基于DSP的低壓電器EMC綜合測試控制儀研制

文 | 浙江出入境檢驗檢疫局 程麗玲 蔡永華 楊貴玉 胡寧慶

基于DSP的低壓電器EMC綜合測試控制儀研制

文 | 浙江出入境檢驗檢疫局 程麗玲 蔡永華 楊貴玉 胡寧慶

本文根據(jù)低壓電器產(chǎn)品電磁兼容試驗的要求，針對目前業(yè)界使用的測量設(shè)備功能單一、適用性差等特點，研發(fā)了一套能適用多個標準試驗的低壓電器EMC綜合測試儀。文中主要介紹了測試儀的功能特性、技術(shù)研發(fā)的難點，并提出了完整的硬件和軟件設(shè)計的實現(xiàn)方案，最后通過實際案例進行測試驗證。

低壓電器；綜合測試儀；測試驗證；DSP

引言

微電子技術(shù)和計算機的廣泛應用，對低壓電器產(chǎn)品的開發(fā)研究和發(fā)展帶來了深遠的影響，目前我國生產(chǎn)的剩余電流動作保護器90%為電子式的，而電磁式剩余電流保護器僅占10%左右，其他低壓電器產(chǎn)品如開關(guān)、繼電器等也越來越多的使用電子技術(shù)。電子式低壓電器產(chǎn)品，在很大程度上提高了整機產(chǎn)品的性能和制造工藝，降低了生產(chǎn)成本，深受企業(yè)和用戶的歡迎。但同時其使用也帶來了電磁兼容（EMC）問題，如由于在靜電、高頻磁場和雷擊浪涌等電磁環(huán)境下產(chǎn)品性能失效，由此引起的安全問題，會造成國家、個人生命和財產(chǎn)的重大損失。因此低壓電器產(chǎn)品標準如GB 16917、GB 14048等都明確規(guī)定了對電子式低壓電器產(chǎn)品的電磁兼容可靠性要求，但目前業(yè)界使用的測量設(shè)備均不如人意，存在功能單一、設(shè)備笨重、無直觀輸出、無實時監(jiān)控等缺點，“基于DSP的低壓電器EMC綜合測試控制儀”（以下簡稱測試控制儀）正是為了提升和完善這些特性而研發(fā)。

1.試控制儀的主要功能

測試控制儀主要完成以下功能：（1）是負載特性參數(shù)控制。在對低壓電器產(chǎn)品實施檢測和試驗時，對各類被測樣品如剩余電路斷路器、繼電器、開關(guān)等的負載特性參數(shù)進行精確控制，對需加給被測樣品的負載的參數(shù)如阻抗值、電流、電壓、相位等實時監(jiān)控及比較，嚴格控制負載參數(shù)特性在標準規(guī)定的范圍內(nèi)，保證測量精度的基礎(chǔ)條件符合要求；（2）是實施檢測過程的參數(shù)特性控制。對檢測過程中被測樣品的剩余電流、電源電壓、動作特性、脫扣時間等重要瞬態(tài)過程參數(shù)和樣品狀態(tài)進行實時監(jiān)控、記錄和輸出，如精確捕捉并輸出斷路器的速動特性和反時限特性、剩余電流保護器的動作特性、繼電器的動作特性和電流品質(zhì)因數(shù)等信息。（3）是實現(xiàn)低壓電器產(chǎn)品的測量和校驗。對各類低壓電器產(chǎn)品實施電磁兼容性能試驗前后以及試驗過程中的性能檢測及功能校驗,如對剩余電流保護器實施30mA漏電流后的脫扣時間的測量，以及復合開關(guān)、繼電器產(chǎn)品試驗過程中的完好情況、誤動作和脫扣情況實施自動校驗等等。（4）是完成設(shè)備運行過程中的實時自檢功能及匯報，使每次設(shè)備的使用均為有效，很好地避免了設(shè)備的不正常造成的重復測量，提高了檢測工作效率。測試控制儀功能框圖詳見圖1。

2.試控制儀的實現(xiàn)

測試控制儀的控制系統(tǒng)采用TMS320F2812高速DSP處理器和型號MSP430低功耗單片機組成的雙CPU系統(tǒng)，DSP主要完成數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理和特征量的提取，單片機則主要完成人機對話和與PC機的通訊，PC機則主要完成測試的管理和數(shù)據(jù)存檔等高級管理功能；在DSP的外圍配以高精度的信號調(diào)理電路和高速、高精度AD采樣器用以采集產(chǎn)品測試時的各種信息，同時配以足夠多的控制端口和驅(qū)動電路用以被測樣品的驅(qū)動控制、故障發(fā)生控制、漏電流發(fā)生和漏電流值的控制電路。測量裝置的原理框圖如圖2所示。

2.1.術(shù)難點

2.1.1.速度、高精度采樣電路的設(shè)計。測試控制儀要采集多路信號，如系統(tǒng)的三相電壓和電流、短路發(fā)生時的短路電流和漏電發(fā)生時的剩余電流等，這些信號量值跨度大且很容易造成相互之間的干擾。

2.1.2.程數(shù)據(jù)特征信息的提取。在低壓電器產(chǎn)品的試驗中，我們更關(guān)注的是產(chǎn)品本身的外部特性，如斷路器的速動特性和反時限特性、剩余電流保護器的動作特性、繼電器的動作特性和電流品質(zhì)因數(shù)等信息，如何在采樣的數(shù)據(jù)中通過應用數(shù)字處理理論來提取特征信息是一個技術(shù)難點。

2.1.3.試控制儀是用于電磁兼容、安全和性能的測量設(shè)備，因此減小其本身的電磁干擾和提高其抗干擾特性，保證試驗和測量的準確性和可靠性也是本項目的技術(shù)關(guān)鍵。

2.2.取的措施

2.2.1.用高精度、高靈敏度的、不同性能等級的電流電壓傳感器，實現(xiàn)電流分級測量；采用16位高速A/D采樣器，對每一路被測信號進行每周波1024點的等間隔采樣；對每一路通道都進行抗干擾設(shè)計，以滿足在各級量值范圍內(nèi)都能保證精度的要求。

2.2.2.大電流信號的采集采用兩次隔離措施，保證測量分析系統(tǒng)于一次試驗回路的可靠隔離，以免引起信號的串擾，采用高精度的儀用運放進行信號的調(diào)理，保證模擬電路的高精度。

2.2.3.出控制電路采用光耦隔離驅(qū)動技術(shù)，保證干擾不會通過輸出回路進入到測量分析控制系統(tǒng)。

2.2.4.供多路隔離電源，DSP系統(tǒng)供電電源、單片機系統(tǒng)電源和模擬電路信號調(diào)理電源相互獨立，僅在DSP公共端進行單點連接，從而保證模擬電路和數(shù)字電路不會因此而相互串擾，單片機系統(tǒng)的電源波動也不會影響DSP系統(tǒng)的正常采集和精度。

2.2.5.用高精度的時鐘芯片提供高精度的時鐘源，應用數(shù)字信號處理算法，數(shù)字濾波算法和快速傅立葉算法，精確計算出各類電壓電流的有效值和各次諧波，應用小波分析原理，在頻域里對信號展開分析，選擇合理的正交基函數(shù)捕獲電壓電流信號的突變點，以確定故障的起始時刻和故障的切斷時刻或者繼電器觸電吸合時刻。

3.試控制儀的特點

該設(shè)備綜合了各類低壓電器產(chǎn)品電磁兼容標準對產(chǎn)品的試驗和測量要求，在一臺設(shè)備上就可完成所有種類低壓電器產(chǎn)品檢測項目要求，突破了現(xiàn)有設(shè)備的單一功能缺陷，使設(shè)備的使用功能更加強大；其次該設(shè)備充分采用先進的DSP技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、數(shù)字濾波算法和快速傅立葉算法等微控電子技術(shù)和算法技術(shù)，設(shè)計開發(fā)了各種硬件及其能性保護電路,增加了抗干擾措施和防誤操作保護措施,避免了現(xiàn)有設(shè)備測量精度低，試驗重復性差，輸入輸出功能弱，無程控功能等缺點，實現(xiàn)了產(chǎn)品的模塊化、數(shù)字化、智能化和程控化；其三電力電子技術(shù)以及新的電路拓撲結(jié)構(gòu)的設(shè)計開發(fā)，極大地簡化了電路結(jié)構(gòu)，減少了電子器件的使用數(shù)量，使整機體積明顯縮小，重量大大減輕，既減少了制造成本，又增加了設(shè)備的實用性和可靠性，突破了現(xiàn)有設(shè)備由于傳統(tǒng)設(shè)計造成的整機笨重體積大，成本較高的缺陷；四是在測試控制儀軟件設(shè)計方面,充分研究和分析了目前最先進合理的設(shè)計思路和編制方法, 設(shè)計了上、下級之間的通訊協(xié)議,所有功能設(shè)計成模塊化管理并預留了端口,層次清楚,便于調(diào)試和設(shè)備故障診斷以及設(shè)備的進一步功能需求拓展。

4.試案例

剩余電流動作斷路器功能校驗和測量：

第一步，在測試控制儀主菜單上選“剩余電流動作保護器（GB16917）”功能，下級菜單選“測量和校驗”功能，加載額定參數(shù)并施加電磁兼容條件如靜電放電或傳導脈沖等，同時在測試控制儀輸出端觀測被測樣品的工作狀況，以校驗被測樣品在試驗過程的完好性和判斷樣品是否有脫扣現(xiàn)象，第二步，電磁兼容試驗后，在子菜單上選“測量脫扣”時間按鈕，突加30mA漏電流，測試儀自動測量被測樣品的脫扣時間，并在儀表的輸出端觀察和記錄脫扣時間。主要測試截圖見圖3、圖4，其中圖3為 測量脫扣時間時被測樣品的狀態(tài)報告，圖4為脫扣時間的測量報告。

5.述

測試控制儀綜合了各類低壓電器產(chǎn)品標準對電磁兼容的試驗、測量和校驗要求，改進了以往低壓電器產(chǎn)品一個標準多臺設(shè)備以及一臺設(shè)備一項參數(shù)的測試狀況，實現(xiàn)了在一臺設(shè)備上就完成所有種類低壓電器產(chǎn)品檢測的要求，有廣泛的適用性；其模塊化的設(shè)計、過程參數(shù)和負載特性的高效控制、電力電子拓撲結(jié)構(gòu)的使用，使設(shè)備在功能和成本上都極具競爭力，是一款非常實用的新型低壓電器產(chǎn)品測量設(shè)備。

[1] GB 18499 家用和類似用途的剩余電流動作保 護器(RCD) 電磁兼容性[S]

[2] GB14048 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 [S]

[3] LabVIEW 7 實用教程 [美] Robert H. Bishop 電子工業(yè)出版社，2004

The Developing of Low-voltage Apparatus EMC General-purpose Tester base on DSP

According to requirements of EMC testing of low-voltage apparatus standards, taking into consideration of the current defects of testing equipment, we developed a general-purpose tester which is suitable for a number of standards. Functional characteristics,technical problems were given,and then scheme for hardware design and software flow chart was presented in the paper. At last a case study were given to verify the exactitude of tesing.

low-voltage apparatus；general-purpose tester；verification；DSP

程麗玲（1962-）浙江出入境檢驗檢疫局，高級工程師，從事產(chǎn)品EMC和安全試驗和研究

蔡永華（1978-）浙江出入境檢驗檢疫局，碩士研究生，從事產(chǎn)品EMC和安全試驗和研究

楊貴玉（1968.02-）浙江大學，博士后，從事電力系統(tǒng)測量