CN104391180B - 一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统，包括控制板卡，与待测直流电感两端连接的电容组，用于根据控制板卡的充电指令信号给电容组充电的充电电路，用于根据控制板卡的放电指令信号使电容组放电给待测直流电感的放电电路，以及数据采集电路；数据采集电路包括低速采集卡和高速采集卡，以及分别与两者连接通信的PC。本发明测试方法包括1)初始化测试系统；2)测试系统参数的输入设定；3)采集待测直流电感的数据；4)将设定参数和采集数据通过基于LCR放电时间电流函数的Levenberg‑Marquadt算法进行处理，得到LCR放电电路时间电流函数的非线性参数估计值f，g，h；5)由公式得到待测直流电感的直感和直阻。

Description

一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统及方法

技术领域

本发明涉及直流电感测试技术领域，具体为一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统及方法。

背景技术

所谓电感器，是指空心或铁芯线圈通过电流后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流的一类常见电子器件，主要用于电压变换、信号耦合、谐振、电磁感应等电路中。按照线圈中的电流流动方向是否改变分为交流电感与直流电感。

传统的电感测量方法主要是针对交流电感的，可分为伏安法、LCR表法和谐振法。伏安法可提供的交直流激励幅值范围较宽，但可选的频率范围很窄，一般仅限于工频电感的测量；LCR表基于电桥法，可提供较宽的激励频率范围，但激励电压幅值却非常低；谐振法以电感电容谐振频率来测量电感大小，但不能保证电感所需测试电流的大小。由此可见，现有技术中的电感测量不能同时满足激励频率高，激励电流大的条件，因此不适合功率或直流电感测量。

直流电感在电力电子、航空航天、绿色能源、轨道交通等领域应用广泛。直流电感类设备在设计、制造、安装、检修和运行等环节都要对各绕组直流电感量(以下简称直感)及直流电阻(以下简称直阻)等参数进行测量，这在用户单位和电器制造公司是一项比较重要且经常性的工作。

通常，工作中使用的电感器较多为交流电感器，其电感铁芯中只存在交变磁场，属于双向磁化状态。而工作在直流状态下的直流电感器，由于直流磁化的作用，电感铁芯中除存在交变磁场外，还存在着稳态磁场，属于单向磁化状态。如图1a是铁芯电感的磁滞回线，图1b是基本磁化曲线及磁导率μ与磁场强度H(激励电流)关系曲线。随着直流电流的增大，其稳态磁场的强度随着基本磁化曲线也增大，铁芯的磁导率与磁场强度(激励电流)曲线在中段出现一个极值后再减少(对应于最大激励电流的饱和区)；电感量曲线相应地也出现类似情况，如图2的实测电感曲线近似反映了这一情况。对同一个电感器在相同情况下，电感在直流工作条件下的值，由于电流较大有时接近饱和区，比在交流条件下小，故不能直接用LCR电桥仪测试直流电感。

现有技术中，关于直流电感测量仪的研究文章较少，对直流电感的测试方法大概也分为三类，分别是：同一法，微分法及示波器法。同一法，即调整供电电源的大小及串联电阻保证LR回路的时间常数一致，后来又提出了采用同一化方法在测量回路中串联一个附加电感，同时对被测电感和附加电感进行动态测量，提高了测量精度，同样采用LR充放电回路，更进一步通过测量两个时间点的已知电感端电压、待测电感端电压及回路电流三路信号共六个信号及已知电感及直阻的方法测量直流电感直感及直阻，该方法虽解决了无需求解电流导数值，消除了由于采用离散采样的数值微分法近似求解电流导数值带来的误差问题，但调整比较麻烦，且必须准确给出已知电感在各个时间点的直感及直阻，这是很困难的。微分法是利用电感计算公式在《微型机与应用》2013，32(15):25～27中的“基于PIC16F688单片机的电感测量电路设计”设计一个硬件电路控制MOSFET的通断给待测电感充电并测试充电起止时刻的电流而得到直感，该法误差较大，因之充电曲线并不是线性的。示波器法是《电力电子技术》2008，42(7):40～42中提出的“一种基于半桥电路测量电感的方法”，该方法可提供与电感实际工作条件相近的励磁电流条件，并能全面反映电感动态磁化特性，得到更具参考价值的电感量值，但是该法是利用示波器将待测电感充放电的电流电压波形测试下来再进行数据处理得到直感曲线的，离不开昂贵的高带宽的数字示波器，且自动化程度不高，这种方法也是大直流电感或功率电感制造商与使用客户常用的估算直感的方法，比较原始。现有技术中，还没有任何切实可行的直流电感虚拟仪器系统和测试方法，由于其均无法再现直流电感的工作环境，因此也无法准确的测得其对应的参数，并且都存在着其各自不能克服的缺点和弊端。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种能够仿真直流电感的使用环境，成本低廉，操作简单，测试智能的基于虚拟仪器的直流电感测试系统及方法。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统，包括控制板卡，与待测直流电感两端连接的电容组，用于根据控制板卡的充电指令信号给电容组充电的充电电路，用于根据控制板卡的放电指令信号使电容组放电给待测直流电感的放电电路，以及数据采集电路；

所述的数据采集电路包括低速采集卡和高速采集卡，以及分别与两者连接通信的PC；低速采集卡的一路模拟输入端用于采集电容组的充电电压，两个数字I/O用于通过控制板卡对充电电路和放电电路进行输出控制，第三数字I/O用于采集电容组的串并联的状态采集输入；高速采集卡用于采集待测直流电感的端电压及通过电流。

优选的，充电电路包括串联的继电器和交流接触器，以及连接在交流接触器上三相交流电输入端的三相交流调压器和交流接触器输出端连接的三相整流桥；继电器的控制端连接控制板卡的输出端接收控制脉冲，三相交流调压器的输入端连接三相交流电，三相整流桥的输出端连接在电容组的两端。

优选的，放电电路包括与待测直流电感串联的IGBT和功率电阻，以及与待测直流电感并联的快速恢复二极管；IGBT的控制端连接控制板卡的输出端接收控制脉冲。

优选的，低速采集卡通过连接在电容组两端的电容端高压差分探头采集电容组的充电电压。

优选的，高速采集卡通过连接在待测直流电感两端的电感端高压差分探头采集待测直流电感的端电压，通过设置在待测直流电感通路上的电流柔性探头采集待测直流电感的通过电流。

优选的，电容组包括若干个能够改变串并联方式的电容，当进行450V以下低压测量时全部并联，当进行450V～800V高压测量时一半电容并联后再与另一半并联的电容串联。

本发明一种基于虚拟仪器的直流电感测试方法，采用本发明所述的测试系统，包括如下步骤：

1)初始化测试系统；

2)测试系统参数的输入设定；

3)测试系统工作，通过对充电电路和放电电路的控制采集待测直流电感的数据；

4)采集数据完成后，将设定的参数和采集的数据通过基于LCR放电时间电流函数的Levenberg-Marquadt算法进行处理，得到LCR放电电路时间电流函数的非线性参数估计值f，g，h；

5)由如下公式分别得到待测直流电感的直感L和直阻R，连同其对应的序列一并进行输出显示，并输出基于Word的实时报表；

其中：V₀为放电时刻电容C两端的初始电压。

优选的，步骤2)中进行参数设定时，包括输入待测直流电感的额定电压采集值、额定电流采集值及直感理论值。

优选的，步骤3)中进行数据采集时，具体步骤如下：

3.1)初始化高速采集卡及低速采集卡，低速采集卡实时采集并显示电容组的端电压，高速采集卡采用自触发方式处于等待；

3.2)低速采集卡将对继电器的充电指令输出到控制板卡，控制板卡输出驱动闭合继电器回路，将电源引入继电器吸合，与继电器常开点串联的交流接触器吸合引入三相交流电，通过三相交流调压器的调节，电容组充电电压增到额定电压采集值时低速采集卡输出充电停止指令，控制控制板卡驱动继电器断开；

3.3)继电器完全断后，低速采集卡输出放电指令，控制板卡驱动IGBT闭合，电容组通过IGBT、待测直流电感、功率电阻构成的回路放电，同时电感端高压差分探头、电流柔性探头将相应信号送入设置为自采样触发方式的高速采集卡完成数据采集工作；

3.4)放电结束后，低速采集卡输出放电停止指令，控制板卡经二输入与门执行IGBT的断开，完成一次数据的采集；其中二输入与门一端输入放电停止指令，另一端接入IGBT的故障信号；

3.5)重复步骤3.1-3.4至少采集三个连续的采样点的数据。

优选的，步骤4)中进行数据处理时，具体步骤如下：

4.1)根据输入的采样时间和采样个数确定电感端电压及电流序列对应的时间序列，并分别将其作为时间电流函数的自变量；将输入的电感端电压序列和电流序列作为时间电流函数的函数值；根据待测直流电感的直感理论值L0、电容组电容量C0、功率电阻R0给出估计LCR放电电路时间电流函数的非线性参数的初始值f₀，g₀，h₀；

4.2)将电压序列及电流序列进行B样条拟合，得到输入序列的平滑滤波，电压序列平滑后的序列的第一个数据作为放电时刻电容组两端的初始电压V₀，得到电路微分方程系数；

4.3)将初始值及时间电流函数代入基于LCR放电电路时间电流函数的Levenberg-Marquadt算法的接口函数中估算得到非线性参量的估计值f，g，h。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的测试系统，采用电容直流储能动态放电硬件电路，以最大程度地仿真直流电感的使用环境，利用虚拟仪器技术，通过高性能的数据采集电路实现对充电电路和放电电路的控制，并且实现对待测直流电感的实时数据采集，能够灵活的对其充放电的时间和电压、电流进行精确控制，无需现有技术中电感测试系统必须带有附加精度电感的要求，能够达到3％的精度要求；并且能够利用低速采集卡同时显示电感、电压、电流的直感曲线的产品报表，利用PC实现数据库的记录和统计，能够实时或事后显示产品报表及查询数据库，极大地方便用户使用。

进一步的，利用继电器控制的放电电路能够在控制板卡的指令下灵活可靠的进行动作，并且由交流接触器进行充电回路的接通控制，利用三相整流桥实现交直流的转换，能够在三相交流调压器的调节下达到待测直流电感的额定电压，利用交流供电能够便于快速的调节，同时保证电容的充电速度。

进一步的，通过利用脉冲信号驱动的IGBT在满足放电控制需求的同时，能够满足大功率大电流高耐压的要求，保证电路的安全，同时利用设置的快速恢复二极管能够减少系统连续采样时的间隔时间，提高测试效率。

进一步的，通过对电压传感器和电流传感器的具体限定，以及电容组的不同条件下的连接变化，能够提高测试的准确性，减小测量误差，并且满足更多类型直流电感的测试要求，适应范围广。

本发明所述的测试方法，以基于LCR放电时间电流函数的Levenberg-Marquardt的非线性参数估计算法估算直感与直阻的方法，直接根据系统参数和采集的数据逐点进行直感与直阻的计算，从而能够配合本发明的测试系统实现直流大电感的智能化测试，最终由测量序列得到待测直流电感的直感与直阻，解决了现有国内市场还没有切实可行的直流电感智能化测试系统的问题，能够通过测试结果得到的图表直接显示产品饱和电流及其对应的直感及电压值。

进一步的，分别对电容组和待测直流电感采用不同的采集电路设置，利用低速采集卡实现对电容组电压采集的同时进行对控制板卡的控制，利用高速采集卡对待测直流电感只进行端电压和通过电流的采集，通过有针对性的分工，避免了相互之间的干扰，充分利用了各自的特点，提高精度的同时，保证了运行的稳定性、可靠性和成本。

进一步的，通过采用B样条拟合，能够针对含有量化等ADC特有误差及电压电流传感器自身动静态误差表现出来的噪声实现优化处理，提高了测试和数据处理的精度，数据处理效果好。

附图说明

图1为铁芯电感的各参数与磁场强度关系示意图；图1a为铁芯电感的磁滞回线，图1b为基本磁化曲线及磁导率与磁场强度的关系曲线示意图。

图2为电感电流电压数据采集及电感计算曲线图。

图3为本发明实例中测试系统的结构连接示意图。

图4为本发明实例中待测直流电感的直感及直阻的数据处理流程图。

图5为本发明实例中所述测试方法的步骤流程框图。

图6为本发明实例中所述测试系统中放电电路的简化电路图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

具体的，如图3所示，本发明所述的测试系统包括充电电路，放电电路，数据采集电路及控制板卡9四部分。

其中，如图3所示，充电部分完成电容组6的充电，实现将电压充到待测直流电感11的额定电压上的功能，其包括继电器1，三相交流调压器2，交流接触器3，三相整流桥4和电容组6；本优选实例中采用24V、20mA的继电器1；容量为6kVA、1000V的三相交流调压器2；20A的交流接触器3；1000V、200A的三相整流桥4；包括24个电容耐压为450V，容量为4700μF的单个电容组成电容组6为例进行说明，电容组6中的电容在450V以下低压测量时并联，450V～800V高压测量时12个并联后再串联使用。

其中，如图3所示，放电电路完成电容组6给待测直流电感11放电的功能，包括串联成放电回路的IGBT8，待测直流电感11和功率电阻13，以及与待测直流电感11并联的快速恢复二极管5。本优选实例中采用断态耐压1400V，通态电流2000A的IGBT8；功率在1kW以上的功率电阻13，具体采用的功率电阻依据待测直流电感11的额定电流决定阻值而在测试前配置以及800V，200A的快速恢复二极管为例进行说明。

其中，如图3所示，数据采集电路包括低速采集卡10，高速采集卡15，电压传感器7、14，电流传感器12和PC16；本优选实施例中，采用采集率>1kS/s，分辨率>12位，至少一个模拟通道，三个数字I/O通道的低速采集卡10；三个数字I/O通道中的二个用于充电电路中继电器1的控制及放电电路中IGBT8的控制输出，另外一个用于采集电容组6的串并联的状态并进行采集输入，保证大于450伏高压时能够满足高压要求而不损坏电容组6。采用采集率>100MS/s，分辨率>12位的高速采集卡15。采用差分输入，带宽>20MHz，量程>1000V的电压传感器，并优选的采用设置在电容组6两端的电容端高压差分探头7和设置在待测直流电感11两端的电感端高压差分探头14。采用带宽>20MHz，量程>2000A的电流传感器，并优选的采用电流柔性探头12；采用通用型的PC16为例进行说明。

其中，控制板卡部分包括控制电路及IGBT8的栅极控制模块，能够用于IGBT8的栅极控制，故障处理及对PC16相连的低速采集卡10输出的二路数字I/O输出的信号进行光电隔离及驱动。

本发明所述的测试系统工作时，低速采集卡10的一路模拟输入用于采集电容组6的充电电压显示，二个数字I/O用于充电电路继电器1的控制及放电电路IGBT8的控制输出，另一个数字I/O用于采集电容组6的串并联的状态并进行采集输入。高速采集卡15用于高速采集电感端高压差分探头14及电流柔性探头12传来的信号，PC16通过USB口或其他总线与低速采集卡10和高速采集卡15进行通信，完成三路模拟信号的采集，分别是电容组6的充电电压，待测直流电感11的端电压及通过电流；一路数字信号的采集，为电容组6串并联状态的指示；并完成二路数字信号的控制输出，分别是对充电电路中继电器1的控制，和对放电电路中IGBT8的控制。

继电器1接受控制板卡9发送过来的控制脉冲闭合，从而使与继电器1串联的交流接触器器3加电闭合，引入三相交流电，三相交流电经三相整流桥4给电容组6充电，充电时间小于500ms，因三相交流调压器3能够由人工调节，充电时间完全能够控制和保证，在充电完毕后回零，保证每次测量均由0V开始充电，从而保证设备安全，延长寿命。

当充电电路中电容组6电压达到额定电压后充电完毕，控制板卡9发出控制脉冲闭合IGBT8，电容组6充好的电压通过待测直流电感11，功率电阻13，IGBT8及电容组6组成的通路进行放电。

本发明所述的系统能够同时对电感端电压与电流进行二路信号采集，完成实时处理及实时曲线显示；并且能够通过PC16对产品信息进行录入，完成数据库的访问及更新，以及报表生成及打印。

在本发明所述的测试系统基础上，具体的对一个产品的测试方法如下。

被测直流电感11的主要测试指标，也就是产品信息为：

a.电感范围为0.1μH-10mH，精度3％；

b.电感最大电流为2000A，精度1％；

c.电感端电压最大800V，精度1％。

依据以上测试指标的要求，确定系统中各部件的主要技术指标：

电容端高压差分探头7的主要技术指标，频宽：DC-100MHz；精确度：±1％；输入电压范围(DC+AC PEAK TO PEAK)≤±1500V。

电流柔性探头12的主要技术指标，峰值电流：3500A；灵敏度：2mV/A；带宽：0.2Hz-20MHz；精度：±1％。

高速采集卡15的主要指标，通道数：2路BNC输入；模拟带宽：100MHz；垂直分辨率：12位；实时最大采样率：第一通道：250MS/s；第二通道：125MS/s；为高速高带宽采集卡。低速采集卡10采用低速低带宽采集卡。

在以上系统部件的指标，以及产品信息，采用本发明所述的方法开始对其进行测试。

1)初始化测试系统，对系统依次进行加电：PC16开机，低速采集卡10及高速采集卡15插入PC16的USB插槽加电；继电器1、电容端高压差分探头7、电感端高压差分探头14、电流柔性探头12和控制板卡9直流电源打开；三相交流调压器2和交流接触器3交流电源打开；

2)测试系统参数的输入设定，输入产品相关信息及额定电压采集值、额定电流采集值及直感理论值，低速采集卡10随时显示电容组6的端电压，用于充电参考指示；

3)测试系统工作，开始进行采集，首先，初始化高速采集卡15及低速采集卡10，低速采集卡10实时采集并显示电容组6端电压，只有当结束测试时，才停止显示，高速采集卡15采用自触发方式处于等待，然后控制板卡9I/O输出“01H”，该命令对应继电器1的控制，由低速采集卡10的P0.0口输出送到控制板卡9，控制板卡9通过光耦CPC1008输出驱动双向可控硅闭合继电器1回路，将24V电源引入，继电器1吸合，因继电器1常开点串连交流接触器3的供电回路，从而交流接触器3吸合引入三相交流电，转动三相交流调压器2调节柄，电容组6充电电压随着转动调压器1而增到额定电压采集值时刻时低速采集卡10的I/O口输出控制命令字“00H”，即低速采集卡10的P0.0口输出低电平，控制板卡9经光耦驱动继电器1断开，保证继电器完全断开而等待0.5秒，低速采集卡10的I/O输出控制命令字“02H”，即P0.1口输出高电平，控制板卡9经光耦驱动IGBT8闭合，用于储能的电容组6通过IGBT8、待测直流电感11、功率电阻13构成的回路放电，同时电感端高压差分探头14、电流柔性探头12将相应信号送入设置为自采样触发方式的高速采集卡15中完成数据采集工作，等待0.5秒后，低速采集卡10通过其I/O口输出控制命令字“00H”，P0.1口为低电平，控制板卡9经二输入与门而封死IGBT8的栅极，IGBT8断开，完成一次数据的采集。二输入与门的输入端分别连接P0.1的信号输入和IGBT8的故障信号输入。同时能够进行基于Word的实时报表生成。并结合采集数据和输入的信息对数据进行处理。

4)多次连续采集数据完成后，对采集的数据采用基于LCR放电时间电流函数的Levenberg-Marquadt算法进行处理得到待测电感直感与直阻，以下对该方法的步骤流程进行详细说明描述和论证。

首先，对算法进行如下的解释和说明。

本发明中放电电路能够简化为如图6所示的电路图，其中匹配的功率电阻与待测直流电感自身直阻一起计入。

对照图6，操作如前所述，IGBT闭合前，电容应充电至待测电感的额定电压，程序判定后发出IGBT闭合的“02H”命令字，电容电压通过IGBT，待测直流电感，匹配的功率电阻通道放电，同时高速采集卡在自触发方式下触发采集，其触发电平一般定位额定电压的0.7倍，采集待测直流电感的端电压及通路电流。

参照图6，能够得到电路微分方程式为：

其中：L，C，R分别为待测直流电感的直感，充电电容的电容量，匹配的功率电阻，i为通路电流，V₀为放电时刻电容两端的初始电压。

令：

a＝LC (1)

b＝RC (2)

则微分方程变为：

该微分方程的解分过阻尼、临界、欠阻尼等三种情况，由于开关采用单向的IGBT器件，为安全起见，测试过程只采用过阻尼的情形。过阻尼情形对应b²＞4a，即解这个常微分方程，其解为：

此即放电电路的时间-电流函数，同理，时间-电压函数为：

3.参数估计及计算

令：

于是，得到：

1)时间-电流函数为：

i(t)＝f(e^gt-e^ht)

2)时间-电压函数为：

式(5)+式(6)，我们可以得到：

又有

v(t)_t＝0＝V₀＝Lf(g-h) (8)

(1)除以(2)，有：

由(9)、(10)，我们可以看出，只要估算出f，g，h，就能计算出待测电感的直感L及待测电感的直阻R。

Levenberg-Marquadt算法是使用最广泛的非线性最小二乘算法，中文为列文伯格-马夸尔特法，其是利用梯度求最大(小)值的算法，同时具有梯度法和牛顿法的优点。当λ很小时，步长等于牛顿法步长，当λ很大时，步长约等于梯度下降法的步长。它的应用领域非常广泛，如经济学、管理优化、网络分析、最优设计、机械或电子设计等等。本发明应用该算法估算待测直流电感的直感L及待测直流电感的直阻R的，相对于前面介绍的同一法无需附加的电感及其自身电阻阻，相对于微分法无其对采集数据噪声敏感的担忧，相对于示波器法因需外置数字示波器采集而自动化程度不高等缺点，本发明所述的测试方法采用基于LCR放电时间电流函数的Levenberg-Marquadt算法只需电感端高压差分探头14、电流柔性探头12采集的电感端电压信号及回路电流信号即可，结构简单，操作方便，数据处理的及时性好，系统电感量重复性误差在3％之内，达到了良好的效果。

然后，结合上述对算法的解释和说明，采用其进行具体的实际数据处理时，如图4所示。

在测试采集开始后，输入数据有采样时间和采样个数，该两参数用于确定电感端电压及电流序列对应的时间序列，以便作为时间电流函数的自变量代入；电感端电压序列和电流序列，该两参数序列用于作为时间电流函数的函数值代入；非饱和状态时的待测电感直感理论值L0、电容组电容量C0和功率电阻R0，该三参数用于给出估计LCR放电电路时间电流函数的非线性参数的初始值f₀，g₀，h₀。

将电压序列及电流序列进行B样条拟合，得到输入序列的平滑滤波，采用B样条拟合后能够针对含有量化等ADC特有误差及电压电流传感器自身动静态误差表现出来的噪声能够产生最好的处理效果；电压序列平滑后的序列的第一个数据作为放电时刻电容组两端的初始电压V₀，该参数用于确定常微分方程系数c。依据公式(1)，(2)，(3)计算常微分方程系数a，b，c。

将初始值及时间电流函数代入基于LCR放电电路时间电流函数的Levenberg-Marquadt算法的接口函数中估算非线性参量f，g，h；由于基于电流时间函数的非线性参数的个数为三个，故需要至少3个连续的采样点，从误差理论角度讲，取15个连续采样点是合适的；即估计计算点数为15，这样即保证了精度，又不至于计算工作量太大。

再依据公式(9)，(10)计算待测电感的直感序列及直阻序列，该两序列的数据个数均为总个数减去15。

最后输出待测电感直感平均值、直感序列及该电感的直阻平均值，输出平均值能够用于判定待测直流电感的软硬度，另外因电感直阻不随流过待测电感的电流而变化，故只输出直阻的平均值而不输出直阻序列。

将输出数据对应地绘制到报表图形中，形成测试结果的图形曲线报表；并实时的将包含电感电压电流电感数据的数据文件进行保存，更新数据库后，以WORD报表形式输出，其输出图形曲线如图2所示。

由图2所示，随着采集的进行，电感电流越来越大，因迟滞效应以致到达电感的非线性饱和区，电感量越来越小，有时该饱和点是用户感兴趣的，必须通过数据处理计算表现出来，因此对电感直感进行逐点计算，并且最终输出电感序列点数为采样总点数减去前述的L-M估计所需计算点数15。如图2所示，三条曲线中单调下降的为电压曲线，单调上述的为电流曲线，初始基本平稳，后急速下降的为电感直感曲线，直阻未画出，因其值不变，由平均值给出。在曲线区的下方是游标显示区，给出进入饱和区的各曲线数据；能够简单清楚的对测试结果和数据进行操作。

本发明中结合所述的测试系统，利用所述的测试方法后，如图5所示，整个系统能够实现采集控制、遍历插入和查询修改的功能，系统默认进入采集控制功能，先进行系统的初始化，通过PC16的USB连接低速采集卡10和高速采集卡15，并且利用PC16连接数据库和打印机；然后向系统中录入待测直流电感11的产品信息，以及额定电压采集值、额定电流采集值及直感理论值，也就是最大电压采集值、最大电流采集值和直感理论值，系统使用过程中低速采集卡10随时显示电容组6的端电压，用于为充电参考提供指示；再通过对充放电开关进行控制，采集待测直流电感的电压和电流数据，先打开充电开关，充电至额定电压采集值后自动断开，放电开关打开，放电约0.5秒后放电开关断开；高速采集卡15以自触发方式采集电感端电压电流信号，通过基于LCR放电时间电流函数的Levenberg-Marquadt算法的数据处理得到其直感及直阻；同时将得到的数据转化保存为数据文件，实时显示电压电流直感曲线，并可实时或事后打印成报表；在执行遍历插入时，更新直流电感测量系统的数据库，完成对包含电感电压电流直感数据的实时数据文件的保存工作，与数据库交互实现产品信息记录插入及记录的遍历工作；为后续的修改、删除、查询并导出图形曲线报表提供支持和基础。在执行查询修改时，能够在数据库的基础上完成数据条件查询、修改与事后数据报表打印工作。

本测试系统和方法是通过对数据的采集及应用基于LCR放电时间电流函数的Levenberg-Marquadt算法的数据处理实现对直流电感的测试，能够直接得到待测直流电感的直感和直阻无需现有某些电感测试系统必须带有附加精度电感的要求，达到3％的精度要求；而且能够进行实时显示电压电流电感曲线，保存数据文件，实时生成基于Word的产品报表；通过数据库管理直流电感产品信息及数据文件，生成并打印事后报表；生成的电压电流电感曲线方便清晰，可通过游标直接显示产品饱和电流及其对应的直感及电压值，使用方便，操作简单。

由于直流成分的电流会影响电感铁芯磁化的状态，使铁芯的非线性发生作用。特别是，如果直流电流产生的磁场已经使铁芯进入饱和区，那么它上面叠加的交流成分，引起的磁通量变化可能极小。此时，相当于电感量接近于零了。因此，在电流有直流成分存在时，需要特别注意是否进入铁心的饱和区。利用本测试系统和方法进行连续采集数据并处理后得到的曲线图对标识该直流饱和电流是非常重要而且非常方便。

Claims (9)

1.一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统，其特征在于，包括控制板卡(9)，与待测直流电感(11)两端连接的电容组(6)，用于根据控制板卡(9)的充电指令信号给电容组(6)充电的充电电路，用于根据控制板卡(9)的放电指令信号使电容组(6)放电给待测直流电感(11)的放电电路，以及数据采集电路；

所述的数据采集电路包括低速采集卡(10)和高速采集卡(15)，以及分别与两者连接通信的PC(16)；低速采集卡(10)的一路模拟输入端用于采集电容组(6)的充电电压，两个数字I/O用于通过控制板卡(9)对充电电路和放电电路进行输出控制，第三数字I/O用于采集电容组(6)串并联的状态；高速采集卡(15)用于采集待测直流电感(11)的端电压及通过电流；

所述的充电电路包括串联的继电器(1)和交流接触器(3)，以及连接在交流接触器(3)上三相交流电输入端的三相交流调压器(2)和交流接触器(3)输出端连接的三相整流桥(4)；继电器(1)的控制端连接控制板卡(9)的输出端接收控制脉冲，三相交流调压器(2)的输入端连接三相交流电，三相整流桥(4)的输出端连接在电容组(6)的两端。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统，其特征在于，所述的放电电路包括与待测直流电感(11)串联的IGBT(8)和功率电阻(13)，以及与待测直流电感(11)并联的快速恢复二极管(5)；IGBT(8)的控制端连接控制板卡(9)的输出端接收控制脉冲。

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统，其特征在于，低速采集卡(10)通过连接在电容组(6)两端的电容端高压差分探头(7)采集电容组(6)的充电电压。

4.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统，其特征在于，高速采集卡(15)通过连接在待测直流电感(11)两端的电感端高压差分探头(14)采集待测直流电感(11)的端电压，通过设置在待测直流电感(11)通路上的电流柔性探头(12)采集待测直流电感(11)的通过电流。

5.根据权利要求1所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试系统，其特征在于，所述的电容组(6)包括若干个能够改变串并联方式的电容，当进行450V以下低压测量时全部并联，当进行450V～800V高压测量时一半电容并联后再与另一半并联的电容串联。

6.一种基于虚拟仪器的直流电感测试方法，采用如权利要求1所述的测试系统，其特征在于，包括如下步骤：

1)初始化测试系统；

2)测试系统参数的输入设定；

3)测试系统工作，通过对充电电路和放电电路的控制采集待测直流电感(11)的数据；

4)采集数据完成后，将设定的参数和采集的数据通过基于LCR放电电路时间电流函数的Levenberg-Marquadt算法进行处理，得到LCR放电电路时间电流函数的非线性参数估计值f，g，h如下；

$f=\frac{ac}{\sqrt{b^2-4a}};g=-\frac{b-\sqrt{b^2-4a}}{2a};h=-\frac{b+\sqrt{b^2-4a}}{2a};$

其中，a＝LC；b＝RC；L，C，R分别为待测直流电感的直感，电容组的电容量，待测直流电感的直阻，V₀为放电时刻电容组两端的初始电压；

5)由如下公式分别得到待测直流电感的直感L和直阻R，连同其对应的序列一并进行输出显示，并输出基于Word的实时报表；

$L=\frac{V_0}{f(g-h)};$

$R=\frac{b}{a}L=-\frac{g+h}{g-h}\·\frac{V_0}{f};$

其中：V₀为放电时刻电容组两端的初始电压。

7.根据权利要求6所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试方法，其特征在于，步骤2)中进行参数设定时，包括输入待测直流电感(11)的额定电压采集值、额定电流采集值及直感理论值。

8.根据权利要求6所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试方法，其特征在于，步骤3)中进行数据采集时，具体步骤如下：

3.1)初始化高速采集卡(15)及低速采集卡(10)，低速采集卡(10)实时采集并显示电容组(6)的端电压，高速采集卡(15)采用自触发方式处于等待；

3.2)低速采集卡(10)将对继电器(1)的充电指令输出到控制板卡(9)，控制板卡(9)驱动闭合继电器(1)回路，将电源引入，继电器(1)吸合，与继电器(1)常开点串联的交流接触器(3)吸合引入三相交流电，通过三相交流调压器(2)的调节，电容组(6)充电电压增到额定电压采集值时低速采集卡(10)输出充电停止指令，控制控制板卡(9)驱动继电器(1)断开；

3.3)继电器(1)完全断开后，低速采集卡(10)输出放电指令，控制板卡(9)驱动IGBT(8)闭合，电容组(6)通过IGBT(8)、待测直流电感(11)、功率电阻(13)构成的回路放电，同时电感端高压差分探头(14)、电流柔性探头(12)将相应信号送入设置为自采样触发方式的高速采集卡(15)完成数据采集工作；

3.4)放电结束后，低速采集卡(10)输出放电停止指令，控制板卡(9)经二输入与门执行IGBT(8)的断开，完成一次数据的采集；其中二输入与门一端输入放电停止指令，另一端接入IGBT(8)的故障信号；

3.5)重复步骤3.1)-3.4)至少采集三个连续的采样点的数据。

9.根据权利要求6所述的一种基于虚拟仪器的直流电感测试方法，其特征在于，步骤4)中进行数据处理时，具体步骤如下：

4.1)根据输入的采样时间和采样个数确定电感端电压及电流序列对应的时间序列，并分别将其作为时间电流函数的自变量；将输入的电感端电压序列和电流序列作为时间电流函数的函数值；根据待测直流电感的直感理论值L0、电容组电容量C0、功率电阻R0给出估计LCR放电电路时间电流函数的非线性参数的初始值f₀，g₀，h₀；

4.2)将电压序列及电流序列进行B样条拟合，得到输入序列的平滑滤波，电压序列平滑后的序列的第一个数据作为放电时刻电容组两端的初始电压V₀，得到电路微分方程系数；

4.3)将初始值及时间电流函数代入基于LCR放电电路时间电流函数的Levenberg-Marquadt算法的接口函数中估算得到非线性参量的估计值f，g，h。