CN110441711B - 一种线切割控制系统的电源测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种线切割控制系统加工电源测试装置。涉及线切割控制系统加工电源，尤其涉及一种线切割控制系统加工电源测试装置。提供了一种对电源模块性能进行测试，既满足性能测试要求，又满足批量生产测试的需求的一种线切割控制系统加工电源测试装置。包括加工电源测试模块；所述加工电源测试模块包括降压变压器一、负载一、负载开关一、降压电路一、低通滤波器一、A/D采样一、主控纹波分析单元一和显示单元一；降压变压器一的二次侧连接线切割控制系统加工电源的电源板；所述负载开关一的ctr1端与主控纹波分析单元一电性连接。本发明针对线切割控制系统的电源模块性能进行测试，既满足性能测试要求，又满足批量生产测试的需求。
Description
技术领域
本发明涉及线切割控制系统加工电源，尤其涉及一种线切割控制系统的电源测试装置。
背景技术
现有快走丝线切割控制系统的加工电源一般采用100V左右的直流电源进行供电，X、Y、U、V轴步进电机驱动电源一般采用24V直流电源进行供电，其余为辅助电源。无论是线切割加工电源，还是步进电机驱动电源，对其纹波要求都很高。因此，在设计和生产过程中，对电源模块的性能测试就显得尤为重要。与此同时，如何保证在进行全面性能测试的前提下，还要满足批量生产时快速测试的要求，也是一个比较重要的问题。本发明提出一种线切割控制系统电源模块测试装置，用于对电源模块性能进行测试，既满足性能测试要求，又满足批量生产测试的需求。
快走丝线切割控制系统的加工电源一般采用100V左右的直流电源进行供电，X、Y、U、V轴步进电机驱动电源一般采用24V直流电源进行供电。100V直流电源和24V直流电源既可以采用线性电源，也可以采用开关电源。线性电源效率低，但不会引入额外的干扰，电磁干扰小，纹波系数低。开关电源效率高，但对电磁干扰非常敏感，电磁干扰大，纹波系数大。
纹波是由于直流电源的电压波动而造成的一种现象，因为直流稳压电源一般是由交流电源经整流、稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流输出电压中或多或少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。纹波的成分较为复杂，它的形态一般为：（1）频率高于工频的类似正弦波的高次谐波，这在线性电源和开关电源中都会出现；（2）宽度很窄的脉冲波，由发生在场效应管开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成，这会在开关电源中出现。纹波主要有以下害处：（1）容易在线切割控制系统上产生谐波，而谐波会产生更多的危害，如影响加工工件光洁度等；（2）降低了加工电源的输出效率；（3）较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，进而破坏加工工件；（4）会干扰数字电路的逻辑关系，影响线切割控制系统正常工作。因此，有必要对加工电源输出的纹波电压进行精确分析，以保护线切割控制系统本身及保证线切割加工质量。
图2为采用线性电源的线切割加工电源输出纹波的放大示意图，图3为采用线性电源的线切割加工电源输出纹波的频谱图。
由图3可以看出，采用线性电源的线切割加工电源输出纹波中主要成分为基波（50Hz）、3次谐波（150Hz）、7次谐波（350Hz）等。因此，对于采用线性电源的加工电源，其纹波中的主要成分为高次谐波，而一般情况下，谐波幅值会随着谐波次数的变大而变小，因此一般测量的最大谐波次数不超过50次，即2.5KHz。
图4为采用开关电源的线切割加工电源输出纹波放大示意图，图5为采用开关电源的线切割加工电源输出纹波频谱图。
由图5可以看出，纹波的成分主要为高频干扰信号，频率分别为40KHz和120KHz左右。
综合图2～图5，若需对加工电源的输出电压纹波进行精确分析，必须对A/D采样速率和精度、谐波分析算法的实时性进行综合评价，以确定最优方案。
常用的通用控制类DSP价格便宜，如TMS320F2812,但对于本发明中的加工电源输出纹波分析并不适合，原因有二：（1）其A/D转换速率可达12.5MSPS，但本发明中，即使采用开关电源的加工电源，其输出纹波中脉冲频率一般为几百KHz以内，根据奈奎斯特采样定理，根本无需这么高的采样速率；（2）TMS320F2812为控制类DSP，其主要用途为逻辑控制类应用，而不适合于复杂的算法运算。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种对电源模块性能进行测试，既满足性能测试要求，又满足批量生产测试的需求的一种线切割控制系统的电源测试装置。
本发明的技术方案是：包括加工电源测试模块；
所述加工电源测试模块包括降压变压器一、负载一、负载开关一、降压电路一、低通滤波器一、A/D采样一、主控纹波分析单元一和显示单元一；
所述降压变压器一的一次侧连接电网，降压变压器一的二次侧连接线切割控制系统加工电源的电源板；
所述负载开关一与负载一串联；
所述负载开关一的一端与线切割控制系统加工电源的电源板的P100端口电性连接，另一端与所述负载一的一端电性连接，所述负载一的另一端与所述线切割控制系统加工电源的电源板的M100端口电性连接；
所述降压电路一与低通滤波器一串联；
所述降压电路一的连接端一与线切割控制系统加工电源的电源板的P100端口电性连接；
所述降压电路一的连接端三与线切割控制系统加工电源的电源板的M100端口电性连接；
所述低通滤波器一的一端与降压电路一的连接端二电性连接，另一端与线切割控制系统加工电源的电源板的M100端口电性连接；
所述A/D采样一、主控纹波分析单元一和显示单元一依次串联；
所述A/D采样一的输入端与所述低通滤波器一电性连接；
所述负载开关一的ctr1端与主控纹波分析单元一电性连接。
还包括电机驱动电源测试模块；
所述电机驱动电源测试模块包括降压变压器二、负载二、负载开关二、降压电路二、低通滤波器二、A/D采样二、主控纹波分析单元二和显示单元二；
所述降压变压器二的一次侧连接电网，降压变压器二的二次侧连接电机驱动电源的电源板；
所述负载开关二与负载二串联；
所述负载开关二的一端与电机驱动电源的电源板的P24端口电性连接，另一端与所述负载二的一端电性连接，所述负载二的另一端与所述电机驱动电源的电源板的M24端口电性连接；
所述降压电路二与低通滤波器二串联；
所述降压电路二的连接端一与电机驱动电源的电源板的P24端口电性连接；
所述降压电路二的连接端三与电机驱动电源的电源板的M24端口电性连接；
所述低通滤波器二的一端与降压电路二的连接端二电性连接，另一端与电机驱动电源的电源板的M24端口电性连接；
所述A/D采样二、主控纹波分析单元二和显示单元二依次串联；
所述A/D采样二的输入端与所述低通滤波器二电性连接；
所述负载开关二的ctr1端与主控纹波分析单元二电性连接。
所述低通滤波器一和低通滤波器二的型号分别为MAX291。
所述低通滤波器一和低通滤波器二的型号分别为LTC15601。
所述A/D采样一和A/D采样二分别为型号为AD7641的芯片。
所述主控纹波分析单元一和主控纹波分析单元二的型号为TMS320C6748。
本发明包括降压变压器、负载、负载开关、降压电路、A/D采样电路、主控及纹波分析单元、显示单元等组成。A/D采样电路负责信号采样，并将采样信号传输给主控及纹波分析单元进行纹波分析。显示单元主要用于显示输出结果，输出结果包括电压最大值、电压最小值、电压平均值、纹波系数等。本发明针对线切割控制系统的电源模块性能进行测试，既满足性能测试要求，又满足批量生产测试的需求。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，
图2是背景技术中采用线性电源的线切割加工电源输出纹波放大示意图，
图3是背景技术中采用线性电源的线切割加工电源输出纹波频谱图，
图4是背景技术中采用开关电源的线切割加工电源输出纹波放大示意图，
图5是背景技术中采用开关电源的线切割加工电源输出纹波频谱图。
具体实施方式
本发明如图1所示，图1中，方框部分为采用开关电源的快走丝线切割控制系统的电源板1。
包括加工电源测试模块；
所述加工电源测试模块包括降压变压器一、负载一、负载开关一、降压电路一、低通滤波器一、A/D采样一、主控纹波分析单元一和显示单元一；
所述降压变压器一的一次侧连接电网，降压变压器一的二次侧连接线切割控制系统加工电源的电源板；
所述负载开关一与负载一串联；
所述负载开关一的一端与线切割控制系统加工电源的电源板的P100端口电性连接，另一端与所述负载一的一端电性连接，所述负载一的另一端与所述线切割控制系统加工电源的电源板的M100端口电性连接；
所述降压电路一与低通滤波器一串联；
所述降压电路一的连接端一与线切割控制系统加工电源的电源板的P100端口电性连接；
所述降压电路一的连接端三与线切割控制系统加工电源的电源板的M100端口电性连接；
所述低通滤波器一的一端与降压电路一的连接端二电性连接，另一端与线切割控制系统加工电源的电源板的M100端口电性连接；
所述A/D采样一、主控纹波分析单元一和显示单元一依次串联；
所述A/D采样一的输入端与所述低通滤波器一电性连接；
所述负载开关一的ctr1端与主控纹波分析单元一电性连接。
还包括电机驱动电源测试模块；
所述电机驱动电源测试模块包括降压变压器二、负载二、负载开关二、降压电路二、低通滤波器二、A/D采样二、主控纹波分析单元二和显示单元二；
所述降压变压器二的一次侧连接电网，降压变压器二的二次侧连接电机驱动电源的电源板；
所述负载开关二与负载二串联；
所述负载开关二的一端与电机驱动电源的电源板的P24端口电性连接，另一端与所述负载二的一端电性连接，所述负载二的另一端与所述电机驱动电源的电源板的M24端口电性连接；
所述降压电路二与低通滤波器二串联；
所述降压电路二的连接端一与电机驱动电源的电源板的P24端口电性连接；
所述降压电路二的连接端三与电机驱动电源的电源板的M24端口电性连接；
所述低通滤波器二的一端与降压电路二的连接端二电性连接，另一端与电机驱动电源的电源板的M24端口电性连接；
所述A/D采样二、主控纹波分析单元二和显示单元二依次串联；
所述A/D采样二的输入端与所述低通滤波器二电性连接；
所述负载开关二的ctr1端与主控纹波分析单元二电性连接。
所述低通滤波器一和低通滤波器二的型号分别为MAX291。
所述低通滤波器一和低通滤波器二的型号分别为LTC15601。
所述A/D采样一和A/D采样二分别为型号为AD7641的芯片。
所述主控纹波分析单元一和主控纹波分析单元二的型号为TMS320C6748。
针对线性电源和开关电源两种不同方式的电源，采用的测试装置总体思路是一致的。测试装置的组成部分主要由以下部分组成：
降压变压器、负载（包括负载一和负载二）、负载开关（包括负载开关一和负载开关二）、降压电路（包括降压电路一和降压电路二）、A/D采样电路（包括A/D采样一和A/D采样二）、主控及纹波分析单元（包括主控纹波分析单元一和主控纹波分析单元二）、显示单元（包括显示单元一和显示单元二）等组成。
降压变压器负责将三相交流380V电压分别降至三相交流66V电压和三相交流18V电压。
负载为大功率电阻，电阻阻值和功率根据电源电压和电流大小确定。
负载开关为继电器，继电器的输出端电流大小由负载电流大小决定，继电器的通断由主控及纹波分析单元控制，当进行负载性能测试时主控及纹波分析单元控制继电器吸合。
降压电路采用传统的电阻分压电路，以便将高直流电压降压到A/D采样芯片的线性输入范围内。
低通滤波电路的作用为滤除频率较高而幅度较小的噪声信号，以便对需要进行分析的信号进行精确分析。
A/D采样电路负责信号采样，并将采样信号传输给主控及纹波分析单元进行纹波分析。显示单元主要用于显示输出结果，输出结果包括电压最大值、电压最小值、电压平均值、纹波系数等。本文侧重于纹波的测量分析。
对于线性电源输出信号只进行谐波分析，因此电源输出信号必须经过低通滤波器以滤除低幅值的高频噪声信号。
本方案中，低通滤波器采用ADI公司的MAX291芯片，该芯片为8阶巴特沃斯低通滤波器，该芯片主要用于50Hz/60Hz电源噪声滤波、ADC抗混叠滤波器和噪声分析。截止频率为0.1Hz～25KHz。由于本方案最高分析50次谐波即2.5KHz,因此只需将上限截止频率设置超过2.5KHz（通过配置外部阻容参数）即可。对于开关电源输出信号，因为考虑到开关电源场效应管通断时产生的高频信号分析，其频率甚至会达到200KHz以上，考虑成本问题，以及结合考虑实时性，本发明采用LTC15601芯片，其上限频率为500KHz或1MHz可设置。
A/D采样芯片采用ADI公司的AD7641芯片，该芯片采样位数为18位，采样速率最大为2Msps。借助插值、加窗等现代信号处理算法，可进行500KHz甚至1MHz以内的高频信号频谱分析，完全满足本发明的要求。
采样芯片AD7641的位数为18位，实际有效位数为15位，采集信号允许输入范围为±2.5V，因此纹波分辨率为：5×2-15=0.00015V=0.15mV，因此本发明纹波电压分辨率较高。
主控及纹波分析单元采用TI公司的高速浮点DSP芯片TMS320C6748。TMS320C6748芯片是业界功耗最低的浮点数字信号处理器(DSP)，可充分满足高能效、连通性设计对高集成度外设、更低热量耗散以及更长电池使用寿命的需求。主频为456MHz，应用于数据采集处理系统、智能电力系统、高精度仪器仪表。A/D采样芯片将采样的电压数据通过送DSP进行纹波分析，DSP再将处理结果送显示单元进行显示。
本发明采用传统FFT与加窗插值相结合的方法进行纹波分析。在采样频率大于信号中最高次纹波频率的两倍的情况下，FFT方法检测精度高、实现简单、功能多且使用方便，在频谱分析和纹波检测方面均得到广泛的应用。但传统FFT纹波分析方法存在一些局限性，主要就是频谱泄露和栅栏效应，不同步采样带来的频谱泄露和栅栏效应误差，使得算出的信号参数不准确，尤其是相位的误差很大。加窗插值算法是改进频谱泄露和栅栏效应的常用方法，插值算法可以消除栅栏效应引起的误差，而纹波间的泄漏引起的误差则需用加窗的方法来消除。每一种窗函数或插值算法都具有各自的优缺点，需要根据具体情况选用，选择合适的窗函数可使误差减小，从而提高纹波检测的准确度。常用的窗函数一般是旁瓣幅值衰减快的窗函数、旁瓣幅值一定时主瓣宽度最小的窗函数以及组合余弦窗函数。
在目前常用的所有的窗函数中，矩形窗主瓣窄，旁瓣大，频率识别精度最高，幅值识别精度最低；布莱克曼窗主瓣宽，旁瓣小，频率识别精度最低，但幅值识别精度最高。实际测量的线切割系统加工电源电压波形的纹波最大值、最小值和平均值可通过时域测量方法进行精确测量，本发明主要关注的是纹波的频率信息，尤其是开关电源的输出电压纹波频率，以确定场效应管的开关状态是否正常。因此，本发明窗函数采用矩形窗函数。
常用的种插值函数有：拉格朗日插值、多项式插值、牛顿插值、埃尔米特插值、分段线性插值、三次样条插值等。本发明综合考虑各种插值算法的优缺点，采用分段线性插值算法。该方法计算简单，能够克服多项式插值带来的龙格现象，图形波动小，具有收敛性。其缺点是：区间内有转折点，光滑性不好，但对本发明的纹波分析影响不大。
为防止环境的电磁场干扰（EMI）侵入，使输出的纹波电压不受EMI的影响，本发明采用金属外壳。
本发明避免了用示波器测量纹波和噪声可能造成极大的测量误差。经常有这样的情况发生，用户买回的开关电源或模块电源，在测量纹波和噪声这一性能指标时，发现与产品技术规格上的指标不符，大大地超过技术规格上的性能指标要求，这往往是用户的测量装置不合适，测量的方法（测量点的选择）不合适或采用通用的测量探头所致。
对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：
（1）、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；
（2）、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；
以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本案所公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种线切割控制系统的电源测试装置，其特征在于，包括加工电源测试模块；
所述加工电源测试模块包括降压变压器一、负载一、负载开关一、降压电路一、低通滤波器一、A/D采样一、主控纹波分析单元一和显示单元一；
所述降压变压器一的一次侧连接电网，降压变压器一的二次侧连接线切割控制系统加工电源的电源板；
所述负载开关一与负载一串联；
所述负载开关一的一端与线切割控制系统加工电源的电源板的P100端口电性连接，另一端与所述负载一的一端电性连接，所述负载一的另一端与所述线切割控制系统加工电源的电源板的M100端口电性连接；
所述降压电路一与低通滤波器一串联；
所述降压电路一的连接端一与线切割控制系统加工电源的电源板的P100端口电性连接；
所述降压电路一的连接端三与线切割控制系统加工电源的电源板的M100端口电性连接；
所述低通滤波器一的一端与降压电路一的连接端二电性连接，另一端与线切割控制系统加工电源的电源板的M100端口电性连接；
所述A/D采样一、主控纹波分析单元一和显示单元一依次串联；
所述A/D采样一的输入端与所述低通滤波器一电性连接；
所述负载开关一的ctr1端与主控纹波分析单元一电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种线切割控制系统的电源测试装置，其特征在于，还包括电机驱动电源测试模块；
所述电机驱动电源测试模块包括降压变压器二、负载二、负载开关二、降压电路二、低通滤波器二、A/D采样二、主控纹波分析单元二和显示单元二；
所述降压变压器二的一次侧连接电网，降压变压器二的二次侧连接电机驱动电源的电源板；
所述负载开关二与负载二串联；
所述负载开关二的一端与电机驱动电源的电源板的P24端口电性连接，另一端与所述负载二的一端电性连接，所述负载二的另一端与所述电机驱动电源的电源板的M24端口电性连接；
所述降压电路二与低通滤波器二串联；
所述降压电路二的连接端一与电机驱动电源的电源板的P24端口电性连接；
所述降压电路二的连接端三与电机驱动电源的电源板的M24端口电性连接；
所述低通滤波器二的一端与降压电路二的连接端二电性连接，另一端与电机驱动电源的电源板的M24端口电性连接；
所述A/D采样二、主控纹波分析单元二和显示单元二依次串联；
所述A/D采样二的输入端与所述低通滤波器二电性连接；
所述负载开关二的ctr1端与主控纹波分析单元二电性连接。
3.根据权利要求1所述的一种线切割控制系统的电源测试装置，其特征在于，所述低通滤波器一和低通滤波器二的型号均为MAX291。
4.根据权利要求1所述的一种线切割控制系统的电源测试装置，其特征在于，所述低通滤波器一和低通滤波器二的型号均为LTC15601。
5.根据权利要求1所述的一种线切割控制系统的电源测试装置，其特征在于，所述A/D采样一和A/D采样二均为型号为AD7641的芯片。
6.根据权利要求1所述的一种线切割控制系统的电源测试装置，其特征在于，所述主控纹波分析单元一和主控纹波分析单元二的型号均为TMS320C6748。
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