矿用直流稳压电源电气性能试验装置设计

郭凯明

摘要：为了解决当前矿用直流稳压电源电气性能测试时需要的装置分散繁杂，测试计算过程繁琐的问题，设计了一种基于STM32F407VET6单片机的集成化矿用直流稳压电源性能测试装置。先分析了当前矿用直流稳压电源电气性能试验需要用到的设备及测试步骤，发现当前测试AC电源，负载都是分立，负载值需要手动调整，测试结果需要手动计算，通过设备整合及单片机的应用能简化设备及流程。测试装置主要由交流电源输出、直流电源输入、模拟负载、运行控制等单元组成。可实现ACO～1254V井下交流电压输出及对被测直流稳压电源输出电压稳态误差、输入电压调整率、负载调整率、过流保护值和短路电流值进行测试，测试数据能自动处理计算并将显示结果在工控机显示屏上。该装置的使用可以大大提高矿用直流稳压电源电气性能测试的效率，并减少测试所有设备数量。

关键词：矿用直流电源;单片机;性能测试

中图分类号：TM930

文献标志码：A

文章编号：1009-9492f 2022）02-0141-04

0 引言

矿用直流稳压电源可为各类矿用安全仪器仪表、传感器及电气设备供电，是这些装置能正常运行的必要条件，其生产厂家和型号也在日益增多[1-4]。供电电源的主要性能直接影响着矿山使用的各种检测仪表的稳定性和有效性。供电电源输出电压稳态误差，交流输入电压波动时输出的稳定性，负载变化时对输出功率的影响等都会在实际应用中造成供电不稳定，从而影响各种安全检测仪器仪表的可靠性。严重时，各种仪器仪表不能正常工作，可能会导致矿山事故等一系列安全问题。因此，对矿用直流稳压电源的主要性能进行测试是非常重要的。我国产品质量监督检验中心测试直流稳压电源时必须单独提供的交流电源，并需配备电阻箱满足被测电源容量要求[5]。同时还需要单独的电压电流检测仪器来采集信号，测试结果也需要人工计算，这个过程非常繁琐，无论是时间上还是实际操作上都比较落后。因此研究矿用自动直流稳压电源电气性能测试设备是非常必要的。

本文通过将矿用直流稳压电源性能测试需要的各种仪器设备整合在一起，并且通过单片机这一“大脑”统一调度各模块的工作，大大简化了测试需要的时间和难度，缩短了厂家电源做测试认证需要的时间，间接促进了行业的发展。

1 整体设计

1.1 测试装置设计方案

该装置由直流电源输入、交流电源输出、可变模拟负载、运行控制器等单元组成，测试人员通过T控机与该装置进行人机交互，可以自动选择交流输出和直流输入的各种模式。通过改变被测直流电源输入电压及模拟负载的大小，可以对输出电压稳态误差、输入电压/负载调整率、过流保护和短路保护等项目进行测试，数据可自动计算处理并通过工控机配备的显示器显示结果。系统框图如图1所示。交流电源输出模块电压等级可由T控机选择，工控机与中央处理器（STM32F407VET6单片机）相连接，向交流电源控制电路发出指令，改变交流电压（ACO - AC1254 V）。同时，工控机也可以控制被测直流电源在“空载”、“负载”、“短路”模式之间的切换，中央处理器（STM32F407VET6单片机）向模拟负载控制电路和直流电源控制电路发送指令，直流电源控制电路与模拟负载电路相连，模拟负载根据指令工作在相应模式下。选择不同的负载模式时，负载盒指示灯会发生相应变化，方便测试人员观察判断。直流电源控制电路与直流电源输入电路相连，被测直流电源在空载和负载模式下的输出电压和电流数据会被采集。采样电路通过RJ45网口将数据传输到工控机，工控机通过数据处理即可测出输出电压稳态误差，输入电压/负载调整率、过流保护值和短路保護值，并通过显示器显示结果。

1.2 中央处理器的设计

中央处理器采用嵌入式STM32F407VET6微控制器，是基于高性能ARM和RISC内核的32位微控制器，工作频率高达168 MHz，具有单精度浮点运算单元（FPU），支持所有ARM单精度数据处理指令和数据类型。它还有一套完整的DSP指令和内存保护单元（MPU），可以增强应用程序的安全性。它还具有高速嵌入式存储器（闪存高达1 Mbyte，SRAM高达192 kB），备份SRAM高达4 kB，以及各种增强型I/O和外围APB总线[6]。

2 交流电源输出单元的设计

测试装置包括交流电源输出和直流电源输入两大功能，交流电源输出的电压等级可根据实际需要选择。

交流电源输出单元主要由交流输出控制电路（图2）和交流电源输出电路（图3）构成。当测试人员通过工控机选择好交流输出电压时，工控机向中央处理器发送指令，中央处理器将相关指令处理后对应PIN脚会输出一个高电平至交流输出控制电路（到图2中的RANCEl/2/3/3），该电平信号经光耦合器隔离后传输至交流电源输出电路，使对应的MOSFET导通，中间继电器吸合，输出选择信号，中间继电器控制高压交流继电器导通，最终使相应的交流输出支路导通，从而输出相应量程的交流电压。

交流电源输出单元共有10个中间继电器和10个高压继电器，中间继电器由交流电源输出电路直接控制，高压继电器由中间继电器控制，可实现交流输出电压范围0- 1254 V。

3 直流电源输入单元设计

3.1 设计方案

当被测直流电源接在该测试装置后，可以通过调节模拟负载的值来调节被测直流电源的输出电流，从而实现直流稳压电源输出电压偏差值、源/负载影响、过流保护值、短路保护值的测试。

直流电源输入电路如图4所示，被测直流稳压电源连接到被测源接口，控制板的输入端与直流电源控制电路相连，如图5所示。选择空载或负载模式后，工控机向中央处理器发送指令。中央处理器将处理后的指令发送至直流电源控制电路，直流电源控制电路将控制直流电源输入电路中的继电器，继电器触点为1时，处于负载模式，触点为2时R38阻值很大，处于空载模式。整机中图4所示的模块有多个，可以实现负载的宽范围调节。直流电源输入电路中的信号采样电路将采集被测电源的电压和电流信息，R40为电流采样电阻，可将电流转化为电压信号。采集到的电压和电流值先送到单片机进行处理，结果回传给工控机进行显示。

同时，测试人员可以对模拟负载的大小进行调节[7-12]，在工控机界面选择好负载大小时，工控机传送指令到单片机，单片机解析指令后，对应PIN脚发送高电平至模拟负载控制电路（图6），它与模拟负载电路相连。选择不同负载模式时控制指令使相应通道继电器导通，图6中的F11/F12/F13/F14均控制一路继电器的通断，不同负载模式的继电器不能同时导通。导通继电器对应的模拟负载接入使用。测试人员可通过调节模拟负载的大小，得到不同负载条件下被测直流稳压电源的输出电压和电流，这些信息被采样电路采集后送人单片机进行运算，最终得到被测电源的各项性能指标值。同时负载箱根据发送的控制指令不同而点亮相应指示灯，方便测试人员判断工作状态。

3.2 测试结果分析

该装置通过检测不同模拟负载下被测直流稳压电源的输出电压和电流值，从而对输出电压偏差值、负载/源极影响、过流保护值和短路电流值等电气性能进行测试。

工控机接收到数据采集器传输的测试数据后，计算电压偏差值、输入电压调整率、负载调整率，分别如下。

（1）电压偏差值

式中：△U0为被测直流电源输出稳态电压与额定输出电压的差值，Ux为被测直流电源标称的额定输出电压。

在负载电流为0和负载电流为额定值，且输入电压在最小值、额定值、最大值时各测试一次，取最大的一个值作为被测直流电源的输出电压偏差。

（2）输入电压调整率

式中：AU0为被测直流电源负载电流从0阶跃变化到额定值时稳态输出电压的差值;Uo为额定负载电流时的稳态输出电压。

在输入电压为最小值、额定值、最大值时各测量计算一次，选取最大的一个值作为其负载调整率B。

（3）负载调整率

式中：AUi为额定负载电流时，额定输入电压时的稳态输出电压;U1为被测直流电源输入电压从最小值阶跃变化到额定值，额定值阶跃变化到最大值时，稳态输出电压的差值中大的那个值。

综上所述，工控机会直接显示计算出的输出电压偏差值，负载效應、源效应、测得的过流保护值和短路电流值该测试装置实现了自动化测试，节省了大量计算测试结果和选择模拟负载的时间，大大提高了测试效率。

4 结束语

针对矿用直流稳压电源电气性能测试中存在的设备分立繁杂，过程繁琐的问题，提出一种可提供交流电压输出并实现电气性能自动测试的测试装置，其功能如下：（1） ACO -1 254 V电压可提供给外部设备，被测直流电源也可使用;（2）输出电压偏差值、负载调整率、输入电压调整率、过流保护值和短路保护值可自动测试;（3）测量结果可通过显示器直观显示，提高了测试效率效率。

该装置通过将AC输入源和模拟负载整合到一台机器中，减少了测试过程中使用的设备，缩短了设备准备及连接的时间和工作量，同时该装置采用单片机进行数据处理，替代人工记录运算，减轻了测试人员负担，同时大大缩短了测试需要的时间。

该装置也有改进空间，主要是其输出的交流电压无法自动连续调剂，调节步进较大，在某些应用中，需要配合手动调节的隔离变压器来输出需要的交流电压值。

参考文献：

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