文 | 浙江出入境檢驗(yàn)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(cè)試控制儀研制

文 | 浙江出入境檢驗(yàn)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(yàn)的要求，針對(duì)目前業(yè)界使用的測(cè)量設(shè)備功能單一、適用性差等特點(diǎn)，研發(fā)了一套能適用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的低壓電器EMC綜合測(cè)試儀。文中主要介紹了測(cè)試儀的功能特性、技術(shù)研發(fā)的難點(diǎn)，并提出了完整的硬件和軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方案，最后通過實(shí)際案例進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

低壓電器；綜合測(cè)試儀；測(cè)試驗(yàn)證；DSP

引言

微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，對(duì)低壓電器產(chǎn)品的開發(fā)研究和發(fā)展帶來了深遠(yuǎn)的影響，目前我國生產(chǎn)的剩余電流動(dòng)作保護(hù)器90%為電子式的，而電磁式剩余電流保護(hù)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(jī)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(shí)其使用也帶來了電磁兼容（EMC）問題，如由于在靜電、高頻磁場(chǎng)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(huì)造成國家、個(gè)人生命和財(cái)產(chǎn)的重大損失。因此低壓電器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)如GB 16917、GB 14048等都明確規(guī)定了對(duì)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(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)控等缺點(diǎn)，“基于DSP的低壓電器EMC綜合測(cè)試控制儀”（以下簡(jiǎn)稱測(cè)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(cè)試控制儀主要完成以下功能：（1）是負(fù)載特性參數(shù)控制。在對(duì)低壓電器產(chǎn)品實(shí)施檢測(cè)和試驗(yàn)時(shí)，對(duì)各類被測(cè)樣品如剩余電路斷路器、繼電器、開關(guān)等的負(fù)載特性參數(shù)進(jìn)行精確控制，對(duì)需加給被測(cè)樣品的負(fù)載的參數(shù)如阻抗值、電流、電壓、相位等實(shí)時(shí)監(jiān)控及比較，嚴(yán)格控制負(fù)載參數(shù)特性在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，保證測(cè)量精度的基礎(chǔ)條件符合要求；（2）是實(shí)施檢測(cè)過程的參數(shù)特性控制。對(duì)檢測(cè)過程中被測(cè)樣品的剩余電流、電源電壓、動(dòng)作特性、脫扣時(shí)間等重要瞬態(tài)過程參數(shù)和樣品狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄和輸出，如精確捕捉并輸出斷路器的速動(dòng)特性和反時(shí)限特性、剩余電流保護(hù)器的動(dòng)作特性、繼電器的動(dòng)作特性和電流品質(zhì)因數(shù)等信息。（3）是實(shí)現(xiàn)低壓電器產(chǎn)品的測(cè)量和校驗(yàn)。對(duì)各類低壓電器產(chǎn)品實(shí)施電磁兼容性能試驗(yàn)前后以及試驗(yàn)過程中的性能檢測(cè)及功能校驗(yàn),如對(duì)剩余電流保護(hù)器實(shí)施30mA漏電流后的脫扣時(shí)間的測(cè)量，以及復(fù)合開關(guān)、繼電器產(chǎn)品試驗(yàn)過程中的完好情況、誤動(dòng)作和脫扣情況實(shí)施自動(dòng)校驗(yàn)等等。（4）是完成設(shè)備運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)自檢功能及匯報(bào)，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(fù)測(cè)量，提高了檢測(cè)工作效率。測(cè)試控制儀功能框圖詳見圖1。

2.試控制儀的實(shí)現(xiàn)

測(cè)試控制儀的控制系統(tǒng)采用TMS320F2812高速DSP處理器和型號(hào)MSP430低功耗單片機(jī)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(jī)則主要完成人機(jī)對(duì)話和與PC機(jī)的通訊，PC機(jī)則主要完成測(cè)試的管理和數(shù)據(jù)存檔等高級(jí)管理功能；在DSP的外圍配以高精度的信號(hào)調(diào)理電路和高速、高精度AD采樣器用以采集產(chǎn)品測(cè)試時(shí)的各種信息，同時(shí)配以足夠多的控制端口和驅(qū)動(dòng)電路用以被測(cè)樣品的驅(qū)動(dòng)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(cè)量裝置的原理框圖如圖2所示。

2.1.術(shù)難點(diǎn)

2.1.1.速度、高精度采樣電路的設(shè)計(jì)。測(cè)試控制儀要采集多路信號(hào)，如系統(tǒng)的三相電壓和電流、短路發(fā)生時(shí)的短路電流和漏電發(fā)生時(shí)的剩余電流等，這些信號(hào)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(yàn)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(dòng)特性和反時(shí)限特性、剩余電流保護(hù)器的動(dòng)作特性、繼電器的動(dòng)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(yīng)用數(shù)字處理理論來提取特征信息是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

2.1.3.試控制儀是用于電磁兼容、安全和性能的測(cè)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(yàn)和測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性也是本項(xiàng)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(jí)的電流電壓傳感器，實(shí)現(xiàn)電流分級(jí)測(cè)量；采用16位高速A/D采樣器，對(duì)每一路被測(cè)信號(hào)進(jìn)行每周波1024點(diǎn)的等間隔采樣；對(duì)每一路通道都進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，以滿足在各級(jí)量值范圍內(nèi)都能保證精度的要求。

2.2.2.大電流信號(hào)的采集采用兩次隔離措施，保證測(cè)量分析系統(tǒng)于一次試驗(yàn)回路的可靠隔離，以免引起信號(hào)的串?dāng)_，采用高精度的儀用運(yùn)放進(jìn)行信號(hào)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(dòng)技術(shù)，保證干擾不會(huì)通過輸出回路進(jìn)入到測(cè)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(jī)系統(tǒng)電源和模擬電路信號(hào)調(diào)理電源相互獨(dú)立，僅在DSP公共端進(jìn)行單點(diǎn)連接，從而保證模擬電路和數(shù)字電路不會(huì)因此而相互串?dāng)_，單片機(jī)系統(tǒng)的電源波動(dòng)也不會(huì)影響DSP系統(tǒng)的正常采集和精度。

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

3.試控制儀的特點(diǎn)

該設(shè)備綜合了各類低壓電器產(chǎn)品電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品的試驗(yàn)和測(cè)量要求，在一臺(tái)設(shè)備上就可完成所有種類低壓電器產(chǎn)品檢測(cè)項(xiàng)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(qiáng)大；其次該設(shè)備充分采用先進(jìn)的DSP技術(shù)、數(shù)字信號(hào)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(jì)開發(fā)了各種硬件及其能性保護(hù)電路,增加了抗干擾措施和防誤操作保護(hù)措施,避免了現(xiàn)有設(shè)備測(cè)量精度低，試驗(yàn)重復(fù)性差，輸入輸出功能弱，無程控功能等缺點(diǎn)，實(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)，極大地簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，減少了電子器件的使用數(shù)量，使整機(jī)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(shí)用性和可靠性，突破了現(xiàn)有設(shè)備由于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)造成的整機(jī)笨重體積大，成本較高的缺陷；四是在測(cè)試控制儀軟件設(shè)計(jì)方面,充分研究和分析了目前最先進(jìn)合理的設(shè)計(jì)思路和編制方法, 設(shè)計(jì)了上、下級(jí)之間的通訊協(xié)議,所有功能設(shè)計(jì)成模塊化管理并預(yù)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(jìn)一步功能需求拓展。

4.試案例

剩余電流動(dòng)作斷路器功能校驗(yàn)和測(cè)量：

第一步，在測(cè)試控制儀主菜單上選“剩余電流動(dòng)作保護(hù)器（GB16917）”功能，下級(jí)菜單選“測(cè)量和校驗(yàn)”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(dǎo)脈沖等，同時(shí)在測(cè)試控制儀輸出端觀測(cè)被測(cè)樣品的工作狀況，以校驗(yàn)被測(cè)樣品在試驗(yàn)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(yàn)后，在子菜單上選“測(cè)量脫扣”時(shí)間按鈕，突加30mA漏電流，測(cè)試儀自動(dòng)測(cè)量被測(cè)樣品的脫扣時(shí)間，并在儀表的輸出端觀察和記錄脫扣時(shí)間。主要測(cè)試截圖見圖3、圖4，其中圖3為 測(cè)量脫扣時(shí)間時(shí)被測(cè)樣品的狀態(tài)報(bào)告，圖4為脫扣時(shí)間的測(cè)量報(bào)告。

5.述

測(cè)試控制儀綜合了各類低壓電器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電磁兼容的試驗(yàn)、測(cè)量和校驗(yàn)要求，改進(jìn)了以往低壓電器產(chǎn)品一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)多臺(tái)設(shè)備以及一臺(tái)設(shè)備一項(xiàng)參數(shù)的測(cè)試狀況，實(shí)現(xiàn)了在一臺(tái)設(shè)備上就完成所有種類低壓電器產(chǎn)品檢測(cè)的要求，有廣泛的適用性；其模塊化的設(shè)計(jì)、過程參數(shù)和負(fù)載特性的高效控制、電力電子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的使用，使設(shè)備在功能和成本上都極具競(jìng)爭(zhēng)力，是一款非常實(shí)用的新型低壓電器產(chǎn)品測(cè)量設(shè)備。

[1] GB 18499 家用和類似用途的剩余電流動(dòng)作保 護(hù)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(shí)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(yàn)檢疫局，高級(jí)工程師，從事產(chǎn)品EMC和安全試驗(yàn)和研究

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

楊貴玉（1968.02-）浙江大學(xué)，博士后，從事電力系統(tǒng)測(cè)量