基于DSP的耐压仪的设计与开发

■ 童安平 将乐供电有限公司 黄桂铭 福建连城供电公司

林宣渲 福建省安砂水电厂 苏美华 福建省厦门电厂

李利贤 福州电业局 赖振学 福州亿森电力设备有公司

0 前言

耐电压测试仪又叫电气绝缘强度试验仪或叫介质强度测试仪。将一规定交流或直流高压施加在电器带电部分和非带电部分（一般为外壳）之间以检查电器的绝缘材料所能承受耐压能力的试验。电器在长期工作中，不仅要承受额定工作电压的作用，还要承受操作过程中引起短时间的高于额定工作电压的过电压作用（过电压值可能会高于额定工作电压值的好几倍）。在这些电压的作用下，电气绝缘材料的内部结构将发生变化。当过电压强度达到某一定值时，就会使材料的绝缘击穿，电器将不能正常运行，操作者就可能触电,危及人身安全。本文所研制的一种新型全自动的耐压测试仪,其控制电路采用32位DSP处理器方案, 充分利用处理器的优势,结合其他外围芯片所设计的多功能特性测试仪不仅能在功能上更完备、技术上更成熟, 而且能最终以较高的性价比投人市场, 以满足目前各个用电部门对高智能化、高准确度的特性测试仪的大量需求。

1 耐压测试仪结构介绍

ES-30耐压测试仪的硬件平台由几个部分组成:一是负责控制算法的主控芯片及外围设备,系统中选用了TI公司的TMS320F2812 DSP控制器,它功能强大,运行速度快,是专门为ES-30耐压测试仪应用优化的控制芯片,完成各种模拟、数字信号的采样;一是标准源供给电路,完成交-直流功率驱动;还有就是用于实验的电能表架供应电源电路。有了这三部分,数字化（DSP）ES-30耐压测试仪可以进行实验,验证耐压测试仪实际运行效果。

2 系统硬件电路设计

ES-30耐压测试仪的硬件结构框图如图1所示。系统硬件电路分成AC－DC一AC主电路、控制电路以及驱动、电源电路3个部分。采用交一直一交方式对被测对象施加电压,其电压大小采用步进方式, 测量出电压和电流, 控制电路采用处理器方案, 用于产生AC一DC一AC变换器的SPWM控制信号, 控制AC一DC一AC变换器向被测对象施以步进交流电压, 并进行电压、电流测量,根据具体的需要还可以适当扩充一些接口, 实现远程操作的控制, 该设备为全微机化装置,不接触测试, 设定好后完全不需人工接触而全自动进行测试, 并设计出人性化的界面。

工作原理方框图：

图(2):全数ES-30显耐压仪工作原理方框图

2.1 主电路 主电路主要包括整流电路、滤波电路、逆变电路、变压器。整流电路采用不可控整流模块将交流电变成直流电, 整流电路输出直流电压含有脉动成分, 此外逆变部分产生的脉动电流及负载的变化也使直流电压脉动, 因此要加入大电容滤波环节, 在本模块中由于采用单相供电, 考虑到市电电压较高时（250V）, 整流桥所承受的最大电压为输人电压最大时的峰值, 因此需留有较大跨度，（参1）这里采用全桥QL系列正向电流50A, 耐压值（最高反向电压）100V的整流桥。采用广泛应用的电压型单相桥式逆变电路作为其主电路拓扑结构, 要使逆变器输出能快速跟踪原方的电流,就要求开关器件具有很快的开关速度, （参2） 因此选用了SEMIKRON公司的SKM75GB130D型的超快速IGBT作为开关器件, 该器件在每个IGBT上反并联了一个二极管, 一方面保护了IGBT,另一方面起到了续流功能。

2.2 控制电路 控制电路以DSP芯片TMS320LF3007A及其外围接口电路为基础形成。采用1 6位模数转换芯片ADS8320作为数据转换单元, 提高了系统精度，ADS8320是一种逐次逼近式、16位、高速、微功耗A/D转换器，它的采样最高频率可达100kHz，在2.7V供电和100kHz采样速率下,其功耗仅为1.8mW。TMS320LF3007A控制器是定点系列中的一员,是所有300X控制器中的一种超级控制器, TMS320LF3007A控制器还具有以下特点采用高性能静态技术, 使供电电压为3.3V, 减少了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使指令周期缩短到30MHZ, 从而提高了控制器的实时控制能力；片内高达32K字的Flash程序存储器, 高达1.5K字的数据/程序RAM,544字双口RAM和2K字的单口RAM。

2.3 驱动电路 驱动电路采用三菱公司生产的IGBT专用驱动模块M57962L。该芯片采用双电源驱动技术, 内部集成输出端口的短路保护, 输人与TTL电平兼容。

3 系统的软件设计

本测试仪的软件主要由主程序、按键处理子程序、液晶显示子程序、通信接口子程序、变比测试子程序、伏安测试子程序、打印子程序等组成。ES-30耐压测试仪的所有功能是通过键盘和液晶显示屏以人机对话的方式实现的, 软件采用C语言编制, 在软件编程中, 使用结构化、模块化编程思想, 使软件系统思路清晰、条理清楚, 便于程序的修改和调试。系统软件的主流程图如图2所示。

4 AD采样模块

DSP控制板包含了校验台的AD采样模块,包括直流母线电压,电流采样,三相电压采样及两路备用采样电路,其余没有用到的AD采样通道均以接口方式接出,以备不时之需。所有的AD采样信号都先通过滤波、电平处理和电压钳位等调理电路,使输入DSP AD模块的采样检测信号电压大小在DSP控制器的容许电平范围内(0~3V),以免烧毁DSP控制器。

5 检测电路

检测电路的主要模块包括:相电压电流采样电路,直流臂电压电流的采样电路。采用霍尔传感器检测方式,相电压和电流信号经过传感器都转换为电流信号,进入采样板后,先通过一个下拉电阻转换为电压信号,再加一级跟随电路,后接一个二阶滤波电路,滤波后调幅,平移,之后限位。直流母线电压及电流的采样同样采用电压霍尔传感器检测。（参3）此电压霍尔传感器及电流霍尔传感器是应用霍尔原理的闭环传感器。具有高精度、良好的线性度、低温漂、抗外界干扰能力强、共模抑制比强、反应时间快、频带宽的特点。

6 结束语

本文研制的一种新型ES-30耐压测试仪，采用32位的信号处理器及16位的高速高精度AD转换器提高测试速度和精度，各项测试功能齐全，测试过程中仅需设定最高测试电压、电流等极限参数，装置将自动升压测试，省去手动调压、人工记录、描曲线等繁琐劳动，快捷、简单、方便。

参1：赖振文《低压电器》2009年 第19期《AT89C51单片机在单双电桥检定装置中的应用》

参2：赖振学《工业计量》 2010年第3期〈〈新型绝缘电阻测试仪的开发〉〉。

参 3：陈明杰 《福建电力与电工》2009年第2期〈〈变送器错接线对测量的影响〉〉。