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(1.浙江工業(yè)大學 理學院 浙江 杭州 310023;2.杭州高聯(lián)電子科技有限公司 浙江 杭州 310030)

熔斷器作為電力系統(tǒng)重要保護設(shè)備廣泛應(yīng)用于變電站、軌道交通等電力系統(tǒng)以及航天、船艦等工業(yè)系統(tǒng).由于使用熔斷器的場所對安全隱患的極高要求，其可靠性測試非常嚴格[1-3].熔斷器數(shù)千次的通電/關(guān)斷電老化測試作為其可靠性最主要的性能受到各使用單位的重視，其電老化測試主要包括兩種，恒流老化和恒壓老化，其中恒流老化更符合其工作特性，而恒壓老化作為輔助測試手段也得到應(yīng)用[4-6].熔斷器電老化測試電源要求性能穩(wěn)定，具有高精度的穩(wěn)壓、恒流功能，且通電、關(guān)斷以及工作時輸出無過沖.

目前，國內(nèi)熔斷器電老化測試電源大多采用開關(guān)電源實現(xiàn)恒流功能，通過改變相應(yīng)電位器阻值實現(xiàn)不同電流值的恒定[7].西安理工大學的皇金峰對各類開關(guān)電源進行數(shù)學建模以及軟件仿真，分析了開關(guān)電源硬件穩(wěn)壓功能中超調(diào)量和相位裕量與補償網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系，得出補償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)合理的開關(guān)電源在輸入電壓信號固定時具有硬件穩(wěn)壓及防過沖能力的結(jié)論[8].華南理工大學的張冬梅、楊蘋等通過數(shù)學建模以及軟件仿真的方式分析了雙閉環(huán)控制穩(wěn)流型開關(guān)電源的恒流能力以及抗外界擾動能力[9-12].他們的研究驗證了在輸入電壓固定或者輸入范圍較小的情況下開關(guān)電源的防過沖能力與抗擾動能力.國內(nèi)的電壓/電流輸出恒定的老化電源，存在以下問題：1) 在整個輸出范圍內(nèi)，啟動電源到給定輸出值以及電源系統(tǒng)突然斷電時，電源電壓輸出有過沖，而大的過沖會破壞熔斷器，影響產(chǎn)品測試結(jié)果；2) 電源恒流恒壓參數(shù)操作一般通過電位器改變，需要手工調(diào)整；3) 負載調(diào)整率低，輸出電流在全量程測量范圍內(nèi)線性度差.因此，針對熔斷器可靠性測試要求，研制了一套以上位機參數(shù)設(shè)定，STM32F103RCT6[13]與SG3525協(xié)同控制的雙閉環(huán)的電老化測試電源系統(tǒng)[14-16].電源規(guī)格為最大輸出電壓20 V，最大輸出電流30 A，開機升壓、關(guān)機無過沖，主機一對多通訊，上位機設(shè)定參數(shù)并實時監(jiān)測電源工作狀態(tài)，可實時監(jiān)控與記錄輸出電壓與電流，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性，熔斷器熔斷時自動升到設(shè)定的額定電壓，輸出精度及線性度更高，滿刻度5%以上到全量程范圍輸出波動小于±1%.

1 硬件設(shè)計與改進

硬件系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成，SG3525控制全橋開關(guān)電源及其反饋回路；以STM32為核心的控制與顯示電路，與上位機的RS485總線通信電路.

1.1 全橋DC/DC變換器主電路設(shè)計

圖1為穩(wěn)壓恒流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖1中VT1，VT2，VT3，VT4構(gòu)成的全橋PWM變換器將輸入的直流電壓Ui變成KUi(K為高頻變壓器副邊與原邊的比)的方波電壓，此方波電壓經(jīng)后續(xù)LC電路整流成平滑直流電壓，供給負載電阻Ro，其中VT1，VT2，VT3，VT4開通及關(guān)斷時間由以SG3525為核心控制芯片的雙閉環(huán)控制電路系統(tǒng)控制，SG3525的輸出占空比決定了電路輸出電壓的大小.在電流采樣放大電路加入調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，可以控制恒流值，在電壓采樣回路中加入調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，可以改變輸出電壓.國內(nèi)很多廠家就是在這個環(huán)節(jié)加入一個電壓比較電路，用0～5 V直流電壓對應(yīng)設(shè)定全量程的輸出值，可惜這種方法屬于開環(huán)設(shè)定，即使加入非線性矯正，全量程的線性度也不好，不能滿足全量程范圍輸出值與設(shè)定值小于±1%要求.

圖1 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of power supply system

1.2 反饋回路的改進設(shè)計

在開關(guān)電源輸出回路中，加入A/D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，用AD7902轉(zhuǎn)換的值作為最終值.由上位機決定由PC機送參數(shù)還是按鍵設(shè)定.如果由按鍵輸入?yún)?shù)，控制芯片在液晶屏上顯示參數(shù)(主要為電壓電流預(yù)定值、開關(guān)循環(huán)次數(shù)以及一次循環(huán)的開通時間與關(guān)斷時間等)，ARM芯片將參數(shù)送至數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC8830轉(zhuǎn)換為對應(yīng)輸出電壓的模擬電壓(這點與上節(jié)述說的相同)，控制開關(guān)電源輸出，然后輸出信號經(jīng)采樣，由AD7902芯片送回主控芯片STM32，STM32依據(jù)接收到的采樣值作出設(shè)置值微調(diào)，構(gòu)成反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)，與SG3525協(xié)同控制的雙閉環(huán)，大大提高控制精度，特別是全量程可以實現(xiàn)輸出值與設(shè)定值小于±1%要求.

圖2 軟件控制原理框圖Fig.2 Diagram of software control

1.3 A/D芯片選擇

A/D芯片的采樣值反映了實際輸出值的大小，是STM32控制電路輸出控制調(diào)整值的依據(jù)，A/D芯片的精度決定電源的控制精度，從理論上來說，±1%的精度要求，10位A/D可以滿足要求，實際上考慮到一些干擾，需要更高一些，所以選用AD7902的2通道16位A/D，分別測量電流與電壓參數(shù).對AD7902芯片做一個全量程的測定，采用安捷倫的直流電源作為標準參考電壓輸入Ui，F(xiàn)LUKE公司生產(chǎn)的五位半精度萬用表作為輸入電壓測量儀表，并在軟件中讀取AD7902芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換值，記錄了從0.5～5 V的隨機7 個點，每個點在10 min內(nèi)每分鐘測1 次，得到如表1所示的數(shù)據(jù).表1中：最大值、最小值分別為10 次讀數(shù)中最大值與最小值；平均值為10 次讀數(shù)的平均；最大偏差、線性偏差計算式分別為

(1)

(2)

式中：Vref為A/D芯片的參考電壓，取值5 V；65 535 為16 位A/D與D/A芯片最大輸出和最大采樣時的值.

表1 AD7902芯片測試數(shù)據(jù)Table 1 Test data of AD7902

由表1數(shù)據(jù)可得：AD7902芯片每單點測試的增益誤差最大不超過0.57%，微分非線性最大為0.80%，符合電源對1%精度的要求.

1.4 實時監(jiān)測功能設(shè)計

由于熔斷器電老化測試數(shù)量大，周期長，為了節(jié)省人工成本，設(shè)計的老化電源加入了實時監(jiān)測功能，通過采用RS485總線實現(xiàn)PC機與多路電源一對多的主從機長距離通訊.以MAX487作為電平轉(zhuǎn)換芯片的串行通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示.

圖3 串行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Serial network structure

PC機主要功能參數(shù)設(shè)定，呼叫已進行地址編號的電源，接收呼叫電源發(fā)送到主機的電源工作信息并記錄；從機電源主要按PC機要求進行工作，并將測得信號數(shù)據(jù)發(fā)送給主機.如果沒有主機時，電源也可以獨立工作.

1.5 防過沖設(shè)計

熔斷器的電老化試驗主要是數(shù)千次的開機/關(guān)機試驗.開機/關(guān)機產(chǎn)生的過沖能量可能會引起熔斷器失效，影響熔斷器產(chǎn)品失效分析結(jié)果.所以，電源試驗進行中，開通/關(guān)斷時都不能產(chǎn)生過沖脈沖.電源過沖脈沖主要有兩種，一種是電源剛啟動時的過沖，另一種是電源在關(guān)斷時的過沖.

實際應(yīng)用中，電源規(guī)格多種多樣，輸出范圍很廣，由于硬件線路頻率補償網(wǎng)絡(luò)的影響，傳統(tǒng)電源一步到位式升壓方式無法實現(xiàn)開關(guān)電源全范圍輸出無過沖的要求.設(shè)計以電源設(shè)置參數(shù)的±1%作為步進，勻速完成電源升壓過程，防止電源啟動時過沖.

循環(huán)試驗時，通過軟件設(shè)定電源電壓和電流輸出為零來實現(xiàn)電源的關(guān)斷.設(shè)定輸出的順序非常重要，實測結(jié)果表明：必須首先設(shè)定輸出電壓為零，再設(shè)定輸出電流為零，這樣可以實現(xiàn)無下過沖.若先關(guān)閉電流，再關(guān)閉電壓，或同時關(guān)閉，會產(chǎn)生下過沖.還有一種情況就是在試驗過程中的意外，由于可靠性實驗時間很長，有的可能達到10 000 h，這么長時間，萬一有意外斷電，就會出現(xiàn)下過沖.設(shè)計利用STM32的快速響應(yīng)能力，檢測交流電供給的直流電源，當?shù)陀谀骋浑妷?，表明外部交流電斷電，立即主動關(guān)斷電源，防止斷電過沖的出現(xiàn)，并留下信息，在用戶再次開機時，可以選擇繼續(xù)或中斷實驗.

2 測試結(jié)果

2.1 電源精度測試

針對目前國內(nèi)熔斷器電老化測試電源存在的缺陷，提出了通過軟硬件結(jié)合的方式，實現(xiàn)STM32F103RCT6與SG2535協(xié)同控制的雙閉環(huán)的控制，硬件電路輸出電壓、電流值，并通過軟件微調(diào)控，使得熔斷器可靠性測試電源在測量的全量程范圍之內(nèi)精度達到±1%.對于所設(shè)計的規(guī)格為20 V，30 A的電源，通過電源空載形式測試電壓精度；帶電子負載(以電阻形式)監(jiān)測電流精度，測試數(shù)據(jù)如表2，3所示.

表2 電壓精度測試Table 2 Test of voltage precision

表3 電流精度測試Table 3 Test of current precision

對表2，3中數(shù)據(jù)進行分析可知：電源在全測量精度范圍之內(nèi)都達到了±1%的要求.

通過外接電子負載的方式驗證電源恒流特性，當電源處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，突然改變電子負載電阻值大小，電源能很快適應(yīng)電阻的變化，穩(wěn)定住電壓/電流.

2.2 電源過沖測試

如圖4所示，在以電源設(shè)置電壓1%步進升壓方式下，電源啟動時將不會產(chǎn)生過沖，而步進時間間隔為微秒級別，不會導致電源升壓時間過長，影響電源正常使用.通過示波器連接電源輸出端，觀察電源在開通過程中的過沖測試，電源開通無過沖.

圖4 電源開通升壓無過沖Fig.4 Turn on the power without overshoot

如圖5所示，通過斷開試驗電源外部供電，以模擬穩(wěn)壓/恒流電源在工作模式下突然關(guān)機，用示波器觀察電源輸出電壓，電源輸出電壓無過沖.

圖5 電源關(guān)斷時輸出無過沖Fig.5 Power off without overshoot

對圖4，5電源開機、關(guān)斷狀態(tài)下的輸出電壓捕捉分析可知：經(jīng)多次觀察，電源在開機、關(guān)斷情況下都無過沖，滿足熔斷器可靠性試驗對電源無過沖的要求.

3 結(jié) 論

早期程控開關(guān)電源開路設(shè)定控制輸出電壓，線性范圍比較窄；皇金峰的工作僅僅在一定的條件下可以不出現(xiàn)開關(guān)機的過沖.而由于熔斷器規(guī)格眾多，相應(yīng)的開關(guān)電源規(guī)格也很多，20 V，30 A的電源僅僅是其中的一個規(guī)格，每個規(guī)格都有自己的全動態(tài)范圍.因此使用環(huán)境復(fù)雜，研制的基于全橋DC/DC變換器，以STM32F103RCT6與SG3525為主控芯片的雙閉環(huán)控制電源設(shè)備，可以恒定電流也可以恒定電壓，負載變化時電源自動調(diào)整速度快，利用AD7902芯片解決全動態(tài)范圍的設(shè)定值與達到輸出值±1%的誤差要求.軟件與硬件結(jié)合，解決開關(guān)機的過沖問題，STM32F103RCT6檢測交流電源，利用中斷防止意外斷電過沖，并在開機時由用戶選擇試驗進程.折中選擇電流采樣電阻，即大電流的功耗與熱穩(wěn)定以及小電流的精度，實現(xiàn)電源在滿刻度5%以上的全量程范圍內(nèi)設(shè)定值與輸出值達到±1%要求.由PC機人機交互界面完成遠程設(shè)定參數(shù)與過程監(jiān)控功能，可實現(xiàn)實時監(jiān)控并提供電源工作記錄，大大節(jié)約人力成本，系統(tǒng)已通過485總線實現(xiàn)40 臺電源控制監(jiān)控.產(chǎn)品經(jīng)工業(yè)與信息化部第五研究所檢驗合格，現(xiàn)已由貴陽某大型國企投入使用.

[1] 謝煒.熔斷器與斷路器在低壓配電系統(tǒng)中應(yīng)用的比較[J].電氣應(yīng)用，2013，32(2):16-22.

[2] 陳搏，莊勁武，王晨，等.直流熔斷器短路分斷試驗的等效方法研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41(11):93-98.

[3] 蔣建東，陳培余，童一玨，等.基于機器視覺的輕觸開關(guān)引腳缺陷檢測算法研究[J].浙江工業(yè)大學學報，2015，43(1):30-34.

[4] 郎建才.關(guān)于低壓斷路器短路分斷能力檢測的驗證方法的探討[J].低壓電器,2009(17):53-54.

[5] 勞潔瑩，孫志磊.一種改進的嵌入式電子地圖空間索引[J].浙江工業(yè)大學學報，2015，43(3):340-345.

[6] 張占松,蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計修訂版[M].北京:北京電子工業(yè)出版社,2004.

[7] 皇金鋒.非隔離式直流變換器的建模與研究[D].西安:西安理工大學,2008.

[8] GE P， JI X， DING Y， et al. Celastrol causes apoptosis and cell cycle arrest in ratgliomacells[J]. Neurological research，2010，32(1):94-100.

[9] 張冬梅,楊蘋,周國仲,等.雙閉環(huán)控制穩(wěn)流型開關(guān)電源的建模與仿真[J].微計算機信息,2009(23):56-57.

[10] 陳國定，張曉峰,柳正揚,等.電磁智能車電感排布方案[J].浙江工業(yè)大學,2016,44(2)：124-128.

[11] 劉文軍，周龍，陳劍，等.LCL并網(wǎng)逆變器的電流雙閉環(huán)控制[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2016，44(17):52-57.

[12] 孫書鷹,陳志佳.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J].微計算機應(yīng)用,2010,31(12):101-106.

[13] 牟翔永,張曉春,林剛,等.基于SG3525的大電流低電壓開關(guān)電源設(shè)計[J].電測與儀表,2013，50(4):120-124.

[14] 王曉鋒,王京梅,孫俊，等.基于SG3525的開關(guān)電源設(shè)計[J].電子科技,2011,24(6):118-121.

[15] 王松平,沈鳳,時志蘋,等.基于SG3525的全橋變換器控制驅(qū)動設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2011,19(24):174-180.

[16] 何通能，安康，逯峰.基于模糊PI控制的三相船用逆變電源研究[J].浙江工業(yè)大學學報，2013，41(2)：222-227.