朱彩霞

（江蘇電子信息職業(yè)學院，江蘇淮安，223003）

0 引言

電動汽車和充電樁中使用大量的高壓電磁繼電器，這些繼電器性能的好壞將直接影響電動汽車使用的安全性和壽命[1-2]。電磁繼電器最主要性能表現在觸點通斷過程中的接觸電阻和觸點壓力，接觸電阻和壓力的狀況會通過繼電器帶負載通斷過程中的電流、電壓波形信號表現出來。本文設計了一種通過采集和監(jiān)測繼電器觸點電流和觸點電壓繼電器試驗裝置，用于高壓繼電器的性能測試[3]。

1 系統設計方案及測控原理

■1.1 系統方案

繼電器測試系統總體方案如圖1所示，包括PC機、數據采集控制模塊、測試電源和試驗電路。其中試驗電路中的Z1是被測試繼電器的動觸點，Z2是充電回路控制繼電器動觸點，C是儲能電容[4]，R1是放電回路電阻，電流霍爾傳感器串接在放電回路中，用于測量繼電器觸點電流，R2是充電回路電阻，R3～R5是電壓信號取樣電阻，R5上電壓與電容C上放電電壓Uc成比例，R4上的電壓與Z2吸合時充電電壓U2成比例，通過電壓變送器將高電壓轉換為數據采集模塊的測量信號[5]。

■1.2 測試控制原理

圖1 繼電器測試系統總體方案

通過PC的操控界面向數據采集控制模塊發(fā)送試驗的參數：試驗電壓、試驗電流、試驗次數、試驗周期等。數據采集控制模塊控制充電電源輸出試驗電壓和試驗電流（充電電流），控制Z2接通對儲能電容C充電一段時間后斷開Z2，斷開Z2后接通Z1，則儲能電容電壓Uc加到Z1的觸點上，通過功率電阻R1放電，經過一段時間后斷開Z1，完成一次測試過程。根據設置的試驗時間交替接通、斷開Z2和Z1，完成老化試驗過程。在試驗過程中由電流傳感器、電壓變送器將信號送給數據采集控制板監(jiān)測，并將數據傳送給PC機進行數據記錄與管理，作為分析繼電器觸點性能的依據。

圖1中的R1是由5個阻值20mΩ功率6kW電阻和兩個阻值1Ω功率1kW的電阻構成的負載電阻網絡，R1的電阻網絡如圖2所示。試驗時根據試驗電流、試驗電壓的大小要求調整，接入到放電回路中[6]。

圖2 R1電阻網絡

2 硬件設計

■2.1 測試電源

高壓繼電器試驗要求觸點承受的電壓和電流都比額定標稱值大許多，而且不同用途繼電器試驗要求也不盡相同，本設計采用ST1500-20CQ程控電源模塊，輸入380V交流電，輸出電壓0～1500V直流可控，電流 0～20A可控，控制信號0～5V直流電壓，方便用D/A轉換信號實現電源輸出功率控制[7]。

■2.2 試驗電路及傳感器選取

設計試驗觸點最高電壓1500V，電流10000A（瞬時）。圖1中，C采用2000μf/2000V的高壓電容，電阻R1根據試驗要求由圖2的電阻網絡實現，充電回路最大電流20A，電阻R2采用75Ω3kW的功率電阻，霍爾電流互感器采用安科瑞AHKC-HB，量程0～10000A，輸出電壓0～5V，電壓變送器采用0～5V/0～5V，主要起強電弱電信號隔離作用。R3、R6取100kΩ/100W，R4、R5取300Ω/20W，使U2、Uc在5V內。

■2.3 數據采集控制模塊

數據采集控制模塊是測試系統的核心，主要包括STM32F103C8T6微控制器芯片、A/D信號處理電路、D/A轉換接口電路和RS-485接口電路等，圖3是數據采集模塊的原理框圖。

圖3 數據采集控制模塊原理框圖

STM32F103C8T6芯片是意法半導體公司的一款32微控制器芯片，內部含有A/D、D/A、UART、TIM、DMA及26個快速I/O端口。D/A信號從PA4、PA5端口輸出，通過信號處理電路將0～3.3V信號轉換為0～5V，作為程控電源的控制信號。3路0～5V采集信號通過信號處理電路轉換為0～3.3V，從PA0、PA1、PA2端口輸入，由內部A/D模塊采樣轉換。驅動電路由端口PC0、PC1控制固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器控制圖1中的Z1和Z2。RS-485接口由微控制器內部的UART1控制RS-485芯片實現，接收信息從PA10端口，輸出信息從PA9端口，PA6端口控制RS-485芯片接收/發(fā)送轉換。A/D、D/A的信號處理電路采用運放構成的線性處理電路[8-9]。

3 軟件設計

■3.1 系統功能要求

（1）遠程操控。通過PC機進行啟動和停止操作，設置試驗參數：電壓、電流、次數等。

（2）實時采集。實時測量試驗電壓、試驗電流，數據傳送給上位機。

（3）記錄并顯示波形功能。試驗過程中顯示試驗電壓、試驗電流波形。記錄的數據與試驗周期操作過程一一對應，并以文件形式保存。

（4）信息回看功能。在試驗停止后，可以回看任一測試周期波形數據，分析測試對象的性能。

（5）故障保護報警功能。實時監(jiān)測Z1、Z2吸合與分斷狀態(tài)，異常保護切斷試驗電源輸出。

■3.2 上位機軟件設計

上位機在Windows操作系統上用.NET軟件編寫，實現遠程操控人機交互界面和數據處理，采用模塊化設計，上位軟件由參數設置、試驗操控、數據接收、數據波形狀態(tài)顯示、數據存儲、歷史數據查詢模塊構成。上位機通過RS-485接口和下位機進行數據通信，完成指令下傳、測量信息上傳，由上位機完成數據顯示、保存等系統功能，整個系統軟件結構框圖如圖4所示。

■3.3 下位機軟件設計

下位機采用C語言編程，實現現場試驗過程控制和數據采集，同樣采用模塊化設計，由系統初始化、串口通信、D/A、A/D和輸出控制模塊構成。下位機接收上位機的指令，根據設定的試驗電壓、試驗電流控制D/A輸出，根據試驗周期、試驗次數等控制固態(tài)繼電器動作實現對Z1、Z2的通斷控制。在試驗過程中檢測繼電器觸點電壓和電流信號，并實時通過RS-485接口將測量結果系統狀態(tài)發(fā)送給上位機，判斷試驗過程中的異常信號及時停止試驗，保護系統安全。下位機軟件流程圖如圖5所示。系統參數波特率設置為230400bps，A/D轉換速率分時段設置，在Z1吸合期間，放電電流很大，電流信號持續(xù)時間短，只有幾個毫秒，變化率也快，設置A/D采集速率0.1ms一次，其余時間段電壓、電流變化緩慢，持續(xù)時間長，A/D采集速率設置10ms一次。

圖4 系統軟件結構框圖

圖5 下位機軟件流程圖

4 試驗與試驗結果

■4.1 試驗時間條件

由于充電回路電流比放電回路電流小很多，為保證達到設定的試驗電壓，設定試驗時間參數時，Z2的吸合時間應遠大于Z1的吸合時間，且Z2由吸合轉斷開至Z1吸合的時間寬度要大于繼電器動作時間，圖6為試驗的周期信號，其中虛線是Z1的控制信號，實線是Z2的控制信號，兩者的周期相同，交替分合。

■4.2 采集的電壓、電流波形

圖6 試驗周期信號

圖7為阻性負載試驗繼電器觸頭分合過程中電流、電壓波形，從上位機試驗中記錄截取。圖7(a)為觸點電流波形，圖中的放電曲線跳變是由于觸點吸合過程中抖動照成的。圖7(b)～(e)是觸點電壓波形，圖7 (b)是正常狀態(tài)觸點電壓波形，圖7 (c)～(e)是繼電器故障時的觸點電壓波形。試驗記錄和信號波形為分析繼電器性能的提供了重要依據。

圖7 阻性負載試驗觸頭分合過程中的電流、電壓波形

5 結束語

本文設計的高壓繼電器壽命測試系統采用遠程操控，上、下位機協同完成高壓繼電器的老化試驗，實時記錄并顯示繼電器觸頭分合過程的電壓和電流波形，為分析繼電器的性能提供了基礎數據。采用本文設計方案的試驗裝置已經在比亞迪投入使用，效果良好。