魏寧 盧軍 孫大湖 王歡 趙程

摘要：本項(xiàng)目主要研究內(nèi)容主要有三方面：一是設(shè)計(jì)精確、低成本、快速的電流檢測電路;二是設(shè)計(jì)可以處理感應(yīng)加熱電源的過流、IGBT故障以及主控可以根據(jù)需求封鎖控制信號(hào)的電路;三是開發(fā)基于 Android 系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控裝置。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)加熱;故障檢測;無線監(jiān)控

1 引言

傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱電源常采用獨(dú)立分散控制，無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控，自動(dòng)化程度低，安全性差。網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可同時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)臺(tái)高頻感應(yīng)加熱電源的并列運(yùn)行，大大提高了生產(chǎn)效率和設(shè)備的利用率，基于Android系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控裝置，輕便靈活，無地域限制。

電流檢測電路摒棄整流橋，采用運(yùn)放整流，減少了二極管導(dǎo)通分壓，可以測量小信號(hào)，電流檢測的范圍更廣。保護(hù)模塊不僅提供了硬件故障處理機(jī)制，還保留了軟件故障處理機(jī)制以及主控屏蔽故障的功能，不僅增加了設(shè)備故障處理的速度，也提高了設(shè)備的可靠性，應(yīng)用更加靈活。硬件故障處理具有自鎖功能，使設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。

2 電流檢測

電流檢測電路主要完成電流信號(hào)檢測以及產(chǎn)生過流脈沖，具有響應(yīng)速度快、靈敏 度高、實(shí)時(shí)電流采集、檢測小信號(hào)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，主要由電流信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)放大模塊、信號(hào)整流模塊、過流脈沖產(chǎn)生模塊以及模擬生成AD模塊組成。

電流檢測模塊利用交流互感器采集設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)電流，并把其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。利用一級(jí)運(yùn)放對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)運(yùn)放參數(shù)。利用二級(jí)運(yùn)放對(duì)一級(jí)運(yùn)放輸出的信號(hào)進(jìn)行整流與適當(dāng)放大，整流后的信號(hào)經(jīng)過一階濾波后輸出給主控芯片進(jìn)行處理;與此同時(shí)將整流后的信號(hào)經(jīng)比較器，判斷是否過流，若過流則產(chǎn)生過流脈沖。

設(shè)計(jì)的電流檢測電路采集到的交流信號(hào)穩(wěn)定、波形失真小、輸出電壓精度高，達(dá)到了采集的要求，較好地滿足了感應(yīng)加熱電源系統(tǒng)的需求。尤其是過流脈沖生成功能的加入，使得系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠。

電流檢測電路主要完成電流信號(hào)檢測以及產(chǎn)生過流脈沖，感應(yīng)加熱電源的逆變器輸出是200A左右的強(qiáng)交流電，不宜直接測量。電流互感器是依據(jù)電磁感應(yīng)原理，把匝數(shù)較少的一次繞組串聯(lián)在需要測量電流的回路中，而匝數(shù)較多的二次繞組串聯(lián)到電流檢測電路中，其作用是把數(shù)值較大的一次電流通過一定的變比轉(zhuǎn)換為數(shù)值較小、易于檢測和處理的二次電流。

之后用信號(hào)放大模塊主要是對(duì)交流互感器傳出的信號(hào)進(jìn)行放大，以達(dá)到主控板AD模塊的輸入要求。用2個(gè)反相運(yùn)放電路完成交流信號(hào)的整流，為主控器提供采集電流的幅值信息，產(chǎn)生過流脈沖起到保護(hù)的功能。使用濾波模塊對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行整流、放大之后把部分負(fù)半軸的雜波接到地上，將負(fù)電平迅速釋放掉，電容濾波將交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，由DSP控制器通過AD芯片采集。同時(shí)過流脈沖產(chǎn)生模塊可以預(yù)設(shè)限制感應(yīng)線圈的最大電流，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行中電流超過預(yù)設(shè)時(shí)生成過流脈沖，使設(shè)備安全可靠地運(yùn)行。

3 故障處理電路

硬件故障處理電路主要完成設(shè)備的故障處理工作，故障邏輯運(yùn)算模塊主要完成在硬件電路對(duì)多個(gè)故障檢測之前進(jìn)行一次運(yùn)算處理，生成一個(gè)總的故障信號(hào)，主要由與非門以及非門組成。很多故障信號(hào)是脈沖信號(hào)，如過流故障、欠壓故障等，處理這些故障需要硬件電路具有故障自鎖與解鎖的功能。故障封鎖與自鎖模塊主要完成故障信號(hào)自鎖以及主控解除故障封鎖的功能，為使設(shè)備安全可靠的運(yùn)行要根據(jù)故障封鎖信號(hào)決定是否輸出PWM信號(hào)，系統(tǒng)正常工作，輸出則為高電平，當(dāng)任意故障信號(hào)有效（低電平）時(shí)，故障邏輯運(yùn)算模塊使低電平總故障信號(hào)輸出，總故障信號(hào)觸發(fā)故障檢測與自鎖電路輸出故障封鎖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM信號(hào)的封鎖。故障解除之后，將控制器拉高一個(gè)時(shí)鐘，故障檢測與自鎖電路進(jìn)入故障檢測工作模式，輸出故障封鎖信號(hào)為高電平，PWM封鎖模塊進(jìn)入正常工作模式，實(shí)現(xiàn)解鎖。

故障處理電路通過CPLD實(shí)現(xiàn)了故障發(fā)生時(shí)封鎖PWM信號(hào)，故障清除時(shí)解鎖PWM信號(hào)的邏輯功能。另外，通過設(shè)計(jì)故障邏輯運(yùn)算模塊大大簡化了電路的整體設(shè)計(jì)。通過硬件電路進(jìn)行故障處理，相比于軟件處理，具有實(shí)時(shí)性好、處理速度 快的優(yōu)勢，且不占用主控芯片資源，增加了控制系統(tǒng)的擴(kuò)展性。

4 無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控裝置

在進(jìn)行高頻感應(yīng)加熱電源控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過程中需要基于整流器以及逆變器兩個(gè)方面，選擇適合的電路類型，以設(shè)計(jì)合適的硬件電路，在選擇器件參數(shù)的過程中需要對(duì)整流電路以及逆變電路的控制方式進(jìn)行系統(tǒng)的分析，并且將這些電路有機(jī)整合起來，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路時(shí)需要做到工作的有序，可以使電路精簡，節(jié)約成本，并且為電路的有效運(yùn)行提供必要的保障。

在整個(gè)電源控制系統(tǒng)的程序中主要包括主程序，逆變器驅(qū)動(dòng)脈沖生成程序等，這些程序就是構(gòu)成控制系統(tǒng)的軟件部分，在這些軟件的啟動(dòng)過程中，需要主電路通電，整流器率先啟動(dòng)工作，并且可以輸出穩(wěn)定的直流電壓，而在激起逆變器的過程中需要保證流過負(fù)載的電流足夠大，同時(shí)需要電壓電流的閉環(huán)來穩(wěn)定逆變器的輸出量，以最終實(shí)現(xiàn)電源功率調(diào)節(jié)的目的。

采用 AVR 單片機(jī)ATmega328P-PU 為核心的Arduino Uno開發(fā)板做數(shù)據(jù)采集上傳端。W5100EthernetShield網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展板與Arduino Uno搭配使用實(shí)現(xiàn)Internet接入，將數(shù)據(jù)上傳到指定服務(wù)器。W5100網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展板使用RJ45接口與無線路由器LAN口相連，無線路由器接入互聯(lián)網(wǎng)，開啟DHCP功能。在程序中設(shè)定Arduino Uno控制板IP地址，智能手機(jī)終端打開Wi-Fi功能，連接無線路由器自動(dòng)獲得IP地址與Arduino Uno處于同一無線局域網(wǎng)段中。此時(shí)Android智能手機(jī)通過自帶的瀏覽器就能訪問到作為WEB服務(wù)器的Arduino Uno板，可以監(jiān)控到連接到Arduino Uno板上的傳感器數(shù)據(jù)。開發(fā)的基于Android系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控裝置就可以實(shí)時(shí)控制感應(yīng)加熱電源。

5結(jié)束語

基于Android系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控裝置可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)臺(tái)高頻感應(yīng)加熱電源的并列運(yùn)行，輕便靈活，無地域限制。大大提高了生產(chǎn)效率和設(shè)備的利用率，降低成本，提高產(chǎn)品競爭力。

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（作者單位：湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院）