CN101149412B - 可编程控制器数控型周波电压跌落模拟发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可编程控制器数控型周波电压跌落模拟发生器，其特征在于，由工业人机界面触摸屏、可编程控制器、步进电机驱动器、步进电机、自偶调压器、过零采样电路、交—直流电压变换电路、IGBT电压控制电路组成，工业人机界面触摸屏与可编程控制器相连接，可编程控制器分别与过零采样电路、步进电机驱动器、交—直流电压变换电路、IGBT电压控制电路连接，交—直流电压变换电路分别与自偶调压器和IGBT电压控制电路连接，步进电机驱动器通过步进电机与自偶调压器连接。本发明的优点是采用了带A/D转换功能的新型可编程控制器PLC，实现了满足相关标准要求的周波电压跌落模拟量控制。本发明抗干扰性强，可靠性高，易于追随相关试验标准的修订进行软件升级。

Description

可编程控制器数控型周波电压跌落模拟发生器

技术领域

本发明涉及一种可编程控制器(PLC)数控型周波电压跌落模拟发生器，尤其涉及一种符合GB/T17626.11-1999电磁兼容标准要求的试验仪器，可用于电气、电子设备的抗扰性测试和研究，属于电磁兼容测试技术领域。

背景技术

当电网或变电设备发生故障或负荷突然变化时会引起网络电压的瞬时跌落、短时中断，在某些情况下甚至会连续出现两次或以上的电压跌落和中断。这些现象本质上是随机的，轻则干扰电器具的正常工作，重则引发设备内部数据丢失、生产线停顿，造成直接经济损失。因此要求电子电气装置必须具备相应的抗电磁干扰能力，而进行抗电磁干扰的测试和研究就离不开符合国家标准的电磁干扰模拟发生器。现有的周波跌落模拟发生器其控制方式大多采用数显模拟调节方式或单片机控制方式，少数进口产品采用工控机控制方式。前者使用不方便，自身抗干扰能力差，后者成本高，不利于普及推广。

发明内容

本发明的目的是提供一种自身抗干扰能力强的、便于软件升级换代的可编程控制器数控型周波电压跌落模拟发生器。

为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种可编程控制器数控型周波电压跌落模拟发生器，其特征在于，由工业人机界面触摸屏、可编程控制器、步进电机驱动器、步进电机、自偶调压器、过零采样电路、交-直流电压变换电路、IGBT电压控制电路组成，工业人机界面触摸屏与可编程控制器相连接，可编程控制器分别与过零采样电路、步进电机驱动器、交-直流电压变换电路、IGBT电压控制电路连接，交-直流电压变换电路分别与自偶调压器和IGBT电压控制电路连接，步进电机驱动器通过步进电机与自偶调压器连接。

本发明采用的周波电压跌落和周波电压变化的模拟发生分别由可编程控制器(PLC)控制IGBT电压控制电路和步进电机加以实现，其主要功能是模拟周波电压跌落和周波电压变化过程。

可编程控制器(PLC)通过A/D转换、采样比较和脉冲计数驱动IGBT电压控制电路来调节试验电压的瞬时升降。在周波电压变化试验中，由可编程控制器(PLC)发出脉冲至步进电机驱动器，步进电机带动自偶调压器在规定的时间和幅度内完成电压的升降调节。

本发明的优点是采用了带A/D转换功能的新型可编程控制器(PLC)，实现了满足相关标准要求的周波电压跌落模拟量控制。本发明抗干扰性强，可靠性高，易于追随相关试验标准的修订进行软件升级。

附图说明

图1为可编程控制器(PLC)数控型周波电压跌落模拟发生器原理框图；

图2为步进电机驱动器接线图；

图3a、3b为过零采样单元电路图；

图4a、4b为交——直流电压变换电路(JZ)电路图；

图5为IGBT电压控制单元电路图；

图6为工业人机界面(PWS)触摸屏示意图；

图7为可编程控制器(PLC)数控型周波电压跌落模拟发生器控制流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例

如图1所示，为可编程控制器(PLC)数控型周波电压跌落模拟发生器原理框图，所述的可编程控制器数控型周波电压跌落模拟发生器由工业人机界面触摸屏、可编程控制器、步进电机驱动器、步进电机、自偶调压器、过零采样电路、交-直流电压变换电路、IGBT电压控制电路组成，工业人机界面触摸屏与可编程控制器相连接，可编程控制器分别与过零采样电路、步进电机驱动器、交-直流电压变换电路、IGBT电压控制电路连接，交-直流电压变换电路分别与自偶式调压器和IGBT电压控制电路连接，步进电机驱动器通过步进电机与自偶式调压器连接。

所述的可编程控制器采用OMRON公司CP1H型程控器，带24点输入，16点输出；4轴标准脉冲输出，4轴标准高速计数器输入；4路A/D和2路D/A转换口；

如图2所示，为步进电机驱动器接线图，步进电机驱动器型号SH-2H057，由北京斯达特机电科技发展有限公司生产，内置超大规模步进电机专用控制芯片，具有高的抗干扰性和快速响应性。配套步进电机也是该公司的产品，型号为57BYG009的二相四线电机。驱动器采用一组直流供电DC24～40V，连接PLC的输入控制端分别为：步进脉冲信号CP、旋转方向电平信号DIR和脱机信号FREE，OPTO为公共端，在驱动器内部接成共阳方式，外部接系统的VCC——+5V电源，保证给驱动器内部光耦提供8～15mA的驱动电流。驱动器输出端A、A和B、B可与步进电机直接连接。

如图3a、3b所示，为过零采样单元电路图，所述的过零采样电路由1个高速运放LM833D、1个二极管D2、2个稳压管DW1、DW2、8个电阻R18-R25，2个可变电阻R16、R17，12个电容C8-C19组成，L及N端分别接电源，分别与电容C13、电容C12、电容C11、串联的电容C10和电阻R19、串联的电容C8、C9和电阻R18、串联的可变电阻R16和R17并联，电容C13与串联的电阻R20和R21、电容C14和电容C15并联，输出端X12与电容C15、电阻R20和R21连接，可变电阻R16通过电阻R22与电阻R23连接，输出端X13与电阻R22和电阻R23连接，220V电压通过无感电阻R22、R23无滞后分压后，输出端X12与交——直流电压变换电路中的电压变换电路输入口相连，另一输出端X13与高速运放LM833D的正相输入端X13连接，高速运放LM833D的输入端连接以电阻R24、电容C18、二极管DW1和DW2串联在一起并联构成的稳压网络，电容C16、C17为电源滤波电容，二极管D2与电阻R25和电容C19并联构成整流滤波网络，本电路以有源无死区检测变换的方式，在电压波形过零的瞬间，输出一个脉冲信号，该电路的无滞后输出，保证了过零脉冲信号的精度，为仪器输出电压的阶跃变换提供了正确的时间基准。

如图4a、4b所示，为交——直流电压变换电路(JZ)电路图，所述的交——直流电压变换电路由电压变换电路4a和电流变换电路4b组成，电压变换电路a采用了TL084四运放集成电路，第一级放大器TL084.1为同相射极跟随电路，输入端脚3通过稳压管DDW1、DDW2、电容C20、C21和电阻R55组成的输入网络与过零采样电路的输出端X12相连，为防止输出端饱和而提供稳定的直流信号电压；第一级放大器TL084.1的输出端脚2与电容C22、电阻R56和R57组成的该级负反馈电路连接，R56用于调节单位增益带宽，同相射极跟随电路的作用是提高输入阻抗，减小输入干扰，第二级放大器TL084.2为高频无死区全波整流电路，其5脚接地，其6脚和7脚分别与由反相输入电阻R58、R59、电容C23、二极管D29、D30构成的负反馈网络连接，并与第一级放大器TL084.1的1脚连接，通过它的作用使得交流电压(电流)信号完全线性地转换成脉动直流波，第三级放大器TL084.3的9脚通过电阻R62和二极管D30与第二级放大器TL084.2的7脚连接，9脚和8脚与由反相输入电阻为R60、R61和R62，电阻R63和电容C24构成的负反馈网络连接，脚8输出电平信号与可编程控制器(PLC)10的A/D口相连，10脚接地，第三级放大器TL084.3为有效值变换电路，实质为一加法器，与第二级放大器TL084.2构成线性全波整流电路，能将脉动直流波以有效值的转换关系，转换成直流电平信号，为下一级A/D转换提供稳定的精准直流电平信号，第四级放大器TL084.4为电压跟随器，其13、14脚与电阻R64、R65，电容C25以及稳压管DW3、DW4构成的滤波稳压网络连接组成显示采样电路，并与面板上的工业人机界面(PWS)1输入口相连，其12脚与第一级放大器TL084.1的1脚连接。

电流变换电路b也采用了一块TL084四运放集成电路，第一级放大器TL084.5为同相射极跟随电路，其输入端脚3与稳压管DW5、DW6和电阻R66、R67组成的输入网络相连，其2脚与电阻R68和R69组成的该级负反馈电路连接，第二级放大器TL084.6为高频无死区全波整流电路，其5脚接地，其6脚和7脚分别与由反相输入电阻R70、电阻R73、电容C26和二极管D33、D34构成的负反馈网络连接，并与第一级放大器TL084.5的1脚连接，通过它的作用使得交流电压(电流)信号完全线性地转换成脉动直流波，第三级放大器TL084.7为有效值变换电路，其9脚通过电阻R74和二极管D34与第二级放大器TL084.6的7脚连接，9脚和8脚与由反相输入电阻为R71、R72和R74，电阻R75和电容C27构成的负反馈网络连接，脚8输出电平信号与可编程控制器(PLC)10的A/D口相连，10脚接地，第四级放大器TL084.8为电压跟随器，其13、14脚与电阻R76、R77，电容C28、C29以及稳压管DW7、DW8构成的滤波稳压网络连接组成显示采样电路，并与面板上的工业人机界面(PWS)1输入口相连，其12脚与第一级放大器TL084.5的1脚连接。

如图5所示，为IGBT电压控制电路又分为IGBT I和IGBT II，其中V5是74123单稳态集成电路，1、6、9、14脚均接地，7脚通过R1与来自开关电源的5VDC相连接，15脚通过R6与来自开关电源的5VDC相连接，C1、C2为接地电容。2、脚与门电路74HC00A门电路74HC00A的9脚连接，10脚与门电路74HC00A(V6)的12脚连接，4脚与门电路74HC00A的10脚连接，12脚与V6的13脚连接，R2、R7为V6的输入分流电阻，稳压管DW1～DW10组成栅极电压箝位保护电路，R3、R4、R8、R9为栅极限流电阻，连接V7～V10，R5和R10为平衡电阻。IGBT I部分控制端3脚与可编程控制器(PLC)的输出端10107#和门电路74HC00A的1、2脚连接，IGBT II部分的控制端11脚与门电路74HC00A的3脚连接，D1～D4为整流二极管，D1、D2串联在一起并联在电源输入和电源输出端，D3、D4串联在一起并联到调压器调节端和电源输出端，调压器为自偶式调压器，一端接电源输入和三极管V7的源极，另一端接地，调节端与三极管V9的源极连接，三极管V8和三极管V10的发射极为电源输出端，在连接EUT OUTPUT的同时，分别连接过零采样单元和电压、电流变换单元(JZ)以完成试验需要对输出电源的采样控制。

如图6所示，为工业人机界面(PWS)触摸屏示意图，所述的工业人机界面(PWS)采用HITECH公司生产的PWS6600触摸屏，内置32Bit微处理器，4MB内存，2路通讯口，5.7寸液晶显示屏。工业人机界面(PWS)与可编程控制器的通讯经由RS-232串口连接，包括指令的输入和数据的显示。右边Menu，F1～F5是触摸屏功能选择按钮。

如图7所示，为可编程控制器(PLC)数控型周波电压跌落模拟发生器控制流程图，采用梯形图语言编制程序，运行在可编程控制器(PLC)里，其工作方式为：

仪器合上电源后，先通过工业人机界面(PWS)选择试验类型：

周波电压跌落

根据相关标准规定的周波电压跌落试验要求，仪器具有在任意时刻使输出电压产生阶跃变化，且变化时间在1～5μs的功能。

首先打开仪器的电源开关，将试验参数如额定输出电压、电压阶跃变化幅度、电压阶跃瞬变角(0～360°)、保持时间、试验周期等通过触摸屏(PWS)设定，可编程控制器(PLC)依据设定参数计算出与上述各项控制参数对应的驱动频率、电压阶跃变化幅度及瞬变角、保持时间和试验周期，并先后向IGBT电压控制电路中的IGBT I和IGBT II发出通断信号，保证当IGBT I导通时，电源输出端可输出100％的电压，而当IGBTII导通时，电源输出端可根据跌落试验需要输出Δ％的电压值。电源输出端的电压通过交-直流电压变换电路(JZ)变换输出直流电压信号，并连接至可编程控制器PLC的A/D转换0#、1#输入口，PLC中内置的A/D先将直流信号转换为数字量，PLC对其进行比较判别，若输出电压小于设定电压，PLC发出的控制脉冲频率会有一个增量，使得输出电压达到设定值，反之亦然，形成闭环控制，并把该脉冲频率作为全压控制频率保存在内存中。

试验开始时，PLC启动过零信号中断，允许过零信号的输入。当PLC收到过零信号后，立即执行输入中断相应程序，该中断响应程序是为了完成以下3项任务：

1)关闭中断，避免后续过零信号再产生的中断影响仪器的正常工作；

2)PLC脉冲1#输出口发送180KHz的方波脉冲串；

3)启动高速计数器0#口，1#口的180KHz脉冲经由0#口直接输入至高速计数器。180KHz频率相当于每秒钟发180000个脉冲，也即10ms发1800个脉冲。因为10ms正是交流正弦波半个周期的时间，所以1800个脉冲对应于半周期角180°，则每度对应10个脉冲。假定试验要求在30°时发生电压阶跃变化，只需高速计数器在计到300个脉冲时产生一个中断信号1，而该中断信号的响应程序即为PLC向IGBT电压控制电路中的IGBT I和IGBTII发出通断信号，这就保证了试验的输出电压在30°时刻启动电压阶跃变化，同时高速计数器继续计数，根据试验的要求维持阶跃变化后的电压保持时间。由于保持时间是以周波数为单位的，已知一个周波对应的脉冲数为1800×2＝3600个脉冲，假定试验要求电压保持时间为20个周波，那末高速计数器只有计到3600×20＝72000个脉冲时，才会发出中断信号2，此时的中断响应程序为——PLC恢复全压频率的输出。IGBT电压控制电路中的IGBT I和IGBT II在可编程控制器的控制下分别导通和关断，输出电压即刻阶跃至全压，一个试验周期结束，PLC内部计数器加一，然后判别试验周期数是否达到设定的试验周期数，若尚未达到，则重复上述过程，反之终止试验。周波电压变化

根据相关标准规定的周波电压变化试验要求，仪器具有在任意时刻使输出电压在规定的时间以恒定的速率下降，降至设定的电压值(如40％额定电压)，保持一定的时间，然后再以相同的速率升压，使输出电压恢复到额定电压值的功能。试验参数的设定过程与周波电压跌落试验相同，通过触摸屏PWS将输出额定电压、电压下降的时间、幅度以及保持的时间进行设定。试验开始时，PLC发出一定数量的脉冲至步进电机驱动器，步进电机带动自偶调压器升压，升至额定电压值附近，再经由交——直流电压变换电路(JZ)的处理和A/D转换器将其数模转换，提供PLC判别。如输出电压小于设定电压，则PLC再补发若干数量的脉冲数，使步进电机再次带动自偶调压器升压，直至输出电压达到设定电压值。调整中每次发出的脉冲数都进行累加，最后的累加数即作为本次试验全压的脉冲量。由于在反馈调整过程中，PLC已将该全压脉冲量除以设定的电压变化时间，得到步进电机调压所需的脉冲频率，PLC以该脉冲频率发脉冲，同时输出反转信号，使调压器在设定的时间内降压，达到试验需要的电压值并保持到设定的试验时间后，再以相同的速率升压，恢复至全压状态，一个试验周期结束。

Claims (8)

1.一种可编程控制器数控型周波电压跌落模拟发生器，其特征在于，由工业人机界面触摸屏、可编程控制器、步进电机驱动器、步进电机、自偶调压器、过零采样电路、交-直流电压变换电路、IGBT电压控制电路组成，工业人机界面触摸屏与可编程控制器相连接，可编程控制器分别与过零采样电路、步进电机驱动器、交-直流电压变换电路、IGBT电压控制电路连接，交-直流电压变换电路分别与自偶调压器和IGBT电压控制电路连接，步进电机驱动器通过步进电机与自偶调压器连接。

2.根据权利要求1所述的可编程控制器数控型周波电压跌落模拟发生器，其特征在于，所述的可编程控制器采用OMRON公司CP1H型程控器，带24点输入，16点输出；4轴标准脉冲输出，4轴标准高速计数器输入；4路A/D和2路D/A转换口。

3.根据权利要求1所述的可编程控制器数控型周波电压跌落模拟发生器，其特征在于，所述的步进电机驱动器型号为SH-2H057。

4.根据权利要求1所述的可编程控制器数控型周波电压跌落模拟发生器，其特征在于，所述的步进电机型号为57BYG009。

5.根据权利要求1所述的可编程控制器数控型周波电压跌落模拟发生器，其特征在于，所述的过零采样电路由1个高速运放LM833D、1个二极管D2、2个稳压管DW1、DW2、8个电阻R18-R25，2个可变电阻R16、R17，12个电容C8-C19组成，L及N端分别接电源，分别与电容C13、电容C12、电容C11、串联的电容C10和电阻R19、串联的电容C8、C9和电阻R18、串联的可变电阻R16和R17并联，电容C13与串联的电阻R20和R21、串联的电容C14和电容C15并联，输出端X12与电容C15、电阻R20和R21连接，可变电阻R16通过电阻R22与电阻R23连接，输出端X13与电阻R22和电阻R23连接，220V电压通过电阻R20、R21分压后，输出端X12与交-直流电压变换电路中的电压变换电路输入口相连，通过电阻R22、R23分压后，输出端X13与高速运放LM833D的正相输入端K连接，高速运放LM833D的输入端连接以电阻R24、电容C18、二极管DW1和DW2并联构成的稳压网络，电容C16、C17为电源滤波电容，二极管D2与电阻R25和电容C19并联构成整流滤波网络。

6.根据权利要求1所述的可编程控制器数控型周波电压跌落模拟发生器，其特征在于，所述的交-直流电压变换电路由电压变换电路a和电流变换电路b组成，电压变换电路a采用了TL084四运放集成电路，第一级放大器TL084.1为同相射极跟随电路，输入端脚3通过稳压管DW1、DW2、电容C20、C21和电阻R55组成的输入网络与过零采样电路的输出端X12相连，第一级放大器TL084.1的输出端脚2与由电容C22、电阻R56和R57组成的负反馈电路连接，第二级放大器TL084.2为高频无死区全波整流电路，其5脚接地，其6脚和7脚分别与由反相输入电阻R58、R59、电容C23、二极管D29、D30构成的负反馈网络连接，并与第一级放大器TL084.1的1脚连接，第三级放大器TL084.3的9脚通过电阻R62和二极管D30与第二级放大器TL084.2的7脚连接，9脚和8脚与由反相输入电阻为R60、R61和R62，电阻R63和电容C24构成的负反馈网络连接，脚8输出电平信号与可编程控制器10的A/D口相连，10脚接地，第四级放大器TL084.4为电压跟随器，其13、14脚与电阻R64、R65，电容C25以及稳压管DW3、DW4构成的滤波稳压网络连接组成显示采样电路，并与面板上的工业人机界面输入口相连，其12脚与第一级放大器TL084.1的1脚连接；

电流变换电路b也采用一块TL084四运放集成电路，第一级放大器TL084.5为同相射极跟随电路，其输入端脚3与稳压管DW5、DW6和电阻R66、R67组成的输入网络相连，其2脚与电阻R68和R69组成的负反馈电路连接，第二级放大器TL084.6为高频无死区全波整流电路，其5脚接地，其6脚和7脚分别与由反相输入电阻R70、电阻R73、电容C26和二极管D33、D34构成的负反馈网络连接，并与第一级放大器TL084.5的1脚连接，第三级放大器TL084.7为有效值变换电路，其9脚通过电阻R74和二极管D34与第二级放大器TL084.6的7脚连接，9脚和8脚与由反相输入电阻R71、R72和R74，电阻R75和电容C27构成的负反馈网络连接，脚8输出电平信号与可编程控制器10的A/D口相连，10脚接地，第四级放大器TL084.8为电压跟随器，其13、14脚与电阻R76、R77，电容C28、C29以及稳压管DW7、DW8构成的滤波稳压网络连接组成显示采样电路，并与面板上的工业人机界面输入口相连，其12脚与第一级放大器TL084.5的1脚连接。

7.根据权利要求1所述的可编程控制器数控型周波电压跌落模拟发生器，其特征在于，所述IGBT电压控制电路又分为IGBT I和IGBT II，其中2个V5是74123单稳态集成电路，1、6、9、14脚均接地，7脚通过R1与来自开关电源的5VDC相连接，15脚通过R6与来自开关电源的5VDC相连接，C1、C2为接地电容，2脚与门电路74HC00A的9脚连接，10脚与门电路74HC00A的12脚连接，4脚与门电路74HC00A的10脚连接，12脚与门电路74HC00A的13脚连接，R2、R7为门电路74HC00A的输入分流电阻，稳压管DW1～DW10组成栅极电压箝位保护电路，R3、R4、R8、R9为栅极限流电阻，连接三极管V7～V10，R5和R10为平衡电阻，IGBT I部分控制端3脚与可编程控制器PLC的输出端10107#和门电路74HC00A的1、2脚连接，IGBT II部分的控制端11脚与门电路74HC00A的3脚连接，D1～D4为整流二极管，D1、D2并联在电源输入和电源输出端，D3、D4并联到调压器调节端和电源输出端，调压器为自偶式调压器，一端接电源输入和三极管V7的源极，另一端接地，调节端与三极管V9的源极连接，三极管V8和三极管V10的发射极为电源输出端，在连接EUT OUTPUT的同时，分别连接过零采样单元和电压、电流变换单元JZ以完成试验需要对输出电源的采样控制。

8.根据权利要求1所述的可编程控制器数控型周波电压跌落模拟发生器，其特征在于，所述的工业人机界面采用HITECH公司生产的PWS6600触摸屏，内置32Bit微处理器，4MB内存，2路通讯口，5.7寸液晶显示屏，工业人机界面PWS与可编程控制器的通讯经由RS-232串口连接，包括指令的输入和数据的显示。

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