新型絕緣電阻測試儀的設(shè)計

北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 曹愿棟 吳小林 李默涵 梁鈞峰

本文介紹了一種依據(jù)MSP430F149單片機設(shè)計出來的絕緣電阻測試儀，主要描述了各部分電路的組成以及它們的主要功能。此設(shè)計主要用的是單片機的控制芯片，結(jié)合串聯(lián)分壓的方法，實現(xiàn)了對絕緣電阻阻值的自動測量，并能夠通過LCD顯示出來。采用此種方法設(shè)計的絕緣電阻測試儀體積小，功耗低，精度高。

一、應(yīng)用背景

隨著全球電力電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大，絕緣工程技術(shù)應(yīng)運而生。衡量電力電子器件絕緣性能優(yōu)劣的重要參數(shù)是絕緣材料的絕緣電阻的大小。并且絕緣材料的電阻是我國計量法所規(guī)定的電氣安全檢測項目中尤為關(guān)鍵的一項指標(biāo)。絕緣電阻測量儀是用來檢測變壓器、電機、電纜以及其它的電力電子設(shè)備或者其它的絕緣材料的絕緣電阻的多功能儀表。本儀器能提供多種測試電壓，采用了國際上最先進(jìn)的電子器件，可廣泛用于排除障礙、電路試運行、機器預(yù)防性維護(hù)等各種應(yīng)用領(lǐng)域。與其他智能電子絕緣材料電阻測量儀和手搖式絕緣材料電阻測量儀相比。本絕緣材料電阻測量儀具有測量精度高、分辨力強、抗干擾能力強、讀數(shù)穩(wěn)定性好、體積小攜帶、使用方便、電池通用性強等優(yōu)點，在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

二、工作原理

該數(shù)字式絕緣測試儀主要由產(chǎn)生高壓電源的電路模塊，數(shù)據(jù)采樣模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理模塊，量程切換模塊，MSP430F149系統(tǒng)模塊和LCD顯示模塊組成，它的主要工作機制如圖1所示：

圖1 絕緣電阻測試儀工作原理圖

此系統(tǒng)由高壓電源模塊產(chǎn)生1000V的高壓電流作為儀器的測試電源，采用恒壓法來測量電阻的阻值。電源分壓信號接到A/D轉(zhuǎn)換器的模擬量輸入端（An），取樣電壓接到基準(zhǔn)電壓輸入端（VeREF+）。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算后輸出到LCD顯示模塊。用戶根據(jù)LCD顯示值的大小可以選擇合適的量程來測量。因為單片機內(nèi)部有A/D轉(zhuǎn)換器模塊，所以不需要外部的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。

三、硬件系統(tǒng)

1.直流高壓電源發(fā)生模塊（高頻高壓開關(guān)穩(wěn)壓電源）

在本系統(tǒng)中由于直流高壓電源輸出的電流很小，電壓很大所以選擇成本較低，適合小功率的單端反擊式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（推挽式、半橋式、全橋式）。本測試電路采用12V的電源供電，利用芯片（TL494、TL594、SG3525）產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波，通過PWM波形成交流電壓。將交流電壓送入一定匝數(shù)比的變壓器，再通過倍壓、整流將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷?，產(chǎn)生穩(wěn)定的范圍在500V-1000V的5個直流高壓。

2.電阻分壓電路

測量絕緣材料的電阻值，就是對微小的電流或者微小的電壓進(jìn)行測量。根據(jù)串聯(lián)電阻分壓的原理，我們將直流高壓電源發(fā)生模塊輸出的500V-1000V直流高壓，通過串聯(lián)分壓的方法變?yōu)锳/D轉(zhuǎn)換器可接收的小電壓。

串聯(lián)分壓法原理如圖2所示：Rf、Rs均為標(biāo)準(zhǔn)電阻

圖2 串聯(lián)分壓法原理圖

Uo：直流高壓電源輸出電壓；U：采樣電壓；Rx：被測的絕緣電阻；

Rs：采樣電阻；Rf：限流電阻（防止Rx短路）

當(dāng)直流高壓電源的輸出電壓接入電路時，采樣電壓會采集到相應(yīng)的電壓值，隨著被測絕緣電阻Rx的變化，采樣電阻上也會隨之得到不同的電壓值，根據(jù)采樣電阻的電壓值變化，我們可以得到被測絕緣電阻的大小。公式為：由于采樣電壓是電路中主要的誤差來源所以要對采樣電壓U進(jìn)行濾波。

3.模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊有專門的電路實現(xiàn)，這部分電路的功能就是將分壓電路產(chǎn)生的輸出信號通過單位增益的方式傳遞給A/D轉(zhuǎn)換器，同時將電阻分壓電路上的可能產(chǎn)生的高壓沖擊限制或減緩到信號采集電路的前端部分，使單片機能夠有充分的時間將高壓開關(guān)電源輸出的電壓降至安全電壓。

4.采樣和量程切換模塊

用恒壓法測量電阻有它獨特的的優(yōu)點，當(dāng)基準(zhǔn)電壓在測量過程中存在一些誤差時，并不會增加測量的誤差，這自然而然的就降低了對基準(zhǔn)電壓的要求

如圖3所示為單片機與采樣電路的簡易電路圖：

圖3 單片機與采樣電路的簡易電路圖

假設(shè)高壓電源產(chǎn)生的高電壓為U，取樣的電壓為V，輸入到了單片機里邊的A/D轉(zhuǎn)換模塊中的引腳（VeREF+），至于高壓分壓信號V，它可以接到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的隨意一個外部模擬信號的輸入通道。

根據(jù)圖2所示，由歐姆定律可得：

即：

所以只要能夠得到U/V的值，便可以計算得到絕緣電阻的阻值大小了。通過如上圖的接法，由單片機的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出一個和VU與VX都有關(guān)的中間量D（這樣可以消除測量電壓對結(jié)果的影響）。我們可以根據(jù)D的大小計算出來絕緣電阻的大小，選取適當(dāng)?shù)腞1，R2的值，根據(jù)被測電阻的大小，再選取適當(dāng)?shù)腞3的值。以為電壓源用的是1000V高壓的電壓源，而單片機的電源供電電壓卻很低，所以要求R1＞＞R2，上邊的電路選的值是R1=5M歐姆，R2=5k歐姆。

至于量程的切換過程，那就是選取合適的R1大小的過程，此電路提供了有4個量程，分別是200～2000M歐姆，20～200M歐姆，2～20M歐姆和0.2～2M歐姆，基準(zhǔn)電壓分別是2000K歐姆，200K歐姆，20K歐姆和2K歐姆。為了保護(hù)單片機的管腳，以防R1短路，在Vx接入VeREF+管腳之前，必須接入一個2.5V的穩(wěn)壓管。

四、MSP430軟件部分

軟件部分的主要作用就是對絕緣材料電阻進(jìn)行測試。利用按鍵切換直流電壓的量程，與此同時A/D模塊采集計算所需的電壓值。但是由于采集到的直流電壓值不可避免的會有誤差值，所以必須將采集到的直流電壓值做濾波處理，最終得到濾波后的誤差值在接受范圍內(nèi)的直流電壓值，根據(jù)此值進(jìn)行絕緣材料電阻的計算。這里需要注意的是，當(dāng)測量電阻較大時，電阻會發(fā)生一些變化，它會呈現(xiàn)出一定的電容特性，并且測量的時間對測試結(jié)果也會產(chǎn)生一定的影響，15S或者60秒是最適合的測量時間。

針對電路需要實現(xiàn)的特定功能，這里采用了模塊法編程的方法。主要實現(xiàn)的功能就是A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及通過LCD進(jìn)行對測試數(shù)據(jù)的顯示，所以軟件部分包括了一主二次三個程序，主程序的功能就是對系統(tǒng)進(jìn)行初始化操作，設(shè)置系統(tǒng)時鐘以及調(diào)用子程序等功能。A/D轉(zhuǎn)化的程序主要完成數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后利用測量出的電壓值計算出絕緣電阻的實際阻值，然后放入特定的儲存器，LCD驅(qū)動和顯示程序接著就需要從儲存器中取出數(shù)據(jù)，通過一些轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)的最終顯示。

LCD顯示電路中主要構(gòu)成模塊是LCD驅(qū)動器HT1621，它有很多優(yōu)點，首先它是可以編程的，可以用代碼控制顯示內(nèi)容；其次它本身具有數(shù)據(jù)模式和命令模式兩種；它的顯示段與RAM中的數(shù)據(jù)位一一對應(yīng)，所以只需要將需要顯示的數(shù)據(jù)的段碼按照數(shù)據(jù)位對應(yīng)的輸入進(jìn)RAM中就可以實現(xiàn)LCD的功能。單片機采用的是串行的方式與HT1621傳送數(shù)據(jù)，當(dāng)P4.2管腳有寫允許信號時，DATA管腳就會從高位到低位接收到需要顯示的數(shù)據(jù)。每當(dāng)執(zhí)行完畢一條指令，下條指令執(zhí)行前應(yīng)該對串口進(jìn)行一次初始化，下一條指令將在正脈沖的下降沿開始執(zhí)行。

五、結(jié)語

該儀器充分的利用了MSP430F149單片機的低功耗，集成度高，抗干擾能力強的優(yōu)點，使之這款儀器具有能耗低，體積小便于攜帶，精度高，可長時間工作等優(yōu)點，我們已開發(fā)出樣機并且實驗成功。