CN106646269B - 一种高压电源故障激发监测装置及其监测方法 - Google Patents

一种高压电源故障激发监测装置及其监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高压电源故障激发监测装置，包括：高压电源模块，其关键节点分为高压节点和低压节点两类；随机振动试验台，激发所述高压电源模块在振动应力下可能出现的故障模式；低压节点切换调理模块，用于将所述低压节点的电压信号调理至允许的电压测量范围内；低压节点数据采集模块，用以采集测量经由所述低压节点切换调理模块处理后的低压节点信号；高压节点切换分压模块，用于将所述高压节点的电压信号分压到允许的电压测量范围内；高压节点数据采集模块，用以采集测量经由所述高压节点切换分压模块降压选择后的高压节点信号；上位机***，用于接收所述低压节点信号和所述高压节点信号，并发出控制指令，以控制切换相应的节点电压信号。

Description

一种高压电源故障激发监测装置及其监测方法
技术领域
本发明涉及电源监测技术领域，尤其涉及一种高压电源故障激发监测装置及其测试方法。
背景技术
航天器的运行过程中，航天用高压电源的可靠工作是航天器正常运行的重要保障。然而空间环境极为严酷复杂，航天用高压电源除了要经受及严酷的发射环境外，在升空过程以及进入轨道正常运行后要长期经受电、振动以及高温冲击等空间环境应力的综合作用。这将引起电源出现故障，造成重大损失。
因此，如何可以高效的激发高压电源可能出现的故障模式并准确地监测诊断出电源的故障模式，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对振动应力可能引起的电源故障模式进行监测，利用随机振动实验台提供高加速振动应力，激发出高压电源在振动应力下可能出现的故障模式，并通过监测***实时监测电源各节点及输出的电压信号变化情况，帮助分析高压电源在振动环境下可能出现的故障模式以及电源设计的薄弱环节。
为达上述目的，本发明首先提出了一种高压电源故障激发监测装置，包括：
高压电源模块，为航天用高压电源，其电路中的关键节点分为高压节点和低压节点两类，所述高压节点为电压值高于400V的节点，所述低压节点为电压值低于50V的节点；
随机振动试验台，与所述高压电源模块相连，为所述高压电源模块提供振动应力，激发所述高压电源模块在振动应力下可能出现的故障模式；
低压节点切换调理模块，与所述高压电源模块中的所述低压节点相连，用于将所述低压节点的电压信号调理至允许的电压测量范围内；
低压节点数据采集模块，与所述低压节点切换调理模块相连，用以采集测量经由所述低压节点切换调理模块处理后的低压节点信号；
高压节点切换分压模块，与所述高压电源模块中的所述高压节点相连，用于将所述高压节点的电压信号分压到允许的电压测量范围内；
高压节点数据采集模块，与所述高压节点切换分压模块相连，用以采集测量经由所述高压节点切换分压模块降压选择后的高压节点信号；
上位机***，同时与所述低压节点数据采集模块和所述高压节点数据采集模块相连，用于接收所述低压节点信号和所述高压节点信号，并发出控制指令，以控制切换相应的节点电压信号。
根据本发明提出的高压电源故障激发监测装置，所述低压节点切换调理模块包括：驱动单元、继电器切换电路、电压调理电路、主控单元和串口通讯单元；
所述驱动单元包括译码芯片以及晶体管阵列；
所述继电器切换电路由多个继电器切换单元组成，每个继电器单元包括继电器、发光二极管和电阻；
所述电压调理电路与所述继电器切换电路的输出端和所述低压节点数据采集模块相连；所述电压调理电路包括运放跟随电路和分压电路，继电器切换模块的输出端连接分压电路，由分压电路降压后的信号经运放跟随电路隔离后输入到所述低压节点数据采集模块；
所述串口通讯单元连接在所述主控单元与所述上位机***之间，将主控单元的RS2303信号与USB信号进行转换。
根据本发明提出的高压电源故障激发监测装置，所述高压节点切换分压模块包括：驱动单元、分压电路、继电器切换电路、主控单元和串口通讯单元。
根据本发明提出的高压电源故障激发监测装置，所述上位机***包括测试节点选择模块、测试数据显示模块和失效阈值设置模块；
所述测试节点选择模块包括节点通路选择按钮以及测试节点显示灯，用以实现对所述高压电源模块测试通路的选择；
所述测试数据显示模块包括节点电压平均值显示部分、节点波形显示部分以及存储路径设置部分，通过存储路径设置部分设置的测试数据的存储路径，将所述低压节点数据采集模块与所述高压节点数据采集模块传输到所述上位机***的测试数据存储在设置的存储路径中；所述节点电压平均值显示部分用以显示所述高压电源模块全部节点的电压平均值；所述节点波形显示部分用以选择显示所述高压电源模块中某一通路的全部节点波形；
所述失效阈值设置模块包括失效阈值设置部分和报警指示灯，通过失效阈值设置部分设置所述高压电源模块输出的失效阈值电压。
本发明同时还提供一种高压电源故障激发监测方法，包括以下步骤：
S1：将高压电源模块放置到随机振动实验台中，并将高压电源模块的节点引线从随机振动实验台的引线口引出分别和低压节点切换调理模块与高压节点切换分压模块连接；
S2：通过上位机***的测试节点选择模块选择所需测试的高压电源模块的输出通路；
S3：通过上位机***的数据显示模块设置测试数据的存储路径；
S4：通过上位机***的失效阈值设置模块设置高压电源模块的三路输出的失效阈值上下限；
S5：设置随机振动实验台的振动应力，上电待振动应力稳定后，运行上位机***程序，控制切换、测量、传输各节点电压信号数据；
S6：使用MATLAB调用测试数据，通过分析电源在振动应力下的工作状态、故障模式、节点信号的变化趋势等指出电源设计的薄弱环节。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过随机振动实验台提供振动应力，激发电源在振动应力下可能出现的故障模式。同时，通过本装置实时准确的监测高压电源各节点的电压信号变化情况与电源的工作状态。通过MATLAB处理分析数据，在生产设计阶段发现电源设计的薄弱环节。同时，本发明适用于大多数开关电源的状态监测，具有很高的可移植性，可以为其他电源的状态监测提供测试平台，帮助进行开关电源的失效机理分析。
附图说明
图1为本发明的高压电源故障激发监测***一具体实施里的结构示意图；
图2为本发明中的上位机***结构图；
图3为本发明中的低压节点电压信号测量原理图；
图4为本发明中的高压节点电压信号测量原理图。
具体实施方式
下面结合图1说明本发明的具体实施例，本实施例中的高压电源故障激发监测装置，包括高压电源模块(1)、随机振动实验台(2)、上位机***(3)、低压节点切换调理模块(4)、低压节点数据采集模块(5)、高压节点切换分压模块(6)、高压节点数据采集模块(7)；
高压电源模块(1)选用某型航天用高压电源，具有三路输出，电路中各部分关键节点分为高压节点与低压节点两类。其中高压节点为电压值高于400V的节点，低压节点为电压值低于50V的节点。
随机振动实验台(2)采用QualMark公司的QualMark Typhoon2.5型号的高加速可靠性试验箱，为高压电源模块(1)提供振动应力，激发其在振动应力下可能出现的故障模式。
上位机***(3)与低压节点切换调理模块(4)、低压节点数据采集模块(5)、高压节点切换分压模块(6)、高压节点数据采集模块(7)相连，通过上位机***(3)向低压节点切换调理模块(4)和高压节点切换分压模块(6)发送控制指令，控制切换相应的节点电压信号。低压节点数据采集模块(5)与高压节点数据采集模块(6)将测试数据传输到上位机***(3)。
低压节点切换调理模块(4)与高压电源模块(1)的低压节点相连，根据所述上位机***发送的控制命令切换相应的节点，并将高压电源模块(1)的低压节点电压信号调理至低压节点数据采集模块(5)允许的电压测量范围内。
低压节点数据采集模块(5)与低压节点切换调理模块(4)输出端以及上位机***相连，用以采集测量经由低压节点切换调理模块(4)处理后的节点电压信号，并经由PCI总线将测量数据上传至上位机***(3)。
高压节点切换分压模(6)块与高压电源模块(1)的高压节点以及上位机***(3)相连，将高压电源(1)的高压节点电压信号分压到高压节点数据采集模块允许的电压测量范围内，根据上位机***(3)发送的控制指令切换相应的高压节点。
高压节点数据采集模块(7)与高压节点切换分压模块(6)以及上位机***(3)相连，用以采集测量经由高压节点切换分压模块(6)降压选择后的高压节点信号，并将测试数据通过LAN传输给上位机***(3)。
下面请继续参阅图2，本发明中的上位机***(3)包括测试节点选择模块(3-1)，测试数据显示模块(3-2)，失效阈值设置模块(3-3)。
测试节点选择模块(3-1)由节点通路选择按钮以及测试节点显示灯组成，可以实现对高压电源模块(1)测试通路的选择，根据选择结果，上位机***(3)向低压节点切换调理模块(4)以及高压节点切换分压模块(6)发送测试指令，控制切换测量所选测试通路中全部节点的节点电压信号。
测试数据显示模块(3-2)由节点电压平均值显示部分(3-2-1)，节点波形显示部分(3-2-2)以及存储路径设置部分(3-2-3)组成。通过存储路径设置部分(3-2-3)设置的测试数据的存储路径，将低压节点数据采集模块(5)与高压节点数据采集模块(6)传输到上位机的测试数据存储在设置的存储路径中。节点电压平均值显示部分(3-2-1)显示高压电源模块(1)全部节点的电压平均值。节点波形显示部分(3-2-3)可以选择显示高压电源模块(1)某一通路的全部节点波形。
失效阈值设置模块(3-3)由失效阈值设置部分(3-3-1)和报警指示灯(3-3-2)组成，通过失效阈值设置部分(3-3-1)设置高压电源模块(1)三路输出的失效阈值电压。报警指示灯在高压电源模块(1)工作正常时为绿色。当高压电源模块(1)输出电压超出失效阈值范围时，报警指示灯(3-3-2)变红。
请继续参阅图3，本发明中的低压节点切换调理模块(4)包括驱动单元(4-1)、继电器切换电路(4-2)、电压调理电路(4-3)、主控单元(4-4)、串口通讯单元(4-5)其中：
驱动单元(4-1)由译码芯片(4-1-1)以及晶体管阵列(4-1-2)组成。译码芯片(4-1-1)选用74LS238芯片，其输入端连接主控单元(4-4)的IO管脚，译码芯片(4-1-1)的输出端连接晶体管阵列(4-1-2)的输入端，晶体管阵列(4-1-2)选用ULN2003。
继电器切换电路(4-2)由多个继电器切换单元(4-2-1)组成，每个继电器单元由继电器(4-2-2)，发光二极管(4-2-3)和电阻(4-2-4)组成。继电器(4-2-2)的+5V供电端连接发光二极管(4-2-3)的正极。电阻(4-2-4)的两端分别连接二极管(4-2-3)的阴极和继电器(4-2-2)的控制端。继电器(4-2-2)的控制端口与驱动单元(4-1)的晶体管阵列(4-1-2)输出端口相连，晶体管阵列(4-1-2)的每个输出端口连接两个继电器控制单元的控制端。继电器(4-2-2)的常开触点连接电压调理电路(4-3)的输入端，高压电源模块(1)的低压节点信号连接到继电器(4-2-2)的动触头上。
电压调理电路(4-3)与继电器切换电路(4-2)的输出端和低压节点数据采集模块(5)相连。电压调理电路(4-3)由运放跟随电路(4-3-1)以及分压电路(4-3-2)组成，继电器切换模块(4-2)的输出端连接分压电路(4-3-2)，由分压电路(4-3-2)降压后的信号经运放跟随电路(4-3-1)隔离后输入到低压节点数据采集模块(5)。
主控单元(4-4)为STM32，型号为F103ZET6。
串口通讯单元(4-5)连接在主控单元(4-4)与上位机***(3)之间，将主控单元(4-4)的RS2303信号与USB信号进行转换。
本实施例中的低压节点数据采集模块(5)采用PCI1714UL型号数据采集板卡。数据采集板卡的输入端与低压节点切换调理模块(4)的输出端相连，数据采集板卡将采集测量到的低压节点电压信号经PCI总线传输给上位机***(3)。
请继续参阅图4，本发明中的高压节点切换分压模块(6)包括：驱动单元(6-1)、分压电路(6-2)、继电器切换电路(6-3)、主控单元(6-4)、串口通讯单元(6-5)，其中：
驱动单元(6-1)由译码芯片(6-1-1)以及晶体管阵列(6-1-2)组成。译码芯片(6-1-1)选用74LS238芯片，其输入端连接主控单元(6-4)的IO管脚，译码芯片(6-1-1)的输出端连接晶体管阵列(6-1-2)的输入端，晶体管阵列(6-1-2)选用ULN2003。
分压电路(6-2)由多级分压电阻组成。分压电路(6-2)输入端与高压电源模块(1)的高压节点相连，分压电路(6-2)的输出端与继电器切换电路(6-3)输入端相连接。
继电器切换电路(6-3)由多个继电器切换单元(6-3-1)组成，每个继电器单元由继电器(6-3-2)，发光二极管(6-3-3)和电阻(6-3-4)组成。继电器(6-3-2)的+5V供电端连接发光二极管(6-3-3)的正极。电阻(6-3-4)的两端分别连接二极管(6-3-3)的阴极和继电器(6-3-2)的控制端。继电器(6-3-2)的控制端口与驱动单元(6-1)的晶体管阵列(6-1-2)输出端口相连，晶体管阵列(6-1-2)的每个输出端口连接一个继电器控制单元的控制端。继电器(6-3-2)的常开触点连接对应的高压节点采集模块(7)中的示波器探头，经分压电路(6-2)降压后的信号与继电器(6-3-2)的动触头相连。
高压节点切换分压模块(6)的主控单元(6-4)与低压节点切换调理模块(4)的主控单元(4-4)为同一个主控单元。
高压节点切换分压模块(6)的串口通讯单元(6-5)与低压节点切换调理模块(4)的串口通讯单元(4-5)为同一个串口通讯单元。
本实施例中的高压节点数据采集模块(7)采用双通道示波器，型号为DSO5012A。上位机***(3)与示波器通过网口相连，并应用VISA向示波器DSO5012A发送可编程仪器标准命令(SCPI)，控制示波器测量并传输经高压节点切换分压模块(6)处理后的高压节点电压信号数据。
另外，本发明还提供了一种与图1中德高压电源故障激发监测装置相对应的监测方法，包括以下步骤：
S1：将高压电源模块(1)放置到随机振动实验台(2)中，并将高压电源模块(1)的节点引线从随机振动实验台(2)的引线口引出分别和低压节点切换调理模块(4)与高压节点切换分压模块(6)连接。
S2：通过上位机***(3)的测试节点选择模块(3-1)选择所需测试的高压电源模块(1)的输出通路。
S3：通过上位机***(3)的数据显示模块(3-2)设置测试数据的存储路径。
S4：通过上位机***(3)的失效阈值设置模块(3-3)设置高压电源模块(1)三路输出的失效阈值上下限。
S5：设置随机振动实验台(2)的振动应力，上电待振动应力稳定后，运行上位机***(3)程序，控制切换、测量、传输各节点电压信号数据。
S6：使用MATLAB调用测试数据，通过分析电源在振动应力下的工作状态、节点信号的变化趋势、故障模式、等指出电源设计的薄弱环节
以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种高压电源故障激发监测装置，其特征在于，包括：
高压电源模块，为航天用高压电源，其电路中的关键节点分为高压节点和低压节点两类，所述高压节点为电压值高于400V的节点，所述低压节点为电压值低于50V的节点；
随机振动试验台，与所述高压电源模块相连，为所述高压电源模块提供振动应力，激发所述高压电源模块在振动应力下可能出现的故障模式；
低压节点切换调理模块，与所述高压电源模块中的所述低压节点相连，用于将所述低压节点的电压信号调理至允许的电压测量范围内；
低压节点数据采集模块，与所述低压节点切换调理模块相连，用以采集测量经由所述低压节点切换调理模块处理后的低压节点信号；
高压节点切换分压模块，与所述高压电源模块中的所述高压节点相连，用于将所述高压节点的电压信号分压到允许的电压测量范围内；
高压节点数据采集模块，与所述高压节点切换分压模块相连，用以采集测量经由所述高压节点切换分压模块降压选择后的高压节点信号；
上位机***，同时与所述低压节点数据采集模块和所述高压节点数据采集模块相连，用于接收所述低压节点信号和所述高压节点信号，并发出控制指令，以控制切换相应的节点电压信号，
其中，所述低压节点切换调理模块包括：驱动单元、继电器切换模块、电压调理电路、主控单元和串口通讯单元；
所述驱动单元包括译码芯片以及晶体管阵列；
所述继电器切换模块由多个继电器切换单元组成，每个继电器单元包括继电器、发光二极管和电阻；
所述电压调理电路与所述继电器切换模块的输出端和所述低压节点数据采集模块相连；所述电压调理电路包括运放跟随电路和分压电路，继电器切换模块的输出端连接分压电路，由分压电路降压后的信号经运放跟随电路隔离后输入到所述低压节点数据采集模块；
所述串口通讯单元连接在所述主控单元与所述上位机***之间，将主控单元的RS2303信号与USB信号进行转换
所述高压节点切换分压模块包括：驱动单元、分压电路、继电器切换模块、主控单元和串口通讯单元，
所述上位机***包括测试节点选择模块、测试数据显示模块和失效阈值设置模块；
所述测试节点选择模块包括节点通路选择按钮以及测试节点显示灯，用以实现对所述高压电源模块测试通路的选择；
所述测试数据显示模块包括节点电压平均值显示部分、节点波形显示部分以及存储路径设置部分，通过存储路径设置部分设置测试数据的存储路径，将所述低压节点数据采集模块与所述高压节点数据采集模块传输到所述上位机***的测试数据存储在设置的存储路径对应的存储空间中；所述节点电压平均值显示部分用以显示所述高压电源模块全部节点的电压平均值；所述节点波形显示部分用以选择显示所述高压电源模块中某一通路的全部节点波形；
所述失效阈值设置模块包括失效阈值设置部分和报警指示灯，通过失效阈值设置部分设置所述高压电源模块输出的失效阈值电压。
2.一种应用于权利要求1所述的高压电源故障激发监测装置中的高压电源故障激发监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将高压电源模块放置到随机振动试验台中，并将高压电源模块的节点引线从随机振动试验台的引线口引出分别和低压节点切换调理模块与高压节点切换分压模块连接；
S2：通过上位机***的测试节点选择模块选择所需测试的高压电源模块的输出通路；
S3：通过上位机***的测试数据显示模块设置测试数据的存储路径；
S4：通过上位机***的失效阈值设置模块设置高压电源模块的三路输出的失效阈值上下限；
S5：设置随机振动试验台的振动应力，上电待振动应力稳定后，运行上位机***程序，控制切换、测量、传输各节点电压信号数据；
S6：使用MATLAB调用测试数据，通过分析电源在振动应力下的工作状态、节点信号的变化趋势、故障模式指出电源设计的薄弱环节。
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