西门子V90电机1FL6066-1AC61-2AA1

西门子V90电机1FL6066-1AC61-2AA1

 毫欧姆级电阻测量电路设计

飞机上，通常利用机体作为一根供电导线。为了保证飞机的正常供电，要求从机头到机尾的机体电阻必须小于0.005欧姆，即5毫欧姆，才不至于影响飞机的正常供电。

以往对于特低电阻值的测量通常采用比较的方法，即手动调节电桥平衡，在精密电阻箱上得到读数，此方法既慢又不准确。即使采用6位半的高精度数字表直接测量电阻，其电阻测量的分辨率也只能达到10毫欧姆。这说明测量机体电阻是一个比较困难的**低阻值测量问题。
2　系统设计与误差分析
将测试线路及测试仪内部的线路电阻考虑在内时，电阻值的测量范围要达到100毫欧姆；为了准确测量出机体电阻，分辨率要达到0.1毫欧姆。

从理论上说采用24bit的A/D转换器，若输入量程为5V，则分辨率可达：
LSB=5/(224-1)=0.29微伏
即1mA电流流过1毫欧姆电阻产生的1微伏电压降也能测量出来。但这省略了一个前提：被测量信号的信噪比必须非常高。如果线路的噪声达到1mV，那么即使1A电流在1毫欧姆电阻上产生的1mV电压信号也不出来。

根据需要测量的电阻值范围和对被测量信号信噪比的要求，设计的系统原理结构
图1 测试系统原理图
测试系统的误差分为量化误差Δd和模拟误差Δm两部分。可表示为：
Δd=A/D转换器的积分非线性误差INL+A/D转换器的微分非线性误差DNL+量化误差LSB

Δm=被测量的电阻*比例误差系数+系统常数误差十随机误差
上式中决定比例误差系数的主要因素是恒流源精度、各个环节的温漂和增益误差等。决定系统常数误差的主要因素是系统内部线路、测试线路和各个环节的调零。决定随机误差的主要因素是随机接触电阻、系统噪声和外部干扰。
3　关键电路选型
3.1　低漂移大电流精密恒流源电路

理论和元器件数据资料表明，以齐纳二极管为基准的精密电压参考源的性能优于以能带为基准的恒流源，因此采用高性能的精密电压参考源间接得到需要的精密相流源。
图2 高精密低温漂恒流源电路
REF102是10V精密电压参考源，精度为±0.0025V，温漂为2.5ppm/℃max，可满足本系统电阻测量的要求。OPA111精密运算放大器作为电压跟随器，使得REF102的GND端和放大器的同相端相等，即R*为高精度、低温漂的精密电阻，则流过RL的电流为精密恒定电流。整个电路等效为恒流源电路。

恒流源扩展电路如图3所示，运算放大器工作在开环状态，由于同相端和反相端的压差几乎为零，运算放大器的偏置电流可以忽略不计，因此恒流源电流在NR上的压降与VMOS场效应管的源较电流在R上的压降必定相等。当选择

I1=1mA,NR=999R时
则Is=999*I1=999mA

所以I0=I1+Is=1mA+999mA=1.000A
选择NR、R为高精度低温漂电阻，OPA602为精密运算放大器，则扩展后输出的电流是精密恒流源。
3.2　A/D转换与单片机系统
由于测试量程要达100毫欧、分辨率要小于0.1毫欧，所以A/D转换器的二进制编码数至少要达到1000个，相当于10位的A/D转换器。考虑到噪声的影响以及A/D转换器的差分非线性DNL、积分非线性NL和量化误差LSB，选择16位的串行接口A/D转换器ADS7809。设定其输入量程为10V，则分辨率为0.1525mV。当被测量的电阻较大值为100毫欧，恒流源电流为1A时，被测电阻上的压降为0.1V。为提高测试的精度，将此信号放大100倍达到10V，则理论上0.1毫欧的电阻可产生10mV的电压降，A/D转换后的读数可达65LSB，可充分保证测量的精度。
图3 精密扩展恒流源电路
4　关键误差的
4.1　硬件滤波电路
由于机体是一个大的导体，其感应的干扰信号很强，机上设备工作时也会产生较大的干扰。而机体电阻是一个比较稳定的值，在恒流源的激励下产生的电压信号是比较稳定的信号，理论上近似如直流。因此在将测量信号加到A/D转换器之前先经过一个有源低通滤波器，设定较低的截止频率可滤除一切交流干扰。
4.2　软件滤波

为进一步提高系统抗干扰和噪声的能力，保证测试的精度，对获得的测量值进行数字滤波处理，即进行256次测量后取平均值。经过软、硬件滤波处理后的系统误差仅仅±1LSB。
4.3　测试连接线及其与机上测试点随机接触电阻的

恒流源电流流经的系统内部线路电阻和连接飞机的测试导线的导线电阻可达三十几毫欧，可作为系统常数误差予以。
难以的误差是随机误差，来自于测试线路与机上连接点的随机接触电阻。每次测量时，拧紧测试线的力度不同、接触表面的清洁度不同，其接触电阻完全是随机的，变化范围可达几个毫欧。为此采用如图4所示的测试连接电路予以。

图4 随机误差的测试连接图
测试原理是四线测试法。选择L1~L4四根导线为相同导线电阻的镀银导线。M1、M2为机上测试连接点。在同一个测试点上拧紧两根测试线，L1和L2，L3和L4。导线的另一端接至测试接线盒的接触电阻小于0.05毫欧的φ6镀金接线柱。采用手动连接活动镀金接线片的办法，构成三种测试状态：R+接T1、R―接N1，测量出L1、L2及接触点M1的接触电阻；R+接N2、R―接T2，测量出L3、L4及接触点M2的接触电阻。将这两个电阻值取平均值作为测试线路的系统误差。最后测出R+接N2、R―接N1的电阻值，减去上述测得的测试线路系统误差，即得到机体电阻值。
5　测试软件流程图
如图5所示，单片机采用查询方式响应测试键控。用4个键对应四个测试状态，且及时显示测试结果以便于操作者判断。程序判断四个电阻测试完后，自动修正各种误差，显示并打印出所测得的机体电阻值，并附带其他信息，以便于保存和验证。

图5 键控流程图
6　结论
针对待测电阻和测试线路的特点，设计了**高精度、**低漂移的精密恒流源，巧妙地采用了四线测试法了难以克服的随机接触电阻的影响，经过元器件的反复选型和测验，最后达到满足测试需求的效果。可准确地测出1厘米长的粗导线的导线电阻值。此设备已成功用于飞机机体电阻的测量和大功率开关电器额定功率的检测

应用
模拟量输入模板用来实现PLC与模拟量过程信号的连接。用于连接电压和电流传感器、热电耦、电阻和热电阻

功能
模拟量输入模块将来自过程的的模拟量信号转换为可在控制器中进行内部处理的数字量信号。

该模块具有如下特点：

分辨率为 9-15 位 + 符号位（具有不同的转换时间），可以设置。

各种量程；
电流/电压的默认设置是使用量程模块以机械方式设置的，可通过编程器和 STEP 7 的“Hardware configuration”进行细调。

中断能力；
该模块将诊断和限值中断发送到控制器的 CPU。

诊断；
该模块将综合诊断信息发送到 CPU。

1 PROFINET 智能设备功能

1．1 简介

        智能设备（I Device）功能使CPU 不但可以作为一个智能处理单元处理生产工艺的某一过程，而且可以和 IO 控制器之间交换过程数据。该 PN 设备可以同时作为 IO控制器和 IO 设备。智能设备功能简化了与 IO 控制器的数据交换以及对 CPU  操作。智能设备可作为  IO  设备链接到上层IO  控制器。参考图 1 智能设备功能。



图1 智能设备功能
 

图1中作为智能设备的SIMATIC CPU/CP 不仅能处理下层分布式I/O 的数据，而且能将数据传递给上层的I/O 控制器。

1．2 智能设备的应用领域与优势

        智能设备的应用领域： 

        ●   分布式处理 

        可以将复杂自动化任务划分为较小的单元/子过程。这使得过程可管理，从而简化了      子任务。 

        ●   单独的子过程 

        通过使用智能设备，可以将分布广泛的大量复杂过程划分为具有可管理接口的多个

子过程。这些子过程存储在各个  STEP 7  项目中，而这些项目经过合并可形成一个总的项目。  

        ●   专有技术保护 

        为了对智能设备进行接口描述，各个系统部分只能通过一个  GSD  文件来提供，而不是通过 STEP 7 项目来提供。用户程序的专有技术不再会被公开。

 

2 PROFINET 智能设备功能组态

下面介绍PROFINET智能设备功能的配置方法，参考图 2 PROFINET网络结构。



图2 PROFINET 网络结构
 

        IO控制器 CPU1214C V2.1连接SCALANCE 414-3E交换机和一个以及IO设备CPU315-2 PN/DP v3.2构成一个PROFINET IO系统1。IO设备CPU315-2PN/DP v3.2同时作为PROFINET IO系统2的IO控制器连接一台IO设备ET200S IM151-3 PN (6ES7 151-3BA23-0AB0) v7.0。CPU315-2 PN/DP就是这个系统中的智能设备。

2.1 PROFINET 系统组态

首先在TIA Portal V11 SP2的“Portal View”中选择“新建项目”创建一个新项目，对S7-1200进行硬件组态，选择对应的订货号，这里使用的是6ES7214-1AE23-0XB0，版本是V2.1。参考图3 选择订货号。

西门子SM331模拟量模块
图3 选择订货号
 

将该订货号直接拖到网络视图中，然后点击CPU 模块，在“属性”〉“常规”的名称中设置控制器名称。参考图4 S7-1200 设置设备名称。



图4 S7-1200 设置设备名称
 

双击该模块进入设备视图。在设备视图中可以进行S7-1200 系统的硬件配置。参考图5 S7-1200 设备视图。


图5 S7-1200 设备视图
 

在设备视图中可以看到整个S7-1200  CPU 的图形。点击以太网口图标，在下面的PROFINET 接口属性中，选择“常规”〉“以太网地址”，然后在右侧选择“在项目中设置IP 地址”，设置IP 地址和子网掩码。参考图6 设置1200 以太网地址。


图6 设置1200 IP 地址
 

这样就完成了S7-1200 CPU 的硬件组态。然后需要对CPU 315-2 PN/DP 进行硬件组态。在硬件列表中选择订货号，参考图7 CPU 315 选择订货号。



图7 CPU 315 选择订货号
 

将该订货号拖入网络视图中，然后点击CPU 模块，在“属性”〉“常规”的名称中设置智能设备名称。参考图8 CPU 315 设置设备名称。


图8 CPU 315 设置设备名称
 

双击该模块进入CPU 315-2PN/DP设备视图。参考图9 CPU315 设备视图。


图9 CPU 315 设备视图

点击CPU 模块上的以太网口图标，然后在PROFINET 接口“属性”〉“常规”中选择“以太网地址”，在右侧选择“在项目中设置IP 地址”，然后为CPU 315 设置 IP地址。注意要与1200 CPU 的IP 地址在同一个网段，且地址不能重复。参考图10 设置CPU 315-2PN/DP 以太网地址。


图10 设置CPU 315-2PN/DP 以太网地址
 

再进入网络视图，添加IM 151-3 PN，订货号为6ES7 151-3BA23-0AB0，参考图11 IM151-3 PN 选择订货号