智能電表的設(shè)計方案

智能能源意味著電力生成，分配和消耗的智能水平。在某種程度上，這已被政府強加給公用事業(yè)公司，但它比單純的立法更加深刻。更廣泛的社會良知意味著它現(xiàn)在影響著所有形式和各個層面的權(quán)力處理方式。

越來越多地嵌入儀表，電器，機械甚至建筑物中的“智能”旨在幫助控制能量。不斷擴大的全球人口和有限的化石燃料，再加上利用這些資源對環(huán)境的負面影響，正在導致世界能源格局發(fā)生變化。

可再生能源正變得越來越重要。國際能源機構(gòu)最近公布了數(shù)據(jù)，表明能源生產(chǎn)和消費的關(guān)鍵領(lǐng)域如何進一步實現(xiàn)“巴黎協(xié)定”的目標。電動汽車，太陽能光伏和陸上風電場正在滿足當前的預期，而其他舉措包括碳捕獲和儲存以及提高燃煤發(fā)電效率則不然。其他形式的可再生能源（如核電和儲能）的指標顯示需要做出更多努力，如運輸，工業(yè)和消費應(yīng)用（如家用電器和照明）等終端市場也需要更多的努力。

能源效率低下的一個重要因素是轉(zhuǎn)換階段自然會產(chǎn)生損失，但正在開發(fā)的技術(shù)和技術(shù)可以幫助最小化它們。該行業(yè)繼續(xù)向數(shù)字領(lǐng)域過渡，與純粹的模擬方法相比，它提供了更好的控制，靈活性和效率。由于這種轉(zhuǎn)變，越來越多的解決方案結(jié)合了一系列專門針對電源轉(zhuǎn)換的功能。

監(jiān)測能源使用情況

智能電表目前正在許多國家推出，以便讓消費者更好地控制其能源使用，并幫助公用事業(yè)公司監(jiān)控需求，確保他們只生產(chǎn)足夠的能源來滿足這一需求。公用事業(yè)公司越了解消費者的習慣，就越容易采用對環(huán)境負責的能源生產(chǎn)和分銷方法。雖然術(shù)語“智能電表”涵蓋了這個應(yīng)用領(lǐng)域，但它們的功能可能會有很大差異。有些人可能只是將數(shù)據(jù)傳回公用事業(yè)提供商，而其他人可能會讓房主全面了解他們的能源使用情況。

賽普拉斯半導體的FM4 S6E2Dx系列微控制器面向?qū)で箝_發(fā)可與智能電表接口并提供豐富信息的系統(tǒng)的OEM。它可以構(gòu)成家庭能源管理系統(tǒng)（HEMS）的核心，如圖1和圖2所示。它集成了ARM Cortex-M4F內(nèi)核和圖形子系統(tǒng)，以及許多其他外圍設(shè)備，以支持有線和無線接口。

在同一系列中，F(xiàn)M0 + S6E1A1系列針對不同形式的電機控制進行了能量管理優(yōu)化。無刷直流電機（BLDC）和永磁同步電機（PMSM）的數(shù)字控制是能源管理領(lǐng)域，是優(yōu)化的關(guān)鍵。兩種類型的電動機都存在于越來越多的工業(yè)機器和消費電器中，并且一直是努力提高能效的主題。磁場定向控制（FOC）是一種使PMSM和BLDC的驅(qū)動和控制更加高效的技術(shù)，但它確實需要相對較高的處理能力。FM0 + S6E1A系列非常適用于BLDC和PMSM電機的FOC，這些應(yīng)用完全受制造商賽普拉斯半導體公司設(shè)計指南的支持。

電源轉(zhuǎn)換

雖然一些電器使用交流電源供電，但更多電器需要降壓和穩(wěn)壓直流電源，這使得開關(guān)模式電源（SMPS）的使用非常廣泛。向數(shù)字控制的轉(zhuǎn)變使原始設(shè)備制造商能夠生產(chǎn)更小，更高效的SMPS，并繼續(xù)努力進一步提高這一關(guān)鍵領(lǐng)域的效率。

該dsPIC33F系列數(shù)字信號控制器（DSC）的從Microchip的適用于智能電源轉(zhuǎn)換，提供動態(tài)控制和環(huán)路調(diào)整，預測控制環(huán)路算法以及針對不同功率級別的操作靈活性。這種級別的數(shù)字控制旨在消除對標準模擬控制回路的需求，同時提供更好的控制。調(diào)節(jié)由DSC上運行的軟件控制，支持用于非線性預測和自適應(yīng)控制的數(shù)字補償算法。簡而言之，電源能夠更好地處理輸入功率和負載的變化，以便在各種條件下以最佳效率運行。在這種情況下，DSC上運行的算法使用高速和高帶寬ADC以及高速PWM收集的反饋。

如圖4所示，dsPIC33F還能夠通過Boost-PFC算法實現(xiàn)功率因數(shù)校正，使用平均電流模式控制。通過計算整流輸入電壓，輸出電壓誤差補償器和電壓前饋輸出的乘積，以數(shù)字方式導出參考電流。即使在運行此應(yīng)用程序時，dsPIC33F也為其他應(yīng)用程序軟件提供了充足的處理空間。