CN110632395B - 一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置 - Google Patents

一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置，包括：脉冲测试电路系统和虚拟仪器平台。脉冲测试电路系统与功率电感相连接，脉冲测试电路系统基于单脉冲信号而与功率电感构成导通的测量电路，从而测量功率电感中的电流和两端的电压并输出包含电流数据/电压数据的检测信号。虚拟仪器平台与脉冲测试电路系统相连接，虚拟仪器平台中运行采用虚拟仪器编程软件编写的程序，用于发出单脉冲信号、采集和处理检测信号并计算得到功率电感的参数进行显示。本发明基于虚拟仪器技术，利用单脉冲实现对功率电感参数的测量，解决了传统测量装置存在的耗时长、精度低、涉及繁琐且难以在高频大电流下安全测量的问题，具有精确、快速、安全及成本低等优势。

Description

一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置
技术领域
本发明涉及功率电感参数测量领域，具体涉及一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置。
背景技术
当前，电子科学技术发展迅猛，这就导致对电子元器件的需求量急剧增长，对各种器件的电气特性标准亦与日俱增，这就对电子产品的特性提出了更高的要求。
众所周知，电感基本是所有硬件电路都会用到的元器件。电感从最初的仿真设计到选择材质和磁芯设计，这些都必须设计和选取正确，才能够使设计出的电感可以达到电路系统的要求。电气电子行业的高速发展，要求电感的检测更加准确和快速。在电子线路中，不同的频率下，电感的特性会表现的不一样，特别是在高频的情况下，电感特性的变化会比较大。所以，对电感在实际的电路运行时下的性能参数进行准确地测量，能够辅助工程师设计出稳定可靠的电子线路，对电子产品的性能和可靠性有较大的提高，对设计出可靠性、安全性和快捷性的电感测量仪器非常具有必要。同时，现代的科学技术发展快速，对安全性的检测重视性越来越高，电子设备的问题，尤其是电子设备能够稳定可靠的运行的这个问题更是被特别关注，电子产品的安全性和可靠性测试渐渐变成一个新兴的技术领域。很多大型的机械设备的重要部位使用的就是电感，因而电感的质量直接决定了机械设备能否可靠的运行。因为机械设备的运行的环境复杂，对电气性能要求很高，所以，如果在设计生产或制造等一些环节有点差错，都可能使机械设备无法安全可靠的运转。面对国内的超精密加工现状，在达到测量要求的情况下，如何有效降低各种成本，使得测试技术在工程实际中得到更为广泛的应用，并且提高抗干扰性和操作简捷性是当前最迫切需要解决的问题。
因此，对电感的参数特性进行准确检测，能够大大减少地机械设备的恶性损坏事故，降低停机次数并且缩短停机时间、对企业考虑经济成本有比较重要的意义。
现有的测量电感主要有交流电桥法、L-C谐振法和阻抗电压变换器法等几种，但是在日益追求高性价比的社会，安全、低成本、快速准确这几个要求下，前面说的几种方法均无法全部满足，特别是对测量大电流的功率电感，需要考虑到安全的问题比较多。
虚拟仪器技术的出现给器件测试开辟了另外一种测试方法，它改变了传统仪器的测量模式，使测量系统由分散的、标准不同和接口不一的分立系统变为集成的很高的以虚拟仪器为主的测试模式。虚拟仪器的发明给测控领域的提出了一种新方案，它是下位机与上位机完美配合的成果，其主体是计算机，利用计算机来控制仪器、管理仪器系统，使一些软件系统可以替代一些传统的硬件电路。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用虚拟仪器技术，具有精度较高、安全性较高的基于单脉冲的功率电感参数测量装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置，用于测量功率电感的参数，所述基于单脉冲的功率电感参数测量装置包括：
脉冲测试电路系统，所述脉冲测试电路系统与所述功率电感相连接，所述脉冲测试电路系统基于单脉冲信号而与所述功率电感构成导通的测量电路，从而测量所述功率电感中的电流和两端的电压并输出包含电流数据/电压数据的检测信号；
虚拟仪器平台，所述虚拟仪器平台与所述脉冲测试电路系统相连接，所述虚拟仪器平台中运行采用虚拟仪器编程软件编写的程序，用于发出所述单脉冲信号、采集和处理所述检测信号并计算得到所述功率电感的参数进行显示。
优选的，所述脉冲测试电路系统包括：
主电路，所述主电路与所述功率电感相连接，并在驱动信号的控制下与所述功率电感构成所述测量电路；
驱动电路，所述驱动电路分别与所述虚拟仪器平台、所述主电路相连接，所述驱动电路用于基于所述单脉冲信号而发出所述驱动信号；
采集电路，所述采集电路分别与所述功率电感、所述虚拟仪器平台相连接，所述采集电路用于采集所述功率电感中的电流和两端的电压并输出所述检测信号；
整流电路，所述整流电路与所述主电路相连接，所述整流电路用于为所述主电路提供可调直流电压源。
优选的，所述主电路包括与所述功率电感相串联，并在所述驱动信号的控制下闭合的开关管。
优选的，所述开关管为IGBT管。
优选的，所述驱动电路包括将虚拟仪器平台发出的常高状态的所述单脉冲信号转换为常低状态的单脉冲信号的反向施密特触发器、与所述反向施密特触发器相连接并基于所述常低状态的单脉冲信号发出所述驱动信号的驱动器。
优选的，所述采集电路包括与所述功率电感串联的电流传感器、与所述功率电感并联的电压传感器。
优选的，所述整流电路包括与交流电源相连接的隔离变压器、与所述隔离变压器相连接的调压器、与所述调压器相连接的整流桥、与所述整流桥相连接的滤波电容，所述主电路与所述滤波电容相连接。
优选的，所述虚拟仪器平台处理所述功率电感中的电流对应的所述检测信号的方式为：对所采集到的所述电流数据进行非线性曲线拟合，从而求得一段时间内的电流变化值。
优选的，所述虚拟仪器平台处理所述功率电感两端的电压对应的所述检测信号的方式为：对采集到的所述电感数据进行中值滤波，从而得到电压值。
优选的，所述虚拟仪器平台依据
Figure BDA0002208781030000031
计算所述功率电感的电感值。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明基于虚拟仪器技术，利用单脉冲实现对功率电感参数的测量，解决了传统测量装置存在的耗时长、精度低、涉及繁琐且难以在高频大电流下安全测量的问题，具有精确、快速、安全及成本低等诸多优势。
附图说明
附图1为本发明的基于单脉冲的功率电感参数测量装置的结构示意图。
附图2为本发明的基于单脉冲的功率电感参数测量装置中脉冲测试电路系统的系统图。
附图3为本发明的基于单脉冲的功率电感参数测量装置中虚拟仪器平台的系统图。
附图4为本发明的基于单脉冲的功率电感参数测量装置中数据处理流程图。
附图5为本发明的基于单脉冲的功率电感参数测量装置中脉冲测试电路系统的整流电路和主电路的电路图。
附图6为本发明的基于单脉冲的功率电感参数测量装置中脉冲测试电路系统的驱动电路驱动原理图。
附图7为本发明的基于单脉冲的功率电感参数测量装置中脉冲测试电路系统的驱动电路电路图。
附图8为本发明的基于单脉冲的功率电感参数测量装置中脉冲测试电路系统的电压采集电路的电路图。
附图9为本发明的基于单脉冲的功率电感参数测量装置中脉冲测试电路系统的电流采集电路的电路图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：一种用于测量功率电感L的参数的基于单脉冲的功率电感参数测量装置如附图1所示，它包括相配合的脉冲测试电路系统和虚拟仪器平台两大部分，基于
Figure BDA0002208781030000041
这一基本公式。
脉冲测试电路系统与待测量的功率电感L相连接，其用于基于单脉冲信号而与功率电感L构成导通的测量电路，从而测量功率电感L中的电流和两端的电压并输出包含电流数据/电压数据的检测信号。虚拟仪器平台与脉冲测试电路系统相连接，其中运行采用虚拟仪器编程软件(LabVIEW)编写的程序，用于发出单脉冲信号、采集和处理检测信号并计算得到功率电感L的参数进行显示。
如附图2所示，脉冲测试电路系统包括主电路、驱动电路、采集电路和整流电路。主电路与功率电感L相连接，并在驱动信号的控制下与功率电感L构成测量电路。驱动电路分别与虚拟仪器平台、主电路相连接，用于基于单脉冲信号而向主电路发出驱动信号。采集电路分别与功率电感L、虚拟仪器平台相连接，其用于采集功率电感L中的电流和两端的电压并输出检测信号。整流电路与主电路相连接，用于为主电路提供可调直流电压源。
如附图5所示，主电路包括与功率电感L相串联，并在驱动信号的控制下闭合的开关管VT1。其中，开关管VT1为IGBT管。
如附图7所示，驱动电路包括将虚拟仪器平台发出的常高状态的单脉冲信号转换为常低状态的单脉冲信号的反向施密特触发器、与反向施密特触发器相连接并基于常低状态的单脉冲信号发出驱动信号的驱动器。因此，如附图6所示，驱动电路的驱动原理为：虚拟仪器平台发出的单脉冲信号传输给驱动电路，反向施密特触发器将常高状态的单脉冲信号转换为常低状态的单脉冲信号，该常低状态的单脉冲信号经驱动器，得到一个对应的驱动信号给主电路中的开关管VT1，使得其闭合，从而与功率电感L构成测量电路，以供采集电路来采集功率电感L中的电流和两端的电压。
采集电路包括与功率电感L串联的电流传感器、与功率电感L并联的电压传感器。或者，采集电路包括如附图8所示的电压采集电路和如附图9所示的电流采集电路。
如附图5所示，整流电路包括与交流电源相连接的隔离变压器、与隔离变压器相连接的调压器、与调压器相连接的整流桥(包括二极管D1、D2、D3、D4)、与整流桥相连接的滤波电容，主电路与滤波电容相连接。
220V的交流电压经过隔离变压器接至调压器的输入端，通过调压器实现调节电压的功能。经过调压器得到的可调电压通过整流桥电路进行争流处理，之后再由滤波电容滤波后得到测试所需的母线电压(测试电压)，即公式中的U。主电路中开关管VT1与功率电感L串联后连接至测试电压的两端便构成了整个脉冲测试电路。
在上述脉冲测试电路系统中，整流电路给主电路提供可以调节的直流电压源，驱动电路在得到虚拟仪器平台发出的单脉冲信号后，驱动主电路中的开关管VT1闭合，采集电路在开关管VT1闭合后，开始采集功率电感L两端的电压以及流过功率电感L的电流。开关管VT1导通后，通过串接在功率电感L上的电流传感器采集电流i，而采集电压时要求响应时间要很小，因此直接采用电阻分压的方式采集电压U。到此将已经得到电压U、电流i，可以送入虚拟仪器平台经LabVIEW程序运算处理，从而便可以求得所测的功率电感值。
虚拟仪器平台可以利用计算机来实现。如附图3所示，虚拟仪器平台的功能包括由采集电路的传感器进行信号采集而获得功率电感L的电流和电压的信号采集部分、用于处理电流电压数据的数据处理部分(又包括电流曲线拟合部分、电压中值滤波部分等)、用于显示处理得到数据的结果显示部分以及用于发出单脉冲信号的脉冲产生部分。虚拟仪器平台完成后，对各个端口进行相应的设置，使其与脉冲测试电路系统的硬件电路相配合，即完成了整个参数测量装置的搭建工作。
如附图4所示，虚拟仪器平台处理功率电感L中的电流对应的检测信号的方式为：对所采集到的电流数据进行非线性曲线拟合，从而求得一段时间内的电流变化值。虚拟仪器平台处理功率电感L两端的电压对应的检测信号的方式为：对采集到的电感数据进行中值滤波，从而得到电压值。
虚拟仪器平台依据
Figure BDA0002208781030000051
计算功率电感L的电感值，通过测量每一时刻流过功率电感L的大电流及功率电感L两端的电压值，计算出每一Δt时间段内的Δi值，从而算出这一Δt时间段内的电感参数，最后通过虚拟仪器平台的列表显示整个时间段内的电感值。
脉冲测试电路系统中的传感器将非电量信号转换为电量信号，经过硬件电路对信号进行调理后，虚拟仪器平台的信号采集部分(数据采集卡)对电量信号进行采集，然后计算机的数据处理部分接收电量数据，并进行信号出处理，最后在结果显示部分(计算机的显示面板)显示出结果，从而实现了实时测量、实时得到电感值的目的，便于测量人员精确、快捷、安全地得到测量结果。
对于虚拟仪器平台的脉冲产生部分，虚拟仪器编程软件可以编制好可以调节时间的单脉冲发生程序，从而通过虚拟仪器平台发出可调时间的单脉冲信号给脉冲测试电路系统，脉冲信号的可调的脉冲时间即公式中的dt。信号采集部分中，电流和电压触发采集程序在检测到脉冲产生部分发出的单脉冲的下降沿后开始采集一定时间内的电流值和电压值。对于电流数据，因为需要求出每一时刻的电流变化值，但并不知道电流数据符合哪种曲线的规律，因此需要对电流数据进行非线性曲线拟合，之后才求出每一时刻的电流变化值；对于电压数据，因为采集过程中有噪声干扰，会使电压波形有波纹存在，需要用中值滤波器对电压波形进行滤波后处理。最后，将每一时刻的电压数据除以每一时刻的电流变化值，就可以得到每一时刻的电感值。再将每一时刻的电压值、电流值和电感值通过表格的形式展示。
以上基于单脉冲的功率电感参数测量装置的方案，是围绕
Figure BDA0002208781030000061
这个公式而提出的基于单脉冲、使用虚拟仪器测量电感参数的方法和装置，其解决了传统的检测装置存在的耗时多、精度不高、设计繁琐且难以在高频大电流下安全测量的问题。上述装置上电完成后，测量人员只需在计算机端操作虚拟仪器程序即可快速、准确地完成电感测量，具有精确、快速、安全及成本低等诸多优势。
该方案的特点在于：1、采用虚拟仪器技术，仅需搭建少量硬件电路与虚拟仪器平台配合，具有灵活可变的优势。在传统一起中，信号的采集、处理、显示等都是由硬件来实现的，然而在虚拟仪器上这些功能是以软件形式存在的。虚拟仪器技术的灵活性可以使设计人员基本不受限于当前的硬件技术，虚拟仪器技术的开放性和灵活性，可以使设计人员在虚拟仪器的扩展口连接上最新的技术；2、采用电流数据拟合算法，提高测量精度；3、采集电压时考虑波纹和相移的因素而在用中值滤波；4、以列表形式显示出每一时刻的电压值、电流值和电感值；5、测量的功率电感L可以工作在高频大电流的场合下，而非在工作电路外测量；6、历史数据可以保存。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置，用于测量功率电感的参数，其特征在于：所述基于单脉冲的功率电感参数测量装置包括：
脉冲测试电路系统，所述脉冲测试电路系统与所述功率电感相连接，所述脉冲测试电路系统基于单脉冲信号而与所述功率电感构成导通的测量电路，从而测量所述功率电感中的电流和两端的电压并输出包含电流数据/电压数据的检测信号；
虚拟仪器平台，所述虚拟仪器平台与所述脉冲测试电路系统相连接，所述虚拟仪器平台中运行采用虚拟仪器编程软件编写的程序，用于发出所述单脉冲信号、采集和处理所述检测信号并计算得到所述功率电感的参数进行显示；
所述脉冲测试电路系统包括：
主电路，所述主电路与所述功率电感相连接，并在驱动信号的控制下与所述功率电感构成所述测量电路；
驱动电路，所述驱动电路分别与所述虚拟仪器平台、所述主电路相连接，所述驱动电路用于基于所述单脉冲信号而发出所述驱动信号；
采集电路，所述采集电路分别与所述功率电感、所述虚拟仪器平台相连接，所述采集电路用于采集所述功率电感中的电流和两端的电压并输出所述检测信号；
整流电路，所述整流电路与所述主电路相连接，所述整流电路用于为所述主电路提供可调直流电压源。
2.根据权利要求1所述的一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置，其特征在于：所述主电路包括与所述功率电感相串联，并在所述驱动信号的控制下闭合的开关管。
3.根据权利要求2所述的一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置，其特征在于：所述开关管为IGBT管。
4.根据权利要求1所述的一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置，其特征在于：所述驱动电路包括将所述虚拟仪器平台发出的常高状态的所述单脉冲信号转换为常低状态的单脉冲信号的反向施密特触发器、与所述反向施密特触发器相连接并基于所述常低状态的单脉冲信号发出所述驱动信号的驱动器。
5.根据权利要求1所述的一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置，其特征在于：所述采集电路包括与所述功率电感串联的电流传感器、与所述功率电感并联的电压传感器。
6.根据权利要求1所述的一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置，其特征在于：所述整流电路包括与交流电源相连接的隔离变压器、与所述隔离变压器相连接的调压器、与所述调压器相连接的整流桥、与所述整流桥相连接的滤波电容，所述主电路与所述滤波电容相连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置，其特征在于：所述虚拟仪器平台处理所述功率电感中的电流对应的所述检测信号的方式为：对所采集到的所述电流数据进行非线性曲线拟合，从而求得一段时间内的电流变化值。
8.根据权利要求1所述的一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置，其特征在于：所述虚拟仪器平台处理所述功率电感两端的电压对应的所述检测信号的方式为：对采集到的所述电感数据进行中值滤波，从而得到电压值。
9.根据权利要求1所述的一种基于单脉冲的功率电感参数测量装置，其特征在于：所述虚拟仪器平台依据
Figure FDA0003210172680000021
计算所述功率电感的电感值。
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