杜太行，郝立林，孫曙光，劉旭林，紀(jì)學(xué)玲，孟 巖

(河北工業(yè)大學(xué)人工智能與數(shù)據(jù)科學(xué)學(xué)院，天津 300130)

0 引言

交流接觸器是電力行業(yè)廣泛使用的一種低壓控制電器，主要用于遠(yuǎn)距離頻繁接通和開斷交流主電路以及大容量控制電路。部分交流接觸器所處的工作環(huán)境(如鐵路、船舶、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等)較惡劣，其中包括溫度、振動(dòng)、濕度以及鹽霧等一系列因素對(duì)交流接觸器的動(dòng)態(tài)特性有不同程度的影響[1-2]，外界振動(dòng)應(yīng)力環(huán)境會(huì)造成接觸器觸頭的微動(dòng)磨損并伴隨機(jī)械構(gòu)件疲勞斷裂等現(xiàn)象的發(fā)生[3]。在國內(nèi)，針對(duì)交流接觸器的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試主要在常規(guī)環(huán)境下[4-5]，本測(cè)試系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是將振動(dòng)因素引入到接觸器的動(dòng)態(tài)測(cè)試中。對(duì)接觸器進(jìn)行振動(dòng)條件下動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)有助于基于動(dòng)態(tài)特性分析接觸器在振動(dòng)條件下的失效機(jī)理[6]，可為后續(xù)改進(jìn)接觸器的設(shè)計(jì)提供重要的依據(jù)。

本文設(shè)計(jì)了振動(dòng)條件下的交流接觸器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)，在對(duì)接觸器動(dòng)作過程中測(cè)量信號(hào)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)關(guān)鍵軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述分析，最后基于該測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)條件下交流接觸器動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試與分析。

1 測(cè)量信號(hào)分析及系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)接觸器動(dòng)態(tài)特性參數(shù)全方位分析的基礎(chǔ)上，選擇與之相關(guān)的動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，本測(cè)試系統(tǒng)直接測(cè)量的物理信號(hào)包括：線圈電壓電流信號(hào)、主觸頭彈跳信號(hào)、動(dòng)靜觸頭碰撞時(shí)觸頭的接觸壓力信號(hào)、振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)信號(hào)。由這些原始數(shù)據(jù)可以得到接觸器的一系列動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，包括：吸合時(shí)間、一次彈跳時(shí)間、一次彈跳次數(shù)、二次彈跳時(shí)間、二次彈跳次數(shù)、接觸時(shí)間、上下觸頭的受力次數(shù)等。同時(shí)，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試前需要對(duì)接觸器的固有頻率進(jìn)行測(cè)量，將接觸器在吸合狀態(tài)下觸頭兩端的接觸壓降作為測(cè)試固有頻率過程中監(jiān)測(cè)的物理信號(hào)。

振動(dòng)條件下交流接觸器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)主要由以下部分組成：工控機(jī)、選相合閘控制單元、PCI-1712高速多功能數(shù)據(jù)采集卡、電壓和電流測(cè)試單元、壓電薄膜(PVDF)傳感器、LC0163壓電式加速度傳感器、電磁式振動(dòng)臺(tái)。交流接觸器試品按照GB2423.43固定在振動(dòng)臺(tái)上。試驗(yàn)過程中，工控機(jī)根據(jù)要求向單片機(jī)發(fā)送合閘相角，同時(shí)多功能數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)IO口輸出高電平啟動(dòng)單片機(jī)進(jìn)行選相合閘操作，單片機(jī)在指定的合閘相角下觸發(fā)線圈控制回路。選用霍爾傳感器對(duì)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)；采用壓電薄膜傳感器[7]，分別測(cè)試各相主觸頭觸橋上兩個(gè)觸頭的動(dòng)態(tài)接觸壓力信號(hào)；同時(shí)選用LC0613加速度傳感器，對(duì)接觸器動(dòng)作過程中振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。以上所測(cè)試信號(hào)經(jīng)ADAM-3968端子板連接到采集卡，達(dá)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示的目的。測(cè)試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 選相合閘控制單元

由于接觸器線圈勵(lì)磁電壓不同的觸發(fā)相角對(duì)交流接觸器的動(dòng)態(tài)特性有一定的影響，為消除該因素的影響，重點(diǎn)研究振動(dòng)應(yīng)力對(duì)交流接觸器動(dòng)態(tài)特性的影響，故在測(cè)試系統(tǒng)中加入選相合閘裝置以控制線圈勵(lì)磁電壓的觸發(fā)相角為固定值。

選相合閘控制單元采用STM32F103RCT6為核心，其外圍有過零檢測(cè)電路、與工控機(jī)進(jìn)行串口通信的RS-232接口和觸發(fā)交流接觸器閉合與分?jǐn)嗟目刂苹芈?。STM32F103RCT6通過串口接收上位機(jī)發(fā)送過來的合閘相角后，按照上位機(jī)發(fā)送的合閘相角計(jì)算延遲時(shí)間，同時(shí)對(duì)線圈電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并在檢測(cè)到電壓過零信號(hào)后，經(jīng)延時(shí)時(shí)間后輸出觸發(fā)信號(hào)，控制合閘執(zhí)行器來完成選相合閘功能。具體的流程圖如圖2所示。

圖2 選相合閘流程圖

2.2 觸頭彈跳信號(hào)檢測(cè)模塊

在接觸器動(dòng)作過程中，觸頭發(fā)生彈跳時(shí)，隨著電流的增大還會(huì)產(chǎn)生電弧，可能燒壞觸頭和發(fā)生熔焊現(xiàn)象從而影響接觸器的正常工作，乃至對(duì)其使用壽命和可靠性產(chǎn)生影響，在振動(dòng)應(yīng)力下尤是如此。因此本系統(tǒng)通過直流回路法對(duì)觸頭彈跳信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，其原理是將接觸器的觸頭兩端接在一個(gè)帶有采樣電阻的直流回路中，當(dāng)回路接通直流電源時(shí)，采用電壓傳感器對(duì)電阻兩端的電壓信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過研究觸頭閉合時(shí)電阻兩端電壓的變化來反映觸頭彈跳情況[8]，測(cè)試原理如圖3所示。

圖3 接觸器主觸頭彈跳信號(hào)檢測(cè)

2.3 觸頭接觸壓力信號(hào)檢測(cè)模塊

為了深入分析振動(dòng)應(yīng)力下一個(gè)觸橋上兩對(duì)觸頭碰撞時(shí)的接觸壓力情況，研究其與振動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系，本模塊利用PVDF壓電薄膜測(cè)量動(dòng)靜觸頭碰撞時(shí)觸頭的接觸壓力。PVDF壓電薄膜可以作為壓力傳感器的原理是基于這種材料的壓電效應(yīng)，當(dāng)其收到外力時(shí)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，與受力成正比的電信號(hào)出現(xiàn)在薄膜的表面，經(jīng)過電荷放大器作用，將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)供數(shù)據(jù)采集卡采集。壓電薄膜直徑5 mm，厚度30 μm，利用環(huán)氧樹脂膠將其分別粘在交流接觸器各相主觸頭的上、下兩個(gè)靜觸頭的下表面，測(cè)量原理如圖4所示。

圖4 觸頭接觸壓力信號(hào)檢測(cè)

2.4 振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)模塊

測(cè)試試品均存在固有頻率，當(dāng)外界的振動(dòng)頻率與試品本身固有頻率相同時(shí)，往往引起共振現(xiàn)象，此時(shí)對(duì)試品的影響也大，因此在動(dòng)態(tài)特性測(cè)試前需要對(duì)接觸器的固有頻率進(jìn)行測(cè)量，以便在動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)中合理的設(shè)置振動(dòng)頻率的范圍。同時(shí)在試驗(yàn)過程中對(duì)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)波形信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，以便能更加深入研究振動(dòng)應(yīng)力作用下的動(dòng)態(tài)特性。電磁式振動(dòng)臺(tái)的頻率范圍為0.5～600 Hz，加速度上限為20g，綜合考慮，選用LC0163型號(hào)的壓電式加速度傳感器對(duì)試驗(yàn)過程中的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)采集，其靈敏度200 mV/g，量程上限25g，頻率范圍0.5 Hz～5 kHz，分辨率10-4g，可以滿足試驗(yàn)要求。

2.5 信號(hào)采集模塊

本測(cè)試系統(tǒng)的各個(gè)被測(cè)量對(duì)測(cè)量精度要求比較高，尤其是對(duì)觸頭的彈跳、接觸壓力信號(hào)以及振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量。為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的采集，本測(cè)試系統(tǒng)采用PCI-1712多功能數(shù)據(jù)采集卡及其配套的ADAM-3968端子板采集各個(gè)傳感器的輸出信號(hào)，并在工控機(jī)上進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。PCI-1712采集卡共有16個(gè)單端模擬量輸入通道，單通道采樣頻率可達(dá)1 MHz，此外還具有16路IO端口，結(jié)合圖1，可見完全滿足測(cè)試系統(tǒng)的需要。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本測(cè)試裝置的軟件設(shè)計(jì)基于LabVIEW平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸器固有頻率的測(cè)試分析，同時(shí)在試驗(yàn)過程中完成合閘相角指令的發(fā)送，信號(hào)的采集、存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的計(jì)算處理等功能。試驗(yàn)開始前可以對(duì)采集卡的采樣頻率、采集通道個(gè)數(shù)、合閘相角、試驗(yàn)次數(shù)等進(jìn)行設(shè)置。為完整的采集接觸器的動(dòng)作信號(hào)，單通道采樣頻率為100 kHz，單次采集時(shí)長為100 ms。參數(shù)的在線計(jì)算采用LabVIEW與Matlab混合編程的方式來實(shí)現(xiàn)，在LabVIEW程序設(shè)計(jì)中添加MATLAB Script節(jié)點(diǎn)[9]，可運(yùn)行m文件語法腳本，完成對(duì)MATLAB中功能函數(shù)以及大型算法的調(diào)用。系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示，測(cè)試系統(tǒng)的試驗(yàn)界面如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖6 系統(tǒng)的試驗(yàn)界面

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

PCI-1712數(shù)據(jù)采集卡提供有多個(gè)基于LabVIEW的驅(qū)動(dòng)模塊和庫函數(shù)，解決了LabVIEW與數(shù)據(jù)采集卡之間的交互問題。為了準(zhǔn)確采集各個(gè)傳感器輸出的信號(hào)，同時(shí)提高采樣速率和CPU的利用率，對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊程序的編寫采用DMA(direct memory access)模式，即直接從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)。DMA方式的數(shù)據(jù)采集部分程序如圖7所示。在執(zhí)行采集程序之前，需要對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的采樣通道、采樣頻率，工作方式，采樣數(shù)據(jù)長度等信息進(jìn)行設(shè)置，通過數(shù)據(jù)采集卡采集將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳入工控機(jī)，然后對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及處理。

圖7 數(shù)據(jù)采集程序

3.2 固有頻率測(cè)試模塊

利用掃頻試驗(yàn)對(duì)接觸器的固有頻率進(jìn)行測(cè)試，振動(dòng)臺(tái)掃頻頻率范圍設(shè)為20～200 Hz，振動(dòng)加速度為1.5g。為了精確地測(cè)定接觸器的固有頻率，振動(dòng)臺(tái)頻率掃描形式設(shè)定為線性掃描，即單位時(shí)間內(nèi)變化的頻率固定，以掃描速度的形式體現(xiàn)，本試驗(yàn)中掃描速度設(shè)為0.9 Hz/s。掃頻時(shí)間為由最低頻率逐步上升至最高頻率，再由最高頻率逐步下降至最低頻率所需的時(shí)間，將其設(shè)為6.6 min。在測(cè)試過程中，將接觸器固定在振動(dòng)臺(tái)上并保持吸合狀態(tài)，在其觸頭回路加入直流負(fù)載，將觸頭接觸壓降值作為掃頻試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)的參數(shù)，同時(shí)利用數(shù)據(jù)采集卡對(duì)振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率在20～200 Hz區(qū)間內(nèi)變化時(shí)，觸頭接觸壓降進(jìn)行連續(xù)采集，采樣頻率設(shè)為50 Hz，測(cè)試界面如圖8所示。由圖8可知，在接觸器固有頻率附近，接觸壓降出現(xiàn)明顯的波動(dòng)，原因是外界的振動(dòng)應(yīng)力造成接觸器吸合狀態(tài)下觸頭的接觸壓力發(fā)生變化，導(dǎo)致接觸電阻以及接觸壓降的變化。當(dāng)觸頭接觸壓降波動(dòng)最嚴(yán)重時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率視為接觸器試品的固有頻率。計(jì)算公式為

f固=20+(n/f采)·v

(1)

式中：n為接觸壓降最大時(shí)對(duì)應(yīng)的橫軸采樣點(diǎn)；f采為采集卡的采樣頻率；v為振動(dòng)臺(tái)掃描速度。

結(jié)合圖8中采集的數(shù)據(jù)可以計(jì)算接觸器的固有頻率。

圖8 固有頻率測(cè)試界面

3.3 參數(shù)提取模塊

接觸器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)不能直接進(jìn)行測(cè)量，通過對(duì)動(dòng)作過程中采集得到的信號(hào)分析，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)學(xué)算法，實(shí)現(xiàn)接觸器動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的在線提取。例如，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，吸合時(shí)間的定義為[10]：從線圈上電到動(dòng)靜觸頭第一次接觸的時(shí)間間隔，不包括彈跳時(shí)間。整個(gè)程序的編程思路為：設(shè)定線圈未通電時(shí)的電流閾值，當(dāng)采集到的連續(xù)n個(gè)電流值大于電流閾值時(shí)，認(rèn)為接觸器線圈已經(jīng)通電，取出連續(xù)n個(gè)數(shù)據(jù)中的第一個(gè)數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)n1。為判定觸頭是否接通，對(duì)回路電壓閾值進(jìn)行設(shè)定，結(jié)合圖3的測(cè)試電路，即當(dāng)采集到的電壓值大于閾值時(shí)，認(rèn)為在接觸器吸合過程中第一次接觸，記錄此時(shí)采樣點(diǎn)為n2。由兩次提取的采樣點(diǎn)n1和n2，結(jié)合采樣頻率k，可以得到接觸器的吸合時(shí)間t。圖9為LabVIEW調(diào)用MatlabScript節(jié)點(diǎn)計(jì)算吸合時(shí)間的程序框圖。

圖9 吸合時(shí)間計(jì)算程序框圖

3.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

在試驗(yàn)的過程中，需要對(duì)采集到的動(dòng)作信號(hào)以及由這些信號(hào)提取得到的動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，以便于對(duì)接觸器在振動(dòng)條件下整體的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析評(píng)判。LabVIEW中包含多種文件保存類型，本測(cè)試系統(tǒng)采用其中的TDMS存儲(chǔ)方式。TDMS是一種高速數(shù)據(jù)流文件寫入方式，它將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)以二進(jìn)制文件形式保存下來，并且對(duì)每個(gè)信號(hào)的屬性進(jìn)行標(biāo)注。其優(yōu)點(diǎn)是占用空間小，讀取速度快，便于存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)。TDMS存儲(chǔ)的程序框圖如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)框圖

4 系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果分析

利用本測(cè)試系統(tǒng)對(duì)CJ20-25型交流接觸器進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。經(jīng)測(cè)試，依據(jù)圖8的測(cè)試結(jié)果，試品的固有頻率為167 Hz。在合閘相角為60°條件下對(duì)接觸器進(jìn)行不同振動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)，由于頻率與加速度對(duì)接觸器的動(dòng)態(tài)特性有著一定的影響，所以分別在不同的頻率與加速度環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試。振動(dòng)加速度范圍為1g～3g，頻率變化范圍為10～200 Hz，間隔大小為10 Hz，在每個(gè)固定頻率和加速度下做25組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。圖11為160 Hz、1g的振動(dòng)應(yīng)力下單次試驗(yàn)過程中采集到的接觸器動(dòng)作時(shí)的線圈電壓、電流以及結(jié)合圖3測(cè)得的電壓波形，如前所述由此在觸頭閉合階段電壓波形的變化可以看出觸頭的彈跳狀況。圖12為觸頭碰撞過程中的受力波形，其中標(biāo)記線1到標(biāo)記線2所在區(qū)間的F1和F2分別是同一觸橋上、下兩個(gè)觸頭的壓力變化情況，結(jié)合圖4電路測(cè)得，該波形可以反映觸頭產(chǎn)生彈跳時(shí)接觸壓力的動(dòng)態(tài)變化過程，通過對(duì)波形進(jìn)行小波去噪等處理，可以得到觸頭的受力次數(shù)。在對(duì)接觸器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)分析后發(fā)現(xiàn)，觸頭的受力次數(shù)受振動(dòng)應(yīng)力的影響較大。圖13為振動(dòng)頻率為160 Hz條件下，不同振動(dòng)加速度下觸頭總受力次數(shù)，從折線圖可知，在頻率固定的情況下，隨著加速度的增加，觸頭整體的受力次數(shù)明顯增加。

圖11 線圈電壓、電流以及回路電壓波形

(a)上觸頭受力

(b)下觸頭受力圖12 上下觸頭受力波形

圖13 觸頭受力次數(shù)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了振動(dòng)條件下交流接觸器動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流接觸器固有頻率的測(cè)試以及振動(dòng)條件下的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)。以STM32F103RCT6單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)交流接觸器的選相合閘控制，同時(shí)實(shí)時(shí)采集不同振動(dòng)環(huán)境下線圈電壓電流信號(hào)、觸頭彈跳信號(hào)以及上下觸頭的受力信號(hào)、振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而完成交流接觸器的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。通過對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)接觸器的某些動(dòng)態(tài)特性參數(shù)在不同的振動(dòng)應(yīng)力下表現(xiàn)出不同的特性，說明振動(dòng)對(duì)交流接觸器的動(dòng)態(tài)特性存在影響，同時(shí)該測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，能為進(jìn)一步研究振動(dòng)應(yīng)力對(duì)交流接觸器動(dòng)態(tài)特性的影響提供參考。