1、一种三相交流控制模块综合参数测试仪器的设计 本文介绍一种采用继电器逻辑阵列和单片机电路组成的智能化测试仪。以市场上常见的三相控制模块为例详细介绍测试电路的设计过程和设计技巧。 【关键词】模块 继电器阵列 程控放大 单片机软件 仪器 1 概述 三相交流控制模块大量用于三相电机正反转控制；现在国内生产厂家众多，但生产制造和设计水平参差不齐，关键参数测试依靠各种简易工装逐个项目单独测试，测试过程测试工装切换频繁，效率低下，有些厂家甚至部分关键参数没有测试或降低标准测试；本文作者常年从事设计各种继电器参数测试和分析仪器，包括各种交流型和直流型固态继电器，本论文研究的目标是设计一种使用方便、功能齐全、测
2、试项目可选的智能三相交流模块综合参数测试仪，特别是包括过零型产品的时间参数测试，仪器提供计算机接口，方便生产单位采集和分析数据；为三相交流控制模块提供可靠的参数检测技术。 2 设计方案 三相交流控制模块种类很多，不同产品可以参数测试需求不完全一样。但主要功能参数变化不大，可以分为输入参数部分、输出参数部分。 输入参数部分有：额定电压/电流、反向电压/电流、接通电压/电流、关断电压/电流、输入电压降/电流、输入发光管状态。 输出参数部分有：输出交流压降、输出交流漏电流、输出直流漏电流、输出接通时间、输出关断时间、输出缺相控制功能测试、输出纠相控制功能测试仪器由人机交互部分、控制部分、继电器阵列部
3、分、测试部分、通讯部分组成。仪器将用单片机为控制核心，系统有单片机控制按人机交互部分得到的用户需要控制继电器阵列依次使能测试部分电路，采集并输出测试结果。 3 硬件设计 3.1 控制电路与人机交互系统设计 由于CYGNAL仅提供贴片TQFP-100封装的F020，当小批量生产仪器的时候，控制电路集中做成模块，可以解决手工焊接难题，控制模块还可以移植使用，这样可以提高开发效率，又可以降低开发成本。控制电路由显示接口、键盘接口、LED接口、总线接口、电源电路和复位电路组成。 3.2 测试电路设计 测试电路是整个硬件电路设计的核心。测试电路各个功能电路设计成各自独立的单元，各自独立调零和独立调整放大
4、系数，这样软件设计就相对简单，精度也比较高。当然压降采集和漏电流采集电路可以考虑复用，当测试电路复用时硬件电路设计会相对简单一些，但必须使用软件调零和调整放大系数，软件设计相对复杂很多，对使用者的要求更高一些。本系统使用各个测试功能各自独立测试电路。 3.2.1 驱动电压比例放大电路 比例放大电路可以采样如图1形式。 如图1示U3比较器比较反馈信号Dot1与来自单片机模拟电压信号DAC2，当DAC2电压大于Dot1电压，U3输出正电压驱动Q21导通，进而引起Q22导通，促使输出Vout电压升高，当输出Vout电压升高则反馈电压Dot1升高，最后使得Dot1与DAC2电压动态一致；单片机通过调整
5、DAC2来调整输出Vout电压的大小，选择适当的Q22和Q21可以将功率放大到系统的要求；当然如果项目需要的驱动电压范围比较广，为提高电压精度则可以将反馈作成多路，输出电压分档控制。 当然图1电路中R59可以考虑放在Q22的B极和Q21的C极之间，这样在计算功率匹配和防错方面有很大的优势。当电路异常或输出异常时适当的R59可以阻断电路输出故障，保证Q21及其前端电路不受影响。 3.2.2 高压脉冲发生电路与直流漏电流采集电路 高压脉冲发生电路与直流漏电流采集电路都属于输出直流测试种类，高压脉冲发生电路为全桥式驱动电路，控制高压管Q6、Q8、Q3、Q4的导通状态便可实现高压正反加载，实现高压脉冲
6、的发生。当然全桥也用于输出直流高压漏电流正反向测试；直流采集通过MOS管Q5实现分档采集通过全桥的电流，通过R29和R27将电流信号转成电压经过R64传递给单片机。如图2。 3.2.3 高压发生电路 高压发生电路由一个比例放大电路和两个可控固定电压组成，单片机通过控制固定电压与比例放大电路电压的叠加实现电压大范围的控制，从而实现高压的发生。 3.2.4 驱动恒流电路与电流采样电路 由于三相交流产品有部分型号输入驱动是电流形式，因此仪器设计包括驱动恒流电路以适应该类产品的需求。对于恒流型产品，仪器直接读取输出电压剔除恒流部分的压降即得产品的输入压降。对于电压型产品，驱动恒流部分不生效，电流采样部
7、分生效并用于输入电流测试。 恒流电路通过反馈采样回路如图3示；单片机通过选择导通MOS管Q4；R36和可调电阻R78将电流转成电压并反馈给U8，实现单片机通过调整DAC1的大小进而调整通过R36和R78的电流。 图3运算放大器U9与Q3和Q5组成电流采样电路；单片机可以通过选通Q3或Q5使得R35或R37有效，这样U9通过R39得到的Icase信号就是电流信号；运放U9通过改变R41、R40、R80、R81的比例关系实现电流小信号放大并传递给单片机，实现电流读取。 3.2.5 压降采集电路与交流漏电流采集电路 交流电压信号可以采样标准模块测试也可以自行设计交流电压测试电路。交流信号的测试的精度
8、影响因素比较多，部分测试模式其测试结果与波形和频率有关系，为避免测试结果争议，笔者倾向于使用市场上现有的交流模块，这样方便计量和分析。交流漏电流采集电路通过功率电阻将电流信号转成电压信号，其与压降采样电路如下图示通过继电器选择并由P3接口接至交流测试模块实现交流压降和交流漏电流的测试。 3.3 继电器阵列电路以及其他电路设计 继电器阵列实现三相三线或三相四线测试接口，继电器选型必须以大间隙为标准，其次选择线圈与触点机构耐压大的产品。当然系统设计成多板模式，特别是CPU板，独立的CPU板供电系统并且进行总线隔离处理将有助于提高系统抗干扰性能。 串口通信可以使用标准RS232；单片机内带串口控制器
9、，通信电路仅需一片232电平转换芯片就可以实现；当然如果需要多机远距离通信，可以考虑使用485。本系统使用标准RS232；串口通信技术介绍的书籍很多，这里不详细介绍。 4 软件设计 软件采样模块化程序结构设计，最大程度实现软件复用和优化；系统由初始化程序、测试程序、设置程序、校准程序、通信程序和主控制程序组成。 4.1 初始化程序 系统为能够为未来其他仪器能复用本项目的程序，可以将ADC子程序、DAC子程序、延时1毫秒子程序、延时0.1毫秒子程序、汉字显示子程序、数字显示子程序、读键盘子程序、FLASH读写子程序打包，方便系统程序调用。 4.2 设置程序 由于需要设置的参数众多，本系统也使用模
10、块化设计。对于需要进行数量值设置的程序统一使用子程序模式，先期可以编写大量例如setdata99、setdata999、setdata9999样式的参数设置函数，这样直接调用该函数可以有效地避开设置程序的微小差别，使设置程序不至于冗长。本系统提供参数设置和组数设置，组数设置无需密码，适用于一般操作员工使用，参数设置需要授权并输入密码，保证参数设置的正确性。 4.3 主控程序和通信程序 在模块化设计中主控程序比较简单，仪器初始化结束后进入主控程序；主控程序由一个永循环等待程序组成，在循环等待中定时读取键盘和串口的指令并按指令调用其他程序。 通信程序由一个中断和一个中断处理子程序组成，其可以访问测
11、试结果存储的内存也可访问设置程序存储的数据；通信程序需要定义通信协议，本仪器设计使用类似PLC通信命令的格式。如表1。 通信交互发起权在PC或其他控制器，仪器仅有被动响应功能，当然仪器可以接受测试指令并上传数据，也可接受点检指令返回点检结果或接受并存从PC来的设置数据；由于需要设置数据比较多，使用PC设置数据是一个很好的功能。增加地址位为未来一对多通信提前预留。 4.4 测试程序与校准程序 一般情况下开发顺序是先编写校准程序，再编写测试程序。但在编写校准程序和测试程序时候尽可能使两者的程序一致，当然做成可复用的子程序最好。否则测试程序和校准程序中必须连同延时时间一致才能保证校准结果适用于测试结
12、果的判断，特别是在交流参数的测试和时间参数的测试中。 校准程序在使用软校准时应当设置二级密码，软校准应该有授权才能更改，保证仪器的正常使用，校准程序使用全中文提示并在使用手册上载明校准条件，特别是交流参数校准，必须确认标准器件测试方法与交流测试模块一致。 部分产品对驱动输入的余电非常敏感，因此设计测试顺序非常重要，本系统的测试顺序如下： （1）正向输入短路测试。 （2）正向输入反极性测试。 （3）正向关断电压测试/关断电流测试。 （4）正向导通电压测试/导通电流测试。 （5）正向输入电流测试。 （6）正向断开时间1、2、3通道测试。 （7）正向闭合时间1、2、3通道测试。 （8）反向输入短路测
13、试。 （9）反向输入反极性。 （10）反向关断电压测试。 （11）反向导通电压测试。 （12）反向输入电流测试。 （13）反向断开时间1、2、3通道测试。 （14）反向闭合时间1、2、3通道测试。 （15）正向漏电流测试通道1测试。 （16）正向压降测试通道1测试。 （17）正向漏电流测试通道2测试。 （18）正向压降测试通道2测试。 （19）正向漏电流测试通道3测试。 （20）正向压降测试通道3测试。 （21）反向压降测试通道1测试。 （22）反向漏电流测试通道2测试。 （23）反向压降测试通道2测试。 （24）反向漏电流测试通道3测试。 （25）反向压降测试通道3测试。 （26）纠相功能测
14、试。 （27）发光管测试测试。 （28）接口L1阻断漏电流测试。 （29）接口L2阻断漏电流测试。 （30）接口L3阻断漏电流测试。 （31）接口U阻断漏电流测试。 （32）接口V阻断漏电流测试。 （33）接口W阻断漏电流测试。 本项目当有阻断不良，其他五头依次断开并测试不良端口。 （34）缺相保护测试L1通道。 （35）缺相保护测试L2通道。 （36）缺相保护测试L3通道。 注：有直通通道该直通通道取消阻断漏电流和交流漏电流）。 5 小结 本仪器已经小批量制作生产，并用于公司的生产。其实现高精度、低价格、多功能、高效率的设计目标。本设计中所以使用元器件均为市场常见产品，价格低廉易购，本设计电路亦然可以应用于继电器类型的仪器的设计。 参考文献 1潘琢金，施国君编著.C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2002（01）. 2马忠梅，籍顺心，张凯，马岩编著.单片机的C语言应用程序设计M.北京：北京航空航天大学出版社，2001（07）. 作者单位 厦门宏发电声股份有限公司 福建省厦门市 361000第 9 页 共 9 页
