電子鎮(zhèn)流器智能化在線檢測(cè)系統(tǒng)研究*

王邦勤，徐軍明，秦會(huì)斌

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院， 杭州310018)

我國(guó)從80年代開始研制電子鎮(zhèn)流器，其具有功率因素高、啟動(dòng)特性好、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)已經(jīng)得到了廣泛使用，目前我國(guó)的電子節(jié)能燈產(chǎn)量已達(dá)到了4億只，同時(shí)其質(zhì)量和產(chǎn)量也在不斷提高[1]。我國(guó)現(xiàn)有的電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品大多參考國(guó)外專利產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)過程中缺少科學(xué)系統(tǒng)方法來研究電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)問題，產(chǎn)品在老化實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)元器件參數(shù)波動(dòng)工作環(huán)境溫度變化時(shí)候，鎮(zhèn)流器的工作特性出現(xiàn)較大波動(dòng)，甚至出現(xiàn)故障[2]。目前，大多通用型線路板故障檢測(cè)儀器在性能指標(biāo)，性價(jià)比，通用性等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了生產(chǎn)的實(shí)際需要[3]。設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW軟件平臺(tái)，將專家系統(tǒng)和故障字典法相結(jié)合的構(gòu)成電子鎮(zhèn)流器在線檢測(cè)系統(tǒng)，并以市場(chǎng)上鎮(zhèn)流器產(chǎn)品的典型電路為研究對(duì)象，通過ORCAD Pspice10.5電路仿真軟件仿真建立該結(jié)構(gòu)電子鎮(zhèn)流器的故障字典[4]，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的組成、實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體方案

如圖1所示，系統(tǒng)分為下位機(jī)鎮(zhèn)流器參數(shù)采集系統(tǒng)與上位機(jī)LabVIEW人機(jī)交互平臺(tái)。

圖1 電子鎮(zhèn)流器故障檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將計(jì)算機(jī)軟件工程中的比較流行的面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到電子電路系統(tǒng)的實(shí)際過程中，將系統(tǒng)劃分為任務(wù)單一的模塊，有利于系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)和完善。

下位機(jī)系統(tǒng)主要功能為測(cè)量電子鎮(zhèn)流器各主要節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電壓信息，然后通過串口通信方式傳遞給上位機(jī)軟件平臺(tái)進(jìn)行的分析處理，通過查找節(jié)點(diǎn)電壓故障字典數(shù)據(jù)庫的方式判斷系統(tǒng)故障，并實(shí)現(xiàn)大批量產(chǎn)品檢測(cè)分析，生成產(chǎn)品故障分析報(bào)告；圖2為節(jié)點(diǎn)電壓測(cè)量分機(jī)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 節(jié)點(diǎn)電壓測(cè)量分機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 電子鎮(zhèn)流器故障字典

故障字典診斷法主要包括故障字典的建立和側(cè)后分析兩階段：即通過經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶋H需要，確定所要診斷的故障集，通過電路仿真或推導(dǎo)的方式求出電路故障集中的一個(gè)故障時(shí)的響應(yīng)，然后將所得電路響應(yīng)做必要的編碼處理，作為對(duì)應(yīng)的故障處的故障編號(hào)，將他們編輯成一部故障與特征對(duì)應(yīng)的故障字典[5]；使用過程中，在相同輸入的情況下，將被測(cè)量電路的特征響應(yīng)通過檢測(cè)儀記錄，在字典中查的與此特征相對(duì)應(yīng)的故障。

國(guó)內(nèi)電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)業(yè)經(jīng)過多年的發(fā)展，出現(xiàn)各種各樣的實(shí)用電路，本文主要使用Pspice設(shè)計(jì)軟件，對(duì)一種市場(chǎng)的一款13W熒光燈電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行仿真，其電路如圖3所示。

圖3 電子鎮(zhèn)流器最常用的電路結(jié)構(gòu)

通過仿真實(shí)驗(yàn)并結(jié)合產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，建立該款電子鎮(zhèn)流器的故障字典[5]。其中圖4(a)為雙向?qū)ǘO管VDB3正常實(shí)際工作時(shí)的測(cè)量波形，該類型電子鎮(zhèn)流器在工作狀態(tài)下的諧振頻率為28 kHz，幅值為3.0 V左右；圖4(b)為仿真電路VDB3中的仿真波形。

圖4 導(dǎo)通二極管VDB3正常波形與仿真波形

通過建立電路模型和利用Pspice的強(qiáng)大的仿真分析功能，將實(shí)際生產(chǎn)過程中常見性故障，進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)分析，對(duì)電路中主要節(jié)點(diǎn)電壓進(jìn)行仿真與實(shí)際電路進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)該類型鎮(zhèn)流器的故障字典的建立。系統(tǒng)的檢測(cè)精度，即故障檢測(cè)覆蓋率，同所取的電壓節(jié)點(diǎn)數(shù)目有直接關(guān)系[6]。

專業(yè)設(shè)計(jì)人員可以通過經(jīng)驗(yàn)或者新型電路結(jié)構(gòu)的分析，增加或減少測(cè)量節(jié)點(diǎn)來提高檢測(cè)的針對(duì)性以及故障檢測(cè)覆蓋率。系統(tǒng)通過對(duì)系統(tǒng)故障節(jié)點(diǎn)電壓故障字典的建立，可測(cè)量出電子鎮(zhèn)流器的多種故障[7]。電子鎮(zhèn)流器的故障問題分析已經(jīng)較成熟，該系統(tǒng)的檢測(cè)主要是針對(duì)鎮(zhèn)流器產(chǎn)品流水線生產(chǎn)時(shí)的故障，包括電路器件的短路、斷路、三極管熱擊穿、電容干涸即漏電等多種“獨(dú)立故障”及某一元器件損壞引起的“從屬故障”[8]。

3 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

下位機(jī)主控機(jī)工作流程如圖5所示，作為上位機(jī)LabVIEW平臺(tái)系統(tǒng)與底層數(shù)據(jù)測(cè)量采集模塊的連接。如上圖 2 所示， 下位機(jī)測(cè)量分機(jī)模塊以STC89C516芯片為核心組成的分機(jī)測(cè)量單元，測(cè)量分機(jī)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

實(shí)現(xiàn)對(duì)電子鎮(zhèn)流器節(jié)點(diǎn)的電壓信號(hào)數(shù)進(jìn)行測(cè)量、顯示及存儲(chǔ)。電子鎮(zhèn)流器節(jié)點(diǎn)電壓主要分為脈動(dòng)直流高壓節(jié)點(diǎn)和高頻電壓節(jié)點(diǎn)：對(duì)于脈動(dòng)的直流電壓節(jié)點(diǎn)，則使用精密電阻分壓模塊單元及A/D轉(zhuǎn)換單元。對(duì)于交流高頻電壓通過高頻互感器，濾波模塊，交流電壓/直流電壓轉(zhuǎn)換模塊，A/D轉(zhuǎn)換模塊，主要介紹如下。

圖5 主控單片機(jī)的程序流程圖

圖6 分機(jī)模塊程序流程圖

(1)高頻互感單元采用SPT204 型電壓互感器設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)如圖7。圖中， R′是限流電阻，調(diào)整R′的值，使額定輸入電流為2 mA，即可滿足使用條件。副邊電路是電流/電壓變換電路，當(dāng)需要電壓輸出時(shí)采用。調(diào)整圖中反饋電阻R和r2的值可得到所需要的電壓輸出。圖8所示為熒光燈管兩端高頻高壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為高壓低頻信號(hào)的波形顯示，電壓輸入信號(hào)頻率為27 kHz，互感器的信號(hào)縮小100倍，輸入輸出具有良好的線性。

(2)真有效值A(chǔ)C/DC轉(zhuǎn)換模塊。本文采用高準(zhǔn)確度的AD637芯片設(shè)計(jì)出高頻信號(hào)的真有效值轉(zhuǎn)換電路[9]。其電路如圖9所示。

圖7 電壓互感模塊連接

圖8 熒光燈管兩端高頻高壓信號(hào)轉(zhuǎn)換

圖9 AD 637交流信號(hào)真有效值轉(zhuǎn)換電路

當(dāng)輸入端輸入交流信號(hào)時(shí)，電路輸出幅值大小為交流信號(hào)真有效值的直流電壓。表1為AC/DC電路頻率特性及準(zhǔn)確度測(cè)試結(jié)果。

表1 AC/DC轉(zhuǎn)換電路測(cè)試結(jié)果

輸入信號(hào)為有效值為1 V交流電壓。數(shù)據(jù)均使用安捷倫公司的TDS200B型示波器測(cè)量。從測(cè)試結(jié)果可以看出該有效值轉(zhuǎn)換模塊具有準(zhǔn)確度高、頻率特性好(工作頻率范圍可達(dá)0 ～460 kHz)的優(yōu)點(diǎn)。

(3)帶通濾波模塊。熒光燈電子鎮(zhèn)流器的諧振頻率一般在20 kHz～50 kHz左右，其諧波成份較為復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)快速、精確測(cè)量低高頻小信號(hào)電壓，必須濾除線路中的干擾信號(hào)。為了在阻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大衰減，通帶內(nèi)信號(hào)能以相同比例通過，利用高集成度有源濾波芯片MAX275設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)高階Butterworth帶通濾波器， 中心頻率為 50 kHz，通帶范圍為 10 kHZ～90 kHz，通帶內(nèi)增益為1。

4 上位機(jī)LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)

LabVIEW是基于圖形化的程序設(shè)計(jì)語言，程序的核心代碼是類似于流程圖的方框圖和線條的連接[10]。圖10及圖11所示，為參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)LabVIEW軟件后臺(tái)部分程序框圖。圖10顯示模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)電子鎮(zhèn)流器標(biāo)稱電壓及故障字典數(shù)據(jù)庫的載入。圖11所示程序模塊，可將產(chǎn)品的檢測(cè)信息自動(dòng)保存到計(jì)算的文件系統(tǒng)中，對(duì)產(chǎn)品的可靠性分析，故障率分析等有重要的作用。

圖10 待檢測(cè)型號(hào)鎮(zhèn)流器數(shù)據(jù)文件載入模塊

圖11 系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果保存

圖12為軟件平臺(tái)故障檢測(cè)實(shí)時(shí)界面。該軟件平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)流器產(chǎn)品實(shí)時(shí)檢測(cè)，及產(chǎn)品批量檢測(cè)分析、存儲(chǔ)、報(bào)表輸出等功能。

圖12 軟件平臺(tái)故障檢測(cè)實(shí)時(shí)界面

5 總結(jié)

根據(jù)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的整體的測(cè)試可知，下位機(jī)主控模塊與各測(cè)量模塊及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)間的通信良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠檢測(cè)出電子鎮(zhèn)流器線路板中大部分故障類型。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，擴(kuò)展能力強(qiáng)，通過完善故障字典的數(shù)據(jù)庫，設(shè)定測(cè)量節(jié)點(diǎn)數(shù)目，可提高系統(tǒng)的故障檢測(cè)能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，以適用各種電子鎮(zhèn)流器生產(chǎn)廠家的需求，具有較強(qiáng)的推廣潛力與廣闊的市場(chǎng)前景。

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