电子镇流器智能化在线检测系统研究

     摘 要: 电子节能灯在我国已经得到大力推广使用， 但目前节能灯镇流器大规模生产流程中大多仍采用传统人工方式进行产品故障检测。设计了以PC机为上位机， 单片机为底层处理器、基于LabV IEW及故障字典诊断技术原理构成智能化电子镇流器在线检测系统， 详细介绍系统的组成及应用， 验证了系统设计的可行性， 实用性及灵活性。

　　我国从80年代开始研制电子镇流器， 其具有功率因素高、启动特性好、体积小、重量轻等优点， 在我国已经得到了广泛使用， 目前我国的电子节能灯产量已达到了4亿只， 同时其质量和产量也在不断提高。我国现有的电子镇流器产品大多参考国外产品设计， 在产业生产过程中缺少科学系统方法来研究电子镇流器的设计问题， 产品在老化实验过程中， 当元器件参数波动工作环境温度变化时候， 镇流器的工作特性出现较大波动， 甚至出现故障。目前， 大多通用型线路板故障检测仪器在性能指标， 性价比， 通用性等方面远远满足不了生产的实际需要。设计了一种基于LabVIEW软件平台， 将系统和故障字典法相结合的构成电子镇流器在线检测系统， 并以市场上镇流器产品的典型电路为研究对象， 通过ORCAD Pspice10. 5电路仿真软件仿真建立该结构电子镇流器的故障字典， 并详细介绍了系统的组成、实现。

　　1 系统总体方案

　　如图1所示， 系统分为下位机镇流器参数采集系统与上位机LabVIEW人机交互平台。

图1 电子镇流器故障检测系统结构框图

　　本系统设计将计算机软件工程中的比较流行的面向对象的模块化设计理念应用到电子电路系统的实际过程中， 将系统划分为任务单一的模块， 有利于系统的进一步开发和完善。

　　下位机系统主要功能为测量电子镇流器各主要节点的节点电压信息， 然后通过串口通信方式传递给上位机软件平台进行的分析处理， 通过查找节点电压故障字典数据库的方式判断系统故障， 并实现大批量产品检测分析， 生成产品故障分析; 图2为节点电压测量分机结构图。

图2 节点电压测量分机结构图

　　2 电子镇流器故障字典

　　故障字典诊断法主要包括故障字典的建立和侧后分析两阶段: 即通过经验或实际需要， 确定所要诊断的故障集， 通过电路仿真或推导的方式求出电路故障集中的一个故障时的响应， 然后将所得电路响应做必要的编码处理， 作为对应的故障处的故障编号， 将他们编辑成一部故障与特征对应的故障字典; 使用过程中， 在相同输入的情况下， 将被测量电路的特征响应通过检测仪记录， 在字典中查的与此特征相对应的故障。

　　国内电子镇流器产业经过多年的发展， 出现各种各样的实用电路， 本文主要使用Psp ice 设计软件， 对一种市场的一款13W荧光灯电子镇流器进行仿真， 其电路如图3所示。

　图3 电子镇流器常用的电路结构

　　通过仿真实验并结合产品的生产过程中的实际经验， 建立该款电子镇流器的故障字典。其中图4( a)为双向导通二极管VDB3正常实际工作时的测量波形， 该类型电子镇流器在工作状态下的谐振频率为28 kH z， 幅值为3. 0V左右; 图4( b)为仿真电路VDB3中的仿真波形。

图4 导通二极管VDB3正常波形与仿真波形

　　通过建立电路模型和利用Pspice的强大的仿真分析功能， 将实际生产过程中常见性故障， 进行仿真数据分析， 对电路中主要节点电压进行仿真与实际电路进行对比， 实现对该类型镇流器的故障字典的建立。系统的检测， 即故障检测覆盖率， 同所取的电压节点数目有直接关系。

　　设计人员可以通过经验或者新型电路结构的分析， 增加或减少测量节点来提高检测的针对性以及故障检测覆盖率。系统通过对系统故障节点电压故障字典的建立， 可测量出电子镇流器的多种故障。电子镇流器的故障问题分析已经较成熟， 该系统的检测主要是针对镇流器产品流水线生产时的故障， 包括电路器件的短路、断路、三极管热击穿、电容干涸即漏电等多种/ 独立故障0及某一元器件损坏引起的/从属故障0。

　　3 下位机系统设计

　　下位机主控机工作流程如图5所示， 作为上位机LabVIEW平台系统与底层数据测量采集模块的连接。如上图2 所示， 下位机测量分机模块以STC89C516芯片为组成的分机测量单元， 测量分机系统软件设计流程如图6所示。

图5 主控单片机的程序流程图

图6 分机模块程序流程图

　　实现对电子镇流器节点的电压信号数进行测量、显示及存储。电子镇流器节点电压主要分为脉动直流高压节点和高频电压节点: 对于脉动的直流电压节点，则使用精密电阻分压模块单元及A /D转换单元。对于交流高频电压通过高频互感器， 滤波模块， 交流电压/直流电压转换模块， A /D转换模块， 主要介绍如下。

　　( 1)高频互感单元采用SPT204 型电压互感器设计， 电路结构如图7。图中， Rc是限流电阻， 调整Rc的值， 使额定输入电流为2 mA， 即可满足使用条件。副边电路是电流/电压变换电路， 当需要电压输出时采用。调整图中反馈电阻R 和r2 的值可得到所需要的电压输出。图8所示为荧光灯管两端高频高压信号转换为高压低频信号的波形显示， 电压输入信号频率为27 kH z， 互感器的信号缩小100倍， 输入输出具有良好的线性。

　　( 2)真有效值AC /DC转换模块。本文采用高准确度的AD637芯片设计出高频信号的真有效值转换电路。其电路如图9所示。

图7 电压互感模块连接

图8 荧光灯管两端高频高压信号转换

图9 AD637交流信号真有效值转换电路

　　当输入端输入交流信号时， 电路输出幅值大小为交流信号真有效值的直流电压。表1为AC /DC电路频率特性及准确度测试结果。

表1 AC /DC转换电路测试结果

　　输入信号为有效值为1 V交流电压。数据均使用安捷伦公司的TDS200B 型示波器测量。从测试结果可以看出该有效值转换模块具有准确度高、频率特性好(工作频率范围可达0~ 460 kH z)的优点。

　　( 3)带通滤波模块。荧光灯电子镇流器的谐振频率一般在20 kH z~ 50 kH z左右， 其谐波成份较为复杂。为了实现快速、测量低高频小信号电压，必须滤除线路中的干扰信号。为了在阻带内实现衰减， 通带内信号能以相同比例通过， 利用高集成度有源滤波芯片MAX275设计实现高阶Butterworth带通滤波器， 中心频率为50 kH z， 通带范围为10kHZ~ 90 kH z， 通带内增益为1。

　　4 上位机LabVIEW平台设计

　　LabVIEW是基于图形化的程序设计语言， 程序的代码是类似于流程图的方框图和线条的连接。图10及图11所示， 为参数监测系统上位机LabVIEW软件后台部分程序框图。图10显示模块主要实现对待测电子镇流器标称电压及故障字典数据库的载入。图11所示程序模块， 可将产品的检测信息自动保存到计算的文件系统中， 对产品的可靠性分析， 故障率分析等有重要的作用。

图10 待检测型号镇流器数据文件载入模块

图11 系统对检测数据及结果保存

　　图12为软件平台故障检测实时界面。该软件平台可以实现镇流器产品实时检测， 及产品批量检测分析、存储、报表输出等功能。

图12 软件平台故障检测实时界面

　　5 总结

　　根据对监控系统的整体的测试可知， 下位机主控模块与各测量模块及上位机监控系统间的通信良好， 系统运行稳定， 能够检测出电子镇流器线路板中大部分故障类型。

　　该系统结构简洁， 扩展能力强， 通过完善故障字典的数据库， 设定测量节点数目， 可提高系统的故障检测能力， 增强系统的性能指标， 以适用各种电子镇流器生产厂家的需求， 具有较强的推广潜力与广阔的市场前景。