CN103279159B - 基于虚拟仪器技术的步进电流源装置 - Google Patents

Abstract

一种基于虚拟仪器技术的步进电流源装置，属于虚拟仪器技术领域。包括电流发生电路、步进电机驱动电路、中位信号检测电路、输入信号接口电路、电流测量电路、输出信号接口电路、控制切换电路以及内置有数据采集卡和虚拟仪器操作平台的计算机，内置有数据采集卡和虚拟仪器操作平台的计算机与步进电机驱动电路、中位信号检测电路、输入信号接口电路、电流测量电路以及输出信号接口电路连接，电流发生电路与步进电机驱动电路、中位信号检测电路、输入信号接口电路、电流测量电路以及控制切换电路连接，控制切换电路与输出信号接口电路连接。优点：输出电流大、调节范围宽、精度高；提高了回零效率；简化电路的连接。

Description

基于虚拟仪器技术的步进电流源装置

技术领域

本发明属于虚拟仪器技术领域，具体涉及一种基于虚拟仪器技术的步进电流源装置。

背景技术

近年来，随着电子技术、计算机网络和数字通信技术、现场总线技术和人工智能等大量新技术被运用到低压电器产品中，低压电器产品开始向高性能、多功能、高精度、高可靠性、高自动化程度和智能型方向发展。低压电器产品的升级换代日新月异，其对检测装置的要求也越来越高。智能型低压电器在出厂前都要进行各项性能检验，合格后方可出厂。智能型低压电器在进行过载保护、不平衡保护和接地保护等项目检测时，都要求检测装置提供高精度的大电流恒流源。目前，在低压电器测试领域，普遍采用单相交流电机驱动的调压器与低电压大电流变压器来构成大电流恒流源，如中国实用新型专利授权公告号CN2802836Y公开的“大电流发生器”以及中国实用新型专利授权公告号CN2120378公开的“便携式可调大电流发生器”，都只说明了调压器与低电压大电流变压器构成大电流发生器的组合结构，并没有涉及调压器的驱动装置。此外，因调压器存在惯性，使得电流调节惯性大，电流调节到设定值附近时容易引起振荡，从而会影响检测精度。

又如中国实用新型专利授权公告号CN201796057U公开的“基于虚拟仪器技术的电流发生装置”，虽然提出了粗调、微调调压器相互配合的组合方式，但同样未提及调压器的驱动装置。对于粗调、微调调压器相互配合的组合方式，在实际应用中，若采用单相交流电机驱动，其微调调压器的调节精度仍然有限，尤其是当电流调节到设定值时，微调调压器仍然会在设定值上下来回波动。此外，在这样的设计结构中，每次检测结束时，都要使粗调、微调调压器回零。若调压器事先不进行回零，其输出电压将不从零开始，从而会减小电流调节的范围，甚至无法起到电流调节的作用。粗调调压器和微调调压器，由于各自结构的不同，回零操作也有所不同。粗调调压器的回零是使调节端回到起始位置，一般通过电机驱动器来使电机反转，当调节端回到起始位置时，电机停止转动。而对于微调调压器，由于其输出电压为其调节端与中位抽头之间的电位差，因此它的回零是将调节端调节到中位抽头所在的位置，中位抽头所在的位置即是它的零位。当前大多采用时间控制的方式来使微调调压器回零，具体操作是先估算微调调压器的调节端从上限位调节到中位抽头位置的时间t，然后使微调调压器的调节端正转到达上限位，再按照预先估算的时间t，使微调调压器的调节端反转时间t回到中位抽头位置，当然也可以先使微调调压器的调节端反转到达下限位，再从下限位正转时间t回到中位抽头位置，这种方式的缺点是回零准确度不高、且回零时间长、效率较差。如果能够在整个测试过程中随时检测出调节端所处的位置，再由控制电路控制调节端直接从该位置进行回零，而不是先回到上下限位置后再回到中位抽头位置，这样就可以大大减短回零时间。如果检测到调节端刚好处于中位抽头位置时，则控制电路不作回零指示。显然，如果要实现上述构想，微调调压器调节端的位置检测是个关键点，而关于这点，在现有的相关文献中，还鲜有确实而可靠的设计方案。当需要进行电流调节时，首先由粗调调压器将电流调节到设定值允许的误差范围内，然后再启动微调调压器对电流进行微调。微调调压器根据检测到的电流值是大于还是小于设定值，使调节端相应地往上调或往下调，调节端往上调和往下调时微调调压器输出电压的极性刚好相反。最后，微调调压器的输出电压经微调变压器后与粗调调压器的输出电压叠加，利用该叠加产生的电压控制低电压大电流变压器的输出电流。由于微调变压器的输出电压较低，通常在20V以下，且电流的调节精度较高，因此不会对电流的微调作用造成影响。

一般地，调压器在调节时都设有上限位和下限位，如果到达上、下限位时不进行限位保护，而是继续转动，调压器自身就会受损。在现有技术中，采用中小型微动开关来进行限位保护。所述的微动开关具有常开触点和常闭触点，且两者之间存在一公共端。当对调压器实施限位保护时，需将微动开关的常闭触点接入调压器驱动电机的电源回路，当调压器调节到极限位置时断开驱动电机电源；同时又需将常开触点接入控制电路，将调压器调节到极限位置时的位置信号传输到控制电路。为了使电机电源的断开和位置信号的输出互不干扰，需要同时设置多个相互隔离的电源及相应的接口电路，这样的设计结构比较复杂，能耗损失大。

鉴于上述已有技术，有必要对现有的步进电流源装置加以改进，为此，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于虚拟仪器技术的步进电流源装置，其采用步进电机对粗调、微调调压器进行驱动，具有输出电流大、调节范围宽、精度高的特点；且微调调压器回零定位准确，从而缩短了回零时间，提高了回零效率；粗调、微调调压器限位保护的设计结构合理，能大大简化电路的连接。

本发明的目的是这样来达到的，一种基于虚拟仪器技术的步进电流源装置，包括电流发生电路、步进电机驱动电路、中位信号检测电路、输入信号接口电路、电流测量电路、输出信号接口电路、控制切换电路以及内置有数据采集卡和虚拟仪器操作平台的计算机，所述的内置有数据采集卡和虚拟仪器操作平台的计算机与步进电机驱动电路、中位信号检测电路、输入信号接口电路、电流测量电路以及输出信号接口电路连接，所述的电流发生电路与步进电机驱动电路、中位信号检测电路、输入信号接口电路、电流测量电路以及控制切换电路连接，控制切换电路与输出信号接口电路连接。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的电流发生电路包括接触器KM1第一、第二主触点、接触器KM2～KM10主触点、断路器QF1、粗调调压器TD、微调调压器TDW、微调变压器BTDW、自耦变压器B1、B2以及低电压大电流变压器B3，所述的断路器QF1的两输入端接交流电源的L1、N1端，断路器QF1的两输出端分别与接触器KM1第一主触点和第二主触点的一端连接，接触器KM1第一主触点的另一端与粗调调压器TD的一端以及微调调压器TDW的一端连接，粗调调压器TD的调节端与微调变压器BTDW次级线圈的一端连接，微调变压器BTDW初级线圈的一端与微调调压器TDW的调节端连接，并且与中位信号检测电路中的电压传感器WBV2的U+端连接，微调变压器BTDW初级线圈的另一端与微调调压器TDW的中位抽头连接，并且与中位信号检测电路中的电压传感器WBV1的U+端和电压传感器WBV2的U-端连接，微调变压器BTDW次级线圈的另一端与自耦变压器B1的一端连接，自耦变压器B1的220V、150V、100V、70V抽头分别与接触器KM2、KM3、KM4、KM5的主触点的一端连接，接触器KM2、KM3、KM4、KM5主触点的另一端与自耦变压器B2的一端连接，自耦变压器B2的6倍、2倍、1.5倍、1.2倍、1倍抽头分别与接触器KM6、KM7、KM8、KM9、KM10主触点的一端连接，接触器KM6、KM7、KM8、KM9、KM10主触点的另一端与低电压大电流变压器B3初级线圈的一端连接，低电压大电流变压器B3次级线圈的一端连接导线A，导线A穿过电流测量电路中的电流互感器LH,低电压大电流变压器B3次级线圈的另一端连接导线X，微调调压器TDW的另一端、粗调调压器TD的另一端、自耦变压器B1、B2的另一端以及低电压大电流变压器B3初级线圈的另一端共同与接触器KM1第二主触点的另一端连接，并且与中位信号检测电路中的电压传感器WBV1的U-端连接。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的中位信号检测电路包括电压传感器WBV1、WBV2,电压传感器WBV1、WBV2的Vg端分别与数据采集卡的AI1、AI2脚连接，电压传感器WBV1的U+、U-端、电压传感器WBV2的U+、U-端与电流发生电路连接，电压传感器WBV1、WBV2的+E端共同连接至+12V直流电源，电压传感器WBV1、WBV2的-E端共同连接至-12V直流电源，电压传感器WBV1的GND端与电压传感器WBV2的GND端共同连接至数据采集卡的GND脚。

在本发明的再一个具体的实施例中，所述的控制切换电路包括接触器KM1线圈、接触器KM1第一副触点、指示灯XD1、XD2以及按钮开关QA、TA1、TA，所述的按钮开关QA的一端与接触器KM1第一副触点的一端以及按钮开关TA1的一端连接，按钮开关TA1的另一端与按钮开关TA的一端连接，按钮开关TA的另一端与接触器KM1线圈的一端以及指示灯XD2的一端连接，指示灯XD1的一端、按钮开关QA的另一端、接触器KM1第一副触点的另一端共同接交流电源的L1端，指示灯XD1的另一端、接触器KM1线圈的另一端以及指示灯XD2的另一端共同接交流电源的N1端；所述的控制切换电路还包括继电器ZJ1～ZJ10常开触点、接触器KM2～KM10线圈以及时间继电器KT线圈、常闭触点，所述的继电器ZJ2～ZJ10常开触点的一端分别与接触器KM2～KM10线圈的一端连接，接触器KM2～KM10线圈的另一端与时间继电器KT常闭触点的一端连接，继电器ZJ1常开触点的一端与时间继电器KT线圈的一端连接，继电器ZJ1～ZJ10常开触点的另一端共同连接导线L3，导线L3与电流发生电路中的接触器KM1的第一主触点的另一端连接，时间继电器KT线圈的另一端、常闭触点的另一端共同连接导线N3，导线N3与电流发生电路中的接触器KM1的第二主触点的另一端连接。

在本发明的还有一个具体的实施例中，所述的电流测量电路包括电流互感器LH和电流传感器WBI,所述的电流发生电路中的导线A穿过电流互感器LH，电流互感器LH的一端连接电流传感器WBI的I+端，电流互感器LH的另一端连接电流传感器WBI的I-端，电流传感器WBI的+E端、-E端分别接+12V直流电源和-12V直流电源，电流传感器LH的Ig端和GND端分别连接数据采集卡的AI3脚和GND脚。

在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的输入信号接口电路包括行程开关XK1～XK4常开触点、电阻R1～R12、接触器KM1第二副触点、时间继电器KT常开触点以及光电耦合器OC1、OC2，行程开关XK1的NO端接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接光电耦合器OC1的1脚，光电耦合器OC1的3脚接电阻R2的一端，光电耦合器OC1的4脚接行程开关XK2的NO端，光电耦合器OC1的5脚接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接行程开关XK3的NO端，光电耦合器OC1的7脚接电阻R4的一端，光电耦合器OC1的8脚接行程开关XK4的NO端，光电耦合器OC1的10脚与电阻R10的一端连接，并连接至数据采集卡的DI3脚，光电耦合器OC1的12脚与电阻R9的一端连接，并连接至数据采集卡的DI2脚，光电耦合器OC1的14脚与电阻R8的一端连接，并连接至数据采集卡的DI1脚，光电耦合器OC1的16脚与电阻R7的一端连接，并连接至数据采集卡的DI0脚，光电耦合器OC2的1脚与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与接触器KM1第二副触点的一端连接，光电耦合器OC2的7脚与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与时间继电器KT常开触点的一端连接，光电耦合器OC2的10脚与电阻R12的一端连接，并连接至数据采集卡的DI5脚，光电耦合器OC2的16脚与电阻R11的一端连接，并连接至数据采集卡的DI4脚，行程开关XK1的COM端、电阻R2的另一端、行程开关XK3的COM端、电阻R4的另一端、接触器KM1第二副触点的另一端以及时间继电器KT常开触点的另一端共同接+24V直流电源，电阻R7～R12的另一端共同接+5V直流电源，行程开关XK2的COM端、行程开关XK4的COM端、光电耦合器OC1的2、6、9、11、13、15脚、光电耦合器OC2的2、8、9、11、13、15脚、以及数据采集卡的GND端共同接地。

在本发明的进而一个具体的实施例中，所述的输出信号接口电路包括达林顿管阵列IC1、IC2和继电器ZJ1～ZJ10线圈，所述的达林顿管阵列IC1的1～8脚分别与数据采集卡的DO0～DO7脚连接，达林顿管阵列IC1的11～18脚分别与继电器ZJ8、ZJ7、ZJ6、ZJ5、ZJ4、ZJ3、ZJ2、ZJ1线圈的一端连接，达林顿管阵列IC2的1、2脚分别与数据采集卡的DO8、DO9脚连接，达林顿管阵列IC2的17、18脚分别与继电器ZJ10、ZJ9线圈的一端连接，继电器ZJ1～ZJ10线圈的另一端、达林顿管阵列IC1的10脚以及达林顿管阵列IC2的10脚共同接+12V直流电源，达林顿管阵列IC1的9脚和达林顿管阵列IC2的9脚共同接地。

在本发明的又更而一个具体的实施例中，所述的步进电机驱动电路包括粗调调压器用步进电机驱动器DRV1、微调调压器用步进电机驱动器DRV2、粗调调压器用步进电机MD1、微调调压器用步进电机MD2以及行程开关XK1～XK4常闭触点,粗调调压器用步进电机驱动器DRV1的VCC端与行程开关XK1的NC端连接，粗调调压器用步进电机驱动器DRV1的GND端与行程开关XK2的NC端连接，粗调调压器用步进电机驱动器DRV1的A+、A-、B+、B-端分别与粗调调压器用步进电机MD1的A+、A-、B+、B-端连接，粗调调压器用步进电机驱动器DRV1的DIR端连接数据采集卡的D032脚，粗调调压器用步进电机驱动器DRV1的CP端与数据采集卡的D034脚连接；微调调压器用步进电机驱动器DRV2的VCC端与行程开关XK3的NC端连接，微调调压器用步进电机驱动器DRV2的GND端与行程开关XK4的NC端连接，微调调压器用步进电机驱动器DRV2的A+、A-、B+、B-端分别与微调调压器用步进电机MD2的A+、A-、B+、B-端连接，微调调压器用步进电机驱动器DRV2的DIR端连接数据采集卡的D035脚，微调调压器用步进电机驱动器DRV2的CP端与数据采集卡的D037脚连接，粗调调压器用步进电机驱动器DRV1的OPTO端和微调调压器用步进电机驱动器DRV2的OPTO端共同连接+5V直流电源，行程开关XK1、XK3的COM端共同接+24V直流电源，行程开关XK2、XK4的COM端共同接地。

本发明由于采用了上述技术结构，与现有技术相比，具有的有益效果是：1.利用步进电机驱动粗调、微调调压器，根据检测到的电流与设定值的差值来调整控制脉冲的个数，从而实现对电流的精确控制；2.检测微调调压器的中位抽头与零线之间的中位电压以及中位抽头与调节端之间的输出电压，通过对两电压进行矢量运算，能够精确检测出微调调压器的调节端当前所处的位置，为微调调压器的回零及电流调节创造了前提条件；3.粗调调压器和微调调压器都设置有限位保护，避免发生调压器因超范围调节而造成器件损坏的情况；4.本设计方案的控制方式灵活，既可使用单片机、DSP等微处理器进行控制，又可使用主控机和上位机等进行控制。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明的电流发生电路与中位信号检测电路的电连接图。

图3为本发明的控制切换电路的电原理图。

图4为本发明的电流测量电路的电原理图。

图5为本发明的输入信号接口电路的电原理图。

图6为本发明的输出信号接口电路的电原理图。

图7为本发明的步进电机驱动电路的电原理图。

具体实施方式

为了使公众能充分了解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但申请人对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

请参阅图1，一种基于虚拟仪器技术的步进电流源装置，包括电流发生电路、步进电机驱动电路、中位信号检测电路、输入信号接口电路、电流测量电路、输出信号接口电路、控制切换电路以及内置有数据采集卡和虚拟仪器操作平台的计算机，所述的内置有数据采集卡和虚拟仪器操作平台的计算机与步进电机驱动电路、中位信号检测电路、输入信号接口电路、电流测量电路以及输出信号接口电路连接，所述的电流发生电路与步进电机驱动电路、中位信号检测电路、输入信号接口电路、电流测量电路以及控制切换电路连接，控制切换电路与输出信号接口电路连接。在本实施例中，所述的计算机为工业控制计算机，内部安装有数据采集卡和虚拟仪器操作平台。所述的数据采集卡为NI公司生产的PCI-6289多功能数据采集卡，该卡直接内置于所述计算机主机箱的PCI插槽内，由主机箱内的电源进行供电。所述的虚拟仪器操作平台为NI公司生产的LABVIEW7.0图形化编程软件系统。

请参阅图2，所述的电流发生电路包括接触器KM1第一、第二主触点、接触器KM2～KM10主触点、断路器QF1、粗调调压器TD、微调调压器TDW、微调变压器BTDW、自耦变压器B1、B2以及低电压大电流变压器B3，所述的中位信号检测电路包括电压传感器WBV1、WBV2,在本实施例中，所述的粗调调压器TD采用TDGC2-5KVA，微调调压器TDW采用TDGC2-1.0KVA，微调变压器BTDW采用DB-1.0KVA，自耦变压器B1、B2采用DB-5KVA，低电压大电流变压器B3采用DBL-5KVA，电压传感器WBV1、WBV2采用WBV411U07-125V/5V。所述的断路器QF1的两输入端接交流电源的L1、N1端，断路器QF1的两输出端分别通过导线L2、N2与接触器KM1第一主触点和第二主触点的一端连接，接触器KM1第一主触点的另一端通过导线L3与粗调调压器TD的一端以及微调调压器TDW的一端连接，接触器KM1第二主触点的另一端通过导线N3与微调调压器TDW的另一端、粗调调压器TD的另一端、自耦变压器B1、B2的另一端以及低电压大电流变压器B3初级线圈的另一端连接，并且与中位信号检测电路中的电压传感器WBV1的U-端连接。电压传感器WBV1、WBV2用于精确检测微调调压器TDW的调节端当前所处的位置，具体地，电压传感器WBV1用于检测微调调压器TDW的中位抽头与外部交流电源的零线之间的电压，即中位电压U1，并传输给数据采集卡的AI1脚；电感电压传感器WBV2用于检测微调调压器TDW的中位抽头与调节端之间的电压，即输出电压U2，并传输给数据采集卡的AI2脚。通过对中位电压U1和输出电压U2作矢量运算，能够判断微调调压器TDW的调节端当前所处的位置，同时能够得知调节端是否已经回到了中位抽头位置，即是否已经回零。具体地，

当时，表示微调调压器TDW的调节端在中位抽头位置；

当时，表示微调调压器TDW的调节端在中位抽头的上方；

当时，表示微调调压器TDW的调节端在中位抽头的下方。

在实际使用时，导线A、X连接被测产品。当需要进行电流调节时，首先由粗调调压器TD将电流调节到设定值允许的一定误差范围内，然后再启动微调调压器TDW对电流作精确调节。自耦变压器B1、B2为多抽头变压器，其输出档位比较大，能够产生大的测试电流，用于扩大电流调节范围。如果测试电流较大，容易造成产品发热，因此需要先在低倍数下调节电流，再切换到高倍数下进行小幅微调，由此能够缩短电流调节和产品通电时间，以减少产品的发热量，降低损耗。低电压大电流变压器B3的输出电压较低，但输出电流大，能够直接向被测产品提供大电流电源。

请参阅图3，所述的控制切换电路包括接触器KM1线圈、接触器KM1第一副触点、指示灯XD1、XD2以及按钮开关QA、TA1、TA，其中，指示灯XD1用于总电源开断指示，此处采用白光，指示灯XD2用于系统启动指示，此处采用红光，按钮开关QA为启动开关，保持常开，按钮开关TA1、TA分别为停止开关和紧停开关，保持常闭。指示灯XD1的一端、按钮开关QA的另一端以及接触器KM1第一副触点的另一端共同接熔断器1RD1的一端，熔断器1RD1的另一端接交流电源的L1端，指示灯XD1的另一端、接触器KM1线圈的另一端以及指示灯XD2的另一端共同接交流电源的N1端，此部分电路用于总电源的开断控制及开断显示。当该电流源装置接通外部交流电源的L1、N1端时，指示灯XD1点亮。按下按钮开关QA,指示灯XD2点亮，同时接触器KM1线圈得电，接触器KM1第一副触点闭合。电流发生电路中的接触器KM1第一、第二主触点闭合，导线L3、N3通电，电流发生电路开始工作。所述的控制切换电路还包括继电器ZJ1～ZJ10常开触点、接触器KM2～KM10线圈以及时间继电器KT线圈、常闭触点，继电器ZJ1～ZJ10常开触点的另一端共同接熔断器1RD2的一端，熔断器1RD2的另一端连接导线L3，导线L3与电流发生电路中的接触器KM1第一主触点的另一端连接，时间继电器KT线圈的一端以及常闭触点的另一端连接导线N3，导线N3与电流发生电路中的接触器KM1的第二主触点的另一端连接。继电器ZJ1～ZJ10常开触点分别用于控制时间继电器KT线圈以及接触器KM2～KM10线圈的通断电。时间继电器KT用于大电流通电定时保护，当大电流输出一定时间后，继电器ZJ1常开触点闭合，时间继电器KT线圈得电，其常闭触点断开，接触器KM2～KM10线圈断电，大电流输出被中断。接触器KM2～KM5线圈用于自耦变压器B1的抽头选择，分别对应自耦变压器B1的220V、150V、100V、70V抽头。接触器KM6～KM10线圈用于自耦变压器B2的抽头选择，分别对应自耦变压器B2的6倍、2倍、1.5倍、1.2倍、1倍抽头。

请参阅图4，所述的电流测量电路包括电流互感器LH和电流传感器WBI,在本实施例中，所述的电流互感器LH采用LMK3-0.66/80，其变比为1200A/5V，电流传感器WBI采用WBI411S97-5A/5V。所述的电流测量电路通过电流互感器LH来感应流经电流发生电路中的导线A上的电流，并将测得的电流信号输出给数据采集卡。

请参阅图5，所述的输入信号接口电路包括行程开关XK1～XK4常开触点、电阻R1～R12、接触器KM1第二副触点、时间继电器KT常开触点以及光电耦合器OC1、OC2，在本实施例中，所述的光电耦合器OC1、OC2采用PC847，所述的行程开关XK1～XK4采用KW123A250VAC。行程开关XK1、XK2分别安装在电流发生电路中的粗调调压器TD的上下限位置，行程开关XK1的常开触点用于粗调调压器TD的上限位保护，行程开关XK2的常开触点用于粗调调压器TD的下限位保护。行程开关XK3、XK4分别安装在电流发生电路中的微调调压器TDW的上下限位置，行程开关XK3的常开触点用于微调调压器TDW的上限位保护，行程开关XK4的常开触点用于微调调压器TDW的下限位保护。粗调调压器TD和微调调压器TDW的上下限位置信号经光电耦合器OC1送入数据采集卡。另外，当控制切换电路中的接触器KM1线圈通电时，该输入信号接口电路中的接触器KM1第二副触点断开，光电耦合器OC2向数据采集卡输送对应为总电源启动信号的高电平信号。当控制切换电路中的时间继电器KT线圈通电时，该输入信号接口电路中的时间继电器KT常开触点闭合，光电耦合器OC2向数据采集卡输送通电超时信号。光电耦合器OC2还可通过3～6脚将被测产品的其他控制信号送入数据采集卡。光电耦合器OC1、OC2起信号隔离作用，提高了电路的抗干扰能力。

请参阅图6，所述的输出信号接口电路包括达林顿管阵列IC1、IC2和继电器ZJ1～ZJ10线圈，在本实施例中，所述的达林顿管阵列IC1、IC2采用ULN2803。由于接触器线圈电流较大，而且工作电压为交流220V,因此无法直接通过数据采集卡进行驱动，此处，数据采集卡输出的信号经达林顿管阵列IC1、IC2来控制继电器ZJ1～ZJ10线圈的通断电，再由控制切换电路中的继电器ZJ1～ZJ10常开触点对时间继电器KT以及接触器KM2～KM10线圈的通断电进行控制。具体地，达林顿管阵列IC1的1脚对应大电流调节功能，2～5脚分别对应自耦变压器B1的220V、150V、100V、70V抽头选择，6～8脚分别对应自耦变压器B1的6倍、2倍、1.5倍抽头选择，达林顿管阵列IC2的1、2脚分别对应自耦变压器B2的1.2倍、1.0倍抽头选择。

请参阅图7，所述的步进电机驱动电路包括粗调调压器用步进电机驱动器DRV1、微调调压器用步进电机驱动器DRV2、粗调调压器用步进电机MD1、微调调压器用步进电机MD2以及行程开关XK1～XK4常闭触点,在本实施例中，所述的粗调调压器用步进电机驱动器DRV1和微调调压器用步进电机驱动器DRV2采用SH2H042Mb。粗调调压器用步进电机驱动器DRV1和微调调压器用步进电机驱动器DRV2的CP端为脉冲输入端，输入的脉冲数量决定步进电机转过的角度，脉冲的频率决定步进电机的转速。在本实施例中，CP端的脉冲输入通过数据采集卡进行控制。但绝不仅限于此，CP端的脉冲输入还可以通过单片机、DSP等微控制芯片进行实现。

请再参阅图1～图7，以所需测试电流为1000A为例对本设计方案的工作原理进行说明。系统通电前，粗调调压器TD的调节端保持在起始位置，微调调压器TDW的调节端保持在中位抽头位置，即粗调调压器TD和微调调压器TDW已完成回零操作。当启动系统电源后，内置有数据采集卡和虚拟仪器操作平台的计算机检测到回零信号，首先通过数据采集卡的DO1脚向达林顿管阵列IC1输出高电平，继电器ZJ2得电闭合，接触器KM2线圈得电，其主触点闭合使得自耦变压器B1的220V抽头连通。与此同时，数据采集卡的DO8脚向达林顿管阵列IC2输出高电平，继电器ZJ9得电闭合，接触器KM9线圈得电，其主触点闭合使得自耦变压器B2的1.2倍抽头连通，接着，数据采集卡的DO32脚向粗调调压器用步进电机驱动器DRV1输出低电平，设定粗调调压器用步进电机MD1为正转，接着数据采集卡的DO34脚输出脉冲信号，使粗调调压器用步进电机MD1进行正转。在这过程中，低电压大电流变压器B3的输出电压逐渐上升，输出电流逐步增大，当电流调节到200A±3.0%时，数据采集卡的DO8脚输出低电平，继电器ZJ9失电断开，接触器KM9线圈失电，其主触点断开使得自耦变压器B2的1.2倍抽头断开。此时，数据采集卡的DO5脚输出高电平，继电器ZJ6得电闭合，接触器KM6线圈得电，其主触点闭合使得自耦变压器B2的6倍抽头连通，低电压大电流变压器B3的输出电流变为1000A±3.0%。电流测量电路通过电流互感器LH采集低电压大电流变压器B3的输出电流，经电流传感器WBI输送给数据采集卡的AI3脚，数据采集卡的DO35脚向微调调压器用步进电机驱动器DRV2输出对应该电流信号的高电平或低电平信号，用于控制微调调压器用步进电机MD2的转向，通过数据采集卡的DO37脚输出相应的脉冲信号，用于控制微调调压器用步进电机MD2转动的角度大小，从而将低电压大电流变压器B3的输出电流调节到要求的精度范围内。在上述调节过程中，当大电流通电时间达到设定值时，数据采集卡的DO0脚向达林顿管阵列IC1输出高电平，继电器ZJ1得电闭合，时间继电器KT线圈得电，其常闭触点断开使得接触器KM2～KM10线圈失电，各自的主触点断开，进行大电流通电时间保护。

当测试结束，中位信号检测电路检测出微调调压器TDW的中位电压U1和输出电压U2，内置有数据采集卡和虚拟仪器操作平台的计算机根据中位电压U1和输出电压U2判断出微调调压器TDW的调节端当前所处的位置，并控制微调调压器用步进电机MD2朝相应方向做转动，直到微调调压器TDW的调节端回到中位抽头位置时停止。同时，内置有数据采集卡和虚拟仪器操作平台的计算机还控制粗调调压器用步进电机MD1反转，当粗调调压器TD的调节端回到起始位置时粗调调压器用步进电机MD1停止转动。

Claims (7)

1.一种基于虚拟仪器技术的步进电流源装置，包括电流发生电路、步进电机驱动电路、中位信号检测电路、输入信号接口电路、电流测量电路、输出信号接口电路、控制切换电路以及内置有数据采集卡和虚拟仪器操作平台的计算机，所述的内置有数据采集卡和虚拟仪器操作平台的计算机与步进电机驱动电路、中位信号检测电路、输入信号接口电路、电流测量电路以及输出信号接口电路连接，所述的电流发生电路与步进电机驱动电路、中位信号检测电路、输入信号接口电路、电流测量电路以及控制切换电路连接，控制切换电路与输出信号接口电路连接，所述的中位信号检测电路包括电压传感器WBV1、WBV2, 其中，电压传感器WBV1、WBV2采用WBV411U07-125V/5V，电压传感器WBV1、WBV2的Vg端分别与数据采集卡的AI1、AI2脚连接，电压传感器WBV1的U+、U-端、电压传感器WBV2的U+、U-端与电流发生电路连接，电压传感器WBV1、WBV2的+E端共同连接至+12V直流电源，电压传感器WBV1、WBV2的-E端共同连接至-12V直流电源，电压传感器WBV1的GND端与电压传感器WBV2的GND端共同连接至数据采集卡的GND脚。

2.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的步进电流源装置，其特征在于所述的电流发生电路包括接触器KM1第一、第二主触点、接触器KM2～KM10主触点、断路器QF1、粗调调压器TD、微调调压器TDW、微调变压器BTDW、自耦变压器B1、B2以及低电压大电流变压器B3，其中，粗调调压器TD采用TDGC2-5KVA，微调调压器TDW采用TDGC2-1.0KVA，微调变压器BTDW采用DB-1.0KVA，自耦变压器B1、B2采用DB-5KVA，低电压大电流变压器B3采用DBL-5KVA，所述的断路器QF1的两输入端接交流电源的L1、N1端，断路器QF1的两输出端分别与接触器KM1第一主触点和第二主触点的一端连接，接触器KM1第一主触点的另一端与粗调调压器TD的一端以及微调调压器TDW的一端连接，粗调调压器TD的调节端与微调变压器BTDW次级线圈的一端连接，微调变压器BTDW初级线圈的一端与微调调压器TDW的调节端连接，并且与中位信号检测电路中的电压传感器WBV2的U+端连接，微调变压器BTDW初级线圈的另一端与微调调压器TDW的中位抽头连接，并且与中位信号检测电路中的电压传感器WBV1的U+端和电压传感器WBV2的U-端连接，微调变压器BTDW次级线圈的另一端与自耦变压器B1的一端连接，自耦变压器B1的220V、150V、100V、70V抽头分别与接触器KM2、KM3、KM4、KM5的主触点的一端连接，接触器KM2、KM3、KM4、KM5主触点的另一端与自耦变压器B2的一端连接，自耦变压器B2的6倍、2倍、1.5倍、1.2倍、1倍抽头分别与接触器KM6、KM7、KM8、KM9、KM10主触点的一端连接，接触器KM6、KM7、KM8、KM9、KM10主触点的另一端与低电压大电流变压器B3初级线圈的一端连接，低电压大电流变压器B3次级线圈的一端连接导线A，导线A穿过电流测量电路中的电流互感器LH,低电压大电流变压器B3次级线圈的另一端连接导线X，微调调压器TDW的另一端、粗调调压器TD的另一端、自耦变压器B1、B2的另一端以及低电压大电流变压器B3初级线圈的另一端共同与接触器KM1第二主触点的另一端连接，并且与中位信号检测电路中的电压传感器WBV1的U-端连接。

3.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的步进电流源装置，其特征在于所述的控制切换电路包括接触器KM1线圈、接触器KM1第一副触点、指示灯XD1、XD2以及按钮开关QA、TA1、TA，所述的按钮开关QA的一端与接触器KM1第一副触点的一端以及按钮开关TA1的一端连接，按钮开关TA1的另一端与按钮开关TA的一端连接，按钮开关TA的另一端与接触器KM1线圈的一端以及指示灯XD2的一端连接，指示灯XD1的一端、按钮开关QA的另一端、接触器KM1第一副触点的另一端共同接交流电源的L1端，指示灯XD1的另一端、接触器KM1线圈的另一端以及指示灯XD2的另一端共同接交流电源的N1端；所述的控制切换电路还包括继电器ZJ1～ZJ10常开触点、接触器KM2～KM10线圈以及时间继电器KT线圈、常闭触点，所述的继电器ZJ2～ZJ10常开触点的一端分别与接触器KM2～KM10线圈的一端连接，接触器KM2～KM10线圈的另一端与时间继电器KT常闭触点的一端连接，继电器ZJ1常开触点的一端与时间继电器KT线圈的一端连接，继电器ZJ1～ZJ10常开触点的另一端共同连接导线L3，导线L3与电流发生电路中的接触器KM1的第一主触点的另一端连接，时间继电器KT线圈的另一端、常闭触点的另一端共同连接导线N3，导线N3与电流发生电路中的接触器KM1的第二主触点的另一端连接。

4.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的步进电流源装置，其特征在于所述的电流测量电路包括电流互感器LH和电流传感器WBI,其中，电流互感器LH采用LMK3-0.66/80，电流传感器WBI采用WBI411S97-5A/5V，所述的电流发生电路中的导线A穿过电流互感器LH，电流互感器LH的一端连接电流传感器WBI的I+端，电流互感器LH的另一端连接电流传感器WBI的I-端，电流传感器WBI的+E端、-E端分别接+12V直流电源和-12V直流电源，电流传感器LH的Ig端和GND端分别连接数据采集卡的AI3脚和GND脚。

5.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的步进电流源装置，其特征在于所述的输入信号接口电路包括行程开关XK1～XK4常开触点、电阻R1～R12、接触器KM1第二副触点、时间继电器KT常开触点以及光电耦合器OC1、OC2，其中，光电耦合器OC1、OC2采用PC847，所述的行程开关XK1～XK4采用KW12 3A250VAC，行程开关XK1的NO端接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接光电耦合器OC1的1脚，光电耦合器OC1的3脚接电阻R2的一端，光电耦合器OC1的4脚接行程开关XK2的NO端，光电耦合器OC1的5脚接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接行程开关XK3的NO端，光电耦合器OC1的7脚接电阻R4的一端，光电耦合器OC1的8脚接行程开关XK4的NO端，光电耦合器OC1的10脚与电阻R10的一端连接，并连接至数据采集卡的DI3脚，光电耦合器OC1的12脚与电阻R9的一端连接，并连接至数据采集卡的DI2脚，光电耦合器OC1的14脚与电阻R8的一端连接，并连接至数据采集卡的DI1脚，光电耦合器OC1的16脚与电阻R7的一端连接，并连接至数据采集卡的DI0脚，光电耦合器OC2的1脚与电阻R5的一端连接，电阻R5的另一端与接触器KM1第二副触点的一端连接，光电耦合器OC2的7脚与电阻R6的一端连接，电阻R6的另一端与时间继电器KT常开触点的一端连接，光电耦合器OC2的10脚与电阻R12的一端连接，并连接至数据采集卡的DI5脚，光电耦合器OC2的16脚与电阻R11的一端连接，并连接至数据采集卡的DI4脚，行程开关XK1的COM端、电阻R2的另一端、行程开关XK3的COM端、电阻R4的另一端、接触器KM1第二副触点的另一端以及时间继电器KT常开触点的另一端共同接+24V直流电源，电阻R7～R12的另一端共同接+5V直流电源，行程开关XK2的COM端、行程开关XK4的COM端、光电耦合器OC1的2、6、9、11、13、15脚、光电耦合器OC2的2、8、9、11、13、15脚、以及数据采集卡的GND端共同接地。

6.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的步进电流源装置，其特征在于所述的输出信号接口电路包括达林顿管阵列IC1、IC2和继电器ZJ1～ZJ10线圈，其中，达林顿管阵列IC1、IC2采用ULN2803，所述的达林顿管阵列IC1的1～8脚分别与数据采集卡的DO0～DO7脚连接，达林顿管阵列IC1的11～18脚分别与继电器ZJ8、ZJ7、ZJ6、ZJ5、ZJ4、ZJ3、ZJ2、ZJ1线圈的一端连接，达林顿管阵列IC2的1、2脚分别与数据采集卡的DO8、DO9脚连接，达林顿管阵列IC2的17、18脚分别与继电器ZJ10、ZJ9线圈的一端连接，继电器ZJ1～ZJ10线圈的另一端、达林顿管阵列IC1的10脚以及达林顿管阵列IC2的10脚共同接+12V直流电源，达林顿管阵列IC1的9脚和达林顿管阵列IC2的9脚共同接地。

7.根据权利要求1所述的基于虚拟仪器技术的步进电流源装置，其特征在于所述的步进电机驱动电路包括粗调调压器用步进电机驱动器DRV1、微调调压器用步进电机驱动器DRV2、粗调调压器用步进电机MD1、微调调压器用步进电机MD2以及行程开关XK1～XK4常闭触点, 其中，粗调调压器用步进电机驱动器DRV1和微调调压器用步进电机驱动器DRV2采用SH2H042Mb，粗调调压器用步进电机驱动器DRV1的VCC端与行程开关XK1的NC端连接，粗调调压器用步进电机驱动器DRV1的GND端与行程开关XK2的NC端连接，粗调调压器用步进电机驱动器DRV1的A+、A-、B+、B-端分别与粗调调压器用步进电机MD1的A+、A-、B+、B-端连接，粗调调压器用步进电机驱动器DRV1的DIR端连接数据采集卡的D032脚，粗调调压器用步进电机驱动器DRV1的CP端与数据采集卡的D034脚连接；微调调压器用步进电机驱动器DRV2的VCC端与行程开关XK3的NC端连接，微调调压器用步进电机驱动器DRV2的GND端与行程开关XK4的NC端连接，微调调压器用步进电机驱动器DRV2的A+、A-、B+、B-端分别与微调调压器用步进电机MD2的A+、A-、B+、B-端连接，微调调压器用步进电机驱动器DRV2的DIR端连接数据采集卡的D035脚，微调调压器用步进电机驱动器DRV2的CP端与数据采集卡的D037脚连接，粗调调压器用步进电机驱动器DRV1的OPTO端和微调调压器用步进电机驱动器DRV2的OPTO端共同连接+5V直流电源，行程开关XK1、XK3的COM端共同接+24V直流电源，行程开关XK2、XK4的COM端共同接地。