洪永強,李其干,陳 源,薛文東,杜梓賢

(廈門大學航空航天學院,福建廈門361005)

電磁繼電器是一種核心的電氣控制開關元件,通常是以小電流、小電壓去控制大電流、大電壓的通斷,被廣泛地應用于家電、汽車、電力、工控、航空航天等領域．近些年來,電磁繼電器電氣參數(shù)檢測技術雖然已經(jīng)得到了很大的發(fā)展,但是這些設備大多還是以傳統(tǒng)的串行通信方式與上位機交換數(shù)據(jù)[1-3],與計算機或者服務器的接口較為繁瑣，兼容性差，布線復雜，難以組網(wǎng),不利于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的直接上傳和多臺設備同時在線檢測控制．而在文獻[4-5]中,檢測線圈電阻通入的勵磁電流需要人工提前設定大小,無法自適應地根據(jù)線圈阻值大小選擇合適的電流,限制了生產(chǎn)過程中工業(yè)自動化的程度．隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”等新興制造理念的提出,檢測設備需要面向更加網(wǎng)絡化和智能化的方向發(fā)展．

為了解決上述問題,本研究中設計出一種基于STM32F407的可程控式電磁繼電器電氣參數(shù)在線檢測系統(tǒng),該系統(tǒng)可以通過智能地調節(jié)勵磁電流的大小來準確測量線圈電阻,而且能測出接觸電阻、吸合/釋放電壓以及吸合/釋放時間等參數(shù)．同時,本系統(tǒng)通過有線或者無線的方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡化在線傳輸,用戶可以通過本地或者以太網(wǎng)實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的線上、線下設置,最后通過實驗數(shù)據(jù)驗證了參數(shù)檢測系統(tǒng)的性能．

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)的主要技術指標

繼電器電氣參數(shù)的準確測量,一方面是衡量繼電器質量合格與否的重要標準,另一方面這些參數(shù)可以間接反映出繼電器生產(chǎn)線上某些環(huán)節(jié)的生產(chǎn)狀況,對生產(chǎn)設備的維護和產(chǎn)品質量預測具有重要的參考價值．目前市面上的繼電器參數(shù)檢測系統(tǒng)為了改變不同的測量范圍,可能需要更換相應的硬件模塊．為了使參數(shù)檢測系統(tǒng)滿足常規(guī)種類繼電器的測量范圍,在不改變硬件條件的基礎上,保證測量的精度,提出了如表1所示的技術指標.

1.2 系統(tǒng)的總體硬件結構

如圖1所示,電磁繼電器電氣參數(shù)檢測系統(tǒng)由繼電器檢測部分和單片機主控部分組成．繼電器檢測部分包含:線圈電阻檢測模塊、觸點電阻檢測模塊、吸合/釋放電壓檢測模塊和吸合/釋放時間檢測模塊．單片機主控部分包含:聯(lián)合測試工作組(JTAG)接口、靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM)模塊、以太網(wǎng)接口模塊、溫度傳感器模塊以及按鍵觸摸屏模塊．

圖1 系統(tǒng)總體框架 Fig.1General structure of system

根據(jù)GB/T7261—2008,線圈電阻和觸點電阻都利用歐姆定律來測量．吸合/釋放電壓的測量是靠控制線圈電壓的斜坡(步進)上升、下降,來捕獲線圈電流的尖峰處對應的電壓．吸合/釋放時間的測量則是通過單片機的外部中斷觸發(fā)定時器計時．電阻的阻值會受到溫度的影響,系統(tǒng)需要采集環(huán)境溫度,對測量的線圈電阻和接觸電阻進行溫度補償．STM32F407本身含有以太網(wǎng)模塊,而且該模塊具有專門的直接內存存取(DMA)控制器和媒體接入控制器(MAC) 802.3,支持介質獨立接口(MII)和簡化介質獨立接口(RMII)[6],這使得以太網(wǎng)接口部分的硬件電路大大簡化．測量數(shù)據(jù)還可以選擇通過無線網(wǎng)絡模塊發(fā)送,以減輕布線負擔．為了方便電磁繼電器參數(shù)檢測系統(tǒng)的參數(shù)設定,管理員可以使用上位機利用以太網(wǎng)在線上修改參數(shù),或者操作人員通過下位機的按鍵觸摸屏模塊在線下進行修改．修改好的參數(shù)會被寫入STM32的flash,避免每次斷電后都需要重新設置參數(shù)．

2 系統(tǒng)電路設計

2.1 接觸電阻測量原理

系統(tǒng)測量接觸電阻時采用“四端法”．主回路通過控制晶體管的導通向觸點通入100 mA的短時直流電流,測量回路提取觸點兩端的電壓經(jīng)過濾波和放大后接入模數(shù)轉換器(ADC)處理,然后利用歐姆定律計算出觸點電阻．為了使結果更加準確,需要將測量觸點電壓所用的導線提前用電橋測出,用于標定觸點電阻的阻值．

2.2 線圈電阻測量電路

不同電壓等級的繼電器,其線圈阻值是不同的,表2展示了歐姆龍G5V-1系列繼電器的線圈電阻參數(shù)．不僅如此,同一電壓等級、不同廠家生產(chǎn)的繼電器線圈電阻也有較大的差異．目前,線圈電阻檢測方式需要根據(jù)不同型號繼電器線圈電阻,人工預先設定勵磁電流的大小,存在參數(shù)難以自動設置的問題,效率低下．本研究搭建了可自動設置勵磁電流的繼電器線圈電阻自動測量系統(tǒng),可滿足10～5 000 Ω范圍內的繼電器線圈電阻測量．

表2 歐姆龍G5V-1系列繼電器的線圈電阻參數(shù)Tab.2 Coil resistance parameters of the OMRON G5V-1 series relay

本系統(tǒng)采用數(shù)字式可編程電流源芯片AD5422搭配AD8231程控運算放大器,利用線圈吸合/釋放回路中的采樣電阻檢測出待測繼電器額定電壓下的線圈電流.單片機通過數(shù)據(jù)總線設置AD5422和AD8231相應的寄存器．AD5422具有16位精度,0～20 mA的輸出．系統(tǒng)可根據(jù)實際繼電器線圈電阻對AD5422設置多個檔位,例如:10～50 Ω范圍輸出5 mA,50～500 Ω范圍輸出2 mA,500～1 000 Ω范圍輸出1 mA,1 000～5 000 Ω范圍輸出0.1 mA等．對于已知類型的繼電器,可人工選擇合適的電流檔位,以提高檢測效率；而對于未知類型的繼電器,系統(tǒng)可先給線圈通入額定電壓,通過采樣電阻上的電壓計算出線圈的額定電流的大小,重新設置電流源的輸出為額定電流的10%,對線圈電阻實現(xiàn)精確測量,進而實現(xiàn)自適應地根據(jù)線圈電阻值大小選擇合適的勵磁電流．取10%的額定電流作為檢測線圈電阻的勵磁電流，是對線圈電阻“自熱”影響和提高線圈電壓信號信噪比的一種折中.AD8231是一款零漂移、數(shù)字可編程式儀表放大器,系統(tǒng)通過該放大器將線圈電壓放大到最適合模數(shù)轉換器(ADC)讀取的電壓,以降低ADC采集過程中的噪聲波動對信號的影響．在線圈電流和線圈電壓均已知的情況下,再根據(jù)歐姆定律R=U/I計算出線圈電阻值．

圖2中半圓形彈性簧片為夾持繼電器線圈引腳的機構,方便待測繼電器的快速更換．系統(tǒng)也采用“四端法”將AD5422程控電流源的輸出與AD8231對線圈電壓信號的采集分隔開來,避免導線電阻所帶來的誤差．由于使用的是芯片內部的ADC,所以同時還需要保證采集的線圈電壓信號滿足0～3.3 V．

圖2 線圈電阻測量原理示意圖 Fig.2Principle diagram of coil resistance measurement

2.3 線圈電壓驅動電路

為了驅動不同電壓等級的繼電器以及準確地測量出吸合/釋放電壓,系統(tǒng)需要一個能從0～80 V任意變化的可調電壓源為繼電器供電,而串聯(lián)型穩(wěn)壓電路就可以滿足這樣的需求[7]．相比于開關型穩(wěn)壓電路,串聯(lián)型穩(wěn)壓電路電壓調節(jié)速度快,輸出電壓穩(wěn)定．

圖3 線圈電壓驅動電路 Fig.3Coil voltage drive circuit

圖3中,STM32的數(shù)模轉換器(DAC)輸出電壓UDAC與線圈驅動電路輸出電壓UO的反饋電壓Uf的差值送入由運放搭建的比例積分(PI)調節(jié)器,進而控制由三極管T1和功率管T2組成的達林頓結構,使得將多變比變壓器整流出來的直流電壓線性可調．電路中的多變比變壓器具有15,48和110 V 3個電壓級別的抽頭,根據(jù)待測繼電器的額定電壓的大小由繼電器網(wǎng)絡切換到相應電壓等級的中心抽頭．

為確保結果準確性，對模型進行帕克檢驗確定其是否具有異方差性。驗證結果顯示，F(xiàn)統(tǒng)計量的值為1.988844，Prob（F-statistic）=0.108443大于顯著性水平α=0.05，說明模型不存在異方差性，證明模型不存在異方差性，模型設定完全可靠，回歸分析結果可以作為分析結論以及政策建議的依據(jù)。

值得一提的是,為了實現(xiàn)寬范圍的電壓可調,需要合理地選取R4～R9的阻值,讓T1和T2始終工作在線性放大區(qū)．最大反饋電壓Ufmax不應超過DAC的最大輸出電壓UDACmax:

Ufmax=Uomax×R9/(R8+R9)≤UDACmax，

R8和R9的取值在滿足上述不等式的同時,也不能超過自身電阻的功率限制,否則反饋電壓Uf會因為電阻發(fā)熱的問題產(chǎn)生波動．同時為了保證輸出電壓UO的精度,R8和R9應該選取高精度的電阻．

設整流出來的電壓為Ucc,負載電流為ILoad,IC1、IC2分別為T1、T2的集電極電流,UEB2為T2射極和基極之間的電壓,α、β分別為T1、T2的放大倍數(shù),T1的射極電流IE1不應超過運放OP3的最大輸出電流IOPmax,若給運放留20%的余量,則有

設運放OP3輸出電壓最大值為UOPmax,那么

對于R4的選取,應保證T1始終工作在放大區(qū),即

由上面的不等式可知,R4的選取依賴于IE1和R5,而IE1的大小取決于R6和R7,同時R8和R9構成了負載電路的一部分,會影響負載電流ILoad的大?。孕枰凑誖9,R8,R7,R6,R5和R4的順序進行電阻的取值．

2.4 吸合/釋放電壓檢測電路

圖5 吸合/釋放電壓檢測電路 Fig.5Pull-in and release voltage detection circuit

圖4給出了線圈采樣電阻上電壓的處理波形,其中U1,U2,U3在圖5所示檢測電路中的相應位置標出．U1即為圖5中采樣電阻R1上的電壓經(jīng)過反向放大得到的波形,U2為U1微分后的波形,U3為U2和閾值電壓UR進行電壓比較后的波形．在圖4(a)中U1有兩個小的尖峰,分別對應一次吸合和二次吸合時線圈電壓的變化狀態(tài)．圖4(b)中U1所描述的繼電器釋放過程基本上是吸合的逆過程．隨著線圈電壓的下降,U1也在隨之減少,相應的勵磁電流也隨之減小.當吸力小于彈力后,銜鐵開始運動,反電動勢使線圈上的電流微弱的上升,之后電流會慢慢下降到零[8]．

圖4 線圈采樣電阻上電壓的調理波形 Fig.4Processing waveform of coil sampling resistance voltage

檢測吸合/釋放電壓的方法有:二分法[9]、步進中值法和差異比較法．繼電器吸合和釋放時電流的變化是極其短暫的,對于超行程距離比較小的繼電器而言,一次吸合和二次吸合很難分開,前兩種方法無法得到二次吸合的電壓,而最后一種方法檢測的時間又比較長,因此3種方法都是利用數(shù)學方法來逼近真實值．本系統(tǒng)則是從硬件出發(fā),線圈電壓驅動電路步進地增加或減少線圈電壓,將線圈電流采樣得到的電壓進行放大、微分、濾波和比較[10],最后得到脈沖觸發(fā)信號,如圖4中的U3所示．脈沖信號觸發(fā)單片機中斷,單片機在中斷程序中用ADC讀取線圈的電壓值,此時對應的線圈電采樣壓即為吸合/釋放電壓．調理電路配合中斷程序有效地解決了傳統(tǒng)算法無法檢測二次吸合和檢測過程緩慢的問題．圖5給出了本系統(tǒng)所搭建的吸合/釋放電壓檢測電路圖．

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 下位機程序設計

本系統(tǒng)中所采用的主控芯片為STM32F407,該芯片是以Cortex-M4為內核的32位高性能微控制器．STM32F407支持C語言開發(fā),下位機程序采用Keil集成開發(fā)環(huán)境來編寫,使用J-LINK作為調試工具[11]．下位機程序在uC/OS Ⅲ操作系統(tǒng)的基礎上開發(fā),以此來降低多個任務間的耦合度．本系統(tǒng)中下位機和上位機之間采用了基于輕量級IP(light weight IP,LwIP)的莫迪康總線(Modbus)通信協(xié)議,通過以太網(wǎng)以有線或者無線的方式將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送到服務器,以方便對采集到的數(shù)據(jù)做進一步的分析．相比于傳統(tǒng)的串行通訊方式,以太網(wǎng)的通信速度更快且更穩(wěn)定,無線的通信方案也可極大地降低布線負擔,能提高空間利用率．

檢測線圈電阻的流程如圖6所示,如果已知待測繼電器的線圈電阻的大致范圍,可提前選好相應的電流檔位,以增加檢測效率．

圖6 線圈電阻檢測流程 Fig.6Coil resistance detection process

在檢測線圈的吸合/釋放電壓時,應該步進地給線圈增加或減少電壓,當有下降沿中斷產(chǎn)生時,執(zhí)行相應的中斷程序,圖7給出了相應的檢測程序．

圖7 線圈電壓檢測流程 Fig.7Coil voltage detection process

3.2 上位機程序設計

上位機軟件使用C++語言編寫,使用Qt跨平臺C++圖形用戶界面應用程序框架來開發(fā),利用Oracle數(shù)據(jù)庫接口存儲數(shù)據(jù)．上位機主要分為網(wǎng)絡連接、數(shù)據(jù)庫操作、參數(shù)發(fā)送、參數(shù)接收和趨勢圖5個功能塊．網(wǎng)絡連接顯示網(wǎng)絡基本信息,如IP地址和連接狀態(tài)等．數(shù)據(jù)庫操作部分提供了對以往數(shù)據(jù)的查詢、增刪的服務等．參數(shù)發(fā)送部分主要是對繼電器時測試的參數(shù)預設置,如繼電器電壓的上下限,測量線圈電阻通入的電流大小等,可根據(jù)需求測試繼電器的電氣參數(shù)．參數(shù)接收部分實時刷新當前所測得的電氣參數(shù)．趨勢圖部分可以對選擇的數(shù)據(jù)添加趨勢線,方便專業(yè)人員對數(shù)據(jù)進行分析．

4 實驗數(shù)據(jù)

經(jīng)測試,線圈電壓驅動部分能夠實現(xiàn)電壓0～80 V范圍內任意可調,圖8給出了驅動電路在負載電阻為3.3 kΩ的條件下,電壓階躍上升的示波器波形．第1段電壓的設定值為24 V,第2段電壓的設定值為50 V.從局部放大圖來看,輸出電壓能夠與設定電壓相吻合,誤差較小，且上升沿約為1 ms．同時,本系統(tǒng)對吸合和釋放電壓的檢測電路能夠穩(wěn)定正常地工作．在對額定電壓為12 V的繼電器的測試中,能捕獲到兩個觸發(fā)沿,圖9為示波器測得的波形．其中,波形2為原始信號經(jīng)放大、微分和濾波后的波形,波形1為同閾值電壓UR比較后得到的波形U3．

圖8 驅動電壓階躍上升波形 Fig.8Step waveform of drive voltage

圖9 線圈電流的處理波形 Fig.9Processing waveform of coil current

表3和表4為電氣參數(shù)檢測系統(tǒng)的性能檢測結果,為了使測得的數(shù)據(jù)更具代表性,對不同樣品隨機測量8次,在測試實驗中所用的繼電器類型為HF3FA/012-HSTF和G5V-2-DC5．其中,HF3FA/012-HSTF繼電器的額定電壓為12 V,實驗中的勵磁電流大小為3 mA,G5V-2-DC5繼電器的額定電壓為5 V,實驗中的勵磁電流大小為1 mA．由于不同參數(shù)的量綱并不一樣,這里采用了變異系數(shù)來評價檢測系統(tǒng)的精密度[12]．表中的變異系數(shù)均小于5%,可以反映出系統(tǒng)的各個測試項目的精密度都比較高,性能穩(wěn)定,達到了預期的設計指標．在2次測量中,線圈電阻相比于其他電氣參數(shù)的變異系數(shù)而言較小,說明通過智能的調節(jié)勵磁電流的大小可準確測量線圈電阻．表3和4中的相對誤差是本系統(tǒng)測量值與參考值之間的相對誤差，其中參考值是使用萬用表、示波器和電橋等儀器測出來的數(shù)據(jù).計算相對誤差時,忽略了各儀器的自身誤差．從表中可以看出,相對誤差均小于5%,進一步說明了該系統(tǒng)具有很好的檢測準確度．

表3 HF3FA/012-HSTF繼電器電氣參數(shù)測試結果

Tab.3 Electrical parameter test results of the HF3FA/012-HSTF relay

參數(shù)類型參考值測試次數(shù)12345678變異系數(shù)/%相對誤差/%線圈電阻/Ω399.8 398.4 398.8 398.9 398.3 398.6 398.6 397.8 398.4 0.080.35接觸電阻/mΩ常開11.8111.3511.4211.5011.3411.4411.4011.4011.540.603.30常閉11.2710.9410.9110.8310.8110.8410.9010.8310.760.553.73吸合電壓/V8.218.218.208.188.198.188.208.218.180.160.24釋放電壓/V2.302.252.202.252.202.272.222.302.191.742.83吸合時間/ms3.082.892.982.872.923.073.113.173.053.632.35釋放時間/ms2.592.692.682.662.672.692.672.662.680.453.28

表4 G5V-2-DC5繼電器電氣參數(shù)測試結果Tab.4 Electrical parameter test results of the G5V-2-DC5 relay

5 結 論

本研究在目前現(xiàn)有的研究基礎上,針對目前繼電器參數(shù)檢測存在的問題以及實際生產(chǎn)的需求,設計了一種基于STM32F407的可程控式電磁繼電器電氣參數(shù)在線檢測系統(tǒng)．該系統(tǒng)可以完整地測量出繼電器電氣參數(shù),能夠智能地調節(jié)勵磁電流的大小來準確測量線圈電阻,并使用基于LwIP的Modbus通信協(xié)議實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡化在線傳輸．最后通過實驗表明,該系統(tǒng)的穩(wěn)定性好,精度高,達到了預期的設計要求．

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