基于恒流转换器系统的离线绝缘电阻采样电路的制作方法

1.本发明涉及绝缘电阻采样电路技术领域，尤其涉及基于恒流转换器系统的离线绝缘电阻采样电路。


背景技术：

2.电子产品的使用需要电力线提供电源，这些电源有来自市电，也有发电机、电池等，然后通过电力转换器将各种不同对电压电流的电源转换成稳定可控的电压电流，提供给产品使用，由于电源不同存在危险，所以电源和用电产品之间需要隔离，存在对人和设备产生危险的隐患。


技术实现要素：

3.本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供基于恒流转换器系统的离线绝缘电阻采样电路，包括ad/dc模块、dc/dc模块、采样电路、驱动电路、mcu模块、通信模块与外部电阻；
4.ad/dc模块用于输入电源电压以及电压转换；ad/dc模块通过dc/dc模块与主功率回路相连；采样电路的输入端与主功率回路、ad/dc模块输出端相连；采样电路的输出端与mcu模块相连；mcu模块通过驱动电路与主功率回路相连；mcu模块与通信模块相连；通信模块用于连接上位机；muc模块通过驱动电路与dc/dc模块相连；驱动电路用于主功率回路、dc/dc模块的通断控制；采样电路用于采集主功率回路电压采样；
5.主功率回路包括第一继电器；mcu模块连接第一继电器；第一继电器常开触点第一端接主功率回路输入端；第一继电器常开触点第二端接主功率回路输出端；主功率回路输出端连接外部电阻；
6.采样电路包括12v直流电源、升压电源、第一电阻、第二电阻、第三电阻、至少一个第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电压跟随与差分放大电路、第二电压跟随与差分放大电路、第二继电器、第三继电器、第四继电器与三极管；升压电源与第一电阻第一端、第二继电器第一端相连；第一电阻第二端接第三继电器常开触点第一端、第四继电器常开触点第一端；第三继电器常开触点第二端通过第六电阻接主功率回路第一输出端；主功率回路第二输出端通过第七电阻接第四继电器常开触点第二端；第二电阻第二端接第一电压跟随与差分放大电路输入端、第三电阻第一端；第一电压跟随与差分放大电路输出端接mcu模块；第三电阻第二端接三极管发射极、第五电阻第二端且接地；三极管集电极接第四电阻第二端；第四电阻第一端接第五电阻第一端、第二电压跟随与差分放大电路输入端、第五继电器常开触点；第二电压跟随与差分放大电路接mcu模块；mcu模块与第二继电器第一端、第三继电器第一端、第四继电器第一端、第五继电器第一端相连；第二继电器第二端、第三继电器第二端、第四继电器第二端、第五继电器第二端接12v直流电源。
7.具体的，所述通信模块为can总线模块。
8.基于所述基于恒流转换器系统的离线绝缘电阻采样电路的离线绝缘电阻采样方
法，包括步骤：
9.输入高电平绝缘电阻检测信号至mcu模块；
10.mcu模块输出电平信号至第一继电器，控制主功率回路通断，mcu模块控制升压电源输出，用于为采样电路提供参考电压；
11.电压信号经过电压跟随与差分放大输出至mcu模块计算出升压电源实际的电压值；
12.mcu模块控制第四继电器常开触点、第五继电器常开触点闭合，升压电源输出经过第一电阻、第四继电器、第五继电器、第五电阻、第三电阻、第二电阻回到升压电源负端形成回路，在第五电阻产生一个电压信号vs，这个电压信号vs输入至mcu模块；
13.电压信号经过电压跟随与差分放大输出至mcu模块计算出外部电阻大小。
14.具体的，所述计算出外部电阻大小过程包括：
15.设外部电阻为rz；dc/dc模块输出电压为v0，第二电压跟随与差分放大电路包括第一电压跟随器、第八电阻r8、第一电容、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第一运算放大器与第十三电阻；第四电阻第一端通过第一电压跟随器接第八电阻第二端；第八电阻第一端接第一电容第一端、第九电阻第二端；第九电阻第一端接第十电阻第一端、第一运算放大器同向输入端；第十电阻第二端、第十一电阻第二端接地；第十一电阻第一端接第十二电阻第二端、第一运算放大器反向输入端；第十二电阻第一端接第一运算放大器输出端、第十三电阻第二端；第十三电阻第一端接mcu模块。
16.将rz分成6个段：rz>100mohm，100mohm>rz>10mohm，10mohm>rz>1mohm，1mohm>rz>100kohm，100kohm>rz>10kohm，10kohm>rz；
17.如果测得的vs电压小于0.3v，则rz大于100mohm；
18.如果测得3v>vs>0.3v，rz＝v/vs*(rf/re)*r5
‑
rf
‑
r5；
19.如果测得vs>3v，则rz<10mohm；
20.mcu控制三极管三极管导通，让r4和r5并联，得到电阻rm＝1/(1/r4+1/r5)，产生电压vs1，如果mcu测得的vs1电压小于0.3v，则rz大于10mohm；
21.如果mcu测得3v>vs>0.3v，通过vs＝v0*rm/(rf+rm+rz)*(rf/re),计算得出rz＝v0/vs*(rf/re)*rm
‑
rf
‑
rm；
22.如果mcu测得vs>3v，则rz<1mohm；
23.通过测试vs的值和改变mcu的b脚位和a脚位来测得1mohm>rz>100kohm，100kohm>rz>10kohm，10kohm>rz的阻值，测试完成后关闭rly2继电器；
24.mcu控制第三继电器闭合，以此来测试主电路正端对大地的绝缘电阻值；
25.关闭第三继电器，得到外部电阻rz的最小值，然后通过led显示绝缘电阻在哪个范围端，并把绝缘电阻值通过can发送给到上位机；
26.依次关闭第五继电器连接地线的继电器，第二继电器继电器，关闭电源，恢复主功率的第一继电器触点。
27.本发明的有益效果在于：本发明能够对恒流电源的绝缘电阻随时进行离线检测，不仅提高了助恒流电源系统的安全可靠性，而且降低了检测助恒流电源系统绝缘电阻检测的困难。
附图说明
28.图1是本发明的系统框图；
29.图2是本发明的电路原理图；
30.图3是本发明具体实施方式的电路图；
31.图4是本发明的运行逻辑图。
32.图中：rly1
‑
第一继电器；rly1a、rly1b
‑
第一继电器触点；rly2
‑
第二继电器；rly3
‑
第四继电器；rly4第四继电器；rly5
‑
第五继电器；c1、c2
‑
电容；q1、q2、q3
‑
三极管；r1～r17
‑
电阻；rz
‑
外部电阻；v1
‑
第一运算放大器；v2
‑
第二运算放大器；v3
‑
第三运算放大器；v4
‑
第四运算放大器；cn1、cn2
‑
连接器。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明作进一步说明：
34.如附图1所示，本发明为基于恒流转换器系统的离线绝缘电阻采样电路，包括ad/dc模块、dc/dc模块、采样电路、驱动电路、mcu模块、通信模块与外部电阻；
35.ad/dc模块用于输入电源电压以及电压转换；ad/dc模块通过dc/dc模块与主功率回路相连；采样电路的输入端与主功率回路、ad/dc模块输出端相连；采样电路的输出端与mcu模块相连；mcu模块通过驱动电路与主功率回路相连；mcu模块与通信模块相连；通信模块用于连接上位机；muc模块通过驱动电路与dc/dc模块相连；驱动电路用于主功率回路、dc/dc模块的通断控制；采样电路用于采集主功率回路电压采样；
36.主功率回路包括第一继电器；mcu模块连接第一继电器；第一继电器常开触点第一端接主功率回路输入端；第一继电器常开触点第二端接主功率回路输出端；主功率回路输出端连接外部电阻；
37.采样电路包括12v直流电源、升压电源、第一电阻、第二电阻、第三电阻、至少一个第四电阻、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第一电压跟随与差分放大电路、第二电压跟随与差分放大电路、第二继电器、第三继电器、第四继电器与三极管；升压电源与第一电阻第一端、第二继电器第一端相连；第一电阻第二端接第三继电器常开触点第一端、第四继电器常开触点第一端；第三继电器常开触点第二端通过第六电阻接主功率回路第一输出端；主功率回路第二输出端通过第七电阻接第四继电器常开触点第二端；第二电阻第二端接第一电压跟随与差分放大电路输入端、第三电阻第一端；第一电压跟随与差分放大电路输出端接mcu模块；第三电阻第二端接三极管发射极、第五电阻第二端且接地；三极管集电极接第四电阻第二端；第四电阻第一端接第五电阻第一端、第二电压跟随与差分放大电路输入端、第五继电器常开触点；第二电压跟随与差分放大电路接mcu模块；mcu模块与第二继电器第一端、第三继电器第一端、第四继电器第一端、第五继电器第一端相连；第二继电器第二端、第三继电器第二端、第四继电器第二端、第五继电器第二端接12v直流电源。
38.第二电压跟随与差分放大电路包括第一电压跟随器、第八电阻r8、第一电容、第九电阻r9、第十电阻r10、第十一电阻r11、第十二电阻r12、第一运算放大器与第十三电阻；第四电阻第一端通过第一电压跟随器接第八电阻第二端；第八电阻第一端接第一电容第一端、第九电阻第二端；第九电阻第一端接第十电阻第一端、第一运算放大器同向输入端；第十电阻第二端、第十一电阻第二端接地；第十一电阻第一端接第十二电阻第二端、第一运算
放大器反向输入端；第十二电阻第一端接第一运算放大器输出端、第十三电阻第二端；第十三电阻第一端接mcu模块。
39.具体的，如附图3所示，该离线绝缘电阻采样电路的工作原理为：
40.当系统需要绝缘电阻检测时，将通过cn1给一个高电平到u4,当mcu检测的mcu为低电平时，mcu开始绝缘电阻检测，另外也可以通过can通信给到mcu，让mcu给出信号开始绝缘电阻检测；
41.这时mcu给到第一继电器rly1一个高电平，将主功率电路里面第一继电器的触点断开；
42.mcu输出一个高电平，让500vdc/dc模块模块输出500vdc电压，然后mcu给到rly
‑
vs一个高电平，让继电器rly2导通，500v电压通过电阻r2，电阻r2可采用多个电阻串联等效替代，在电阻r3上形成的电压通过v1电压跟随然后差分放大，然后传给mcu的vs
‑
500v，令r14＝r16＝ra，r15＝r17＝rb，r2＝rc,500v电源模块实际的电压值v500，mcu脚位检测的电压vs
‑
500v＝vx，通过vx＝v500*r3/(rc+r3)*(rb/ra),可以得到v500＝vx*ra*(rc+r3)/(rb*r3)，这时就测试出了500v电源模块实际的电压值；
43.这时mcu给到rly
‑
pe端口一个高电平信号，让rly5继电器闭合，这时绝缘检测电路和大地连接在一起。运行逻辑如附图4所示。
44.mcu再给到rly
‑
out
‑
(rly4继电器的控制输入端)一个高电平信号，让rly4继电器闭合，这时v500的电压通过继电器rly4和r7连接到主线路上，再通过外部线路电阻到大地，再到cn1、rly5以及r5电阻回到dc/dc模块的负端，形成了一个回路，并在r5电阻上产生了一个电压，这个电压同过v3运算放大器电压跟随以及差分放大，得到一个电压vs，传给mcu，这里r9＝r11＝re,r10＝r12＝rf,r7＝rf,外部的绝缘电阻为rz；由于rz的阻值一个很宽的范围，这里将rz分成6个段：rz>100mohm，100mohm>rz>10mohm，10mohm>rz>1mohm，1mohm>rz>100kohm，100kohm>rz>10kohm，10kohm>rz；
45.(1)如果mcu测得的vs电压小于0.3v，则rz大于100mohm；
46.(2)如果mcu测得3v>vs>0.3v，通过vs＝v500*r33/(rf+r5+rz)*(rf/re),mcu计算可以得出rz＝r500/vs*(rf/re)*r5
‑
rf
‑
r5；
47.(3)如果mcu测得vs>3v，则rz<10mohm；
48.(4)那么，mcu给到c脚位一个高电平，让三极管q3导通，让r5和r4并联，得到一个电阻rm＝1/(1/r4+1/r5),产生一个新的电压vs，如果mcu测得的vs电压小于0.3v，则rz大于10mohm；
49.(5)如果mcu测得3v>vs>0.3v，通过vs＝v500*rm/(rf+rm+rz)*(rf/re),mcu计算可以得出rz＝r500/vs*(rf/re)*rm
‑
rf
‑
rm；
50.(6)如果mcu测得vs>3v，则rz<1mohm；
51.(7)同样的方法，通过测试vs的值和改变mcu的b脚位和a脚位来测得1mohm>rz>100kohm，100kohm>rz>10kohm，10kohm>rz的阻值。测试完成后关闭rly2继电器；
52.同第5步骤，mcu再给到rly
‑
out+一个高电平信号，让rly1继电器闭合，以此来测试主电路正端对大地的绝缘电阻值。
53.当测试完第5步和第6步，关闭rly3继电器，得到rz的最小值，然后通过led显示绝缘电阻在哪个范围端，并把绝缘电阻值通过can发送给到上位机。
54.测试完成后，依次关闭连接地线的rly5继电器、rly2继电器，关闭500v电源，恢复主功率回路的继电器rly1a、rly1b。
55.本发明能够对恒流电源的绝缘电阻随时进行离线检测，不仅提高了助恒流电源系统的安全可靠性，而且降低了检测助恒流电源系统绝缘电阻检测的困难。
56.本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。