基于STM32F4的絕緣耐壓測量系統(tǒng)的設計

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(上海工程技術大學 機械工程學院，上海 201620)

0 引言

耐壓測試是指對各種電器裝置、絕緣材料和絕緣結構的耐受電壓能力進行的測試[1]。由于測量方法、指標含義等的差異，在很多情況下，人們便認為絕緣和耐壓是兩個相互無關的概念。比如對于電纜來說，隨著其長度的增加，絕緣電阻呈遞減趨勢，而耐壓強度和長度之間則并不存在明確的關系。但在正常情況下一般服從統(tǒng)計規(guī)律—電纜愈長,擊穿的概率就愈大[2]。

耐壓對絕緣的考驗嚴格，能保證絕緣具有一定的絕緣水平或裕度，但可能在測量時給絕緣造成一定的損傷。絕緣電阻測量是在較低電壓下測量絕緣的各種情況，從而判斷絕緣內部的缺陷，但它對絕緣耐壓水平的判斷比較間接。兩類測量是相輔相成的，耐壓測試往往在絕緣測量之后進行，而如果絕緣測量已表明絕緣有不正常情況，則必須查明原因，消除不正常情況后再進行耐壓測試，以避免不應有的擊穿。很多標準也作出明確規(guī)定，耐壓測流程為絕緣—耐壓—絕緣，且前后兩次測試絕緣電阻偏差不超過10%[3]。因此為保障耐壓測試的安全及可靠進行，在耐壓測試前必須通過絕緣測量對設備的絕緣性能進行初步測試。

耐壓測試分為交流耐壓測試和直流耐壓測試。交流耐壓試驗電壓一般比運行電壓高，因此通過交流耐壓試驗后，設備有較大的安全裕度。但當被測產品為電容性負載或者含有較大的雜散電容時，無法得到被測產品的真實泄漏電流值，其實際輸出的電流值會比采用直流耐壓測試時的輸出電流值大很多，會增加操作人員的觸電危險性，而直流耐壓測試能真實地反映出被測產品實際的泄漏電流值。因此本文主要研究直流高壓下的耐壓測試和絕緣電阻測量。

在許多場合為了測量電子設備的耐壓水平及絕緣電阻，一般是用搖表來做簡單測量。但是搖表輸出的電壓與人施予手柄的轉速有關，且其指針式顯示也不夠精確[4]。后來出現(xiàn)的有電源供電的電動搖表，解決了手搖的麻煩，保證了工作電壓的穩(wěn)定。但刻度的非線性，高阻部分分辨力很差，測試誤差較大[5]，在一些對測量要求較高的場合則不能適用，更不具備自動測量的功能。本文結合Cortex-M4系列的STM32F4xx來設計耐壓絕緣測量一體化的測試系統(tǒng)，實現(xiàn)測量結果的存儲、顯示以及與PC機的通信。使測量數(shù)據(jù)能實時上傳到上位機，并進行數(shù)據(jù)的保存、顯示及分析處理。

1 系統(tǒng)結構及原理

系統(tǒng)主要完成交流220 V到可調直流高壓的設計。對電壓、電流模擬信號的采集、處理、數(shù)據(jù)的顯示以及對被測物當前測試環(huán)境的溫度采集等功能。系統(tǒng)功能結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結構框圖

絕緣耐壓測試系統(tǒng)主要由升壓部分、控制部分、顯示部分三大模塊組成。升壓部分通過自耦變壓器和升壓變壓器得到直流高壓；控制部分采用AD7705進行電壓、電流信號采樣、采用紅外儀溫度傳感器對當前環(huán)境溫度進行采集，并結合報警電路、時間電路完成信號采集；顯示部分用來顯示測試結果，通過LCD液晶屏和上位機同步顯示，并進行數(shù)據(jù)的保存，方便歷史數(shù)據(jù)查詢及對于分析，從而進一步預測絕緣耐壓水平未來發(fā)展趨勢。

STM32F429內部集成了多路AD、PWM脈寬調制、增強復用功能的I/O口等。高壓和信號采集是絕緣耐壓測試最重要的組成部分，因此本文主要對這兩部分電路設計原理進行了闡述。

1.1 高壓模塊設計

高壓產生電路基本原理框圖如圖2所示。

圖2 高壓模塊基本原理框圖

系統(tǒng)將輸入的220交流電通過自耦變壓器調壓，并經過AC-DC電路轉化為直流電壓；再由驅動電路驅動反激功率變換電路，將直流電壓轉化為高頻交流方波電壓；通過高頻變壓器耦合到次級，并經過倍壓整流濾波電路得到所需的直流高壓。將輸出的直流高壓和基準電壓進行比較，通過反饋電路，控制伺服電機的正反轉來調節(jié)自耦變壓器，從而提高輸出直流高壓的精度。

通過控制IO口輸出高低電平給繼電器來控制測試電源的啟、停；絕緣耐壓測量要求輸出的直流高壓可調，可采用手動調壓器升降壓或通過控制IO口輸出高低電平控制可逆伺服電機的正、反轉，由伺服電機緩慢帶動調壓器自動升降壓，來達到調節(jié)輸出電壓大小的目的，并有零電壓起動保護電路；通過控制IO口輸出脈沖方波信號的頻率控制電機的速度，來達到控制輸出電壓變化快慢的目的，從而實現(xiàn)了測試直流高壓的自動調節(jié)。

絕緣耐壓測試本身的特點決定了STM32F429要快速地得到測量結果并快速地作出反應。為解決這一問題,采用真有效值到直流轉換器LTC1966[6]，在50 Hz～1 kHz范圍內其總誤差不超過0.125%，線性度達0.102%，提高了測試精度。

1.2 信號調理與數(shù)據(jù)采集電路

16位模數(shù)轉換器AD7705具有很高的信噪比和測量精度，高達16位的分辨率，能滿足本系統(tǒng)要求。通過AD7705將采集的模擬信號轉化為數(shù)字信號，輸入到CPU進行數(shù)據(jù)處理。采用模擬濾波消除進入ADC之前重疊在模擬信號上的噪聲；在模-數(shù)轉換之后，采用數(shù)字濾波消除模數(shù)轉換過程中產生的噪聲。

在AD7705的調制器和數(shù)字濾波器內部，建立有峰值儲存，可允許超出模擬輸入范圍5%[7]。模擬輸入信號范圍是(GND-30 mV)至(VDD+30 mV)之間。由于采集得到的模擬信號較小，因此將模擬信號經過增益為K的集成運算放大電路進行信號的放大，再經過電壓跟隨電路，使信號保持穩(wěn)定。

AD7705采用5 V供電，與MCU之間采用SPI通信方式，其片選和復位信號則直接連在MCU的普通IO口上。數(shù)據(jù)采集電路如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集電路圖

2 測試流程及軟件設計

測試系統(tǒng)的軟件主要包括下位機軟件和上位機數(shù)據(jù)處理分析軟件。下位機軟件采用KEIL編寫，包括主程序、通道模式選擇子程序、耐壓測試子程序、絕緣電阻測試子程序、數(shù)據(jù)顯示子程序、數(shù)據(jù)通信子程序等。上位機軟件采用C#和SQL Sever軟件進行開發(fā)，主要完成人機交互、測量參數(shù)設置、測試流程控制、歷史數(shù)據(jù)保存查詢、報表打印等功能。

2.1 下位機軟件

下位機軟件主要是用來實現(xiàn)測量模式切換、數(shù)據(jù)采集及CPU和上位機之間的通信，同時下位機可接收上位機的指令信號，并根據(jù)指令控制相應繼電器的吸合和斷開，從而實現(xiàn)絕緣測量和耐壓測量。

程序采用模塊化編程的設計思想，完成系統(tǒng)初始化，包括按鍵、系統(tǒng)時鐘、測量參數(shù)等；RS232串口通信、按鍵控制、I/O口控制、A/D轉換、LCD顯示、測量模式選擇、測量通道選擇等各個功能模塊的軟件設計，系統(tǒng)整體軟件流程如圖4所示。軟件設計中兩個主要的功能模塊為直流耐壓測試軟件設計和絕艷電阻測試耐壓設計。

圖4 keil軟件流程圖

2.1.1 直流耐壓測量軟件設計

耐壓測量是把一個高于正常工作的電壓加在被測設備的絕緣體上[8]，在電壓未升到設定值時若泄漏電流猛增，表明設備存在絕緣缺陷或發(fā)生絕緣擊穿；當絕緣良好時，泄漏電流和電壓之間呈線性，且泄漏電流隨輸出電壓的升高上升較小。達到設定值電壓之后,觀察一段時間(一般為1分鐘)，如果在觀察時間t1～t2內泄漏電流保持不變，則證明試件絕緣良好，輸出測試合格信號及試件耐壓值；如果在觀察時間內泄漏電流出現(xiàn)急劇上升，則證明試件仍然是不合格的，輸出測試信號不合格信號、擊穿電壓值及耐壓時間t2’～t1。

i=f(t)關系曲線可以用來判斷絕緣缺陷[9]。當被測設備受潮或是有缺陷時,電流隨時間下降的比較慢,最終達到穩(wěn)態(tài)值也比較大。泄漏電流和電壓之間的關系也可用來判斷絕緣狀況，絕緣良好時，泄漏電流和電壓的關系幾乎成直線，且上升較??；緣受潮時，泄漏電流上升較大；當絕緣有缺陷時，泄漏電流將猛增。

耐壓強度測試軟件控制流程圖如圖5所示。

圖5 耐壓強度測試流程圖

2.1.2 絕緣電阻測量軟件設計

絕緣電阻是反映絕緣性能的一個重要指標，可以提前發(fā)現(xiàn)絕緣材料比較大的絕緣缺陷及設備局部或整體受潮、臟污以及絕緣擊穿和嚴重過熱老化等缺陷[10]。本文對絕緣電阻的測試采用雙支路法[11]，這種方法能夠消除測量電壓Es對絕緣電阻的影響，準確度高。其原理圖如圖6所示。

Es為測量電源電壓；R2、R3為固定電阻；Rx為待測絕緣電阻；R1為樣電阻。圖6 電橋法原理圖

根據(jù)歐姆定律可得：

(1)

(2)

當Rx很大時，U0很小，為保證測量精度需要對U0信號進行放大，設放大器輸出為U0k，放大倍數(shù)為k，則:

U0k=KU0

(3)

U0k接AD7705的REF(+)，Ur接AIN1(+)，由于AD7705是全差分輸入，所以將REF(-)、AINl(-)同時接地。AD轉換輸出數(shù)為：

(4)

得到：

(5)

由于Rx?R1,R2?R3，所以:

(6)

則絕緣電阻為：

(7)

由于采用的為16位的AD7705，則D=216-1=65 535，則:

5）怕受凍。大櫻桃不耐寒。幼樹莖干枝條生長發(fā)育快，組織比較疏松，冬季寒冷氣候容易使枝條失水抽干，溫度低于-20℃時，會引起大枝縱裂和流膠，造成枝條凍傷或壞死，花芽凍害?；ㄆ跍囟冉档?3℃以下時即受凍。

(8)

絕緣電阻Rx與AD采樣成正比，適當選擇R1、R2、R3及增益k的值，則可使被測絕緣電阻和顯示值在數(shù)值上相符。

對于電容較大、吸收現(xiàn)象明顯的設備，可結合吸收比K=R_60/R_15和極化指數(shù)P=R_10 min/R_1 min綜合判斷。K越大表示吸收現(xiàn)象越顯著，一般認為當K<1.3時，就可判斷絕緣可能受潮。但吸收比不能充分反映絕緣吸收現(xiàn)象的全過程，可利用極化指數(shù)P作為另一個判斷指標。將所測絕緣電阻、吸收比、極化指數(shù)與出廠時的值或歷史數(shù)據(jù)等比較，或者

與同類型的設備相比較，并結合其變化綜合判斷。由于絕緣電阻和溫度密切相關，測量絕緣電阻的同時記錄被測物的溫度。

2.2 上位機軟件

為方便用戶的操作，結合C#和SQL SEVER數(shù)據(jù)庫設計了人機交互軟件，軟件的主要功能是進行用戶管理及測量數(shù)據(jù)的管理，從而完成直流耐壓測試系統(tǒng)界面設計。界面中主要包括通道選擇、測量數(shù)據(jù)顯示、測量結果分析、數(shù)據(jù)保存、歷史數(shù)據(jù)以及報表打印等。界面與下位機通過串口進行通信，可實時的將測量參數(shù)顯示在界面中，實現(xiàn)絕緣耐壓測量的實時監(jiān)控。

同時，也可在上位機界面中輸入測量的相關參數(shù)，發(fā)出指令給下位機，實現(xiàn)絕緣耐壓測量。其軟件流程圖如圖7所示。

圖7 上位機軟件流程圖

3 實驗結果與分析

對系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分分別測試，并進行系統(tǒng)的整體調試。首先完成控制系統(tǒng)硬件測試，硬件測試包括控制板測試和硬件電路測試，為硬件系統(tǒng)正常運行奠定了基礎。軟件測試主要對控制板中各模塊的軟件測試以及系統(tǒng)整體軟件調試，檢測系統(tǒng)程序設計是否滿足系統(tǒng)要求。最后進行系統(tǒng)整體調試，系統(tǒng)整體上電后，借助上位機界面和操作臺按鍵完成調試。經過系統(tǒng)多次運行及對被測物的測試結果表明，絕緣耐壓

4 結論

本文介紹了耐壓絕緣測試系統(tǒng)的工作原理，說明了基于STM32F429的耐壓絕緣測試系統(tǒng)的設計方法，給出了硬件原理設計框圖及下位機和上位機軟件設計流程圖。并對系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分進行了調試及軟硬件聯(lián)合的系統(tǒng)調試。滿足當前耐壓絕緣阻抗測試儀的升級需求，對實現(xiàn)絕緣耐壓測量的自動化，具有一定的實用意義和推廣價值。

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