基于無線監(jiān)控的感應(yīng)加熱電源故障檢測

魏寧 盧軍 孫大湖 王歡 趙程

摘要：本項(xiàng)目主要研究內(nèi)容主要有三方面：一是設(shè)計(jì)精確、低成本、快速的電流檢測電路;二是設(shè)計(jì)可以處理感應(yīng)加熱電源的過流、IGBT故障以及主控可以根據(jù)需求封鎖控制信號的電路;三是開發(fā)基于 Android 系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控裝置。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱;故障檢測;無線監(jiān)控

1 引言

傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱電源常采用獨(dú)立分散控制，無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控，自動化程度低，安全性差。網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可同時監(jiān)控?cái)?shù)臺高頻感應(yīng)加熱電源的并列運(yùn)行，大大提高了生產(chǎn)效率和設(shè)備的利用率，基于Android系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控裝置，輕便靈活，無地域限制。

電流檢測電路摒棄整流橋，采用運(yùn)放整流，減少了二極管導(dǎo)通分壓，可以測量小信號，電流檢測的范圍更廣。保護(hù)模塊不僅提供了硬件故障處理機(jī)制，還保留了軟件故障處理機(jī)制以及主控屏蔽故障的功能，不僅增加了設(shè)備故障處理的速度，也提高了設(shè)備的可靠性，應(yīng)用更加靈活。硬件故障處理具有自鎖功能，使設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。

2 電流檢測

電流檢測電路主要完成電流信號檢測以及產(chǎn)生過流脈沖，具有響應(yīng)速度快、靈敏 度高、實(shí)時電流采集、檢測小信號能力強(qiáng)等特點(diǎn)，主要由電流信號轉(zhuǎn)換模塊、信號放大模塊、信號整流模塊、過流脈沖產(chǎn)生模塊以及模擬生成AD模塊組成。

電流檢測模塊利用交流互感器采集設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時電流，并把其轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電壓信號。利用一級運(yùn)放對信號進(jìn)行放大，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)運(yùn)放參數(shù)。利用二級運(yùn)放對一級運(yùn)放輸出的信號進(jìn)行整流與適當(dāng)放大，整流后的信號經(jīng)過一階濾波后輸出給主控芯片進(jìn)行處理;與此同時將整流后的信號經(jīng)比較器，判斷是否過流，若過流則產(chǎn)生過流脈沖。

設(shè)計(jì)的電流檢測電路采集到的交流信號穩(wěn)定、波形失真小、輸出電壓精度高，達(dá)到了采集的要求，較好地滿足了感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)的需求。尤其是過流脈沖生成功能的加入，使得系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠。

電流檢測電路主要完成電流信號檢測以及產(chǎn)生過流脈沖，感應(yīng)加熱電源的逆變器輸出是200A左右的強(qiáng)交流電，不宜直接測量。電流互感器是依據(jù)電磁感應(yīng)原理，把匝數(shù)較少的一次繞組串聯(lián)在需要測量電流的回路中，而匝數(shù)較多的二次繞組串聯(lián)到電流檢測電路中，其作用是把數(shù)值較大的一次電流通過一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小、易于檢測和處理的二次電流。

之后用信號放大模塊主要是對交流互感器傳出的信號進(jìn)行放大，以達(dá)到主控板AD模塊的輸入要求。用2個反相運(yùn)放電路完成交流信號的整流，為主控器提供采集電流的幅值信息，產(chǎn)生過流脈沖起到保護(hù)的功能。使用濾波模塊對電流信號進(jìn)行整流、放大之后把部分負(fù)半軸的雜波接到地上，將負(fù)電平迅速釋放掉，電容濾波將交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?，由DSP控制器通過AD芯片采集。同時過流脈沖產(chǎn)生模塊可以預(yù)設(shè)限制感應(yīng)線圈的最大電流，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行中電流超過預(yù)設(shè)時生成過流脈沖，使設(shè)備安全可靠地運(yùn)行。

3 故障處理電路

硬件故障處理電路主要完成設(shè)備的故障處理工作，故障邏輯運(yùn)算模塊主要完成在硬件電路對多個故障檢測之前進(jìn)行一次運(yùn)算處理，生成一個總的故障信號，主要由與非門以及非門組成。很多故障信號是脈沖信號，如過流故障、欠壓故障等，處理這些故障需要硬件電路具有故障自鎖與解鎖的功能。故障封鎖與自鎖模塊主要完成故障信號自鎖以及主控解除故障封鎖的功能，為使設(shè)備安全可靠的運(yùn)行要根據(jù)故障封鎖信號決定是否輸出PWM信號，系統(tǒng)正常工作，輸出則為高電平，當(dāng)任意故障信號有效（低電平）時，故障邏輯運(yùn)算模塊使低電平總故障信號輸出，總故障信號觸發(fā)故障檢測與自鎖電路輸出故障封鎖信號，實(shí)現(xiàn)對PWM信號的封鎖。故障解除之后，將控制器拉高一個時鐘，故障檢測與自鎖電路進(jìn)入故障檢測工作模式，輸出故障封鎖信號為高電平，PWM封鎖模塊進(jìn)入正常工作模式，實(shí)現(xiàn)解鎖。

故障處理電路通過CPLD實(shí)現(xiàn)了故障發(fā)生時封鎖PWM信號，故障清除時解鎖PWM信號的邏輯功能。另外，通過設(shè)計(jì)故障邏輯運(yùn)算模塊大大簡化了電路的整體設(shè)計(jì)。通過硬件電路進(jìn)行故障處理，相比于軟件處理，具有實(shí)時性好、處理速度 快的優(yōu)勢，且不占用主控芯片資源，增加了控制系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

4 無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控裝置

在進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱電源控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過程中需要基于整流器以及逆變器兩個方面，選擇適合的電路類型，以設(shè)計(jì)合適的硬件電路，在選擇器件參數(shù)的過程中需要對整流電路以及逆變電路的控制方式進(jìn)行系統(tǒng)的分析，并且將這些電路有機(jī)整合起來，在設(shè)計(jì)驅(qū)動保護(hù)電路時需要做到工作的有序，可以使電路精簡，節(jié)約成本，并且為電路的有效運(yùn)行提供必要的保障。

在整個電源控制系統(tǒng)的程序中主要包括主程序，逆變器驅(qū)動脈沖生成程序等，這些程序就是構(gòu)成控制系統(tǒng)的軟件部分，在這些軟件的啟動過程中，需要主電路通電，整流器率先啟動工作，并且可以輸出穩(wěn)定的直流電壓，而在激起逆變器的過程中需要保證流過負(fù)載的電流足夠大，同時需要電壓電流的閉環(huán)來穩(wěn)定逆變器的輸出量，以最終實(shí)現(xiàn)電源功率調(diào)節(jié)的目的。

采用 AVR 單片機(jī)ATmega328P-PU 為核心的Arduino Uno開發(fā)板做數(shù)據(jù)采集上傳端。W5100EthernetShield網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展板與Arduino Uno搭配使用實(shí)現(xiàn)Internet接入，將數(shù)據(jù)上傳到指定服務(wù)器。W5100網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展板使用RJ45接口與無線路由器LAN口相連，無線路由器接入互聯(lián)網(wǎng)，開啟DHCP功能。在程序中設(shè)定Arduino Uno控制板IP地址，智能手機(jī)終端打開Wi-Fi功能，連接無線路由器自動獲得IP地址與Arduino Uno處于同一無線局域網(wǎng)段中。此時Android智能手機(jī)通過自帶的瀏覽器就能訪問到作為WEB服務(wù)器的Arduino Uno板，可以監(jiān)控到連接到Arduino Uno板上的傳感器數(shù)據(jù)。開發(fā)的基于Android系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控裝置就可以實(shí)時控制感應(yīng)加熱電源。

5結(jié)束語

基于Android系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控裝置可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)臺高頻感應(yīng)加熱電源的并列運(yùn)行，輕便靈活，無地域限制。大大提高了生產(chǎn)效率和設(shè)備的利用率，降低成本，提高產(chǎn)品競爭力。

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（作者單位：湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院）