驱动电路及功率信号生成装置的制作方法

1.本技术涉及集成电路技术领域，特别是涉及一种驱动电路及功率信号生成装置。


背景技术：

2.在电量测量仪器的制造以及出厂过程中，需进行若干次的功能验证以及调试校正，过程中需采用电压、电流及相位差均可调节的电压源与电流源，以产生合适的电压与电流波形从而对仪器进行调校。
3.在现有技术中，调校仪器一般会采用信号发生器或可变负载，以上两者都能够产生调校过程中所需的波形，但前者的成本较高且维护手段较复杂，后者的精度低且相位差不能够连续调节。因此，亟需提供一在成本较低的同时精度更高，且性能更好的装置来对电量测量仪器进行调校。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述背景技术中的问题，提供一种驱动电路及功率信号生成装置来对电量测量仪器进行功能验证以及出厂调校，以减小调校成本、提高调校精度以及实现对相位的连续控制。
5.为实现上述目的及其他目的，本技术的第一方面提供一种驱动电路，包括电压调节器、电压传感器、电流调节器、电流传感器及微控制器。电压调节器用于生成预设电压幅值的目标电压信号；电压传感器与电压调节器的输出端连接，用于根据目标电压信号生成反馈电压信号；电流调节器用于生成预设电流幅值及与目标电压信号具有预设相位差的目标电流信号；电流传感器与电流调节器的输出端连接，用于根据目标电流信号生成反馈电流信号；微控制器与电压调节器、电流调节器均连接，用于根据接收的电压控制指令及反馈电压信号控制电压调节器生成目标电压信号；还用于根据接收的电流控制指令、反馈电压信号及反馈电流信号控制电流调节器生成目标电流信号。
6.于上述实施例中的驱动电路中，首先，电压调节器中的目标电压信号经过电压调节器的输出端传输至电压传感器，电压传感器根据接收到的目标电压信号生成一个反馈电压信号；其次，微控制器通过接收的电压控制指令以及反馈电压信号控制电压调节器生成一个新的目标电压信号，即控制电压调节器生成一个预设电压幅值的目标电压信号；接着，电流调节器中的目标电流信号经过电流调节器的输出端传输至电流传感器，电流传感器根据接收到的目标电流信号生成一个反馈电流信号；然后，微控制器通过接收的电流控制指令以及反馈电流信号控制电流调节器生成一个新的目标电流信号，即控制电流调节器生成一个具有预设电流幅值以及与目标电压信号具有预设相位差的目标电流信号。其中，由于在驱动电路中同时设置电压调节器、电压传感器、电流调节器、电流传感器以及微控制器，使得微控制器能够控制其他部分从而产生调校仪器时所需的电流波形以及电压波形，且微控制器还能够通过控制电流调节器与电流传感器，从而控制电压与电流的相位差为预设相位差，实现了相位差连续稳定可调的目的，另外，电流调节器产生的具有预设电流幅值以及
与目标电压信号具有预设相位差的目标电流信号能够提高产生的电流波形的质量，还能够提高对测量仪器进行调校的精度。与传统技术中调节测量仪器采用的信号发生器及可变负载相比，本技术提供的驱动电路与信号发生器相比，由于使微控制器与驱动电路中其他部分相连接，减小了体积并节约了成本，且响应速度快，调校效率高；本技术提供的驱动电路与可变负载相比，相位差可以连续调节，提高了测试精度。
7.在其中一些实施例中，电压调节器包括自耦变压器及可控旋转部。自耦变压器被配置为：第一输入端与交流电源连接，第一输出端与电压传感器的输入端连接；可控旋转部与微控制器及自耦变压器均连接，用于根据微控制器的控制旋转并带动自耦变压器动作，使得自耦变压器经由第一输出端输出目标电压信号。
8.在其中一些实施例中，可控旋转部包括电机及驱动器。电机用于带动自耦变压器动作；驱动器与电机及微控制器均连接，用于根据微控制器的控制驱动电机旋转并带动自耦变压器动作。
9.在其中一些实施例中，电压调节器还包括输出隔离器及输入隔离器。输出隔离器，其输入端与微控制器连接且其输出端与驱动器连接；输入隔离器，其输入端与自耦变压器的第二输出端连接且其输出端与微控制器连接。
10.在其中一些实施例中，电流调节器包括电抗器及电抗驱动器。电抗器的输出端用于输出目标电流信号；电抗驱动器被配置为：输入端与微控制器连接，输出端与电抗器的输入端连接，电源端与直流电源连接。
11.在其中一些实施例中，电抗驱动器包括脉冲宽度调制驱动器及可控开关。脉冲宽度调制驱动器的输入端与微控制器连接，用于根据微控制器的控制生成脉冲宽度调制控制信号；可控开关被配置为：输入端与脉冲宽度调制驱动器的输出端连接，输出端与电抗器的输入端连接，电源端与直流电源连接。
12.在其中一些实施例中，直流电源包括整流稳压器，整流稳压器的输入端接收交流电信号且输出端与电抗驱动器的电源端连接。
13.在其中一些实施例中，驱动电路还包括以太网接口，以太网接口的一端与微控制器连接且另一端与上位机连接，用于将上位机接收的控制指令传输至微控制器，及用于显示目标电流信号的幅值、目标电流信号与目标电压信号的相位差及目标电压信号的幅值中至少一个。
14.在其中一些实施例中，驱动电路还包括功率仪，功率仪被配置为：第一输入端与自耦变压器的第一输出端连接，第二输入端与电抗器的输出端连接。
15.在其中一些实施例中，可控开关包括功率场效应晶体管，功率场效应晶体管被配置为：输入端与脉冲宽度调制驱动器的输出端连接，输出端与电抗器的输入端连接，电源端与直流电源连接。
16.本技术的第二方面提供一种功率信号生成装置，功率信号生成装置包括壳体、内置腔体以及本技术实施例中任一项所述的驱动电路。驱动电路至少部分位于腔体内部，用于根据电压控制指令生成预设电压幅值的目标电压信号，根据电流控制指令生成预设电流幅值及与目标电压信号具有预设相位差的目标电流信号。
17.于上述实施例中的功率信号生成装置中，由于采用了本技术实施例中任一项所述的驱动电路，通过微控制器直接与驱动电路中其他部分相连，将控制作用与驱动作用结合，
使得微控制器能够控制其他部分从而产生调校仪器时所需的电流波形以及电压波形，且还能够控制电压与电流的相位差，实现了相位差连续稳定可调的目的，以及能够提高产生的电流波形的质量并提高对测量仪器进行调校的精度。相比于传统调校测量仪器的技术，本技术提供的功率信号生成装置减小了体积并节约了成本，且相位差可以连续调节，提高了测试精度。
附图说明
18.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。
19.图1为本技术第一实施例中提供的一种驱动电路的电路原理示意图；
20.图2为本技术第二实施例中提供的一种驱动电路的电路原理示意图；
21.图3为本技术第三实施例中提供的一种驱动电路的电路原理示意图；
22.图4为本技术第四实施例中提供的一种驱动电路的电路原理示意图；
23.图5为本技术第五实施例中提供的一种驱动电路的电路原理示意图；
24.图6为本技术第六实施例中提供的一种驱动电路的电路原理示意图；
25.图7为本技术第七实施例中提供的一种驱动电路的电路原理示意图。
26.附图标记说明：
27.1000、驱动电路；100、电压调节器；110、自耦变压器；120、可控旋转部；121、电机；122、驱动器；130、输入隔离器；140、输出隔离器；200、电压传感器；300、电流调节器；310、电抗器；320、电抗驱动器；321、脉冲宽度调制驱动器；322、可控开关；400、电流传感器；500、微控制器；600、以太网接口；700、上位机；800、功率仪。
具体实施方式
28.为了便于理解本技术，下面将参照相关附图对本技术进行更全面的描述。附图中给出了本技术的较佳的实施例。但是，本技术可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本技术的公开内容的理解更加透彻全面。
29.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本技术。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
30.在使用本文中描述的“包括”、“具有”、和“包含”的情况下，除非使用了明确的限定用语，例如“仅”、“由
……
组成”等，否则还可以添加另一部件。除非相反地提及，否则单数形式的术语可以包括复数形式，并不能理解为其数量为一个。
31.应当理解，尽管本文可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件和另一个元件区分开。例如，在不脱离本技术的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称
为第一元件。
32.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
33.电量测量仪器包括电流表、电压表以及功率仪等等，其中，功率仪是一种测量用电功率和其他电参数的一种仪器，也称电参数分析仪，功率分析仪也能检测其他电性能参数，如电压，电流，功率因数等。在功率仪等电量测量仪器的制造以及出厂过程中，需进行若干次的功能验证以及调试校正，过程中需采用电压、电流及相位差均可调节的电压源与电流源，以产生合适的电压与电流波形从而对仪器进行调校。在现有技术对测量仪器的校验中，所用仪器一般会采用信号发生器或可变负载，信号发生器是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备，在测量各种电信系统或电信设备的振幅特性、频率特性、传输特性及其他电参数时，或测量元器件的特性与参数时，信号发生器用作测试的信号源或激励源，但信号发生器的成本较高、体积大、重量大且因电路复杂导致维护手段较复杂，而用可变负载进行校验，精度较低且相位差不能够做到连续调节。因此，针对上述传统技术中的问题，本实用新型提供一种驱动电路及功率信号生成装置来对电量测量仪器进行功能验证以及出厂调校，以减小调校成本、提高调校精度以及实现相位差的连续控制。
34.作为示例，请参阅图1，在本技术的一个实施例中，提供一种驱动电路1000，包括电压调节器100、电压传感器200、电流调节器300、电流传感器400及微控制器500。电压调节器100用于生成预设电压幅值的目标电压信号；电压传感器200与电压调节器100的输出端连接，用于根据目标电压信号vd生成反馈电压信号；电流调节器300用于生成预设电流幅值及与目标电压信号vd具有预设相位差的目标电流信号id；电流传感器400与电流调节器300的输出端连接，用于根据目标电流信号id生成反馈电流信号；微控制器500与电压调节器100、电流调节器300均连接，用于根据接收的电压控制指令及反馈电压信号控制电压调节器100生成目标电压信号vd；还用于根据接收的电流控制指令、反馈电压信号及反馈电流信号控制电流调节器300生成目标电流信号id。
35.作为示例，电压传感器200的作用是对电压调节器100输出的目标电压信号vd进行检测，以及通过与微控制器500的连接，生成反馈电压信号使得微控制器500控制电压调节器100生成一个新的目标电压信号vd。因此，电压传感器200一方面实现对电压的全闭环控制，另一方面还实现检测出电压波形的过零点，以对电流波形的相位进行控制。
36.作为示例，微控制器500可以采用32位微控制器500。微控制器500是一块半导体芯片，可以进行算术处理并通过i/o(input/output，输入/输出)和外围接口控制电路。32位微控制器表示该微控制器能够处理32位值的算术运算，与8位微控制器相比，由于32位微控制器具有更宽的数据总线，因此执行功能所需的指令周期更少，32位微控制器能够处理大量数据、处理多个外围设备且内置更大的闪存。具体地，微控制器500可以采用stm32f407芯片，且内置i/o接口及adc(analog to digital converter，模数转换器)。
37.于上述实施例中的驱动电路1000中，首先，电压调节器可以从交流电源中获取一个初始电压信号，将其转换为目标电压信号vd，目标电压信号vd经过电压调节器100的输出端传输至电压传感器200，电压传感器200根据接收到的目标电压信号vd生成一个反馈电压
信号；其次，微控制器500通过接收的电压控制指令以及反馈电压信号控制电压调节器100生成一个新的目标电压信号vd，即控制电压调节器100生成一个预设电压幅值的目标电压信号vd；接着，电压调节器可以从交流电源中获取一个初始电流信号，将其转换为目标电流信号id，电流调节器300中输出的目标电流信号id经过电流调节器300的输出端传输至电流传感器400，电流传感器400根据接收到的目标电流信号id生成一个反馈电流信号；然后，微控制器500通过接收的电流控制指令以及反馈电流信号控制电流调节器300生成一个新的目标电流信号id，即控制电流调节器300生成一个具有预设电流幅值以及与目标电压信号vd具有预设相位差的目标电流信号id。其中，由于在驱动电路1000中同时设置电压调节器100、电压传感器200、电流调节器300、电流传感器400以及微控制器500，使得微控制器500能够控制其他部分从而产生调校仪器时所需的电流波形以及电压波形，且微控制器500还能够通过控制电流调节器300与电流传感器400，从而控制电压与电流的相位差为预设相位差，实现了相位差连续稳定可调的目的，另外，电流调节器300产生的具有预设电流幅值以及与目标电压信号vd具有预设相位差的目标电流信号id能够提高产生的电流波形的质量，还能够提高对测量仪器进行调校的精度。与传统技术中调节测量仪器采用的信号发生器及可变负载相比，本技术提供的驱动电路1000与信号发生器相比，由于使微控制器500与驱动电路1000中其他部分相连接，减小了体积并节约了成本，且响应速度快，调校效率高；本技术提供的驱动电路1000与可变负载相比，相位差可以连续调节，提高了测试精度。
38.作为示例，请参阅图2，电压调节器100包括自耦变压器110及可控旋转部120。自耦变压器110被配置为：第一输入端与交流电源连接，第一输出端与电压传感器200的输入端连接；可控旋转部120与微控制器500及自耦变压器110均连接，用于根据微控制器的控制旋转并带动自耦变压器110动作，使得自耦变压器110经由第一输出端输出目标电压信号vd。
39.作为示例，自耦变压器110是只有一个绕组的变压器，同容量的自耦变压器110与普通变压器相比，不但尺寸小，而且效率高，随着电力系统的发展、电压等级的提高和输送容量的增大，自耦变压器110由于其容量大、损耗小、造价低而得到广泛应用。自耦变压器110可将目标电压信号vd经过自耦变压器110的第一输出端传输至电压传感器200，电压传感器200根据接收到的目标电压信号vd生成一个反馈电压信号；可控旋转部120根据从微控制器500接收到的微控制器的控制进行旋转动作，并带动自耦变压器110进行动作；自耦变压器110根据可控旋转部120的控制经由第一输出端输出具有预设电压幅值的目标电压信号vd，即电压调节器100能够产生对测量仪器进行校验过程中所需的电压波形。
40.作为示例，请参阅图3，可控旋转部120包括电机121及驱动器122。电机121用于带动自耦变压器110动作；驱动器122与电机121及微控制器500均连接，用于根据微控制器的控制驱动电机121旋转并带动自耦变压器110动作。其中，驱动器122的输入端与微控制器500连接，驱动器122的输出端与电机121连接，驱动器122通过微控制器的控制驱动电机121旋转，从而控制自耦变压器110输出具有预设电压幅值的目标电压信号vd。
41.作为示例，请参阅图4，电压调节器100还包括输出隔离器140及输入隔离器130。输出隔离器140，其输入端与微控制器500连接且其输出端与驱动器122连接；输入隔离器130，其输入端与自耦变压器110的第二输出端连接且其输出端与微控制器500连接。
42.作为示例，输入隔离器130及输出隔离器140均为信号隔离器，是采用线性光耦隔离原理，将输入信号进行转换输出的装置，使输入、输出和工作电源三者相互隔离，是工业
控制系统中的重要组成部分。信号隔离器通过自身的特性保护信号的正常传递，将信号转化为电阻信号从而保护信号的运作。信号隔离器可以提供信号隔离，即不允许非标准信号或者干扰信号通过；还可以提供信号转换，即将一些非标准信号或者干扰信号转换成标准信号；还可以减轻外界的噪声对测试电路的影响；另外，信号隔离器还可以保护下级的控制回路以及抑制不明脉冲对电路的干扰。本技术驱动电路1000采用输入隔离器130及输出隔离器140可以在隔离信号的同时减轻外界噪声的影响，使校验结果更加精准。
43.作为示例，请参阅图5，电流调节器300包括电抗器310及电抗驱动器320。电抗器310的输出端用于输出目标电流信号id；电抗驱动器320被配置为：输入端与微控制器500连接，输出端与电抗器310的输入端连接，电源端与直流电源连接。其中，电抗驱动器320通过微控制器500的控制驱动电抗器310生成具有预设电流幅值以及与目标电压信号vd具有预设相位差的目标电流信号id，实现了相位差连续稳定可调的目的，还能够提高产生的电流波形的质量。
44.作为示例，请参阅图6，电抗驱动器320包括脉冲宽度调制驱动器321及可控开关322。脉冲宽度调制驱动器321的输入端与微控制器500连接，用于根据微控制器的控制生成脉冲宽度调制控制信号；可控开关322被配置为：输入端与脉冲宽度调制驱动器321的输出端连接，输出端与电抗器310的输入端连接，电源端与直流电源连接。
45.作为示例，脉冲宽度调制驱动器321也可称作pwm(pulse width modulation，脉冲宽度调制)驱动器，是利用半导体开关器件的导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，并通过控制电压脉冲宽度和脉冲列的周期来达到变压、变频目的的一种驱动器，也就是用脉冲宽度不等的一系列等幅值的矩形脉冲去逼近一个所需要的电流或电压信号。脉冲宽度调制驱动器321具有线路简单、快速性好、线性度好、效率高的优点，因此广泛被用于测量、通信、功率控制与变换的许多领域中。本技术采用脉冲宽度调制驱动器321组成驱动电路1000可以让信号保持为数字形式以将噪声影响降到最小，并且增强对噪声的抵抗能力。
46.作为示例，直流电源包括整流稳压器，整流稳压器的输入端接收交流电信号且输出端与电抗驱动器320的电源端连接。
47.作为示例，整流稳压器能将交流电源例如发电机121中发出的电压较高且不太稳定的交流电，经削波稳压后变成电压和电流均稳定在固定值附近的低压直流电，并始终保证电压的稳定，以保护用电器不被过高电压烧坏。因此，整流稳压器的输入端可以连接一交流电源，整流稳压器从交流电源中接收交流电信号，并从输出端将低压大电流的直流电信号v
dd
输送给电抗驱动器320。
48.作为示例，请参阅图7，驱动电路1000还包括以太网接口600，以太网接口600的一端与微控制器500连接且另一端与上位机700连接，用于将上位机700接收的控制指令传输至微控制器500，及用于显示目标电流信号id的幅值、目标电流信号id与目标电压信号vd的相位差及目标电压信号vd的幅值中至少一个。其中，以太网接口600可以采用fddi(fiber distributed data interface，光纤分布式数据接口)或rj(registered jack，注册的插座)-45接口等等。
49.作为示例，请继续参阅图7，驱动电路1000还包括功率仪800，功率仪800被配置为：第一输入端与自耦变压器110的第一输出端连接，第二输入端与电抗器310的输出端连接。
50.作为示例，功率仪800可以包括电压端子及电流回路端子，其中，自耦变压器110的
第一输出端与电压端子连接，电抗器310的输出端与电流回路端子连接。
51.作为示例，可控开关322包括功率场效应晶体管，功率场效应晶体管被配置为：输入端与脉冲宽度调制驱动器321的输出端连接，输出端与电抗器310的输入端连接，电源端与直流电源连接。
52.作为示例，可控开关322可以采用6个mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金氧半场效晶体管)，构成三相全桥电路。关于三相全桥电路相关的原理结构为本领域相关技术人员公知常识，在此不再赘述。
53.作为示例，请继续参阅图7，在本实施例提供的驱动电路1000中，交流电源输出的交流电信号vs，即初始电压信号通过自耦变压器110的调压作用作为功率仪800的电信号，即自耦变压器110将初始电压信号转换为目标电压信号vd，目标电压信号vd进入电压传感器200生成反馈电压信号，微控制器500接收到反馈电压信号后，并根据与其连接的以太网接口600从上位机700中接收到的电压控制指令，控制输出隔离器140进行信号隔离后进入驱动器122，使驱动器122控制电机121旋转以带动自耦变压器110动作从而生成一个具有预设电压幅值的目标电压信号vd；整流稳压器将交流电源中的交流电信号转换为低压大电流的直流电信号v
dd
后送到可控开关322中，本实施例中可控开关322采用mosfet晶体管构成的三相全桥电路；电抗器通过交流电源输出的交流电信号vs，接收到一个初始电流信号并将其转换为目标电流信号id，电抗器310将目标电流信号id送到电流传感器400后，电流传感器400生成电流反馈信号传输给微控制器500，以使得微控制器500根据与其连接的以太网接口600从上位机700中接收到的电流控制指令控制脉冲宽度调制驱动器321，以控制脉冲宽度调制驱动器321向三相全桥电路发送脉冲，从而使可控开关322将来自整流稳压器的直流电信号v
dd
转换为幅值及相位均可变化的三相交流电流，并驱动电抗器310使其生成一个新的目标电流信号id，即脉冲宽度调制驱动器321驱动可控开关322使电抗器310生成一个具有预设电流幅值以及与目标电压信号vd具有预设相位差的目标电流信号id。在上述驱动电路1000中，微控制器500可通过电流传感器400监测电抗器310输出的信号变化，及时控制脉冲宽度调制驱动器321，使其驱动电抗器310的信号稳定到一个设定值。微控制器500与电压传感器200及电流传感器400直接连接，从而减小了驱动电路1000所占用的体积、提高了响应速度且降低了成本；微控制器500还能够根据电压波形的过零点和上位机700的指令，通过调节电流输出波形的触发角控制电压和电流的相位差，实现对相位的连续稳定控制；另外，本技术利用电抗器310产生的无功电流来模拟电流回路的信号，可以在降低能耗的同时提高电流波形的质量，以提高测试的精度。
54.作为示例，本技术的第二方面提供一种功率信号生成装置，功率信号生成装置包括壳体、内置腔体以及本技术实施例中任一项所述的驱动电路。驱动电路至少部分位于腔体内部，用于根据电压控制指令生成预设电压幅值的目标电压信号，根据电流控制指令生成预设电流幅值及与目标电压信号具有预设相位差的目标电流信号。
55.于上述实施例中的功率信号生成装置中，由于采用了本技术实施例中任一项所述的驱动电路，通过微控制器直接与驱动电路中其他部分相连，将控制作用与驱动作用结合，使得微控制器能够控制其他部分从而产生调校仪器时所需的电流波形以及电压波形，且还能够控制电压与电流的相位差，实现了相位差连续稳定可调的目的，以及能够提高产生的电流波形的质量并提高对测量仪器进行调校的精度。相比于传统调校测量仪器的技术，本
申请提供的功率信号生成装置减小了体积并节约了成本，且相位差可以连续调节，提高了测试精度。
56.关于上述实施例中功率信号生成装置的具体限定可以参见上文中对于驱动电路的限定，在此不再赘述。
57.请注意，上述实施例仅出于说明性目的而不意味对本实用新型的限制。
58.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
59.以上所述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。
60.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。