detta medför att

mjukvarumässigt betyder en bit alltså en millivolt. Om man ändrar referensspänningen in i

ADC:n vill man även ändra offsetspänningen till halva referensspänningen, alltså 2,048 V .

Spänningsreferenskretsen som valts är av typen zenerdiod med väldig liten temperaturvarians

[7].

4.4 Jämförelse av de olika spänningsmätningsalternativen

Som nämnts tidigare och tas upp i 8.6 så måste all högspänning isoleras från lågspänningen. I

transformatorfallet får man isolationen med i lösningen men i spänningsdelningen måste man

lösa isolation på annat sätt, detta nämns även i 8.6. En stor fördel med spänningsdelningen

är att det bara finns resistiva delar, därmed ingen fasvridning vid mätning. Till skillnad från

transformatorn där det är en stor induktiv del.

Sättet för att mäta fasspänningarna i PCU:n har valts till spänningsdelning på grund av

priset och fysiska storleken på mönsterkortet. En instrumentförstärkare av typen Microchip

MCP6N11 [8] har valts för att kunna mäta differensen mellan fas och neutralledare. Denna

har en förstärkningskoefficient på ett för att inte dela ned spänningen onödigt mycket, bara

för att senare förstärka upp det till en rimlig nivå.

Kapitel 5

Jordfeldetektering

I det här kapitlet beskrivs teoretiskt hur en jordfeldetektor fungerar samt vilken detektor som

används i det här arbetet.

5.1 Teori jordfeldetektor

För att upptäcka ett jordfel jämförs summan av alla strömmar i faser samt neutralledaren.

Om summan är större än ett givet värde har alltså ett jordfel inträffat och måste hanteras i

form av att strömmen stängs av.

Alla strömförande ledare dras in genom en ringformad kärna som agerar primärlindning

i en transformator. Varje ledare alstrar ett eget elektromagnetiskt fält runt sig, proportionellt

mot strömmen, enligt Ampères lag.

Eftersom momentanströmmen i en viss punkt skall vara lika med noll kommer alltså

alla ledares magnetfält ta ut varandra. Är inte summan av strömmarna noll så kommer

de elektromagnetiska fälten sluta upphäva varandra och det fält som kvarstår indikerar en

läckström. Detta elektromagnetiska fält inducerar en ström i sekundärlindningen runt kärnan,

vilket kan övervakas och med hjälpelektronik avgöra när det är en tillräcklig stor läckström

för att ge en brytarsignal. Denna signal går sedan till någon slags av brytare som bryter

strömmen. Figur 5.1 visar hur en komplett jordfelsbrytare är konstruerad.

20 Jordfeldetektering

1. Hjälpelektronik för att avkänna jordfel.

2. Sekundärlindningen, mer än ett varv.

3. Kärna av till exempel järn.

4. På traditionella jordfelsbrytare finns en testanordning för att testa att brytaren fungerar,

när kontakten sluts går en läckström förbi kärnan och brytaren skall teoretiskt bryta.

Figur 5.1 Generell jordfelsbrytare [9]

Problemet med en traditionell jordfelsdetektor är att den bygger på en transformator-

lösning som bara fungerar när det finns ett växlande fält. För att upptäcka likström behövs

alltså någon form av annan lösning, vilket tas upp i kapitel 3. Man skulle alltså rent teoretiskt

kunna byta ut sekundärlindningen mot en hallgivare.

5.2 Vald komponent för jordfeldetektering

RCMB121 [10] är en jordfeldetektor som speciellt framtagen för användning vid laddning

utav eldrivna fordon. Det är endast en jordfeldetektor och har ingen funktionalitet för att

bryta strömmen utan det måste fristående brytare göra. Enligt databladet är den tillverkad för

att uppfylla kraven som ställs i följande standarder:

IEC 61800-5-1 Adjustable speed electrical power drive systems - Part 5-1: Safety require-

ments - Electrical, thermal and energy

5.2 Vald komponent för jordfeldetektering 21

IEC 62752 In-Cable Control and Protection Device for mode 2 charging of electric road

vehicles (IC-CPD)

IEC 60364-7-722 Low-voltage electrical installations - Part 7-722: Requirements for special

installations or locations - Supplies for electric vehicles

Sensorn är för tillfället i prototypskede men Chargestorm har fått prover som de önskar

testa. Den signalerar vid ett upptäckt jordfel på antingen 6 mA likström eller 30 mA effektiv-

värde växelström, samt om ett systemfel upptäcks inuti komponenten. Dessa signalpinnar

ligger låga när inget fel finns och får hög impedans vid ett upptäckt fel. Detta låter användaren

själv välja vilken spänningsnivå som skall gå till styrenheten med hjälp av pull up-motstånd

och en spänningskälla.

Figur 5.2 Jordfeldetektorn RCMB121

Figur 5.2 visar hur jordfeldetektorn ser ut där man för igenom alla fas- och neutralledare

genom hålet. Det är en hålmonterad komponent för användning på ett mönsterkort. Detta

betyder att det måste på något sätt finnas ledare som förs genom hålet på givaren. Här används

alltså en emaljerad solid koppartråd för att leda strömmen genom.

Givaren har även en inbyggd kalibreringsprocess som det rekommenderas att köra innan

varje användning. Det sker genom att en signalpinne jordas och sensorn kalibrerar sig för att

kunna kompensera för redan externa fält, så som magnetfält från övrig elektronik.

Kapitel 6

FPGA

6.1 Teori och metod

I kravspecifikationen är det angivit att PCU:n skall styras med hjälp av en Field-Programmable

Gate Array, FPGA. En Lattice LFXP2-5E-6TN144C [11] blev rekommenderad från Char-

gestorm som senare valdes. Lattice har egna utvecklingsverktyg för exempel VHDL-programmering

samt för att implementera en mjukvaruprocessor, även kallat Soft core, i deras FPGA:er. För

att utveckla VHDL och för att kunna testa delsystem har ett utvecklingskort använts med

angiven FPGA [12].

Varför en FPGA valdes är för att vid en vidareutveckling av PCU:n skall man kunna

sampla mätvärden mycket snabbare än vad man kunnat med en vanlig mikrokontroller, MCU.

Till skillnad från en MCU som oftast använder sig av maskinkod och trådar för att genomföra

sin uppgift, så fungerar en FPGA att man programmerar hur de inbyggda grindarna skall

fungera. I och med detta kan man få upp snabbheten i ett program samt så kan vissa processer

ske helt parallellt. FPGA:er lämpar sig extra bra till problem som kräver någon slags algoritm

som skall utföras i snabb takt, men är i sin tur mindre flexibel.

24 FPGA

6.2 Systemskiss av mjukvaran

Uppgiften som FPGA:n har är att samla in data från ADC:n via SPI, kontrollera om det

uppkommit något fel från jordfelsgivaren, öppna/stänga reläer samt sköta kommunikation

över Modbus. En enklare beräkning kommer också ske på inkommande data i form av Root

Mean Square,RMS. Denna data skickas sedan vidare för att kunna beräkna effekt samt

energi.

För att sköta kommunikationen över Modbus har en soft core lösning valts för att lättare

kunna använda dynamiskt minne. En soft core är alltså en MCU implementerad med hjälp av

grindarna på FPGA:n. Figur 6.1 visar en enkel skiss på mjukvaran.

RMS

SPI

Effekt /

Energi

Tid(ms)

Jordfel

Soft core /

MCUModbus

Reläer

Figur 6.1 Enklare systemskiss.

Kapitel 7

Kommunikation

7.1 Modbus

Modbus-protokollet togs fram av företaget Modicon under 1970-talet och används i stor

utsträckning inom industriell elektronik, dels för att det är robust men även för att det varit

en standard under många år.

Protokollet är uppbyggt för halv-duplex kommunikation samt att det endast finns en

master med en eller flera slavar med unika adresser under sig. Detta medför att bara en

enhet kan prata i taget på kommunikationslinorna, mastern frågar en av slavarna och slaven

svarar därefter. Det fysiska gränssnittet som valts på PCU:n har styrts av vad som redan finns

på CCU:n alltså RS-485 med 3,3 V drivspänning. Drivkretsen är även densamma som på

CCU:n, SN65HVD12 [13]. RS-485 är ett differentiellt, asynkront gränssnitt som använder

sig av två terminerade kommunikationslinor. När den potentiella differensen i de två linorna

är under eller över ett visst tröskelvärde uppkommer en logisk etta eller nolla.

För att kommunicera över Modbus använder man sig av vissa datastrukturer så som

”Coils” och ”Register”, se tabell 7.1. Protokollet var först tänkt att driva reläer/ventiler i

industriella system därav namnet på datatyperna.

Det finns två huvudtyper av meddelandetyper, ”Frames”, som bygger upp Modbus-

protokollet. Den som PCU:n använder kallas Remote Terminal Unit, RTU. Denna är den

mest typiska att använda när man har ett mindre system som bygger på RS-485. Den andra

typen kallas TCP och används när det är större, mer utspridda, system där kommunikationens

fysiska gränssnitt är ethernet.

Tabell 7.2 visar hur en RTU-frame byggs upp. Innan ett meddelande börjar sändas

krävs det att det är tyst på linorna i minst 3,5 bytes värde av tid. Meddelandet startar

alltid med vilken adress meddelandet skall till, eller vart meddelandet kommer ifrån. I och

med att det bara är en byte adressering så är max antal adresserbara enheter på bussen

26 Kommunikation

255. Funktionsbitarna anger vad Mastern vill göra med slaven, till exempel skriva till ett

register. På grund av storleken på FPGA:n implementerades långt ifrån alla funktioner som

en Modbus egentligen har. Huvudfunktioner som att läsa/skriva coils och läsa/skriva register

är implementerat dock på grund av platsbrist i FPGA:n finns nästintill ingen felhantering av

korrupta meddelanden.

Cyclic Redundancy Check, CRC, är en två byte lång del som hängs på i slutet av

meddelandet. CRC utgörs av alla föregående bytes, denna rapport kommer inte gå djupare på

hur Modbusens CRC är uppbyggd. Webbsidorna [14] och [15] har använts i utvecklingen för

att säkerställa så CRCn har kalkylerats rätt.

Tabell 7.1 Modbus-datastrukturer

Datatyp Rättigheter Storlek

Coil Läsa/skriva 1-bit

Discrete Läsa 1-bit

Input Register Läsa 16-bit

Holding Register Läsa/skriva 16-bit

Tabell 7.2 Modbus-frame

Namn Längd Funktion

Start 28-bitar Minst 3,5 bytes tystnad mellan frames.

Adress 8-bitar Slavens adress

Funktion 8-bitarOlika funktioner Mastern kan fråga

slavarna.

Data n×8 - bitar Databytes

CRC 16-bitar Kontrollsumma

Slut 28-bitar Minst 3,5 bytes tystnad mellan frames.

7.2 SPI

Serial Peripheral Interface eller SPI är ett full duplex, synkront, kommunikationsgränssnitt.

Det utvecklades under 1980-talet av Motorola för kortdistanskommunikation i inbyggda

system. Det finns ingen teoretisk gräns på överföringshastighet, så begränsningen ligger i hur

bra ledarbanor är matchade samt klockfrekvens på enheterna i sig.

Bussen är uppbyggd på på ett snarlikt sätt som RS-485, som togs upp i sektion 7.1, en

Master som frågar slavarna på bussen. Den största skillnaden är att en slav absolut inte kan

7.2 SPI 27

initiera en kommunikation självmant utan behöver en klocka att följa.

Gränssnittet har minst fyra fysiska linor, om man vill lägga till ytterligare slavar adderar man

en SS per ny slav. Linorna är som följer här nedan:

MOSI Master Out Slave In

MISO Master In Slave Out

CLK SPI Clock

SS Slave Select

Kommunikationen sker som tidigare nämnt i full duplex, det innebär att både MOSI och

MISO kan skicka information samtidigt. Detta medför att kommunikation kan ske i mycket

högre takt än halv duplex, dock så läggs mer vikt på mjukvaruimplementeringen.

Figur 7.1 visar en typisk överföring av data på SPI. Först sänks SS-linan på den slaven

Mastern vill prata med, därefter börjar klockan svänga. Då kan MISO och MOSI börja skicka

data. Klockan slutar svänga och SS sätts hög när kommunikationen är färdig, varefter en ny

sekvens kan börja mot en annan slav.

Figur 7.1 Illustration av SPI-kommunikation.

Kapitel 8

Systemdesign

Mönsterkortsdesignen görs i verktyget Altium Designer. Mjukvaran har stöd för att sätta

upp egna självdefinierade regler. Antingen för specifika nät eller allmänna regler för hela

mönsterkortet. Alla footprints gjordes för hand enligt databladens rekommendationer eller

Altiums inbyggda Footprint Wizard. Undantaget är FPGA:ns footprint som laddades ned

ifrån Altiums färdiga bibliotek [16]. Storleken på de flesta ytmonterade passiva komponenter

har valts till storleken 0805 (2012 metric) för att enkelt kunna mäta med oscilloskop och löda

vid eventuella fel. Avkopplingskondensatorer har valts till storleken 0603 (1608 metric).

Bredden på kortet är begränsat till 108 mm för att passa Chargestorms nuvarande inkaps-

ling utav kretskort, längden har satts till max 300 mm för att inte ta upp så mycket plats.

8.1 Strömförsörjning

Ifrån CCU:n finns det 24 V att hämta vilket används för att försörja hela kretskortet. Det

krävs totalt fyra stycken nivåer för de olika komponenterna, vilket visas i tabell 8.1. En

switchad regulator önskas för att ta ned 24 V till 5 V då det är ett stort hopp och man vill

minska energiförbrukningen. Efter det kommer två andra, separata, regulatorer för att ta ned

spänningen vidare till de önskade 1,2 V och 3,3 V

30 Systemdesign

Tabell 8.1 Spänningsnivå för komponenter

Spänning Komponenter

24 V Reläer och matning

5 V

Hall-sensor

ADC

Instrumentförstärkare

3,3 VFPGA

Oscillator

1,2 V FPGA-Core

Vid spänningsförsörjning utav FPGA:n har utvecklingskortets komponenter undersökts

för att skapa en likvärdig lösning. Ett utvecklingskort är ett kretskort där tillverkaren bygger in

sin produkt, i det här fallet en FPGA, med nödvändiga stödkomponenter för att programmera

och använda den. Lattice tillhandahåller en utvecklarguide som innehåller ett kopplings-

schema för deras utvecklingskort [17]. I databladet för FPGA:n [18] finns rekommenderade

maximum- och minimumvärden för de spänningar som behövs, se tabell 8.2.

Tabell 8.2 Rekommenderade värden på spänningar till FPGA:n.

Symbol Parameter Min Max Enhet

Vcc Core-spänning 1,14 1,26 V

Vccaux Aux 3,135 3,465 V

Vccpll PLL 3,135 3,465 V

Vccio IO 1,14 3,465 V

Vcc j Jtag 1,14 3,465 V

Regulator 1,2 V

Regulatorn som används på utvecklingskortet tillverkas inte längre så en ersättare hittades.

TLV1117LV12DCYR [19] ifrån Texas Instruments är en Low DropOut regulator, LDO, med

positiv och fast utgång på 1,2 V , lika som regulatorn den ska ersätta. Accepterad inspänning

är 2 V till 5,5 V .

Databladet rekommenderar keramiska in- och utgångskondensatorer på minst 1 µF

vardera. Den har en minimum- och maximumutspänning på 1,16 respektive 1,24 V vilket

ligger inom de rekommenderade gränserna för FPGA:n. På utvecklingskortet har även en

ferritkärna använts i serie med utgången för att filtrera bort eventuella höga frekvenser. En

likvärdig ferritkärna har placerats på kretskortet.

8.1 Strömförsörjning 31

Regulator 3,3 V

Regulatorn för FPGA:ns spänning på 3,3 V är en NCP1117ST33T3G[20] ifrån ON semi-

conductors vilket är densamma som på utvecklingskortet. Den har en positiv utgång, en fast

utspänning på 3,3 V och accepterar inspänning från 3,5 V till 20 V .

Databladet rekommenderar keramiska in- och utgångskondensatorer på 10 µF vardera.

Den har en minimum- och maximumutspänning på 3,235 V respektive 3,365 V vilket

ligger inom de rekommenderade gränserna för FPGA:n. Även här användes tidigare nämnda

ferritkärna i serie med utgången.

Regulator 5 V

Vid val av 5V-regulatorn konsulterades handledaren på företaget då de redan har en sådan i

en annan applikation. Det resulterade i att en LM2842YMK-ADJL [21] användes. Det är en

justerbar switchad DC-DC buck-regulator med en maximal utström på 600 mA. Figur 8.1

visar uppkopplingen för regulatorn.

Utspänningen styrs genom att feedbackpinnen är återkopplad till utgången via en spän-

ningsdelning med två resistorer. Förhållandet mellan dessa resistorer avgör nivån på utspän-

ningen enligt Ekvation 8.1. Med R1 vald till 5,49 kΩ och R2 till 1 kΩ fås en Vout på 4,94

V .

Vout = 0,765(1+R1

R2) (8.1)

In-, ut- och bootstrapkondensatorn får samma värden som i företagets design, schottkydioden

och spolen lika så.

Figur 8.1 Uppkoppling LM2842YMK-ADJL

32 Systemdesign

8.2 Implementering av FPGA på mönsterkortet

FPGA:n behöver några stödkomponenter för att fungera. På utvecklingskortet som använts

vid utvecklingen finns en oscillator med frekvensen 50 MHz. Det är en CB3LV-3C-50M0000

[22] ifrån tillverkaren CTS. Denna används för att ge en klocksignal till FPGA:n. Vid

ingångspinnen rekommenderas en avkopplingskondensator på minst 0,1 µF , vilket har

använts på utvecklingskortet och designen överförts till PCU:n.

Enligt databladet för Lattice XP2-familjen behöver inte FPGA:n spänningförsörjas i en

viss ordning som vissa andra FPGA:er behöver och därför tas inga åtgärder för att göra

detta. För att programmera FPGA:n har en stiftlist placerats ut på mönsterkortet för att

kunna använda den inbyggda JTAG:en vid programmering. I Lattice programvaran finns en

effektkalkylator för att få en ungefärlig överblick på hur mycket effekt FPGA:n använder.

Denna har använts för att verifiera om det skulle behövas någon slags kylning för FPGA:n

i form av kylfläns. Effektförbrukning låg under 0,5 W så inga åtgärder har tagits för att

kylning.

8.3 Brytning av faser

Att bryta en ström på 32 A ställer höga krav på själva brytaren. Därför har ett relä valts

som klarar 33 A på inrådan av Chargestorm. Ett mönsterkortsmonterat Panasonic lf-g [23]

relä har valts just för den lilla formfaktorn. Reläet har en slutar- samt öppningstid på 20 mS

respektive 10 ms då det är av stor vikt att kunna bryta snabbt vid upptäckt felström. För att

driva reläet med FPGA:n används en transistor som släpper igenom 24 V spänningen till

reläet. En flyback-diod har även implementerats för att hantera den momentana strömpulsen

som uppstår då induktorn i reläet bryts ifrån sin spänningskälla.

8.4 Fasväxling

Som nämnts tidigare i kapitel 2 skall en fasväxling implementeras på mönsterkortet för att

kunna erbjuda ett mer välbalanserat elnät. Figur 8.2 visar ett exempel på hur en fasväxling

kan ske genom att relä S3 sluter och därmed leder ingångsfas två till utgångsfas ett. Varför

inte faserna sitter i numrerad ordning, som hade varit att föredra med tanke på installationen

till elnätet, är för att det inte skulle kunna gå att dra ledarna på mönsterkortet utan att de

korsas.

8.5 Ledarbanor 33

S2 S3 S4 S5 S6S1

N L2 L1 L3

N L2 L1 L3Figur 8.2 Illustration av fasväxling

8.5 Ledarbanor

En kritisk del vid designen utav mönsterkortet var att det ska kunna gå strömmar upp mot 32

A i ledarbanorna. För att beräkna hur breda ledarbanor måste vara för att leda denna ström har

standarden IPC 2221 [24] följts. IPC 2221 är en standard för tillverkning utav mönsterkort

som i ett kapitel berör tvärsnittsarea på ledarbanor i koppar, relativt strömmen den leder samt

värmeutveckling. Figur 8.3 visar strömledningsförmåga som funktion av tvärsnittsarea för

några utvalda temperaturökningar. Den matematiska formeln för dessa kurvor visas i ekvation

8.2 och är framtagna genom en kurvanpassning utförd av hemsidan [25] som använder sig av

grafer i IPC 2221 standarden.

Imax = 0.048×∆T0,44

×A0,725 (8.2)

34 Systemdesign

0 100 200 300 400 500 600 700

Tvärsnittsarea i mil2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Maxstr

öm

i A

mpere

10 °C

20 °C

30 °C

45 °C

50 °C

75 °C

100 °C

Figur 8.3 Strömledningsförmåga som funktion av tvärsnittsarea för utvalda temperaturök-ningar.

Kortet kommer att tillverkas med en koppartjocklek på 70 µm. En area på 700 mils2

motsvarar 0.45 mm2 vilket ger en ledarbredd på 6,4 mm. Vid en ström på 32 A ökar kopparens

temperatur med ungefär 50 °C. En bredd på 6,4 mm anses vara för stort för ledarbanor

så ett beslut tas att tillverka ett 6-lagers kort där 5 lager används för att leda strömmen

med en 3 mm bredd på ledarbanorna och vior som sammanlänkar lagren för att underlätta

värmeavledningen. Detta ger en ”total bredd” på 15 mm vilket anses vara minst likvärdigt,

även fast endast en femtedel ligger i kontakt med luft. Bredden ses som ett minimum och

större bredd skall användas vid möjlighet. Detta bidrar till värmeavledningen. Vid möjlighet

skall även det sjätte lagret användas för detta ändamål. Anledningen till att endast 5 lager

skall används är för att reservera det sista lagret till eventuella signaler.

8.6 Krypavstånd och isolation

För att få korrekt certifiering på produkten har företaget krav på krypavstånd. En basisolation

på minst 4 mm krävs mellan två högspänningsledare. En förstärkt isolation på minst 8 mm

krävs mellan högspännings- och lågspänningssidan. För basisolation fungerar även en sepa-

ration på ett lager, och för förstärkt isolation fungerar en separation på två lager. För förstärkt

8.6 Krypavstånd och isolation 35

isolation anses även 4 mm plus en separation på ett lager dugligt. Alla högspänningsnät ges

unika nätnamn och regelverket ställs in för isolationskraven.

8.6.1 Isolerad högspänningssida

Mönsterkortet delades upp i två stycken sidor, en högspänning- och en lågspänningssida.

På högspänningssidan ligger nätspänningen och all elektronik som användes för att mäta

spänningsnivån samt strömmen på faserna. Detta inkluderar instrumentförstärkare, ström-

transformatorer, ADC:n och spänningsreferensen. Denna sida hålls galvaniskt skild ifrån

lågspänningssidan genom att inte ha någon kopparförbindelse mellan dessa. Då alla kompo-

nenter på den isolerade sidan behöver matas med 5 V så kommer en DC/DC-omvandlare

användas. NXE1S0505MC ifrån Murata Power Solutions [26] är en passande omvandlare

med 5 V både in och ut. Den har en maximal utström på 200 mA vilket är nog för att driva

allting på den isolerade sidan.

8.6.2 Optokopplare

Optokopplare används för att överföra elektriska signaler utan att skapa galvanisk kontakt.

Detta sker genom att en elektrisk signal omvandlas till en icke elektrisk signal och sedan

tillbaks. Här är den icke elektriska signalen en optisk signal ifrån en LED. Denna optiska

signal öppnar sedan en fotokänslig transistor, se Figur 8.4.

Figur 8.4 Illustration av optokopplare.

36 Systemdesign

På kretskortet skall dessa användas vid SPI-kommunikationen mellan ADC:n och FP-

GA:n, samt vid mottagning av de styrsignaler ifrån CCU:n som bestämmer hur reläerna ska

stå. Detta för att minimera risken att högspänningssidan får oönskad kontakt med kompo-

nenterna på lågspänningssidan. SPI-signalerna går igenom Fairchild H11L1S-M [27]. Det är

en optokopplare med inbyggd Schmitt trigger-utgång för att ge en snyggare signal och är

specificerad för en datahastighet på 1 MHz. Det är gott nog för denna applikation. Triacsig-

nalerna ifrån CCU:n går igenom Vishay VOL618A [28], det är en enklare optokopplare utan

Schmitt trigger då dessa signaler inte är lika högfrekventa samt lika krävande på utseendet av

signalen.

8.7 Kontaktdon

För att kunna ansluta alla tre faser och neutralledaren korrekt på brädet så ställs det specifika

krav på kontakten. De kriterier som behöver uppfyllas är:

• Det måste gå att leda minst 32 A genom kontakten.

• Den måste ha 4 ben.

• Den måste ha en benseparation på minst 7 mm, för att säkerställa att högspännings-

noderna håller sina isolationskrav.

Chargestorm har tidigare erfarenhet med kontaktdon ifrån Phoenix Contacts och rekommen-

derade dessa. Phoenix Contacts nummer 1720592 [29] uppfyller alla ovanstående krav och

väljs som kontakt för högspänningsanslutning.

En tvåpolig kontakt behövs för att ansluta 24 V till mönsterkortet, denna ställs lägre krav

på. Då denna kontakt ska driva 5 V -regulatorn (600 mA) och maximalt fyra stycken reläer

(240 mA) samtidigt så räcker en kontakt specificerad för 1 A. För att hålla kontakterna inom

samma tillverkare väljs en Phoenix Contacts 1881558 [30] som klarar av 4 A och har en

benseparation på 2,5 mm.

Modbus-kommunikationen behöver en kontakt med 4 pinnar. I samma familj som den

tvåpoliga kontakten har Phoenix Contacts en fyrpolig kontakt, 1881574 [31]. Denna kontakt

användes även i två uppsättningar för att täcka relä-signalerna. Relä-signalerna ifrån CCU:n

är sex stycken, med en tillhörande jord, alltså sju stycken totalt.

För säkerhetsskull skall en extra stiftlist installeras på kortet som är sammanlänkad med

alla tre regulatorers utgångar samt jord. Detta för att kunna spänningsförsörja kortet utifall

regulatorerna skulle fallera.

8.8 Avkopplingskondensatorer 37

8.8 Avkopplingskondensatorer

Avkopplingskondensatorer används vid alla aktiva komponenter. Dessa har valts till en

mindre fysisk storlek på 0603 (1608 metric) för att få en lägre parasitisk induktans. Beslutet

på hur många farad kondensatorerna ska vara har tagits genom en uppskattning på hur stora

energispikar den förväntas ta emot. Detta varierar mellan 1 och 24 µF .

Kapitel 9

Resultat

9.1 Mönsterkort

Det slutgiltiga kortet blev 266x108 mm stort. Alla kontaktdon har placerats längs långsidorna

utav kortet för att underlätta vid installation. Beslutet att öka upp ledarbredden för 32 A

ledarna vid möjlighet resulterade i att de inte alltid ser ut som klassiska ledare, utan ibland är

öar utav koppar. Figur 9.1 ger en överskådande blick på vart komponenterna placerats samt

en förklarande lista.

40 Resultat

1. Inkommande fas.

2. Jordfeldetektor.

3. Strömtransformatorer, inkommande ledningar är luftburna kablar.

4. Reläer.

5. Utgående fas.

6. Isolerad lågspänningssida med mätelektronik.

7. FPGA.

8. Isolerad triacingång.

9. Spänningsmatning till kortet.

10. Modbus-anslutning.

Figur 9.1 3D-vy utav Altiumdesignen.

För att göra det enklare att följa de kommande figurerna så visar tabell 9.1 vilken färg

som representerar vilket lager i designen.

9.1 Mönsterkort 41

Tabell 9.1 Färgtillhögrighet för mönsterkortets lager

Lager Färg

Topplager Röd

Innerlager 1 Brun

Innerlager 2 Ljusblå

Innerlager 3 Grön

Innerlager 4 Lila

Bottenlager Blå

I Figur 9.2 representerar det röda området kopparen på mönsterkortets topplager. Här

syns hålen under jordfeldetektorn tydligare, dessa är stora nog att ta emot en koppartråd

på 12 AWG. Denna storlek valdes för att det är den största som får plats utan att bryta

isolationskraven. Anledningen till att inkommande fas inte leds på topplagret vid ett tillfälle,

är att det skulle bryta mot isolationskravet 8 mm mellan hög- och lågspänningssida. I det

här lagret dras merparten av alla signalledare på lågspänningssidan och den isolerade sidan,

överflödig koppar kopplas till jord.

Figur 9.2 Topplagret.

I Figur 9.3 har topplagret dolts. Nu syns det bruna lagret, innerlager nummer ett. Det här

lagret används för spänningsförsörjning. Ifrån kontakten som ger 24 V in går en lång ledare

bort till reläerna. Eftersom denna ledare är särskilt lång så har extra stora avkopplingskon-

densatorer placeras nära varje relä. Flyback-dioderna är även dem placerade så nära reläerna

som möjligt.

Ifrån kontakten går även 24 V till 5 V -regulatorn. Dennes utgång är kopplad till det stora

området till vänster samt en ledare som sticker iväg för att mata jordfeldetektorn. Den bruna

42 Resultat

området under FPGA:n är är 1,2 V . Detta område är så litet eftersom det endast är FPGA:n

som använder denna spänningsnivå. På den övre isolerade sidan är detta lager kopplat till

utgången ifrån DC/DC:n

Figur 9.3 Innerlager ett.

Figur 9.4 Innerlager två.

I Figur 9.4 har ännu ett lager dolts, nu syns innerlager nummer två fullständigt. Detta

lager är ett jordlager på både lågspänningssidan och den isolerade sidan.

Det gröna i Figur 9.5 är innerlager nummer tre. Det stora området på lågspänningssidan

är en nivå på 3,3 V . Det har gjorts stort nog för att innesluta alla komponenter som behöver

den spänningen.

9.1 Mönsterkort 43

Figur 9.5 Innerlager tre.

Figur 9.6 Innerlager fyra.

Innerlager nummer fyra visas i Figur 9.6. På det här lagret dras signaler och resterande

koppar knyts till jord. Bottenlagret i Figur 9.7 är ett fullständigt jordlager. Alla jordlager

har givits en sådan form så att de går antingen över eller under all annan koppar vid samma

område. På bottenlagret har det gjorts plats för extra avkopplingskondensatorer utifall de

ordinarie inte skulle vara tillräckligt för core-spänningen på FPGA:n.

44 Resultat

Figur 9.7 Bottenlagret.

Vid ingången för triacsignalerna ifrån CCU:n har all koppar jordats på alla lager, förutom

signalbanorna på topplagret. Stiftlisten under Chargestorms logga är den stiftlist som går till

alla tre spänningsnivåer samt jord, för att kunna spänningsförsörja med hjälp av en externt

källa. Stiftlisten för att programmera FPGA:n är direkt till höger om den, så nära de berörda

pinnarna som möjligt.

9.2 Mjukvara

9.2.1 VHDL

Nedan följer en ingående förklaring hur VHDL-koden är uppbyggd och fungerar. Figur

9.8 visar VHDL-blockschemat i detalj. Varje block, eller delsystem, kommer behandlas

under rubrikerna nedan. Alla block drivs av en och samma klocka samt en och samma

återställningssignal.

9.2M

jukvara45

led0

led1

SPI_MISO SPI_MOSI

0aklc

rsta1[18:0]

SP I_clk clka2[18:0]

SP I_cs rst

clk UART_RX

rst f0[15:0]

calclk

rst]0:51[1f]0:51[0d

clk]0:51[2f]0:51[1d

b0[31:0]

clk rst

rst]0:51[3f]0:51[2d]0:51[1c

]0:13[0c]0:13[1bUART_TX

a0]0:5[0g]0:51[4f]0:51[3d

a1[18:0]]0:2[2c]0:13[2b

cal]0:51[5f]0:51[4d

b3[31:0]

cal]0:51[6f]0:51[5db4[31:0]

RS485_enable

f7[15:0]b5[31:0]

e0[31:0]

clkVAC_AC

calVAC_DC f8[7:0]

VAC_ERROR

triac_in[5:0]

clk

klctsr

VAC_PWM

cal VAC_cal

relays[5:0]

ZA

I15

inv

ZA

I13

inv

ZA

I14

inv

relay_out[5:0]relay_in[5:0]

power_saver

enable

clock

I1

Relay

power[15:0]

L3_V[15:0]

L3_I[15:0]

L2_V[15:0]

L2_I[15:0]

L1_V[15:0]

L1_I[15:0]

energy[15:0]

timer[31:0]

reset_n

L3_v_in[15:0]

L3_i_in[15:0]

L2_v_in[15:0]

L2_i_in[15:0]

L1_v_in[15:0]

L1_i_in[15:0]

enable

clock

calibrate

I11

Power

time_counter[31:0]reset

clock

I3

µS-timer

test_out

PWM_num[7:0]

cali_ok

reset_n

PWM

clock

cali_enable

I4

VAC

ch_5[15:0]

ch_4[15:0]

ch_3[15:0]

ch_2[15:0]

ch_1[15:0]

ch_0[15:0]

reset_n

input_x[15:0]

enable

clock

addr[2:0]

I5

MUX1to6

U[15:0]P[31:0]

I6

sqrt32uartSOUT

RS485PIO_OUT[0]

relayPIO_OUT[5:0]

relay_psPIO_OUT[0]

DC_enablePIO_OUT[0]

calibratePIO_OUT[0]

VAC_PWMPIO_IN[7:0]

VAC_errorPIO_IN[0]

VAC_cali_OKPIO_IN[0]

uartSIN

triacPIO_IN[5:0]

reset_n

powerPIO_IN[15:0]

L3_vPIO_IN[15:0]

L3_iPIO_IN[15:0]

L2_vPIO_IN[15:0]

L2_iPIO_IN[15:0]

L1_vPIO_IN[15:0]

L1_iPIO_IN[15:0]

energyPIO_IN[15:0]

DCPIO_IN[0]

clk_i

ACPIO_IN[0]

I17

MCU

rx_data[18:0]

mosi

busy

ss_n

sclktx_data[18:0]

reset_n

miso

enable

clock

I8

SPI

output_y[31:0]

addr_enable

addr[2:0]

reset_n

enable

clock

ch_5[31:0]

ch_4[31:0]

ch_3[31:0]

ch_2[31:0]

ch_1[31:0]

ch_0[31:0]

I9

MUX6to1

update

tx_data[18:0]

L3_V[31:0]

L3_I[31:0]

L2_V[31:0]

L2_I[31:0]

L1_V[31:0]

L1_I[31:0]

enable

rx_data[18:0]

reset_n

clock

calibrate

busy

I10

RMS

ZA

I16

inv

Figur 9.8 Blockschema över VHDL-schemat.

46 Resultat

SPI

SPI-blocket är ett gränssnitt mellan VHDL-blocket RMS och den utgående kommunikationen

mellan ADC:n. En kommunikationssekvens kan se ut som följande. RMS-blocket lägger ut

följden bitar den vill skicka på en 19-bitar parallellbuss sedan drar den en bekräftelselina

(enable) hög för att signalera SPI-blocket att den har ett nytt meddelande redo att skicka. När

alla bitar har klockats ut samt in av SPI:n, full duplex, lägger SPI:n en annan bekräftelselina

(busy) låg, då vet RMS-blocket att det finns ny data att läsa från ADC:n.

Vid SPI-kommunikation måste mastern, i detta fall FPGA:n, sköta klockning av linorna,

därför kan man se i tabell 9.2 att bit fem - MSB på MOSI inte är av värde. Detta för att få

SPI-blocket att fortsätta klocka in bitarna från ADC:n på MISO. Med hjälp av en skalfaktor

på klockan kan man få vilken SPI-frekvens inom intervallet noll till halva FPGA-frekvensen.

Tabell 9.2 Kommunikation mellan FPGA och ADC.

Bitar Beskrivning

LSB Start bit, 1

1 Enkel eller differentiell mätning, 1/0

2 Adress, MSB

3 Adress

4 Adress, LSB

5 NULL, inget värde

6-MSB Data från ADC, inget värde

RMS

RMS-blockets uppgift är att hämta data med hjälp av SPI-blocket från ADC:n och genomföra

en effektivvärdesberäkning på dessa. Dock har roten ur delen av beräkningen tagits ur från

detta block för att få en snabbare samplingstakt. Som man kan se i ekvationen 9.1, som är för

att få RMS-värdet ur n-antal mätvärden, så måste man först kvadrera mätvärdet och sedan

summera dem. Efter alla sampels har tagits tar man ut medelvärdet på dessa och skickar till

nästa modul. Eftersom att det är tre strömtransformatorer samt tre spänningsmätningar så

måste RMS-blocket sampla alla samtliga kanaler, detta sker på en och samma gång. Alltså

hämtas alla värden i en sekvens sedan pausar blocket för att sedan ta nästa sekvens, detta för

att göra en mer noggrann mätning. När alla värden har hämtats i en mätserie tas medelvärdet

ut och sedan startar kretsen om.

VRMS =

√

1

n(v21 + v

22 + ...+ v

2n) (9.1)

9.2 Mjukvara 47

En kaliberringssekvens implementerades på grund av att alla kanaler har, i sitt grundtill-

stånd, en offsetnivå på halva mätområdet, denna måste subtraheras innan beräkningar kan

genomföras. Så det kalibreringen gör är att innan en laddning skall påbörjas kommer det en

puls från MCU:n som gör att RMS-blocket samplar de värden den har just då på ADC:n,

alltså halva intervallet. Detta värde sparas i en variabel som sedan används för att subtrahera

ifrån det riktiga mätvärdet. Detta ger en mer noggrann mätning.

MUX/roten ur

Eftersom att FPGA:n som används är den minsta i just den familjen så fick det inte plats

att implementera ett roten ur block på vardera lina ut från RMS-blocket. Så en lösning med

MUX:ar utvecklades för att lämna mer plats åt resterande program. MUX nummer ett, kallad

MUX6to1, loopar igenom alla ingångar när RMS-blocket ger ut en pulssignal som signalerar

att det finns nya värden på bussen. I ordning går ingångarna ut på utgången för att sedan få

dess rot beräknad genom Sqrt32-blocket. MUX ett skickar även ut en puls samt adress till

MUX nummer två, MUX1to6, för att denna skall hålla reda på vilket värde som skall till

vilken utgång. Själva roten ur blocket, Sqrt32, tar ned 32-bitars bussen till en 16-bitars.

Effekt/energi

Effekt-blocket matar in alla data från faserna och gör därefter en beräkning på vilken

momentaneffekt bilen laddar med. Även en tidfaktor matas in genom ett timer-block som

är ett block som räknar mikrosekunder och sänder ut värdet på en 32-bitar buss. Med detta

värde kan wattimmar beräknas.

Effekt-blocket har även en till funktion, i med att värdena som tas in från ADC:n är en

skalning utav antingen strömmen eller spänningen. Därför måste en skalfaktor multipliceras

in på varje lina till en vald enhet att representera ström och spänning på. I strömfallet

milliampere och i spänningsfallet centivolt. Dessa har valts för att få så hög upplösning som

möjligt på ett 16-bitars tal.

Jordfel

Jordfel-blocket, även kallad VAC i Figur 9.8, är ett gränssnitt mellan FPGA:n och jord-

felsdetektorns kalibreringssekvens. Innan en laddning påbörjas genomförs en kalibrering

av hallgivaren som sitter i jordfelsdetektorn för att få så noggrann mätning som möjligt.

Denna genomförs med hjälp av att blocket drar en pinne på jordfelsdetektorn låg, därefter

ligger den och läser av PWM-utgången som indikerar DC-offset i hall-givaren. Denna PWM

kommer gå från noll procent arbetscykel (duty cycle) till 100 procent på någon millisekund.

48 Resultat

Detta indikerar att hallen är kaliberrad utifrån de externa förhållanden den känner av just

då. Jordfel-blocket läser även av PWM:n under en laddning för att kunna förse MCU:n med

detta värde.

Relädrivare

Relä-blockets uppgift är att sluta de reläerna som MCU:n begär samt öppna reläerna så snart

ett jordfel har upptäckts. En energisparfunktion implementerades genom att pulsbreddsmo-

dulera en styrsignal till reläspolen. Vid påslag används 24 V för att få en så snabb och säker

stängning av reläerna som möjligt. Om energisparfunktionen är aktiverad i MCU:n kommer

reläerna gå ned till 40 procent energi efter 100 ms.

9.2 Mjukvara 49

9.2.2 MCU/Soft core

Har triacingången ändrats?

Slut/öppna

reläer?

Öppnar

reläer

Ligger det

spänning?

Fel Slut reläer

Modbus väntar?

Läs

register

Slut/öppna

reläer

Skriv

register

Nej

Ja

SlutÖpnna

JaNej

Nej

Figur 9.9 Flödesschema över programmet i MCU:n.

50 Resultat

Processorn som är implementerad i FPGA:n, MCU:n, har till uppgift att sköta reläerna

samt kommunicera med CCU:n. Figur 9.9 visar ett flödesschema över programmet för att få

en lättare grafisk översikt. Under rubrikerna nedan följer en ingående beskrivning på de olika

funktionaliteterna.

Reläer

Som nämnts tidigare har triac-ingångar implementerats för att få en bakåtkompatibilitet.

Denna ingång kollas varje gång programmet kommer tillbaka till sin startposition. Om en

ändring har skett jämförs det med föregående värde. En slutning av reläerna föregås av en

kontroll så att inte det ligger någon spänning på faserna efter reläerna just då. Om det skulle

göra det betyder det att ett relä har fallerat och en slutning av reläet just då skulle betyda att

man kortsluter två faser. Denna funktion används även om man använder sig av att öppna

reläerna via Modbus. Tabell 9.3 visar hur ingångarna på triac skall stå för att öppna vissa

reläer.

Tabell 9.3 Sanningtabell över triacsignal från CCU.

N L1 L2 L3 L2-L1 L3-L1 Beskrivning

0 0 0 0 0 0 Ej påslag

1 1 0 0 0 0 Enfasladdning

1 1 1 1 0 0 Trefasladdning

1 0 0 0 1 0Enfasladdning,

fasväxling

1 0 0 0 0 1Enfasladdning,

fasväxling

0 0 0 1 0 0Trefasladdning,

bakåtkompatibel

Öppning av reläerna vid avslutad laddning kan ske på tre olika sätt. Triacingången kan

ändra status, Modbusen säger till eller så har ett jordfel inträffat.

9.2.3 Modbus

I varje programslinga kollar MCU:n om det finns ett inkommande meddelande på Modbusen

och läser av detta om det finns. Eftersom att platsen har varit begränsad på MCU:n har inte

all funktionalitet på Modbusen kunnat implementerats. Att skriva till ett register samt läsa

från ett eller flera register är det som implementerats, dock har ingen feldetektering fått plats.

9.2 Mjukvara 51

MCU:n kollar om den kan utföra ett visst kommando utan att orsaka fel, skulle det komma

ett sådant fall händer det ingenting.

Tabell 9.4 Modbus register.

Adress Beskrivning Enhet

0x01 Statusregister –

0x02Energi,

akumeleradWh

0x03

Energi,

sedan senaste

påslag

Wh

0x04 Effekt W

0x05 Spänning L1 cV

0x06 Spänning L1 cV

0x07 Spänning L1 cV

0x08 Ström L1 mA

0x09 Ström L2 mA

0x0A Ström L3 mA

Det finns tio register varav nio av dessa endast går att läsa, tabell 9.4 ger en översiktsbild

på registren. Adress 0x01 (HEX), är ett statusregister med en unik flagga på varje bitplats. I

tabell 9.5 framgår varje flaggas funktion. Från minsta värdebit till bit nummer åtta ligger de

flaggor man kan ändra över Modbus från CCU:n. Det är även från detta register man öppnar

de olika reläerna via Modbus.

52 Resultat

Tabell 9.5 Statusregister.

Statusregister, 0x01

Bit: Funktion

LSB N, slut eller öppna

Bit 1 L1, slut eller öppna

Bit 2 L2, slut eller öppna

Bit 3 L3, slut eller öppna

Bit 4 L2 till L1, slut eller öppna

Bit 5 L3 till L1, slut eller öppna

Bit 6 DC-utlösning, på/av.

Bit 7 Triacsignal styr reläerna, på/av.

Bit 8 Energisparfunktion för reläerna, på/av.

Bit 9 -

Bit 10 -

Bit 11 -

Bit 12 -

Bit 13

Kan inte öppna relä

på grund av spänning

på fas.

Bit 14 DC-fel utlöst

LSB AC-fel utlöst

Kapitel 10

Verifiering

10.1 Test av delsystem

Kontinuerligt under utvecklingen har tester på delsystem genomförts. Alla delsystem har

dock inte testats, vissa stöds enbart av teori.

10.1.1 Jordfeldetektor

Tidigt i projektet utfördes tester på jordfelsdetektorn för att verifiera om denna triggade på

rätt nivåer. Figur 10.1 visar hur uppkopplingen. Komponenten HALL-VAC är hålet i mitten

av detektorn, resistor R1 och R2 är variabla resistorer för att lätt kunna variera felströmmen.

En last i form av en glödlampa användes på nätströmmen för att simulera att det går ström

genom sensorn.

AC_utAC_in

U1

DC_in DC_utAC_gnd AC_gnd

HALL-VAC

R1

R2A

A

R_last

Figur 10.1 Uppkoppling för att verifiera hall-givaren.

54 Verifiering

Efter testerna kunde värdena för brytningsnivåerna verifieras att den faktiskt bryter på 6

mAdc samt 30 mAac. Ett mindre test på hur mycket externa fält påverkar genomfördes också

genom att en permanentmagnet fördes närmare sensorn. Praktiken bekräftade teorin om att

hall-sensorn är känslig för dessa fält. Dock fungerade kalibreringssekvensen så som förväntat

genom att den nollade sensorn med det införda fältet.

10.1.2 Reläer

Slutning samt öppning av reläer har testats med programmet på FPGA:n både med triacin-

gången samt Modbus. Dessa tester har testat så reläer som inte skall vara aktiva vid vissa

lägen har varit aktiva, alltså så inga faser råkat kortslutas. Även tester på energisparfunk-

tionen har gjort med resultat som visas i tabell 10.1. Som resultatet visar blir det en klar

energiförbättring, speciellt om det skulle vara 4 reläer öppna samtidigt.

Tabell 10.1 Resultat från energisparfunktion, ett relä.

Arbetscykel Ström Effekt

100% 60 mA 1,44 W

40% 24 mA 0,58 W

10.1.3 Mjukvaran

Eftersom att kretskortet inte har kommit i rimligt tid för projektets slutfas har inga helhetstes-

ter kunnat utföras på mjukvaran. Dock har alla de olika delarna testats. En primitiv spänning-

samt strömmätnings uppkoppling gjordes för att kunna testa om man kan hämta data vi

Modbus. En dator med en RS-485 till USB omvandlare användes för att hämta de olika

registerna från FPGA:n.

Testerna som genomfördes var med lyckat resultat, utav de 1000 paketen som skickades

till FPGA:n kom 1000 svar tillbaka.

Kapitel 11

Slutsats

11.1 Diskussion

11.1.1 Resultatutvärdering

Här under kommer en utvärdering av de frågeställningar samt krav som ställts på PCU:n.

Omfattande tester har inte kunnat utföras på PCU:n i och med att kretskortet inte har

tillverkats inom rimlig tid för projektet. Merparten av punkterna kommer därför besvaras

från ett teoretiskt perspektiv.

• Tester har inte utförts angående ledning av 32 A trefas. Ledarbanorna har dock designats

för att klara av en värmeutveckling på maximalt 50 °C teoretiskt.

• Tester på jordfeldetektorn visade att felströmmar på på 6 mA likström och 30 mA

effektivvärde växelström kan upptäckas.

• De implementerade reläerna tillåter både brytning och fasväxling.

• En FPGA har installerats som styrenhet för att styra logiken samt kommunicera med

det överordnande styrsystemet CCU.

• Styrning utav reläerna går att genomföra med både bakåtkompatibla triacsignaler eller

via Modbus.

• Med den mönsterkortsdesign som gjorts är det möjligt att få plats med alla delsystem

på ett mönsterkort med de angivna dimensionsbegränsningarna.

• I det här fallet ansågs det vara bäst att använda en strömtransformator för strömmätning,

en differentialförstärkare för spänningsmätning och en hallsensor för att detektera

läckström.

56 Slutsats

• En soft core-lösning har implementeras i FPGA:n för att hantera Modbus-kommunikation.

Det har dock konstaterats att det inte är den optimala lösningen.

11.1.2 Problem

Det största problemet med projektet har varit FPGA:n. Mjukvaran som tillhandahölls från

Lattice har till stundom varit väldigt bristfälligt. Exempel på detta kan vara när ett syntaxfel

uppkommer någonstans i VHDL-blocket så ger Synthesize-motorn endast ut en felkod som

inte ger någon ledtråd vart felet kan vara.

Väldigt sent i projektet upptäcktes även att FPGA:n har bristfällig kapacitet för denna

sortens jobb, det var dock alldeles för sent att byta till någon annan lösning. Dessa skäl är

anledningen till att mjukvaran är så bristfällig när det kommer till Modbus-protokollet.

En annan problematisk aspekt var de höga spänningarna och strömnivåerna arbetet

behandlar. Att hitta en lämplig last för utvärdering och verifiering har ej gjorts.

Kapitel 12

Framtida arbete

En vidareutveckling av denna produkt skulle behöva börja med att genomföra noggrannare

tester på den här versioner då alla egenskaper ej har verifierats till fullo. Här nedan följer en

lista med förbättringsåtgärder.

• Hitta en bättre, mer stabil, lösning för styrning av kortet. En FPGA kanske inte

är den bästa lösningen. Om man inte kommer behöva snabb datainsamling finns

det ingen mening att ha en FPGA på kortet. Det är både lättare och billigare att

använda en välprogrammerad MCU, samt mycket smidigare när man skall ha ett

kommunikationsgränssnitt.

• Storskaliga tester måste genomföras på både ström- och spänningsmätning för att

kontrollera noggrannheten i en mätning, samt se så mätningen är linjär över hela

mätområdet.

• Prov för att se så att 32 A trefas kan dras genom kortet utan att för höga temperaturök-

ningar förekommer.

• Jordfelsbrytaren måste testas med alla delar inkopplade på kortet så att inga felutslag

förekommer.

Litteraturförteckning

[1] Carl Nordling & Jonny Österman. Physics Handbook for Science and Engineering,eighth edition. Studentlitteratur, 1980.

[2] Web, . URL https://en.wikipedia.org/wiki/File:Hall_Effect_Measurement_Setup_for_Electrons.png. (Tagen: 2016-11-19).

[3] Web, . URL http://www.allegromicro.com/~/media/Images/Design/Integrating-Hall-Effect-Magnetic-Sensing-Technology-Into-Modern-Household-Appliances/figure1.ashx?w=300&h=307&as=1&la=en. (Tagen: 2016-11-19).

[4] Web, . URL https://commons.wikimedia.org/wiki/File:RAZC-GENARRv1.jpg. (Tagen:2016-11-19).

[5] Web, . URL https://ae01.alicdn.com/kf/HTB1yuduIVXXXXbyXFXXq6xXFXXXg/New-200A-75mV-DC-Analog-Current-Meter-Divider-font-b-Shunt-b-font-font-b-Resistor.jpg. (Tagen: 2016-11-21).

[6] Web, . URL http://ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/21298c.pdf. (Tagen:2016-11-25).

[7] Web, . URL http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADR5040_5041_5043_5044_5045.pdf. (Tagen: 2016-11-25).

[8] Web, . URL http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/25073A.pdf. (Tagen:2016-11-26).

[9] Web, . URL https://en.wikipedia.org/wiki/File:FISkizze.svg. (Tagen: 2016-11-28).

[10] Ac/dc sensitive residual current monitoring module rcmb121, . URL http://www.bender-emobility.com/fileadmin/products/doc/RCMB121_D00267_D_XXEN.pdf. (Ta-gen: 2016-11-28).

[11] Web, . URL http://www.latticesemi.com/Products/FPGAandCPLD/LatticeXP2.aspx.(Tagen: 2016-11-28).

[12] Web, . URL http://www.latticesemi.com/latticexp2-brevia. (Tagen: 2016-11-28).

[13] 3.3-v rs-485 transceivers, Juli 2015. URL http://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn65hvd10.pdf. (Tagen: 2016-11-19).

[14] How to compute the modbus rtu message crc, . URL https://ctlsys.com/how_to_compute_the_modbus_rtu_message_crc/. (Tagen: 2016-11-18).

60 Litteraturförteckning

[15] On-line crc calculation and free library, . URL https://www.lammertbies.nl/comm/info/crc-calculation.html. (Tagen: 2016-11-18).

[16] Lattice xp2 footprint. URL https://designcontent.live.altium.com/#UnifiedComponentDetail/Lattice_Semiconductor_XP2/8. (Tagen: 2016-11-22).

[17] Latticexp2 brevia 2 development kit, November 2011. URL http://www.latticesemi.com/~/media/LatticeSemi/Documents/UserManuals/JL/LatticeXP2Brevia2DevelopmentKitUsersGuide.PDF?document_id=43735. (Tagen:2016-11-18).

[18] Latticexp2™ family data sheet, Januari 2012. URL http://www.latticesemi.com/view_document?document_id=24635. (Tagen: 2016-11-19).

[19] Tlv1117lv 1-a, positive fixed-voltage, low-dropout regulator, Februari 2015. URLhttp://www.ti.com/lit/ds/sbvs160b/sbvs160b.pdf. (Tagen: 2016-11-20).

[20] 1.0 a low-dropout positive fixed and adjustable voltage regulators, September 2014.URL http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/NCP1117-D.PDF. (Tagen: 2016-11-18).

[21] Lm284x and lm284x-q1 100, 300, or 600-ma 42-v input step-down dc-dc regulatorin thin sot, September 2016. URL http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2842-q1.pdf.(Tagen: 2016-11-19).

[22] Model cb3 & cb3lv hcmos/ttl clock oscillator. URL http://www.ctscorp.com/wp-content/uploads/2015/11/008-0256-0.pdf. (Tagen: 2016-11-21).

[23] Lf-g relays (alfg), . URL https://www.panasonic-electric-works.com/cps/rde/xbcr/pew_eu_en/ds_61B12_en_lfg.pdf. (Tagen: 2016-11-24).

[24] Generic standard on printed board design, May 2003. URL http://sisko.colorado.edu/CRIA/FILES/REFS/Electronics/IPC_2221A.pdf. (Tagen: 2016-11-18).

[25] Web, . URL http://circuitcalculato