一种多功能自动化电源测试台

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（成都理工大学信息科学与技术学院，四川成都610059）

0 前言

21世纪初，我国电焊机测试装置大部分沿用基于电磁感应基本定律的模拟指针式仪表测试系统。2004年前，我国使用的电弧焊电源检测设备中，以HHC-1000A系列指针式测试台为代表，它由互感器、分流器及电流传感元件组成，并配以指针式读数表，测量焊接电源的各种参数。直到2004年，部分焊接电源测试设备制造商对测试设备进行技术完善，其中最具代表性的是数字式TDC-750AD系列电源测试台，并应用于大部分电焊机厂商作为出厂检测测试设备使用。该设备具有真有效值采样、显示直观、操作简便、维护容易等特点，但是需要人工记录数据，不仅存在人为修改记录的可能，也存在人工测量误差。

针对以上问题，设计了数据自动记录、管理系统，有效地避免了人为因素，保证了测试数据的真实性。测试数据可以由管理者查询、编辑、打印。

本设计是对广泛应用的TDC系列产品进行改进升级，替换主控为ARMv9，运行Linux操作系统，网口上传测试数据，USB导入导出记录数据。电焊机输出测试端设计了小功率高频高压滤波电路，可在焊机有高频引弧时实时测量，无需担心高频引弧脉冲对传感器造成破坏，测试数据上传到上位机管理平台进行统一管理。

1 自动化电源测试台

电源测试系统主要由多功能自动化电源测试台、焊机采样端高频高压滤波电路以及上位机管理平台软件开发三部分组成。电源测试台测试前，先找出被测焊机的静态工作点，然后采样被测焊接电源输入、输出端的电压和电流信号，由于某些焊接电源（如TIG电源）工作时，输出端会产生高频高压引弧电流，所以需要通过滤波电路去除该脉冲干扰。通常高频信号频率为100～150kHz，电压有效值为3000Vac，叠加在10～80 V直流输出电压上，对输出电压采样传感器形成幅值较高、破坏性很强的高频脉冲，为保障采集仪表的安全必须先进行处理[1]。

测试数据通过与预置的电压、电流合格范围进行比对，生成测试报告逐次上传到管理平台服务器进行后台监测。通过判断监控软件是否打开，灵活配置测试系统为单条上传或打包上传模式，所有数据都存储在服务器数据库，随时可使用上位机软件监测当前状态。系统的工作流程示意如图1所示。

图1 系统的工作流程

测试系统采集的信息实时上传到服务器，监管人员可以远程实时查看检测进度，符合现场测试工作中操作人员在生产车间测试、监督人员在办公室监督管理的实际工作机制。测试系统能够实现测试人员每进行一条测试、监管人员都能看到实时数据，目前国内现有的电焊机测试设备均不具备这种功能。本测试设备能够通过无线或有线局域网进行数据的实时上传，便于上位机实时监控，实现数据的同步管理。

系统采用科学的模块化设计，解决了大部分同类电焊机检测设备通过人工进行数据记录，完成测量后对大量数据统一处理、效率不高的问题。检测流程自动化，初次使用只需先设置参数指标的合格范围、各测试项目的负载大小、以及需要的测量项目等。当测试仪器接收HMI工控屏的指令后，Linux系统控制各功能电路进行测试，同时进行数据分析和结果判定，将数据存储后同步到上位机管理平台，大大减轻了劳动强度，提高了生产线测试效率[2]。整个硬件系统的原理示意如图2所示。

图2 硬件系统工作示意

3 焊机输出端高频高压滤波处理

为避免高频引弧脉冲对采样端仪器仪表造成破坏，通过图3所示的小功率滤波电路进行数字信号处理[3]。

图3 小功率高频高压滤波电路

通过大变比示波器探头直接测量电焊机输出信号、焊机引弧时产生的高频和正常直流信号，以及焊机输出端经过滤波电路后实际输出的波形。实验测试结果如表1所示，前端分别输入直流、50 Hz交流和2 MHz脉冲信号后，输出端电压值控制在基准范围内，并且交流50 Hz衰减较小，脉冲干扰信号基本滤除，达到设计电路指标要求[4]。

结果表明，高频高压小功率滤波电路能有效滤除破坏性极强的高频谐波，并且对原有信号波形影响较小，保证了信号的完整性和实时性。

表1 输入信号和输出信号关系

4 上位机管理平台软件

上位机管理平台主要有普通用户和管理员用户两大模块，普通用户可以直接使用该系统进行电源检测，并且可以设置电源检测模式。管理员用户可以设置低值、变比等参数，此外还能管理普通用户[5]。具体的功能模块如图4所示。

图4 上位机管理平台功能模块

平台以车间为单位对电源进行分类管理，可以显示每个测试车间中正在检测的电源，通过波形方式实时显示电源工作状态中的电流、电压，典型界面如图5所示。

此外，还可以使用分组查看方式集中查看车间内所有在检测电源的实时状态，除电压、电流外，还包括工作时间、平均电压、平均电流、耗电量等，如图6所示。

图5 电源状态显示界面

图6 各车间实时数据显示

5 电源测试台应用前景和效益

本系统可以测试多种类型焊机，包括TIG、MMA、MIG、方波、等离子等焊机，并具有远端监控功能和前端引弧滤波功能，大大提高企业产品的检验效率，降低企业成本，同时便于企业监管。这类设备具有良好的市场前景，能够产生较大的社会效益和经济效益。

国内主要电源企业需求量为300～400台，仅电焊机行业目前需要约50台（套），市场前景较好。推广到其他行业的电源性能测试，则需求量将更大。

从国外定制一台类似的设备价格较高，如某电源测试台为170余万元，系统使用PLC控制，数据采样依然采用分立器件。我国自主制造该类设备只需8～20万元人民币，如果年产20台则可节约3 000万元人民币及大量外汇，具有良好的经济效益。

综上所述，在高技术领域大功率电源的测试中，目前国内绝大部分的高端测试设备均为进口，测试项目也集中在通讯电源、开关电源等自身干扰小、对动特性要求不高的领域。而购置昂贵的进口测试设备则对中小企业的生产经营造成了一定影响。尤其是为了合法进入市场，中小企业必须提高自身产品的质量，同时也必须提高与其相关的出厂测试技术水平，这加大了对检测设备更新换代的要求。

6 国内外自动化测试台现状

目前国内的电源检测设备虽然便于携带，测量精度较高，但是数据后期处理需要投入大量人力物力，已经不符合当今自动化生产与测试的要求。某系列智能电源测试台功能强大，精确度较高，但是其造价昂贵，仅适用于实验室，不太适合普通焊机生产厂商用于产品的出厂检测[6]。基于国内外电焊机测试装置的使用现状，设计了一种多功能电源测试设备对焊接电源进行合格性测试，采用高频高压滤波、真有效值测量、嵌入式Linux系统管理、HMI人机触摸屏显示等技术，适用于测量输出电流650 A以下的弧焊电源输入、输出参数。本测试仪器为自动检测，操作人员根据设定好的程序进行简单按键操作即可测试。测试不合格时有自动报警功能，测试报告自动存储在USB设备中，减轻了劳动强度，提高生产线测试的效率，保证了测试数据的真实性。本测试仪器可以测试MMA、TIG、MIG/MAG、方波等不同焊机，加配不同的负载，可将输出电流的测量范围延伸至2 000 A。依据客户需要，本测试仪器内部预设了多种出厂试验模板，适应绝大部分厂家的焊接电源出厂试验要求。

本项目既能满足所需测试功能和测量精度，又能实现自动检测，同时将检测数据上传到上位机端的管理平台。设计的高频高压滤波电路能保护采样传感器，提高生产测试效率，降低运维成本，完全符合现代化高效率的生产测试要求。

7 结论

通过对现有焊机检测设备原理进行理论研究，借鉴可用技术，完成新型多功能电源测试设备原理和结构设计。完善焊接电源输出端信号的滤波，完成前端信号的净化处理，滤除其高频高压部分，借以保护信号传感器，基于ARM处理器和Linux操作系统为核心的逻辑控制、数据处理和算法，优化了测试精度；人机交互界面采用维控HMI工控屏控制测试流程和数据处理，并将数据导出储存在USB设备中，同时上传到基于Java编写的上位机监控管理平台软件上，方便用户从网络上指定的IP地址读取数据存储和显示记录，HMI工控屏使用串口控制，上传以太网络采用无线或有线方式。

[1]张九海，刘会杰.小型高频引弧器的研究[J].焊接，1990（3）：5-7.

[2]王有庆，田涌涛，李从心.工控机与触摸显示屏的主从式通信研究[J].北京计算机工程，2003，29（14）：161-162.

[3]杨文杰，栾福香.数字信号处理：理论、算法与实现[M].北京：清华大学出版社，2012.

[4]杨文杰，栾福香.脉冲式高频振荡引弧器的研究[J].佳木斯大学学报，2003，1996（3）：204-207.

[5]韩二阳，韩旭，吕其兵.基于LabVIEW的焊接参数管理系统[J].电焊机，2016，46（12）：26-29.

[6]李冬青，关绍勇.电焊机出厂自动检测系统的研制[J].电焊机，1995，25（3）：5-8.