矿用多路输出本安电流间接采集方法研究

陈 辉

(天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

矿用多路输出本安电源作为煤矿安全监控、人员定位和瓦斯抽放等系统的供电电源，是煤矿井下主要的本安供电设备[1，2]。由于本质安全要求和被供电本安设备的输入冲击，矿用输出本安电源每一路的带载能力有限，负载较大时容易出现过流保护现象[3，4]。因此，对每一路本安输出的电流大小进行采集并进行就地显示和上传至系统上位机作为矿用多路输出本安电源的功能之一对煤矿现场应用和系统故障诊断具有重要意义。

1 本安电流直接采集方法

矿用多路输出本安电源一般由一个控制板和几个电源板组成。由于本质安全要求，GB 3836.4规定矿用多路输出本安电源不同本安回路之间的隔离耐压要求为500VAC[5]。因此矿用多路输出本安电源的本安输出电流采集一般采取电源板本安输出端采集、与控制板进行隔离通信的直接采集方法，具体结构如图1所示(以2路输出本安电源为例)。

电源板通过隔离DC/DC电源模块将非安输入转换为固定输出的直流电压，然后经过双重本安保护电路输出本质安全电源[6]。为采集本安输出电流，在本安输出端串联电流采样电阻，本安电流流经采样电阻两端产生微弱电压信号经运算放大器放大后进电源板MCU A/D引脚进行A/D采集。控制板MCU通过光耦隔离与每一路电源板依次进行通信获取每一路本安电流的采集结果，然后进行分析处理并上传至上位机。

图1 本安电流直接采集方法结构框图

本安电流直接采集法在本安输出端直接进行电流采集，采集精度较高，但每一个电源板为此增加了MCU及其外围电路、光耦等器件，并且需要编写MCU程序并制定控制板与电源板间的通信协议，这在很大程序上增加了硬件和软件的成本和产品的复杂程度。并且，由于矿用输出本安电源本安输出电缆铺设距离较长，井下电磁环境恶劣，本安输出电缆耦合的电磁干扰极易导致电源板MCU复位和死机等现象[7-13]，这又在很大程度上降低了产品的可靠性。因此，本安电流直接采集方法在产品实际应用中效果较差。鉴于此，本文提出了一种本安电流间接采集方法。

2 本安电源间接采集方法

本安电流间接采集方法相比本安电流直接采集方法采用完全不同的拓扑结构，将电流采样电阻置于控制板上每一路电源板非安供电处，通过采集电源板DC/DC电源模块前端的非安输入电流来计算本安输出电流，其结构如图2所示。

相比较而言，本安电流间接采集方法将电流采样电阻和运算放大器由电源板迁移至控制板，每一路电源板非安输入电流流经电流采样电阻转换为电压信号，电压信号经运算放大器放大后直接进入控制板MCU A/D引脚进行A/D转换和相关计算。电源板仅保留DC/DC电源模块和本安保护电路，不再设有MCU和光耦隔离通信等电路，电源板也无需编程MCU和控制板进行通信。这在很大程度上简化了硬件结构，节省了硬件设计成本和软件设计成本，也很好的避免了电源板MCU因线路耦合干扰导致复位或死机等故障报警问题，提高了产品的可靠性。

图2 本安电流间接采集方法结构框图

3 本安电流间接采集方法硬件设计

图2中，电流采样电阻串联在非安输入端正极上，即所谓的高端电流采集。高端电流采集共模电压高，运算放大器需选用高共模输入的专用运算放大器，成本也较高。

在实际的硬件设计中，电流采集一般采用低端采集，即电流采样电阻置于电源的负极上。低端采集对运算放大器要求较低，采用常规运放放大器即可。非安输入电流采集硬件原理如图3所示，N1为常用运算放大器LM358，信号放大倍数通过匹配电阻设置为16倍。

图3 非安输入电流采集硬件原理图

4 本安输出电流的理论计算

根据图3，由运算放大器的特性可知：

式中，VinI为运算放大器输出电压，V；Iin为流经采样电阻RSNS的电流，即DC/DC模块的输入电流，A；RSNS为电流采样电阻，Ω；R1，R2，R3为运算放大器匹配电阻，Ω。

对运算放大器输出电压VinI进行A/D采集可计算DC/DC电源模块的输入电流为：

对于DC/DC电源模块，由其转换效率关系可知：

Pout=Pin×η

即Vout×Iout=Vin×Iin×η

式中，Iout为DC/DC模块输出电流，即本安输出电流，A；Vin为DC/DC模块输入电压，V；Iin为DC/DC模块输入电流，A；η为DC/DC模块转换效率；Vout为DC/DC模块输出电压，V。

Vin为DC/DC电源模块输入电压，即图2中的非安输入电压。由于矿用多路输出本安电源一般配有后备电池，在电池供电和交流供电时对于控制板来说其非安输入电压不同，且在电池供电时电池电压逐渐降低，该非安输入电压的大小可通过控制板MCU A/D采集得知。因此，式(3)中除DC/DC电源模块转换效率η外其他变量均为已知或可由MCU A/D采集得知。对于选定的DC/DC电源模块(以金升阳URF2418LP-20WR3为例)，其输出电压固定，在实验室环境下，可测得在不同输入电压和输入电流—输出电流的条件下电源模块的转换效率，见表1(由于输出电流实际为所求未知量，在表1中不再列出)。

根据表1查找在不同输入电压和输入电流条件下的电源模块转换效率，代入式(3)即可计算DC/DC模块输出电流，即本安输出电流。由于实验室测试数据表1仅为有限个数据点，在实际计算用需要根据这些节点进行二维插值计算。

表1 不同输入电压和输入电流条件下DC/DC电源模块(URF2418LP-20WR3)的转换效率

5 本安输出电流的插值计算

常用的二维插值方法有Nearest插值法、分片线性插值法、双线性插值法、三次内插值法等[14]。由于Nearest插值法采用最近节点的值作为结果，因此不具有连续性[15]。考虑到控制板MCU的计算能力，本设计选择分片线性插值法。分片线性插值法是二维插值中最简单的具有连续性的插值方法[16]。

分片线性插值示意如图4所示，已知四个插值点(矩形的四个顶点)处的函数值：

f(xi，yj)=f1，f(xi+1，yj)=f2，

f(xi+1，yj+1)=f3，f(xi，yj+1)=f4

图4 分片线性插值示意图

第一片(下三角形区域)，(x，y)满足：

插值函数为：

f(x，y)=f1+(f2-f1)(x-xi)+(f3-f2)(y-yj)

(4)

第二片(上三角形区域)，(x，y)满足：

插值函数为：

f(x，y)=f1+(f4-f1)(y-yj)+

(f3-f4)(x-xi)

(5)

令Iin为x，Vin为y，则分片线性插值函数的程序流程如图5所示。

图5 分片线性插值程序流程图

将η代入式(3)即可得出DC/DC模块输出电流，即本安输出电流。通过验证，通过这种方法计算的本安输入电流误差在3%以内，能够满足现场使用需求。

6 结 语

对比分析了矿用多路输出本安电源本安电流直接采集方法和间接采集方法的结构框图，介绍了矿用多路输出本安电源本安电流间接采集方法的硬件实现方法和基于分片线性插值的程序计算方法。结果表明，矿用多路输出本安电源本安电流间接采集方法极大简化了电路结构，降低了硬件成本并提高了硬件可靠性，在矿用电源产品设计中具有较高的实用价值。