相序表校验辅助转换工具设计

裴利强练穆森吕慧媛李聃

摘要：本文通过对以往相序表校验产品的分析，提出了通过相序表校验辅助转换工具，方便快捷相序表校验方案。本文探讨了相序表校验辅助转换工具的电路设计方法，介绍了基于ARM的电压电流源切换相序工具设计方案，并探讨了有关三相电压、电流源切换相序关键部件设计的问题。

关键词：相序表、磁耦；ARM；继电器切换

Abstract：Inthispaper，throughtheanalysisofpreviousphasesequencetablecheckproducts，thispaperputsforwardanauxiliaryconversiontoolthroughphasesequencetablechecking，whichisconvenientandquickphasesequencetablecheckscheme.Thispaperdiscussesthecircuitdesignmethodofphasesequencechecklistauxiliarytransformationtool，introducesthedesignschemeofvoltageandcurrentsourceswitchingphasesequencebasedonARM，anddiscussesthedesignofkeycomponentsofthree-phasevoltageandcurrentsourceswitchingphasesequence.

Keywords：Phasesequencetable；magneticcoupling；ARM；relayswitching.

1引言

随着微电子技术的发展，智能仪表技术正渗透到各行各业。便携式智能仪表技术的发展和应用正成为一种历史潮流，它正日益改变着各行各业的面貌。电测计量标准仪器在这样的历史条件下，也在不断更新换代，走智能化的发展道路。

电测计量标准仪器是工业过程控制中必不可少的检测仪表。随着我国国民经济特别是工业企业的发展，电测计量标准仪器的用量逐年增加。而电测计量标准仪器工作的稳定性、可靠性在工业过程控制中至关重要。作为电测计量标准仪器的检测校验设备，电测计量标准校验仪是必不可少的。传统的电测计量标准仪器的检测设备体积庞大，环节复杂，操作不方便，不能满足工业现场的使用要求。

传统相序表检定采用三相功率源检定，但由于不同厂家的三相功率源功能不同，有的不可以设置。有的设置方法繁琐，不易操作。故设计一款辅助转换工具，采用标准的三相功率源与相序表校验辅助工具实现相序表的检定。

2整机设计原理

2.1工作原理

相序表校验辅助转换工具设计原理模块框图如图1所示：

图1相序表校验辅助转换工具设计原理模块框图

相序表校验辅助转换工具MCU采用ARMCortex-M3，为保证相序切换稳定且可靠，需将数字控制强电隔离，且切换过程中需有效避免电压源短路，电流源开路。实时显示当前相序状态，实现一键切换功率源相序。

ARMCortex-M3处理器是专门针对功耗和成本敏感的嵌入式应用领域实现高性能而设计的，其高性能，高代码密度，小硅片面积，三壁合一，使得Cortex-M3在很多领域成为理想的处理平台。针对其软件优化设计的技术有：ARM汇编优化一般技术、基本运算优化，此外，Cortex-M3采用Thumb-2指令集，可通过使用Thumb-2指令优化设计，本文采用此款CPU主要考虑系统的实时性，可靠性，经济性。

3关键技术

3.1磁耦

磁耦消除了与光耦合器相关的不确定的电流传送比率、非线性传送特性以及随时间漂移和随温度漂移问题；磁耦均带有25KV/us的瞬态共模抑制能力，且能够在电压差峰值560V的环境下正常工作。磁耦器件可提供5000Vrms/min及6000V/10sec的电压隔离保护，多种型号的磁耦带有±15KV的ESD保护。

图2磁耦设计电路图

3.2电压电流切换电路

切换电路采用6B595级联实现的。6B595芯片是串行数据输入，并行输出。将CMOS转变寄存器并数据锁存，其漏级输出最高电流达500mA。主要应用于控制继电器。如果两片6B595系列芯片一起工作，一个16位的移位寄存器便可以实现。如图3，采用6B595芯片设计切换模块，继电器切换可靠，且电路设计简单。电压切换电路采用镀金宏发继电器，减少输出阻抗不影响电压信号的精度。

图3电压切换电路

4创新点

4.1继电器和抑弧电路切换电压信号

本装置可实现最大交流电压1000V切换。如图4所示。其中A，B两点分别为不同相电压输入端，C点为输出端，若在A点加上交流电压，C点有一定的负载，通过控制电路实现K1线圈正负极两端通过直流电压，那么此时K1带电切换，继电器K1触点会出现有电弧，容易造成继电器粘连损坏。固采用继电器K2、电阻R1及电容C1构成抑弧电路。在切换继电器K1之前，预先切换继电器K2通过R1，C1限制回路中电流，给后级供电，后切换继电器K1接通A，C两点，然后再断开继电器K2。

图4

4.2继电器和续流电路切换电流信号

本装置可实现最大交流电流20A切换。由于电流输出不能开路，固输出高端与低端需同时切换，需采用双刀双掷继电器，其中A，C两点与B，D分别为不同相电流输入端，E，F点为电流输出端，由于继电器切换有几毫秒到几十毫秒不等的延时，此继电器延时时间就是电流处于开路状态时间，电流一旦开路会导致功率源报警且停止输出，甚至损坏，为保证电流不能开路，采用四只大电流二极管构成的续流电路，如图5所示。当电流输入端A点电流处于交流正半周时D2，D4导通，反之处于负半周时D1，D3导通，这样继电器在切换相序时，有四只二极管进行续流。采用两只二极管串联既提高耐压，又减小电路中漏电流，使得续流电路更加稳定可靠。

图5

5外部接口设计

接口部分是连接内部控制CPU电路和外部电路的唯一通道，其可靠性直接影响标准表的性能。在通信方面，本设计具有各种物理接口，如RS-485接口，RS-232接口等。RS232接口具有许多优点。如传输效率高，抗干扰能力强，安装简单。因此，诸多国内电测设备主要采用RS-232接口。同时本设计中采取了许多保护措施，如隔离电源，过流保护，过压保护，与外界隔离输出等。

为了进一步确保通信可靠，应降低传输速度。相序表校验辅助转换工具的RS232接口使用9600bps的传输速率。此传输速率完全可以提高，但由于能够使相序表校验辅助转换工具与上位机软件更安全可靠地传输数据，故如此设计。

6电源电路模块设计

电源模块是系统的核心部分，其稳定性和可靠性决定了整个系统的运作的稳定性和平稳性。本设计中主要采用多路隔离开关电源[8]，由于开关电源体积小、功率大、效率高，故采用开关电源。

7结论

本文设计的相序表校验辅助转换工具采用模块化结构设计，包括信号隔离模块，ARM控制采样模块，切换控制模块，RS232通信模块，电源模块和系统结构模块。结构模块化能够实现每个功能模块独立的调整和测试，由于采用模块化结构设计，生产简便，质量可靠，缩短了整个产品的生产周期，并确保大规模生产。

参考文献：

[1]AnalogDevices，IncADSP-BF532.BlackfinProcessorHardwareReferenceRev.3.02004

[2]周立功.ARM微控制器基础与实践[M].《北京航空航天大学出版社》，2003.11.

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[5]胡荫林，李碧蓉.采样保持电路在正弦信号采集中的应用.《电子测量技术》1995第1期

[6]张伏生，耿中行，葛耀中.电力系统谐波分析的高精度FFT算法.《中国电机工程学报》1999第3期

[7]杨银堂贺斌朱樟明CMOS斩波稳定放大器的分析与研究《电子器件》2005年第1期

[8]孟祥印，肖世德.基于先进集成电路多输出线性直流稳压电源设计《微计算机信息》2005第1期