李曼　王启亮　段雍　杜雪峰

摘  要： 针对矿用本安电源性能检测手段效率低、数据处理和复杂功能实现能力有限等问题，采用虚拟仪器技术，开发矿用本安直流电源自动测试系统。研究确定了本安电源的输入输出性能、限压过压和限流过流保护、备用电源特性等性能参数的测量方法，构建了由程控交流电源、PXI主机、数字示波器、电子负载等组成的电源测试系统硬件平台。以LabVIEW为开发平台，开发了电源测试系统的控制和测量软件。由LabVIEW中的VISA功能与仪器标准命令（SCPI）联合实现数字示波器和电子负载等分离仪器的控制。系统功能测试实验与测量精度分析表明，所提系统实现了程控交流供电、测试信号读取、加载等功能;电压测量的最大绝对误差为0.41 V，最大相对误差为2.6%。

关键词： 本安电源; 自动测试系统; 系统设计; 参数测量; 平台构建; 功能测试

中图分类号： TN86?34; TD67                     文献标识码： A                       文章编号： 1004?373X（2020）20?0135?06

Mining intrinsically safe DC power supply automatic test system

LI Man， WANG Qiliang， DUAN Yong， DU Xuefeng

（College of Mechanical Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract： In allusion to the low efficiency of the performance detection method and the limited ability of data processing and complex function realization of the mining intrinsically safe power supply， a mining intrinsically safe DC power supply automatic test system is developed by means of the virtual instrument technology. The performance parameter measuring methods of the input and output performance， voltage?limiting over?voltage and current?limiting over current protection and backup power feature of the intrinsically safe power supply are determined. In the power testing system， the hardware platform composed of program?controlled AC power supply， PXI host， digital oscilloscope and electronic load is constructed. The control and measurement software of power supply test system is developed by taking LabVIEW as development platform. The control of separation instruments such as digital oscilloscope and electronic load is realized by combining VISA function in LabVIEW with standard command for programmable instrument （SCPI）. The system function test experiment and measurement precision analysis show that the proposed system can realize program control AC power supply， test signal reading， loading and other functions. The maximum absolute error of voltage measurement is 0.41V and the maximum relative error is 2.6%.

Keywords： intrinsically safe power supply; automatic test system; system design; parameter measurement; platform construction; functional test

0  引  言

礦用本质安全型直流电源（本安电源）是井下电子设备最为广泛采用的电力供应装置，主要用于各种仪表、传感器、控制器、安全监控、人员定位等装置的供电[1]。作为电子设备的动力源，本安电源的性能直接影响用电设备的稳定性、可靠性与准确性，也关系到整个矿井的生产安全[2?3]。

随着煤矿生产自动化、智能化水平的提高，井下电子设备与日俱增，在本安电源需求量增加的同时，对其性能也提出了更高的要求[4]。我国的电源生产企业中，尤其中小企业，出于生产成本的考虑，一般仍采用传统的人工检测方法，这种测量方法不仅效率低、精度差，且人为因素易造成对产品的误判[5]。国外研制的电源自动测试系统，如美国Agilent公司的PMT2000系列电源模块测试系统、美国Autotest公司的UTS系列电源自动化测试系统等[6]，但价格比较昂贵。国内针对本安电源性能测试系统的研究较少，文献[7?8]讨论了本安直流电源老化测试系统的设计，但对电源的其他电性能没有做进一步研究; 文献[9]讨论了直流电源的性能测试及优化，但测试过程采用了大量的手动控制，自动化程度不高;文献[10?12]利用虚拟仪器技术设计了电源自动测试系统，但主要是针对通用直流电源和航空直流电源的性能检测。

基于以上原因，本文以文献[13?15]对矿用本安直流电源测量要求为依据，采用虚拟仪器技术，研究开发了电源性能自动测试系统。该系统实现了本安电源性能的集成自动测试，与传统手动检测相比具有数据处理能力强、自动化程度高、使用方便等优点。

1  系统测试参数和方法

1.1  电源输入/输出性能

输入/输出性能是指电源输入在允许的波动范围内波动对电源输出产生的影响。目前使用较多矿用本安直流电源主要为输入36 V，220 V，380 V，1 140 V等[16]，输出为15 V，18 V，24 V等[8]。直流电源在煤矿中使用的场所不同、电源等级不同，电源适应波动范围要求也不同。井底车场、主运输巷要求为额定输入电压的80%～110%;其他井下场所为75%～110%;地面为90%～110%，85%～110%，80%～110%。电源输入输出性能由输出电压偏离值R描述。测试时选取电源输入的最小值、额定值、最大值分别给被测电源供电，在负载不变的情况下（取空载和满载两种情况），测量输出电压[Uo1]，并由式（1）计算输出电压偏离值。按照文献[14?15]的有关规定，要求偏离值不超过额定值的5%。

[R=|Uo1-U0|U0] （1）

式中：[U0]为电源输出额定值;[Uo1]为输出电压测量值。

1.2  瞬态响应测试

直流电源的瞬态响应可分为源瞬态响应和负载瞬态响应。一般用恢复时间TR和最大输出电压偏差Vm作为其优劣判断的技术指标。瞬态恢复时间是指交流电源或负载电流发生阶跃变化时，输出电压[U]最终回到允许误差带（[U±ΔU]）以内的时间。允许误差带是指电源允许输出电压的上下限值，由产品标准具体规定。源瞬态响应测试激励和响应变化过程如图1所示。负载电流为额定值，交流源电压从规定的最小值Umin→额定值Ue→最大值Umax→额定值Ue→最小值Umin进行阶跃变化（阶跃时间为Tr），分别测出最大输出电压偏差Vm和瞬态恢复时间TR。负载瞬态响应测试激励和响应变化过程如图2所示，交流电源以额定输入电压向被测直流电源供电，负载电流从空载→满载→空载变化时（阶跃时间为Tr），文献[13]要求最大输出电压偏差Vm不超过额定电压的2%，以及电压瞬态恢复时间TR≤1 ms，Tr≤[110]TR。

1.3  源效应和负载效应

源效应是指仅有输入量的变化引起输出稳定量的变化，反应电源对输入电压变化的适应能力。源效应测试激励和响应变化如图3所示，分别在空载和满载情况下，源电压从规定的最小值Umin→额定值Ue→最大值Umax→额定值Ue→最小值Umin进行阶跃变化，在5TR～ 5TR+10 s中测量稳定输出电压[Uo2]，TR为电压瞬态恢复时间，由式（2）计算得源效应[ΔU1]。负载效应是指仅有负载变化而引起输出稳定量的变化，反应电源对负载变化的适应能力。负载效应测试激励和响应变化如图4所示，分别在输入电压为规定的最小值Umin、额定值Ue和最大值Umax情况下，电子负载由空载至满载进行阶跃变化，在5TR～5TR+10 s中测量稳定输出电压[Uo3]，由式（3）计算得负载效应[ΔU2]。按照文献[14?15]有关规定，源效应、负载效应根据电源产品等级不同要求也不同。

[ΔU1=Uo2-U0U0]          （2）

[ΔU2=Uo3-U0U0] （3）

式中，U0为电源输出额定值。

1.4  限压过压和限流过流保护测试

井下属易燃易爆的特殊环境，对本安电源的输出电压和电流都有一定限制，以避免在过电压或过电流的情况下产生的火花点燃井下的可燃性气体[17]。按照文獻[18]的有关规定，本安电源必须采用双重保护，即双重过压保护和双重过流保护。测量限压保护、过压保护时，将直流电源的输出端开路，源电压由最小值逐渐增大至最大值，记录电源输出最大电压值，且超过最大极限电压时检查过压保护能否工作;测量限流和短路保护时，将源电压设置为最大值，调节负载，使负载电流由小变大到超过额定值，记录最大电流值，当电源的输出端发生短路时，此时电流i即为短路电流值，撤销过流和短路故障后，检查直流电源能否按预定方式复位。

1.5  稳定性测试

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，直流稳定量中就不可避免带有一些交流成分，这些交流成分就是纹波。纹波幅度用来反映电源的稳定性，纹波会降低电源的效率，较强的纹波会造成浪涌电压或电流，从而导致烧毁用电设备。纹波幅度测量时，电源输入电压为额定值，负载为空载或满载，测量输出电压交流分量的峰峰值。按照文献[14?15]的有关规定，要求被测电源的纹波小于等于250 mV。

1.6  备用电源性能测试

备用电源的可靠性直接关系着矿工的安危。测量时，交流电源以额定输入电压向被测直流电源供电，调节电子负载使负载电流为额定值。断开交流电源，测量输出电压的波形是否有间断，其间断时间即为转换时间T1。同时主机从备用电源投入起开始计时，直至直流电源的输出电压小于最小输出电压，停止计时。如图5所示，上述时间的80%即为工作时间T2。按照文献[19]的有关规定其备用电源的转换时间T1≤1 s，工作时间T2应不小于4 h。

2  系统硬件设计原理及组成

系统硬件主要包括程控交流供电模块、测试模块、加载模块、接口适配器等。程控交流供电模块由交流调压器和控制电路组成，为被测直流电源提供不同电压的激励电源;测试模块由PXI主机、PXI?6221多功能采集卡、电流传感器、数字示波器等组成，完成信号采集，数据处理和数据存储等功能;加载模块主要由电子负载组成，在电源测试中提供不同负载。测试模块中的PXI?6221采集卡的A/D通道和I/O通道通过接口适配器分别与电流传感器和开关控制器连接，实现电流信号的采集和对开关控制器的控制。硬件组成如图6所示。

程控交流供电模块根据待测电源对输入电源的要求产生输入额定75%～110%的交流电压。本模块采用自耦变压器通过级联的方式产生测试需要的交流电源电压值。程控交流供电模块如图7所示。

输入交流电源经过变压器T1，T2，T3调压后，可产生不同大小的试验用电源电压，通过控制继电器KA1，KA2和KA3通断的不同组合来提供试验所需要的四种交流电源。继电器控制逻辑如表1所示。

表1  继电器控制逻辑

[KA1 KA2 KA3 被测电源输出电压 1 0 0 U1额定值的75% 0 1 0 U2额定值 0 0 1 U3额定值的110% 0 0 0 U4交流电源断开    注：1为闭合;0为断开 ]

KA1，KA2，KA3的通断由开关控制器实现。开关控制器由控制继电器和光电隔离器组成。开关控制器通过PXI?6221的I/O口由程序控制，以KA1为例，其电路原理如图8所示。

3  测试系统软件设计

3.1  软件结构与设计方法

本系统采用LabVIEW为主要开发平台。软件采用三层结构，第一层为“主程序层”，用作用户界面以及任务的选择与执行;第二层为“测试层”，主要包括测试仪器管理模块和测试任务模块;第三层为“驱动层”，负责与系统硬件及其他应用程序之间的通信。软件结构如图9所示。

3.2  程序控制方法与实现

软件开始运行后即进入用户登录界面，用户成功登录后进入任务界面，选择需要进行的项目或测试仪器的管理。任务完成后可以返回主页继续进入其他界面进行新任务。图10为软件主流程图。

3.3  分离仪器控制

本测试系统控制的分离仪器主要有示波器和电子负载，由测试软件实现对其操作控制、参数配置、测量数据的读取等。程序采用可编程仪器标准命令（SCPI）和LabVIEW提供的VISA功能混合编程[20]。VISA的I/O控制功能可对LAN，USB，GPIB等总线仪器进行控制，并根据使用仪器的类型调用相应的驱动程序。下面以示波器数据读取为例说明分离仪器的控制程序的实现方法。

系统所用ZDS2024 Puls型示波器驱动支持LAN口通信。示波器主要参数如通道选择、时基、幅度等参数设置，通过Instrument I/O→VISA/VISA Write.VI将由SCPI编写的指令字符串写入示波器来实现。示波器从通道1读取当前电压波形和数值子VI程序如图11所示。由VISA Write.VI将SCPI指令字符串“：FACT：WAVE？ CHANnel”（通道1波形读取命令）“：CHAN：SCAL？;”（通道1水平时基档位设置命令）“：CHAN：OFFS？;”（通道1水平时基偏移设置命令）写入示波器，由VISA Read.VI读取通道1当前电压波形相关数据。

4  系统测试实验

本文以“电源输入输出性能测试”功能验证实验为例。对测试系统程控交流供电、测试信号读取、加载等功能及测量精度进行验证。测试方法如第1.1节所述。实验所用设备及主要技术指标，如表2所示。

RIGOL ?DP832直流电源作为待测电源，测试时，由主机程序控制PXI?6221板卡I/O端口D1置1，其他通道置0，将开关控制器的继电器KA2打开，程控交流电源输出220 V额定值给被测电源供电，通过USB总线控制电子负载使其处于拉载状态，用LAN口控制示波器读取实时波形和输出电压[U01]，并由式（1）計算偏离值R。将被测电源输出电压分别设置为24 V，18 V，15 V，用本系统和高精度万用表同时对被测电源输出进行测试。被测电源输出为24 V时，本系统测试界面如图12所示。

以高精度万用表所测得的值为真值，本系统值为测量值。绝对误差和相对误差分别由式（4）～式（5）计算，实验测量输出电压与计算误差如表3所示。

[δi=xi-μi] （4）

式中：[δi]为绝对误差;[xi]为测量值;[μi]为真值。

[Yi=δiμi×100%]          （5）

式中，[Yi]为相对误差。

从表3计算结果可得，本测试系统电压测量的最大绝对误差为0.41 V，最大相对误差为2.6%。本实验所用直流电源在输入约为220 V额定值，输出为额定负载条件下，在不同输出电压时，其偏离值分别为额定值的1.709%，2.165%，2.6%，满足文献[15?16]的偏离值不超过额定值5%的要求。