礦用直流穩(wěn)壓電源電氣性能試驗裝置設計

郭凱明

摘要：為了解決當前礦用直流穩(wěn)壓電源電氣性能測試時需要的裝置分散繁雜，測試計算過程繁瑣的問題，設計了一種基于STM32F407VET6單片機的集成化礦用直流穩(wěn)壓電源性能測試裝置。先分析了當前礦用直流穩(wěn)壓電源電氣性能試驗需要用到的設備及測試步驟，發(fā)現(xiàn)當前測試AC電源，負載都是分立，負載值需要手動調整，測試結果需要手動計算，通過設備整合及單片機的應用能簡化設備及流程。測試裝置主要由交流電源輸出、直流電源輸入、模擬負載、運行控制等單元組成?？蓪崿F(xiàn)ACO～1254V井下交流電壓輸出及對被測直流穩(wěn)壓電源輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差、輸入電壓調整率、負載調整率、過流保護值和短路電流值進行測試，測試數據能自動處理計算并將顯示結果在工控機顯示屏上。該裝置的使用可以大大提高礦用直流穩(wěn)壓電源電氣性能測試的效率，并減少測試所有設備數量。

關鍵詞：礦用直流電源;單片機;性能測試

中圖分類號：TM930

文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492f 2022）02-0141-04

0 引言

礦用直流穩(wěn)壓電源可為各類礦用安全儀器儀表、傳感器及電氣設備供電，是這些裝置能正常運行的必要條件，其生產廠家和型號也在日益增多[1-4]。供電電源的主要性能直接影響著礦山使用的各種檢測儀表的穩(wěn)定性和有效性。供電電源輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差，交流輸入電壓波動時輸出的穩(wěn)定性，負載變化時對輸出功率的影響等都會在實際應用中造成供電不穩(wěn)定，從而影響各種安全檢測儀器儀表的可靠性。嚴重時，各種儀器儀表不能正常工作，可能會導致礦山事故等一系列安全問題。因此，對礦用直流穩(wěn)壓電源的主要性能進行測試是非常重要的。我國產品質量監(jiān)督檢驗中心測試直流穩(wěn)壓電源時必須單獨提供的交流電源，并需配備電阻箱滿足被測電源容量要求[5]。同時還需要單獨的電壓電流檢測儀器來采集信號，測試結果也需要人工計算，這個過程非常繁瑣，無論是時間上還是實際操作上都比較落后。因此研究礦用自動直流穩(wěn)壓電源電氣性能測試設備是非常必要的。

本文通過將礦用直流穩(wěn)壓電源性能測試需要的各種儀器設備整合在一起，并且通過單片機這一“大腦”統(tǒng)一調度各模塊的工作，大大簡化了測試需要的時間和難度，縮短了廠家電源做測試認證需要的時間，間接促進了行業(yè)的發(fā)展。

1 整體設計

1.1 測試裝置設計方案

該裝置由直流電源輸入、交流電源輸出、可變模擬負載、運行控制器等單元組成，測試人員通過T控機與該裝置進行人機交互，可以自動選擇交流輸出和直流輸入的各種模式。通過改變被測直流電源輸入電壓及模擬負載的大小，可以對輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差、輸入電壓/負載調整率、過流保護和短路保護等項目進行測試，數據可自動計算處理并通過工控機配備的顯示器顯示結果。系統(tǒng)框圖如圖1所示。交流電源輸出模塊電壓等級可由T控機選擇，工控機與中央處理器（STM32F407VET6單片機）相連接，向交流電源控制電路發(fā)出指令，改變交流電壓（ACO - AC1254 V）。同時，工控機也可以控制被測直流電源在“空載”、“負載”、“短路”模式之間的切換，中央處理器（STM32F407VET6單片機）向模擬負載控制電路和直流電源控制電路發(fā)送指令，直流電源控制電路與模擬負載電路相連，模擬負載根據指令工作在相應模式下。選擇不同的負載模式時，負載盒指示燈會發(fā)生相應變化，方便測試人員觀察判斷。直流電源控制電路與直流電源輸入電路相連，被測直流電源在空載和負載模式下的輸出電壓和電流數據會被采集。采樣電路通過RJ45網口將數據傳輸到工控機，工控機通過數據處理即可測出輸出電壓穩(wěn)態(tài)誤差，輸入電壓/負載調整率、過流保護值和短路保護值，并通過顯示器顯示結果。

1.2 中央處理器的設計

中央處理器采用嵌入式STM32F407VET6微控制器，是基于高性能ARM和RISC內核的32位微控制器，工作頻率高達168 MHz，具有單精度浮點運算單元（FPU），支持所有ARM單精度數據處理指令和數據類型。它還有一套完整的DSP指令和內存保護單元（MPU），可以增強應用程序的安全性。它還具有高速嵌入式存儲器（閃存高達1 Mbyte，SRAM高達192 kB），備份SRAM高達4 kB，以及各種增強型I/O和外圍APB總線[6]。

2 交流電源輸出單元的設計

測試裝置包括交流電源輸出和直流電源輸入兩大功能，交流電源輸出的電壓等級可根據實際需要選擇。

交流電源輸出單元主要由交流輸出控制電路（圖2）和交流電源輸出電路（圖3）構成。當測試人員通過工控機選擇好交流輸出電壓時，工控機向中央處理器發(fā)送指令，中央處理器將相關指令處理后對應PIN腳會輸出一個高電平至交流輸出控制電路（到圖2中的RANCEl/2/3/3），該電平信號經光耦合器隔離后傳輸至交流電源輸出電路，使對應的MOSFET導通，中間繼電器吸合，輸出選擇信號，中間繼電器控制高壓交流繼電器導通，最終使相應的交流輸出支路導通，從而輸出相應量程的交流電壓。

交流電源輸出單元共有10個中間繼電器和10個高壓繼電器，中間繼電器由交流電源輸出電路直接控制，高壓繼電器由中間繼電器控制，可實現(xiàn)交流輸出電壓范圍0- 1254 V。

3 直流電源輸入單元設計

3.1 設計方案

當被測直流電源接在該測試裝置后，可以通過調節(jié)模擬負載的值來調節(jié)被測直流電源的輸出電流，從而實現(xiàn)直流穩(wěn)壓電源輸出電壓偏差值、源/負載影響、過流保護值、短路保護值的測試。

直流電源輸入電路如圖4所示，被測直流穩(wěn)壓電源連接到被測源接口，控制板的輸入端與直流電源控制電路相連，如圖5所示。選擇空載或負載模式后，工控機向中央處理器發(fā)送指令。中央處理器將處理后的指令發(fā)送至直流電源控制電路，直流電源控制電路將控制直流電源輸入電路中的繼電器，繼電器觸點為1時，處于負載模式，觸點為2時R38阻值很大，處于空載模式。整機中圖4所示的模塊有多個，可以實現(xiàn)負載的寬范圍調節(jié)。直流電源輸入電路中的信號采樣電路將采集被測電源的電壓和電流信息，R40為電流采樣電阻，可將電流轉化為電壓信號。采集到的電壓和電流值先送到單片機進行處理，結果回傳給工控機進行顯示。

同時，測試人員可以對模擬負載的大小進行調節(jié)[7-12]，在工控機界面選擇好負載大小時，工控機傳送指令到單片機，單片機解析指令后，對應PIN腳發(fā)送高電平至模擬負載控制電路（圖6），它與模擬負載電路相連。選擇不同負載模式時控制指令使相應通道繼電器導通，圖6中的F11/F12/F13/F14均控制一路繼電器的通斷，不同負載模式的繼電器不能同時導通。導通繼電器對應的模擬負載接入使用。測試人員可通過調節(jié)模擬負載的大小，得到不同負載條件下被測直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓和電流，這些信息被采樣電路采集后送人單片機進行運算，最終得到被測電源的各項性能指標值。同時負載箱根據發(fā)送的控制指令不同而點亮相應指示燈，方便測試人員判斷工作狀態(tài)。

3.2 測試結果分析

該裝置通過檢測不同模擬負載下被測直流穩(wěn)壓電源的輸出電壓和電流值，從而對輸出電壓偏差值、負載/源極影響、過流保護值和短路電流值等電氣性能進行測試。

工控機接收到數據采集器傳輸的測試數據后，計算電壓偏差值、輸入電壓調整率、負載調整率，分別如下。

（1）電壓偏差值

式中：△U0為被測直流電源輸出穩(wěn)態(tài)電壓與額定輸出電壓的差值，Ux為被測直流電源標稱的額定輸出電壓。

在負載電流為0和負載電流為額定值，且輸入電壓在最小值、額定值、最大值時各測試一次，取最大的一個值作為被測直流電源的輸出電壓偏差。

（2）輸入電壓調整率

式中：AU0為被測直流電源負載電流從0階躍變化到額定值時穩(wěn)態(tài)輸出電壓的差值;Uo為額定負載電流時的穩(wěn)態(tài)輸出電壓。

在輸入電壓為最小值、額定值、最大值時各測量計算一次，選取最大的一個值作為其負載調整率B。

（3）負載調整率

式中：AUi為額定負載電流時，額定輸入電壓時的穩(wěn)態(tài)輸出電壓;U1為被測直流電源輸入電壓從最小值階躍變化到額定值，額定值階躍變化到最大值時，穩(wěn)態(tài)輸出電壓的差值中大的那個值。

綜上所述，工控機會直接顯示計算出的輸出電壓偏差值，負載效應、源效應、測得的過流保護值和短路電流值該測試裝置實現(xiàn)了自動化測試，節(jié)省了大量計算測試結果和選擇模擬負載的時間，大大提高了測試效率。

4 結束語

針對礦用直流穩(wěn)壓電源電氣性能測試中存在的設備分立繁雜，過程繁瑣的問題，提出一種可提供交流電壓輸出并實現(xiàn)電氣性能自動測試的測試裝置，其功能如下：（1） ACO -1 254 V電壓可提供給外部設備，被測直流電源也可使用;（2）輸出電壓偏差值、負載調整率、輸入電壓調整率、過流保護值和短路保護值可自動測試;（3）測量結果可通過顯示器直觀顯示，提高了測試效率效率。

該裝置通過將AC輸入源和模擬負載整合到一臺機器中，減少了測試過程中使用的設備，縮短了設備準備及連接的時間和工作量，同時該裝置采用單片機進行數據處理，替代人工記錄運算，減輕了測試人員負擔，同時大大縮短了測試需要的時間。

該裝置也有改進空間，主要是其輸出的交流電壓無法自動連續(xù)調劑，調節(jié)步進較大，在某些應用中，需要配合手動調節(jié)的隔離變壓器來輸出需要的交流電壓值。

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