脉冲功率源放电电流在线故障检测装置

脉冲功率源放电电流在线故障检测装置
1.技术领域
2.本发明涉及脉冲功率电源的测量技术领域，具体是一种脉冲功率源放电电流在线电流检测装置。


背景技术：

3.脉冲电源作为电磁发射装置中的重要组成部分，特点是体积小，储能密度高，输出功率大，输出电流大。它的发展能够有效的推动电磁发射技术的发展，未来电磁轨道发射技术的发展需要电磁轨道炮具备快速连续发射弹丸的能力, 这就需要脉冲功率源具备相应的快速连续多次充放电能力, 即脉冲电源的高重频的工作能力，同时由于脉冲功率技术在民用以及高功率微波等领域应用及其潜在应用的推动，高平均功率、紧凑型、可重复运行的脉冲功率技术的发展速度日益也加快，随着高功率微波研究和应用的发展，对可重复运行的脉冲功率源的需求也越来越明显。
4.脉冲功率源模块中，脉冲电容器，脉冲开关，续流硅堆等大功率元件特性不仅对放电脉冲的上升，幅值，关断，频率等技术参数产生直接影响，而且对系统工作效率，可靠性,寿命等也有直接影响。脉冲电容器是脉冲功率源体积质量最大的一部分，需要满足脉冲放电高电压，大电流，高效率和能量快速释放的要求续流硅堆在多个pfn放电模块并联使用时起到隔离与保护的作用， 防止某一模块发生故障影响其他模块工作使系统输出精度降低。单独一个硅二极管的耐压有限，不适合作为高压整流元件，将多个二极管串联起来形成一个集成器件，就叫做高压硅堆，在高压电路中相当于一个二极管在电路中起高压整流、隔离、保护等作用。
5.脉冲功率源必须具备重频连发工作能力，由于结构小型化和大电流输出要求和元件工艺限制，脉冲电源及其元器件大部分时间工作在极限参数附近。由于内阻的存在，脉冲放电时有一部分能量转换成热量分布在脉冲原件中，在负载短路的放电异常情况下电路存储电能会几乎全部被转化为电源的内部热量。因放电发热时间很短且大功率元件的大都采用绝缘密封结构，不利于散热，重频连发工作将使得热量在电源内部快速累积，元件内部温度会急剧升高进而发生绝缘热损伤，出现电热击穿故障，热管理是电源实现重频发射的首要问题。脉冲功率源小型化程度越高，结构越紧凑，发热问题就越突出，热管理也越重要。当脉冲成形子系统中的模块元器件发生损坏时，其子系统电流波形以及模块电流波形均会与正常放电波形有明显差异，传统的电流检测方式放在大电压大电流强磁场环境下已经很难通用，同时放电时间过短，高重频发射条件下检测速度要求高以及脉冲电源模块放电受到多方实验条件等多方面限制并没有具体的参数指标。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种脉冲功率源放电电流在线电流检测装置。
7.实现本发明目的的技术解决方案为：一种脉冲功率源放电电流在线故障检测装置，包括电流冗余采样模块、电流数据转换模块、故障诊断模块；电流冗余采样模块，在脉冲电源放电过程中对电流数据进行多路冗余采样；电流数据转换模块，多路冗余采样的电流数据经过调理后输入到单片机进行转换，将转换完成的电流数据进行一致性检验并最终得到合理的采样电流数据；故障诊断模块，将采集到的电流数据输入到故障诊断模块进行比较，如果电流数据在阈值内，则判定该放电过程正常，从而复位系统进行下一次放电，否则，终止放电过程并给出告警信息。
8.本发明与现有技术相比，其显著优点：1）能够在放电正常时，完全自动的完成脉冲电源的高重频放电流程，能够达到一分钟十次的放电。2）在脉冲电源模块异常放电时，能够及时检测到并立刻中止放电流程并告警，从而能够很好的保护脉冲电源模块以及相关的元器件不受损坏。3）为了完成一分钟十次的高重频发射，对于每一轮发射过程，5s时长用于给脉冲电源模块进行充电；在1s的时长内，完成在触发信号发出后采集20ms电流数据采集，剩余的时间内完成对放电故障在线诊断并在放电正常时复位系统进入下一轮的放电，异常时发出告警信号终止放电。
附图说明
9.图1本发明本发明脉冲电源放电电流在线故障诊断装置模块示意图。
10.图2本发明电流采样模块电路图。
11.图3本发明电流数据转换流程示意图。
12.图4本发明故障诊断整体流程图。
13.图5本发明数据存储模块电路图。
具体实施方式
14.本发明提出了一种基于分布式控制技术、强触发技术、放电电流诊断技术的高重频脉冲功率触发控制系统设计，通过对放电参数的分析判断实时检测到当前每个储能模块放电是否存在故障，从而提供相应预警保护措施并在正常放电时完成重频连发的流程控制功能。控制系统能够执行对脉冲电源的充放电动作，能够完成电流等放电数据采样，通过ad模块转换以及数据存储上传等功能。
15.本发明一种脉冲功率源放电电流在线故障检测装置，包括电流冗余采样模块，电流数据转换模块，故障诊断模块和数据存储模块。本发明的脉冲功率源放电电流在线故障检测装置能够按照设定的时序触发脉冲电源模块并在线进行放电参数的诊断，在放电异常时告警并停止放电，在正常放电时能够完成每分钟内十次的高重频发射。
16.所述的电流冗余采样模块，所述多路电流采集模块设计了三路的冗余电流采样电路。电流采集电路第一运放op07d(u5)、第一电阻（r2）、第二电阻（r4）、第一电容（c9）、第二电容（c13）、第三电容(c15)。第一电容和第一电阻并联后，一端连接在第一运放（u5）的2脚，另一端连接在其6脚，第一运放（u5）3脚连接电流信号的输入引脚uin，4脚接地gnd，7脚连接供电电源vcc同时连接一个滤波作用的第三电容（c15），6脚连接到第二电阻，第二电阻另一端输出电流数据到单片机引脚uout，最终能够同时完成三路的电流采样。脉冲电源模块ppm
的电流参数的采集和诊断在前端控制采集器完成。rogowski线圈套在放电回路的导线上,线圈输出端积分器输出经过a/d转换后输入单片机进行采集判断，所选取的前端控制器的微处理器的ad采样速率可达300k，能够采集得到一个完成得放电电流波形，晶振选择为微处理器内部晶振。在此脉冲功率源放电电流在线故障检测装置中，通过设计了三路冗余电流采样完成后续的电流数据转换和比较。
17.所述电流数据转换模块，在将对于同一个模块进行的多路冗余采样得到的电流数据进行转换并最终得到可靠的电流采样数据。脉冲电源模块放电时进行电流参数采集，得到某一时刻的电流采样值1，采样值2，采样值3；对于采样值采用3σ准则进行数据处理。通过三组采样值得到标准差σ和平均值μ，在三组采样值中，分布在（μ-3σ,μ+3σ)区间的采样值满足3σ准则，则可进行后续处理；当存在不满足分布在（μ-3σ,μ+3σ)区间的采样值，则可认为是放电过程中异常原因产生的存在粗大误差的不可用数据而直接剔除.对于最终得到的合理采样值求均值则可得到最终的采样值。
18.所述故障诊断模块，由于多路电流采集模块设计了三路的冗余电流采样电路，每一路的设计完全相同，同时完成三路的电流采样。脉冲电源模块ppm的电流参数转换和故障诊断诊断在前端控制采集器的单片机内完成。rogowski线圈套在放电回路的导线上,线圈输出端积分器输出经过a/d转换后输入单片机进行采集判断。通过对实验室ppm模块放电参数的分析可以得到正常放电时参数曲线,同时通过对脉冲电源模块放电过程进程理论推导得到理想放电曲线，依此作为阈值设置进单片机，并最终完成整个电流诊断流程。前端控制器在脉冲电源模块放电时进行电流参数采集，得到某一时刻的电流采样值1，采样值2，采样值3；对于采样值采用3σ准则进行数据处理。通过三组采样值得到标准差σ和平均值μ，在三组采样值中，分布在（μ-3σ,μ+3σ)区间的采样值满足3σ准则，则可进行后续处理；当存在不满足分布在（μ-3σ,μ+3σ)区间的采样值，则可认为是放电过程中异常原因产生的存在粗大误差的不可用数据而直接剔除.对于最终得到的合理采样值求均值则可得到最终的采样值。根据脉冲电源模块进行理想放电情况进行仿真得到的电流参数，以及对单个电源模块的放电数据进行分析得到的电流数据可设置为放电正常区间阈值，最终的数据采样值在区间内则可判定为正常放电。放电正常时，则在放电流程完成后复位系统自检并进行下一轮充放电准备直至完成预设的整个重频发射流程；采样值一旦出现放电异常则进行放电异常报警，复位系统后进行检查异常原因.所述数据存储模块设计包括sn74hc573an，is62c256al-45tli,第三电容(c2)，第四电容（c1）。由于一个采样周期需要11k*6左右的数据量，在重频发射的条件下单片机内部ram无法存储这样体量的数据，因此通过并行总线外扩一个sdram能够实现整个重频发射过程的数据存储并将数据上传到上位机进行进一步处理分析。sn74hc573an的0脚连接到地gnd,2脚连接到单片机的p0.0脚以及is62c256al-45tli的11脚。3脚连接到单片机的p0.1脚以及is62c256al-45tli的12脚，4脚连接到单片机的p0.2脚以及is62c256al-45tli的13脚，5脚连接到单片机的p0.3脚以及is62c256al-45tli的14脚，6脚连接到单片机的p0.4脚以及is62c256al-45tli的15脚并依次往下对应连接。第十二电容(c2)一端接地gnd，另一端连接到sn74hc573an的vcc引脚。sn74hc573an的11引脚连接到单片机的p4.5脚. is62c256al-45tli的22脚连接到单片机的p4.4脚，23脚连接到单片机的p2.3脚，24脚连接到单片机的p2.1脚，25脚连接到单片机的p2.0脚，26脚连接到单片机的p2.5脚，28脚连接到电源vcc，1
脚连接到单片机的p2.6脚，2脚连接到单片机的p2.4脚。最终能够达到为前端控制器外扩sdram用于存储数据的效果。
19.本发明一种基于脉冲功率源电流在线故障检测装置的工作过程，包括如下步骤：步骤1：利用串口通信下载控制程序至单片机中，程序包含总线通信数据传输程序，开关控制检测程序，光纤通信程序等；步骤2：故障诊断装置控制器上电后，利用上位机界面输入脉冲电源模块充电电压参数和延时参数，通过触发控制盒发出触发信号触发选中的脉冲电源模块放电，在放电开始后，当放电电流达到设定电平大小时开始进行电流采集，采集20ms时长的数据量，可以得到一个完整的放电电流波形。
20.步骤3：放电正常时，则在放电流程完成后复位系统自检，其中包括重新对脉冲电容器进行充电，高压开关状态的复位及检测，再进行下一轮充放电以此循环至完成预设的整个重频发射流程；采样值经过在线诊断机构一旦判定出现放电异常则进行放电异常报警并终止放电，进行后续人工检查异常下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
21.如图1所示，本发明的一种脉冲功率源放电电流在线故障检测装置，利用can总线通信通过arm上位机控制多个基于单片机的前端采集器控制脉冲电源模块触发放电，故障检测装置能够对由罗氏线圈和配套积分器输出的脉冲电源放电模块的电流参数进行采集，在进行多路冗余数据采样后对数据进行一致性校验并得到最终的准确采样值，对采样值进行阈值比较后判定放电过程是否正常，正常时将所有开关复位并检测状态，脉冲电源模块电容器充电至指定电压并重新放电，依此循环至一分钟10次的放电；如果判定放电异常，则立刻终止放电并发出告警提示，进行进一步的设备维护等工作。
22.如图2所述的电流冗余采样模块设计了三路的冗余电流采样电路，每一路的设计完全相同。单路的电流采集电路包括第一运放op07d(u9)，第一电阻（r9），第二电阻（r11），第一电容（c19），第二电容（c22）,第三电容(c20)。第一运放的3脚连接电流信号的输入引脚uin，4脚接地gnd，6脚通过第十电阻连接，将调理后的电流信号传到单片机引脚p1.2进行电流信号采集ad转换。其余两路的电流采样设计完全相同，最终能够同时完成三路的电流采样。脉冲电源模块ppm的电流参数的采集和诊断在前端控制采集器完成。rogowski线圈套在放电回路的导线上,线圈输出端积分器输出经过a/d转换后输入单片机进行采集判断，所选取的前端控制器的微处理器的ad采样速率可达300k，能够采集得到一个完成得放电电流波形，晶振选择为微处理器内部晶振。在此脉冲功率源放电电流在线故障检测装置中，通过设计了三路冗余电流采样完成后续的电流数据转换和比较。
23.如图3所示，所述电流数据转换模块，在将对于同一个模块同一点进行的多路冗余采样得到的电流数据进行转换并最终得到可靠的电流采样数据。脉冲电源模块放电时进行电流参数采集，得到某一时刻的电流采样值1，采样值2，采样值3；对于采样值采用3σ准则进行数据处理。通过三组采样值得到标准差σ和平均值μ，在三组采样值中，分布在（μ-3σ,μ+3σ)区间的采样值满足3σ准则，则可进行后续处理；当存在不满足分布在（μ-3σ,μ+3σ)区间的采样值，则可认为是放电过程中异常原因产生的存在粗大误差的不可用数据而直接剔除.对于最终得到的合理采样值求均值则可得到最终的采样值。
24.如图4所示，所述故障诊断模块，由于多路电流采集模块设计了三路的冗余电流采
样电路，每一路的设计完全相同，同时完成三路的电流采样。脉冲电源模块ppm的电流参数转换和故障诊断诊断在前端控制采集器的单片机内完成。rogowski线圈套在放电回路的导线上,线圈输出端积分器输出经过a/d转换后输入单片机进行采集判断。通过对实验室ppm模块放电参数的分析可以得到正常放电时参数曲线,同时通过对脉冲电源模块放电过程进程理论推导得到理想放电曲线，依此作为阈值设置进单片机，并最终完成整个电流诊断流程。前端控制器在脉冲电源模块放电时进行电流参数采集，得到某一时刻的电流采样值1，采样值2，采样值3；对于采样值采用3σ准则进行数据处理。通过三组采样值得到标准差σ和平均值μ，在三组采样值中，分布在（μ-3σ,μ+3σ)区间的采样值满足3σ准则，则可进行后续处理；当存在不满足分布在（μ-3σ,μ+3σ)区间的采样值，则可认为是放电过程中异常原因产生的存在粗大误差的不可用数据而直接剔除.对于最终得到的合理采样值求均值则可得到最终的采样值。根据脉冲电源模块进行理想放电情况进行仿真得到的电流参数，以及对单个电源模块的放电数据进行分析得到的电流数据可设置为放电正常区间阈值，最终的数据采样值在区间内则可判定为正常放电。放电正常时，则在放电流程完成后复位系统自检并进行下一轮充放电准备直至完成预设的整个重频发射流程；采样值一旦出现放电异常则进行放电异常报警，复位系统后进行检查异常原因.如图5所示所述外扩sdram模块包括sn74hc573an，is62c256al-45tli,第四电容(c2)，第五电容（c1）。sn74hc573an的0脚连接到地gnd,2脚连接到单片机的p0.0脚以及is62c256al-45tli的11脚。3脚连接到单片机的p0.1脚以及is62c256al-45tli的12脚，4脚连接到单片机的p0.2脚以及is62c256al-45tli的13脚，5脚连接到单片机的p0.3脚以及is62c256al-45tli的14脚，6脚连接到单片机的p0.4脚以及is62c256al-45tli的15脚并依次往下对应连接。第四电容(c2)一端接地gnd，另一端连接到sn74hc573an的vcc引脚。sn74hc573an的11引脚连接到单片机的p4.5脚. is62c256al-45tli的22脚连接到单片机的p4.4脚，23脚连接到单片机的p2.3脚，24脚连接到单片机的p2.1脚，25脚连接到单片机的p2.0脚，26脚连接到单片机的p2.5脚，28脚连接到电源vcc，1脚连接到单片机的p2.6脚，2脚连接到单片机的p2.4脚。最终能够达到为前端控制器外扩sdram用于存储数据的效果。
25.本发明提供一种脉冲功率源放电电流在线故障检测装置能够在脉冲电源模块高重频放电时进行在线检测。当晶闸管放电结束后通过对电流的冗余采样，将采样电流与正常放电的阈值比对给出判定结果进行从而进行后续流程。本发明的脉冲功率源放电电流在线故障检测装置能够按照设定的时序触发脉冲电源模块集群，并在线进行放电参数的诊断，在放电异常时告警并停止放电，在正常放电时复位系统重新放电最终能够完成每分钟内十次的高重频发射。以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。