基于STM32的漆包線漆膜軟化擊穿性能檢測(cè)

謝明華，馬凌云，劉 輝，張文希

XIE Ming-hua,MA Ling-yun,LIU Hui,ZHANG Wen-xi

(長(zhǎng)沙學(xué)院 電子與通信工程系，長(zhǎng)沙 410003)

0 引言

漆包線是繞組線的一個(gè)主要品種，由導(dǎo)體和絕緣層兩部分組成，是電機(jī)、電器、儀表及機(jī)床等設(shè)備電磁繞組的主要和關(guān)鍵原材料[1,2]。漆包線漆膜在特定壓力及溫度情況下的擊穿電壓性能屬于漆包線電性能的一種，主要反映漆包線在施加電壓后的承受能力及絕緣性能。軟化擊穿電壓測(cè)試需要經(jīng)過繞線、預(yù)加熱、加負(fù)荷、加試驗(yàn)電壓及卸負(fù)荷等一系列步驟，操作繁瑣，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，操作過程觸電危險(xiǎn)性大，傳統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備不能滿足快速及安全的測(cè)試要求[3]。因此，本文設(shè)計(jì)一款智能軟化擊穿性能檢測(cè)系統(tǒng)，用于快速精確檢測(cè)漆包線漆膜軟化擊穿性能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成和硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由STM32控制電路、上位機(jī)軟件、軟化模塊、散熱模塊、自動(dòng)裝樣裝置以及負(fù)荷升降裝置等部分構(gòu)成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟化擊穿性能檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件電路部分由軟化模塊控溫電路、電機(jī)控制電路、人機(jī)交互以及CAN總線通信電路等組成，如圖2所示。

圖2 硬件電路框架圖

漆包線試樣的軟化模塊溫度控制功能由溫度數(shù)據(jù)采集及溫度控制兩部分完成。溫度采集部分選用16位Δ-Σ型A/D轉(zhuǎn)換器ADS1118作為熱電偶信號(hào)調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該轉(zhuǎn)換器集成了可編程增益放大器、參考電壓、溫度傳感器和 4口輸入多路復(fù)用器，在 0℃到 65℃的溫度范圍內(nèi)，可確保為直接線性化測(cè)量實(shí)現(xiàn)不足 0.5 攝氏度的未校準(zhǔn)誤差，是理想的熱電偶隔離溫度變送器。使用K分度熱電偶將黃銅材質(zhì)的軟化模塊試樣交叉點(diǎn)的溫度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)并經(jīng)過濾波后，由ADS1118將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)過SPI總線輸入STM32F103進(jìn)行處理[5]。電路如圖3所示。

圖3 溫度數(shù)據(jù)采集電路

溫度控制部分由STM32F103芯片根據(jù)當(dāng)前溫度及控制要求輸出PWM信號(hào)，經(jīng)過雙RC積分及消除零點(diǎn)漂移后，控制交流調(diào)壓模塊對(duì)軟化模塊進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。積分電路如圖4所示。

圖4 積分電路原理圖

在測(cè)試過程中，軟化模塊可穩(wěn)定地保持在設(shè)定的溫度。試樣擊穿或測(cè)試到設(shè)定的時(shí)間后，啟動(dòng)散熱風(fēng)扇對(duì)其進(jìn)行降溫。

2 軟件設(shè)計(jì)

性能檢測(cè)系統(tǒng)軟件由下位機(jī)STM32F103嵌入式軟件和上位機(jī)漆包線綜合測(cè)試系統(tǒng)軟件構(gòu)成。下位機(jī)嵌入式軟件完成各硬件電路的啟動(dòng)、溫度數(shù)據(jù)采集、PWM產(chǎn)生及電機(jī)控制和人機(jī)交互等任務(wù)。上位機(jī)漆包線綜合測(cè)試系統(tǒng)軟件采用Visual C++2010平臺(tái)設(shè)計(jì)，包括數(shù)據(jù)收發(fā)、存儲(chǔ)、分析報(bào)表生成和打印等功能，可提高測(cè)試數(shù)據(jù)管理效率。

檢測(cè)系統(tǒng)采用PID（比例-積分-微分）控制器通過可控硅控制250W加熱絲，對(duì)軟化模塊加熱。PID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠及調(diào)整方便，是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成[5]。本文PID控制器結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 PID控制器框圖

將公式(2)離散化后，得到在K時(shí)刻的輸出:

在具體調(diào)節(jié)PID參數(shù)時(shí)，本文采用的方式為：先令KI=0、KD=0，即僅考慮KP比例參數(shù)的調(diào)節(jié)，如公式（4）所示。

調(diào)節(jié)控溫周期TS及KP參數(shù)，觀察溫升曲線，得到一個(gè)接近目標(biāo)溫度的較穩(wěn)定的KP參數(shù)，當(dāng)軟化模塊的溫度達(dá)到臨界振蕩時(shí)，測(cè)量其臨界增益KC及振蕩周期PC，然后據(jù)Ziegler-Nichols參數(shù)法計(jì)算KP、KI和KD三個(gè)參數(shù)的取值。計(jì)算公式如下：

3 測(cè)試結(jié)果及分析

本文設(shè)計(jì)的軟化擊穿性能檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)校準(zhǔn)后，按照J(rèn)B/T4279.8- 2008漆包繞組線試驗(yàn)儀器設(shè)備檢定方法第8部分規(guī)定的軟化擊穿試驗(yàn)儀檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的短路電流、靈敏度和溫度等參數(shù)進(jìn)行檢定。啟動(dòng)設(shè)備，放下負(fù)荷壓桿到位，用0.5級(jí)交流毫安表接于夾線裝置兩端，加載試樣電壓，測(cè)量檢測(cè)系統(tǒng)短路電流參數(shù)。采用德力西TDGC2 2KVA單向接觸式調(diào)壓器調(diào)整檢測(cè)電壓，短路電流測(cè)試值均小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的50mA，如表1所示。

表1 短路電流測(cè)試

將30KΩ可調(diào)電阻器與0.5級(jí)交流毫安表串聯(lián)，接于夾線裝置兩端，放下負(fù)荷壓桿到位后，逐漸減小可調(diào)電阻器的阻值。檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度參數(shù)。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 靈敏度測(cè)試結(jié)果表

在檢測(cè)到漆包線漆膜擊穿信號(hào)時(shí)，交流毫安表的示值范圍為5mA±0.5mA，符合國(guó)標(biāo)要求。

軟化模塊PID控溫算法的檢測(cè)采用FLUKE 52II溫度表進(jìn)行校對(duì)。在標(biāo)準(zhǔn)要求的100-430攝氏度實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，軟化模塊溫度控制穩(wěn)定，控溫精度可達(dá)±2℃。

測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的性能檢測(cè)軟化擊穿性能檢測(cè)系統(tǒng)的短路電流小于50mA，當(dāng)試樣通過(5±1)mA電流時(shí)，可進(jìn)行擊穿認(rèn)定，指示溫度與試樣交叉點(diǎn)實(shí)際溫度之差小于2℃，符合JB/T4279.8- 2008標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的漆包線漆膜軟化擊穿性能檢測(cè)系統(tǒng)采用熱電偶測(cè)溫，PID控溫，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過程的自動(dòng)控制，儀器操作簡(jiǎn)便、安全性好、靈敏度高、重復(fù)性能好以及測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，完全符合國(guó)標(biāo)JB/T4279.8- 2008檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)性和再現(xiàn)性的要求，可用于檢測(cè)標(biāo)稱直徑0.08mm至2.00mm漆包圓線的軟化擊穿性能。與傳統(tǒng)軟化擊穿測(cè)試設(shè)備比較，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過程的自動(dòng)化處理，提高了操作的便利性、安全性和測(cè)試結(jié)果的可靠性，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

[1] GB/T4074.6-2008繞組線試驗(yàn)方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[2] 何寶祥,朱正偉. 基于匝間耐壓測(cè)試的繞組品質(zhì)評(píng)價(jià)與故障診斷[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010,09:52-54.

[3] JB/T4279.8-2008漆包繞組線試驗(yàn)儀器設(shè)備檢定方法[S],北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[4] 王麗潔,徐德凱.基于STM32系列單片機(jī)的盤式液壓制動(dòng)器智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013,01:48-49,+58.

[5] 屈毅,寧鐸,賴展翅,程琪,穆麗寧.溫室溫度控制系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,02:307-311.