一種多路高壓電源測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

郭云輝

摘要：介紹一種多路高壓測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并簡(jiǎn)要的介紹其電路結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)、工作原理和技術(shù)指標(biāo)。該設(shè)備主要用于實(shí)驗(yàn)室和高壓電源的生產(chǎn)、調(diào)試及故障檢修。該系統(tǒng)可測(cè)量的額定最大電壓值為20kV，并可提供0-400μA連續(xù)可變的恒流負(fù)載。

關(guān)鍵詞：高壓電源組件；測(cè)試儀；負(fù)載模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）08-0175-02

1 電路結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)指標(biāo)

測(cè)試儀由電壓測(cè)試組、通訊網(wǎng)絡(luò)、中央工控機(jī)三大部分組成。根據(jù)測(cè)量的電壓范圍段進(jìn)行分組，如高壓測(cè)試組、中低壓測(cè)試組，各測(cè)試組均通過(guò)485通訊電纜連接到中央工控機(jī)，構(gòu)成一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。通過(guò)高性能的中央工控機(jī)統(tǒng)一管理各測(cè)試組的測(cè)量作業(yè)；對(duì)測(cè)量模塊返回的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析判斷、存儲(chǔ)。

軟件設(shè)計(jì)上分成上位機(jī)軟件（運(yùn)行在中央工控機(jī)上）與下位機(jī)（運(yùn)行在各測(cè)量模塊中）兩部分。通過(guò)仔細(xì)的用戶需求分析，精心設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)和任務(wù)調(diào)度模塊，提供良好的用戶圖形界面，以使用戶操作簡(jiǎn)單、正確。本測(cè)試儀由測(cè)試組、通訊網(wǎng)、中央控制機(jī)三大部分組成，組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

2 測(cè)試模塊工作原理與硬件設(shè)計(jì)

高壓測(cè)試模塊采用數(shù)字式高壓電位計(jì)方式測(cè)量被測(cè)高壓，當(dāng)電路平衡時(shí)測(cè)試模塊等效輸人阻抗為無(wú)窮大；通過(guò)內(nèi)部處理器的實(shí)時(shí)計(jì)算，輸出控制信號(hào)，使得數(shù)字電位差計(jì)處于不平衡狀態(tài)以模擬不同的負(fù)載電流或負(fù)載電阻。

2.1 測(cè)量原理

利用電位差計(jì)原理，回路電流為0時(shí)，電路平街，此時(shí)測(cè)得的電壓即為待測(cè)電壓。如圖2所示，當(dāng)內(nèi)部數(shù)控電源產(chǎn)生電壓與接入的電源組件電壓相等時(shí)，回路電流為0，通過(guò)測(cè)量單元讀出的電壓即為待測(cè)電源模塊電壓。

圖2中G為模擬的電位差計(jì)，Ex為待測(cè)電源組件輸出電壓，Et為測(cè)量模塊內(nèi)部數(shù)控電源產(chǎn)生的匹配電壓，當(dāng)Ex=Et時(shí)，電位差計(jì)達(dá)到平衡，此時(shí)測(cè)量單元測(cè)出的電壓即為待測(cè)電壓。

2.2 負(fù)載模擬原理

電子負(fù)載同普通電阻負(fù)載和其他能耗式負(fù)載一樣，其基本功能是完成電源組件的試驗(yàn)，即能夠模擬普通電阻負(fù)載的輸出特性。如圖所示，電源組件輸出的電壓作為模擬負(fù)載的輸人，圖3中的“負(fù)載模擬單元”是系統(tǒng)的核心部分，用以取代傳統(tǒng)的電阻能耗型負(fù)載。

2.3 等值電路和數(shù)學(xué)模型

圖3中的“負(fù)載模報(bào)單元”所模擬的負(fù)載一般可以等效為電感和電阻的串聯(lián)，設(shè)被試電源的輸出電壓為Ud。同理，電子負(fù)載可以模擬實(shí)際的阻感負(fù)載和電阻負(fù)載，在分別模擬阻感負(fù)載與電阻負(fù)載時(shí)，其等值電路應(yīng)同實(shí)際的阻感、電阻負(fù)載相同，分別如圖4所示。

在模擬阻感負(fù)載時(shí)直流側(cè)電壓Ud恒定，電源組件的輸出電壓在一定范圍內(nèi)恒定，電源輸出電流的大小，正比于負(fù)載側(cè)電流的大小，而電流的設(shè)定值若按式（3）的給定進(jìn)行控制，則成功地控制了電源組件輸出電流的大小，即成功地模擬了R、L性質(zhì)的負(fù)載，此時(shí)通過(guò)對(duì)R、L值的設(shè)定即可實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬功率的設(shè)定。同樣更為簡(jiǎn)單的情況下，模擬純電阻負(fù)載時(shí)，電流設(shè)定值按式（4）的給定取值即可。

3 方案分析與仿真計(jì)算

電壓測(cè)量和負(fù)載模擬是整個(gè)測(cè)試儀的兩大核心任務(wù) ，在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中預(yù)備幾種解決方案，通過(guò)反復(fù)的仿真和實(shí)驗(yàn)選擇最佳方案。

3.1 電信測(cè)量

（1）電壓測(cè)量前提。在精密高壓數(shù)控電器的輸出范圍（Vlowset～1Vhighest）內(nèi)平均N等份，處理器的輸出為Nbotmm～1Ntop（Ntop=N）。假設(shè)處理器輸出值為Nx，則在數(shù)控電源的輸出電壓為（Nx/Ntop）×Vhighest。

（2）自動(dòng)測(cè)量的原理：找到一個(gè)N使得精密高壓數(shù)控電源的輸出等于外界輸入電壓，使電路達(dá)到平衡，通過(guò)測(cè)量單元測(cè)出當(dāng)前電壓值。

（3）軟件算法描述。

第一步：讀取ADC的采樣值。

第二步：若回路電壓方向發(fā)生變化，則采用分法通近電流過(guò)零點(diǎn)。先采用小步長(zhǎng)，逐次逼近得測(cè)電壓，若干次后，如果數(shù)控電源輸出電壓還是小于待測(cè)電壓，則增大步長(zhǎng)，增大輸出電壓；如果數(shù)控電源輸出大于待測(cè)電壓，則減小步長(zhǎng)，減小輸出電壓。

重復(fù)達(dá)代第二步，直至回路電流為0。

第三步：電壓平衡，發(fā)送此時(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)給上位機(jī)。

3.2 模擬負(fù)載

（1）模擬負(fù)載原理。由I=U/R，跟隨U的變化情況，通過(guò)調(diào)節(jié)處理器PWM輸出的占空比，經(jīng)U/I轉(zhuǎn)換后輸出電流返回給電源組件，精確控制I的輸出大小就可模擬出所需負(fù)載阻抗。

（2）軟件算法描述。

第一步：測(cè)量端口輸人的電壓，即電源的輸出電壓U。根據(jù)用戶輸人的期望負(fù)載值R，設(shè)定PWM輸出占空比，通過(guò)U/I轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成電流回送給電源組件。

第二步：測(cè)量當(dāng)前端口電壓Ui，回路電流Ii，計(jì)算當(dāng)前的負(fù)載值Ri與設(shè)定值R的偏差ΔRi=Ui/Ii-R0，

∑ΔR=∑ΔRi。

第三步：若∑ΔR≥+0.5%R，增大PWM輸出占空比，使回路電流增大，從而U/I的比值變小，否則重復(fù)第二步；若∑ΔR≤-0.5%R，減小PWM輸出占空比，使回路電流減弱，從而U/I的比值變大，否則重復(fù)第二步。

4 結(jié)語(yǔ)

采用電位差計(jì)方式可以消除電源內(nèi)阻對(duì)電壓測(cè)量結(jié)果的影響，電壓測(cè)量結(jié)果是電源的真實(shí)輸出電壓，0～400μA的電流模擬，使系統(tǒng)能夠測(cè)得高壓組件在各種負(fù)載情況下的輸出狀況，本套設(shè)計(jì)方案針對(duì)不同高中低擋高壓電源的電壓自動(dòng)檢測(cè)，負(fù)載模擬，多參數(shù)測(cè)量記錄是非常有意義的。

參考文獻(xiàn)

[1]于海生.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.