電子鎮流器智能化在線檢測系統研究*

王邦勤，徐軍明，秦會斌

(杭州電子科技大學電子信息學院， 杭州310018)

我國從80年代開始研制電子鎮流器，其具有功率因素高、啟動特性好、體積小、重量輕等優點，在我國已經得到了廣泛使用，目前我國的電子節能燈產量已達到了4億只，同時其質量和產量也在不斷提高[1]。我國現有的電子鎮流器產品大多參考國外專利產品設計，在產業生產過程中缺少科學系統方法來研究電子鎮流器的設計問題，產品在老化實驗過程中，當元器件參數波動工作環境溫度變化時候，鎮流器的工作特性出現較大波動，甚至出現故障[2]。目前，大多通用型線路板故障檢測儀器在性能指標，性價比，通用性等方面遠遠滿足不了生產的實際需要[3]。設計了一種基于LabVIEW軟件平臺，將專家系統和故障字典法相結合的構成電子鎮流器在線檢測系統，并以市場上鎮流器產品的典型電路為研究對象，通過ORCAD Pspice10.5電路仿真軟件仿真建立該結構電子鎮流器的故障字典[4]，并詳細介紹了系統的組成、實現。

1 系統總體方案

如圖1所示，系統分為下位機鎮流器參數采集系統與上位機LabVIEW人機交互平臺。

圖1 電子鎮流器故障檢測系統結構框圖

本系統設計將計算機軟件工程中的比較流行的面向對象的模塊化設計理念應用到電子電路系統的實際過程中，將系統劃分為任務單一的模塊，有利于系統的進一步開發和完善。

下位機系統主要功能為測量電子鎮流器各主要節點的節點電壓信息，然后通過串口通信方式傳遞給上位機軟件平臺進行的分析處理，通過查找節點電壓故障字典數據庫的方式判斷系統故障，并實現大批量產品檢測分析，生成產品故障分析報告；圖2為節點電壓測量分機結構圖。

圖2 節點電壓測量分機結構圖

2 電子鎮流器故障字典

故障字典診斷法主要包括故障字典的建立和側后分析兩階段：即通過經驗或實際需要，確定所要診斷的故障集，通過電路仿真或推導的方式求出電路故障集中的一個故障時的響應，然后將所得電路響應做必要的編碼處理，作為對應的故障處的故障編號，將他們編輯成一部故障與特征對應的故障字典[5]；使用過程中，在相同輸入的情況下，將被測量電路的特征響應通過檢測儀記錄，在字典中查的與此特征相對應的故障。

國內電子鎮流器產業經過多年的發展，出現各種各樣的實用電路，本文主要使用Pspice設計軟件，對一種市場的一款13W熒光燈電子鎮流器進行仿真，其電路如圖3所示。

圖3 電子鎮流器最常用的電路結構

通過仿真實驗并結合產品的生產過程中的實際經驗，建立該款電子鎮流器的故障字典[5]。其中圖4(a)為雙向導通二極管VDB3正常實際工作時的測量波形，該類型電子鎮流器在工作狀態下的諧振頻率為28 kHz，幅值為3.0 V左右；圖4(b)為仿真電路VDB3中的仿真波形。

圖4 導通二極管VDB3正常波形與仿真波形

通過建立電路模型和利用Pspice的強大的仿真分析功能，將實際生產過程中常見性故障，進行仿真數據分析，對電路中主要節點電壓進行仿真與實際電路進行對比，實現對該類型鎮流器的故障字典的建立。系統的檢測精度，即故障檢測覆蓋率，同所取的電壓節點數目有直接關系[6]。

專業設計人員可以通過經驗或者新型電路結構的分析，增加或減少測量節點來提高檢測的針對性以及故障檢測覆蓋率。系統通過對系統故障節點電壓故障字典的建立，可測量出電子鎮流器的多種故障[7]。電子鎮流器的故障問題分析已經較成熟，該系統的檢測主要是針對鎮流器產品流水線生產時的故障，包括電路器件的短路、斷路、三極管熱擊穿、電容干涸即漏電等多種“獨立故障”及某一元器件損壞引起的“從屬故障”[8]。

3 下位機系統設計

下位機主控機工作流程如圖5所示，作為上位機LabVIEW平臺系統與底層數據測量采集模塊的連接。如上圖 2 所示， 下位機測量分機模塊以STC89C516芯片為核心組成的分機測量單元，測量分機系統軟件設計流程如圖6所示。

實現對電子鎮流器節點的電壓信號數進行測量、顯示及存儲。電子鎮流器節點電壓主要分為脈動直流高壓節點和高頻電壓節點：對于脈動的直流電壓節點，則使用精密電阻分壓模塊單元及A/D轉換單元。對于交流高頻電壓通過高頻互感器，濾波模塊，交流電壓/直流電壓轉換模塊，A/D轉換模塊，主要介紹如下。

圖5 主控單片機的程序流程圖

圖6 分機模塊程序流程圖

(1)高頻互感單元采用SPT204 型電壓互感器設計，電路結構如圖7。圖中， R′是限流電阻，調整R′的值，使額定輸入電流為2 mA，即可滿足使用條件。副邊電路是電流/電壓變換電路，當需要電壓輸出時采用。調整圖中反饋電阻R和r2的值可得到所需要的電壓輸出。圖8所示為熒光燈管兩端高頻高壓信號轉換為高壓低頻信號的波形顯示，電壓輸入信號頻率為27 kHz，互感器的信號縮小100倍，輸入輸出具有良好的線性。

(2)真有效值AC/DC轉換模塊。本文采用高準確度的AD637芯片設計出高頻信號的真有效值轉換電路[9]。其電路如圖9所示。

圖7 電壓互感模塊連接

圖8 熒光燈管兩端高頻高壓信號轉換

圖9 AD 637交流信號真有效值轉換電路

當輸入端輸入交流信號時，電路輸出幅值大小為交流信號真有效值的直流電壓。表1為AC/DC電路頻率特性及準確度測試結果。

表1 AC/DC轉換電路測試結果

輸入信號為有效值為1 V交流電壓。數據均使用安捷倫公司的TDS200B型示波器測量。從測試結果可以看出該有效值轉換模塊具有準確度高、頻率特性好(工作頻率范圍可達0 ～460 kHz)的優點。

(3)帶通濾波模塊。熒光燈電子鎮流器的諧振頻率一般在20 kHz～50 kHz左右，其諧波成份較為復雜。為了實現快速、精確測量低高頻小信號電壓，必須濾除線路中的干擾信號。為了在阻帶內實現最大衰減，通帶內信號能以相同比例通過，利用高集成度有源濾波芯片MAX275設計實現高階Butterworth帶通濾波器， 中心頻率為 50 kHz，通帶范圍為 10 kHZ～90 kHz，通帶內增益為1。

4 上位機LabVIEW平臺設計

LabVIEW是基于圖形化的程序設計語言，程序的核心代碼是類似于流程圖的方框圖和線條的連接[10]。圖10及圖11所示，為參數監測系統上位機LabVIEW軟件后臺部分程序框圖。圖10顯示模塊主要實現對待測電子鎮流器標稱電壓及故障字典數據庫的載入。圖11所示程序模塊，可將產品的檢測信息自動保存到計算的文件系統中，對產品的可靠性分析，故障率分析等有重要的作用。

圖10 待檢測型號鎮流器數據文件載入模塊

圖11 系統對檢測數據及結果保存

圖12為軟件平臺故障檢測實時界面。該軟件平臺可以實現鎮流器產品實時檢測，及產品批量檢測分析、存儲、報表輸出等功能。

圖12 軟件平臺故障檢測實時界面

5 總結

根據對監控系統的整體的測試可知，下位機主控模塊與各測量模塊及上位機監控系統間的通信良好，系統運行穩定，能夠檢測出電子鎮流器線路板中大部分故障類型。

該系統結構簡潔，擴展能力強，通過完善故障字典的數據庫，設定測量節點數目，可提高系統的故障檢測能力，增強系統的性能指標，以適用各種電子鎮流器生產廠家的需求，具有較強的推廣潛力與廣闊的市場前景。

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