基于LabVIEW的IGBT模塊測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

 0 引言

IGBT模塊是變頻器最關(guān)鍵的部件，IGBT模塊的質(zhì)量是變頻器質(zhì)量的保證。目前因無(wú)測(cè)試系統(tǒng)，很多公司無(wú)法對(duì)采購(gòu)的IGBT模塊進(jìn)行檢測(cè)篩選，導(dǎo)致有質(zhì)量隱患的IGBT模塊流入生產(chǎn)線，給變頻器質(zhì)量埋下隱患，同時(shí)還會(huì)造成返工浪費(fèi)等問(wèn)題。為了解決此問(wèn)題，筆者研究并設(shè)計(jì)了基于LabVIEW的智能IGBT模塊測(cè)試系統(tǒng)。本文重點(diǎn)介紹了測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案、硬件設(shè)計(jì)方案、軟件設(shè)計(jì)方案等。

1 總體設(shè)計(jì)

IGBT模塊測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試原理如圖1所示，模塊下橋臂為被測(cè)IGBT模塊，在上橋臂IGBT模塊的c、e并聯(lián)負(fù)載電感L，同時(shí)將上橋臂IGBT模塊的g與e間接負(fù)電壓使其處于關(guān)斷狀態(tài)，然后在下橋臂IGBT模塊的g與e間施加雙脈沖，如圖1中Vge波形所示，通過(guò)設(shè)置U、L、T1、T2、T3的大小可使流過(guò)下橋臂IGBT模塊的電流在第1個(gè)脈沖關(guān)斷時(shí)刻達(dá)到額定電流，在第2個(gè)脈沖關(guān)斷時(shí)刻達(dá)到2倍額定電流?？筛鶕?jù)模塊在額定工作電壓下能否通過(guò)一倍和兩倍的電流來(lái)判斷其電氣性能是否正常。

IGBT模塊測(cè)試系統(tǒng)組成如圖2所示。系統(tǒng)由差分探頭、數(shù)據(jù)采集模塊、接口板、平板電腦組成。

差分探頭將高電壓信號(hào)衰減，然后送入數(shù)據(jù)采集模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊將差分探頭輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，然后由高速A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中，并通過(guò)USB端口發(fā)送給平板電腦。

接口板的RS232通信端口通過(guò)USB/RS232模塊與平板電腦連接，接收來(lái)自平板電腦的控制命令，依據(jù)控制命令完成以下任務(wù)：1)生成雙脈沖觸發(fā)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)IGBT開(kāi)通關(guān)斷;2)發(fā)送接觸器控制指令，對(duì)門(mén)極電阻進(jìn)行配置;3)讀取接觸器輔助觸點(diǎn)及IGBT驅(qū)動(dòng)器輸出的IGBT狀態(tài)信息，然后通過(guò)RS232端口發(fā)送至平板電腦處理。

平板電腦是控制系統(tǒng)的核心，同時(shí)也是人機(jī)交互界面。平板電腦采集操作員輸入的信息，并對(duì)信息進(jìn)行分析，依據(jù)分析結(jié)果生成測(cè)試所需的控制命令發(fā)送給接口板或打印、顯示測(cè)試記錄。測(cè)試過(guò)程中，平板電腦讀取數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行顯示記錄。收到接觸器的觸點(diǎn)狀態(tài)及IGBT狀態(tài)信息后進(jìn)行分析，如果異常則給出故障指示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 IGB碼區(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

IGBT驅(qū)動(dòng)電路是測(cè)試裝置非常重要的組成部分?？煽康腎GBT驅(qū)動(dòng)電路能夠保證測(cè)試裝置正常工作。本次設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動(dòng)器為Concept公司的2SC0535T。此驅(qū)動(dòng)器包括兩個(gè)通道，每個(gè)通道輸出功率達(dá)5W，輸出電流峰值達(dá)±35A，能夠驅(qū)動(dòng)IGBT模塊的電流范圍為100～1600A，電壓范圍為600～3300V。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)與平板電腦進(jìn)行通信，生成雙脈沖波形，并對(duì)接觸器、門(mén)極電阻切換電路進(jìn)行控制，同時(shí)采集測(cè)試裝置的狀態(tài)信息發(fā)送給平板電腦。

此次設(shè)計(jì)我們采用的單片機(jī)為ST公司的STM32F103系列單片機(jī)。單片機(jī)系統(tǒng)的外圍接口示意圖如圖3所示。

(1)4路外部數(shù)字量輸入信號(hào)：分別為上橋接觸器返回點(diǎn)、下橋接觸器返回點(diǎn)、電感接觸器返回點(diǎn)及限位開(kāi)關(guān)信號(hào)。

(2)多路數(shù)字量輸出信號(hào)：4路電壓選擇接觸器、6路門(mén)極電阻匹配繼電器、l路上橋接觸器、1路下橋接觸器、1路電感接觸器和1路高壓放電繼電器。

3 軟件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)軟件部分由主機(jī)部分和從機(jī)部分組成，其中主機(jī)選用平板電腦，應(yīng)用程序采用LabVIEW編寫(xiě)，從機(jī)為自制的接口板，主機(jī)和從機(jī)之間通過(guò)串口、采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

3.1 主機(jī)設(shè)計(jì)

3.1.1 主機(jī)功能

主機(jī)開(kāi)啟后，畫(huà)面如圖4所示。能夠完成整個(gè)測(cè)試過(guò)程的模塊選擇、參數(shù)顯示、指令操作、故障報(bào)警、以及讀取直流母線電壓、Vce和Ic的波形等，直流母線電壓、Vce和Ic的采集由示波器完成。在測(cè)試過(guò)程中如需保存主機(jī)畫(huà)面參數(shù)，可通過(guò)“保存畫(huà)面”按鈕保存屏幕參數(shù)。

3.1.2 主機(jī)工作流程

主機(jī)上電后，系統(tǒng)進(jìn)入檢測(cè)畫(huà)面。在此畫(huà)面，我們可以選擇被測(cè)模塊的規(guī)格型號(hào)、測(cè)試電壓、測(cè)試橋臂和修改測(cè)試脈沖寬度。設(shè)定完畢后通過(guò)點(diǎn)擊屏幕上的“啟動(dòng)”按鈕發(fā)送啟動(dòng)指令，通過(guò)USB端口發(fā)送命令控制從機(jī)開(kāi)始工作，采集數(shù)據(jù)發(fā)送IGBT雙觸發(fā)脈沖;同時(shí)在檢測(cè)畫(huà)面還可以顯示系統(tǒng)參數(shù)、故障信思、以及直流母線電壓、Vce和Ic的波形等。測(cè)試完成后可以通過(guò)點(diǎn)擊屏幕上的“放電”按鈕進(jìn)行系統(tǒng)放電，從而泄放檢測(cè)系統(tǒng)各個(gè)高壓元件上的殘余電壓，避免檢測(cè)結(jié)束收工時(shí)的觸電事故。在測(cè)試過(guò)程中還可通過(guò)點(diǎn)擊屏幕上的“保存畫(huà)面”按鈕保存檢測(cè)參數(shù)和Vce、Ic波形圖。主機(jī)工作流程圖如圖5所示。

3.2 從機(jī)設(shè)計(jì)

3.2.1 從機(jī)功能

根據(jù)主機(jī)發(fā)送的相關(guān)參數(shù)和指令，完成接觸器、繼電器等的操作，發(fā)送相應(yīng)寬度的雙脈沖，并檢測(cè)IGBT返回的故障信息，上報(bào)主機(jī)顯示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)以實(shí)時(shí)響應(yīng)和執(zhí)行效率高為原則，以管理執(zhí)行多任務(wù)為目的，開(kāi)發(fā)出一種實(shí)時(shí)多任務(wù)控制系統(tǒng)，共包含三部分子功能：1)核心功能：負(fù)責(zé)發(fā)送雙脈沖。2)保護(hù)功能：負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)上橋或下橋的故障信號(hào)，有故障時(shí)停發(fā)觸發(fā)脈沖。3)用戶功能：負(fù)責(zé)RS232通訊和DI、DO的數(shù)據(jù)采集工作。

3.2.2 從機(jī)工作流程

從機(jī)上電后首先進(jìn)行系統(tǒng)寄存器、數(shù)據(jù)寄存器的初始化工作，然后根據(jù)主機(jī)發(fā)來(lái)的相關(guān)參數(shù)和指令執(zhí)行各個(gè)功能模塊的初始化操作，同時(shí)完成各接觸器、繼電器等的動(dòng)作控制，最后啟動(dòng)定時(shí)器，開(kāi)始執(zhí)行系統(tǒng)保護(hù)功能、系統(tǒng)核心功能和用戶功能管理。在系統(tǒng)保護(hù)功能模塊，主要完成上橋臂和下橋臂的故障檢測(cè)功能，有故障時(shí)通知系統(tǒng)核心功能模塊停發(fā)觸發(fā)脈沖;在系統(tǒng)核心功能模塊主要完成雙觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生及發(fā)送控制，從而控制IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷;在用戶功能管理模塊，主要完成和平板電腦的RS232通訊和DI、DO的數(shù)據(jù)采集工作。從機(jī)工作流程圖如圖6所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于LabVIEW設(shè)計(jì)的IGBT模塊測(cè)試系統(tǒng)，平板電腦是系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話、邏輯控制、測(cè)試數(shù)據(jù)顯示記錄及保存等功能。通過(guò)對(duì)IGBT模塊的實(shí)際測(cè)試證明，本IGBT模塊測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠?qū)GBT模塊進(jìn)行有效的檢測(cè)篩選，防止有質(zhì)量隱患的IGBT模塊流入生產(chǎn)線，從而提高變頻器質(zhì)量，并極大的減少由此造成的返工浪費(fèi)等問(wèn)題。