基于Labview的交流接觸器動(dòng)態(tài)過(guò)程測(cè)試技術(shù)

謝延興，陳德為，王水發(fā)

（福州大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350002）

1 引言

交流接觸器廣泛地運(yùn)用在工業(yè)控制領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)中起到了很大的作用。但是交流接觸器在接通回路時(shí)，由于動(dòng)靜觸頭間碰撞和鐵心間碰撞都會(huì)引起動(dòng)靜觸頭的磨損和彈跳，進(jìn)而產(chǎn)生的高壓電弧對(duì)動(dòng)靜觸頭的燒蝕，又進(jìn)一步加劇動(dòng)靜觸頭的磨損，所以縮短了交流接觸器的使用壽命。然而，目前針對(duì)交流接觸器的研究［1－4］大多都是基于數(shù)學(xué)建模的分析與數(shù)值仿真，都跟實(shí)際動(dòng)態(tài)過(guò)程存在一定的差距，不能夠準(zhǔn)確地反映交流接觸器的動(dòng)態(tài)過(guò)程。文獻(xiàn)［5］采用拉力傳感器測(cè)量接觸器鐵心的吸力，其缺點(diǎn)是拉力傳感器本身的測(cè)量原理給測(cè)量過(guò)程帶入一個(gè)外力，直接影響測(cè)量的結(jié)果。本文采用自制的基于Labview的交流接觸器動(dòng)態(tài)過(guò)程測(cè)試裝置。它是一種無(wú)接觸式的測(cè)試裝置，極大地降低對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。另外，本測(cè)試裝置還用到由美國(guó)NI公司設(shè)計(jì)推出的一款基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器平臺(tái)軟件Labview。它采用圖形化編程語(yǔ)言，內(nèi)置有串口、USB接口和信號(hào)處理，顯示與保存等功能。這與傳統(tǒng)的測(cè)量工具相比，其優(yōu)勢(shì)是把計(jì)算機(jī)與外部測(cè)試設(shè)備緊密地結(jié)合在一起，組成一個(gè)友好的用戶界面，極大地縮短了開(kāi)發(fā)周期。

2 測(cè)試裝置的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本測(cè)試裝置的電路原理圖如圖1所示，其主要由上位機(jī)和下位機(jī)組成。下位機(jī)主要由AT89S51CPU的控制模塊、傳感器模塊（ST－1電渦流位移傳感器和LA28－NP電流傳感器）和USB20－Ver1.0數(shù)據(jù)采集卡模塊組成。AT89S51CPU的控制模塊主要完成選相合分閘功能。采集卡模塊和傳感器模塊主要完成對(duì)交流接觸器的鐵心位移和吸合電流信號(hào)的采集。并把采集的結(jié)果通過(guò)USB接口傳送到上位機(jī)。對(duì)于控制交流接觸器在何種相角下閉合的參數(shù)信息，上位機(jī)通過(guò)RS－323發(fā)送到下位機(jī)。下位機(jī)跟據(jù)所接收過(guò)的相角，控制交流接觸器合分閘動(dòng)作。這樣就構(gòu)成一個(gè)完整的測(cè)試裝置系統(tǒng)。電路原理圖中幾個(gè)重要的器件和AT89S51控制電路介紹如下。

圖1 電路原理圖

2.1 ST－1電渦流傳感器

電渦流傳感器是利用金屬的電渦流效應(yīng)，電渦流產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)，由楞次定律知，其方向與線圈原磁場(chǎng)方向相反，當(dāng)這兩個(gè)磁場(chǎng)相互疊加時(shí)，就改變了原線圈的阻抗。線圈阻抗的變化與線圈的幾何參數(shù)、線圈到金屬導(dǎo)體的距離、金屬導(dǎo)體的幾何形狀、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、以及激勵(lì)電流頻率等參數(shù)有關(guān)。電渦流傳感器正是利用這個(gè)定律將傳感器與被測(cè)金屬導(dǎo)體之間距離的變化轉(zhuǎn)換成線圈品質(zhì)因數(shù)、等效阻抗和等效電感三個(gè)參數(shù)的變化。在通過(guò)測(cè)量、檢波、校正等電路變?yōu)榫€性電壓的變化。本裝置所采用的電渦流位移傳感器，它的測(cè)量范圍是10mm；靈敏度0.8mV/um；絕過(guò)誤差2%；輸出電壓0～5V；頻率響應(yīng):0～5kHz；輸出阻抗＜100Ω；噪聲＜4mV。

2.2 LA28－NP電流傳感器

LA28－NP電流傳感器是一款應(yīng)用了霍爾效應(yīng)的閉環(huán)補(bǔ)償電流感器。可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量電流大小的需要，通過(guò)改變?cè)边叺脑褦?shù)比接法，進(jìn)而改變副邊輸出電流的范圍。由于測(cè)量對(duì)象是交流接觸器的啟動(dòng)過(guò)程，其沖擊電流比較大，所以采用的匝數(shù)比為1:1000的接法。此外，LA28－NP電流傳感器還具有出色的精度、良好線性度和低溫漂等性能。

2.3 AT89S51控制電路

如圖2所示，此控制回路采用AT89S51為控制核心，其外圍有過(guò)零檢測(cè)電路、與上位機(jī)進(jìn)行串口通信的接口、一個(gè)啟動(dòng)按鍵、一個(gè)兩位的共陰數(shù)碼管和觸發(fā)交流接觸器吸合與分?jǐn)嗟目刂苹芈贰T89S51通過(guò)串口接收上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的相角參數(shù)，并在共陰數(shù)碼管上顯示相應(yīng)的相角。過(guò)零檢測(cè)電路在啟動(dòng)鍵按下后才開(kāi)始工作。當(dāng)測(cè)到電源電壓過(guò)零時(shí)，它觸發(fā)下位機(jī)中斷。下位機(jī)在中斷中先經(jīng)過(guò)相應(yīng)的延遲后觸發(fā)交流接觸器吸合。

3 測(cè)試裝置的軟件編程

本測(cè)試裝置的軟件編程主要包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部份的軟件編程。上位機(jī)的編程主要完成以下功能:現(xiàn)實(shí)串口通信和對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示與保存等功能。下位機(jī)則主要完成過(guò)零中斷，串口通信和觸發(fā)交流接觸器合分閘等功能。

圖2 AT89S51控制電路圖

3.1 上位機(jī)軟件編程

圖3為上位機(jī)程序流程框圖，圖4為上位機(jī)Labview前面板采集界面。對(duì)上位機(jī)的軟件編程可以分為如下幾個(gè)部分。

圖3 上位機(jī)程序流程圖

圖4 上位機(jī)Labview前面板采集界面

（1）初始化一些節(jié)點(diǎn)參數(shù)

在對(duì)交流接觸器進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程測(cè)量之前，首先要對(duì)串口進(jìn)行必要的初始化，接著再對(duì)USB20－Ver1.0數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率進(jìn)行設(shè)置。由于CJ20－100型直動(dòng)式交流接觸器的吸合時(shí)間通常在15ms左右，所以數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率設(shè)為10K。最后選擇是否對(duì)經(jīng)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

（2）啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集

確定一些節(jié)點(diǎn)參數(shù)之后，便可以單擊前面板的“輸入相角”控鍵，并在隨后彈出的對(duì)話框中輸入想要測(cè)量的合閘相角。最后單擊前面板的“高速采集”控鍵。此時(shí)采集卡的4個(gè)AD轉(zhuǎn)換通道同步以10K的頻率進(jìn)行高速采樣。第一通道采集動(dòng)鐵心位移信號(hào)，第二通道采集電流信號(hào)，第三通道采集動(dòng)觸點(diǎn)開(kāi)合信號(hào)，第四通道采集動(dòng)鐵心開(kāi)合信號(hào)。

（3）對(duì)數(shù)據(jù)的處理、顯示和保存

Labview將對(duì)采集傳回的位移電壓值和電流電壓值換算成相應(yīng)的實(shí)際位移值和電流值，最后將處理后的四路數(shù)據(jù)顯示在前面板的波形圖表中。如果程序開(kāi)始前有按下前面板的“保存數(shù)據(jù)”控鍵，則對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。這樣有利于日后分析數(shù)據(jù)。

3.2 下位機(jī)軟件編程

圖5為下位機(jī)的主程序流程框圖。對(duì)下位機(jī)的軟件編程可以分為如下幾個(gè)部分:

（1）下位機(jī)初始化

初始化下位機(jī)的串口參數(shù)，使其能與上位機(jī)進(jìn)行通信；兩位共陰數(shù)碼管顯示初始值和兩個(gè)標(biāo)志位flag1與flag2為0；下位機(jī)最初只應(yīng)響串口中斷和外部中斷0（按鍵中斷）。

（2）等待接收相角參數(shù)

在初始化之后，上位機(jī)就可以向下位機(jī)發(fā)送所要測(cè)量的相角參數(shù)。下位機(jī)在接收到相應(yīng)的參數(shù)之后，把相應(yīng)的參數(shù)顯示在數(shù)碼管上。此外，這個(gè)參數(shù)也決定了下位機(jī)在電源電壓過(guò)零中斷子程序中要延遲多長(zhǎng)時(shí)間才觸發(fā)交流接觸器合閘。

（3）交流接觸器合分閘

在下位機(jī)準(zhǔn)確地收到相角參數(shù)之后，便可按下“啟動(dòng)鍵”。下位機(jī)就響應(yīng)按鍵中斷（外部中斷0）。在中斷中設(shè)置完flag1為1和EX0為0后便退出中斷。在主程序測(cè)到flag1為1時(shí)，就正式開(kāi)始響應(yīng)電源電壓過(guò)零點(diǎn)而引發(fā)的中斷（外部中斷1）。在中斷中，先執(zhí)行一段由相角所決定延遲多長(zhǎng)時(shí)間的延遲程序，再觸發(fā)交流接觸器合閘，最后在設(shè)完flag2為1和EX1為0后便退出中斷。這樣就完成了一次對(duì)CJ20－100型直動(dòng)式交流接觸器的選相合閘的控制。在退出外部中斷1后，主程序執(zhí)行5s的延遲程序，再分?jǐn)嘟涣鹘佑|器。

4 交流接觸器的動(dòng)態(tài)測(cè)試裝置的測(cè)試

本文利用自制的基于Labview的交流接觸器動(dòng)態(tài)過(guò)程測(cè)試裝置對(duì)CJ20－100型直動(dòng)式交流接觸器進(jìn)行動(dòng)態(tài)過(guò)程檢測(cè)，分別測(cè)出在不同的合閘相角下如0°、18°、30°、36°、54°、60°、72°、90°、108°、120°、126°、144°、150°、162°、180°和0°分閘的動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線。圖6是交流接觸器在30°合閘相角下吸合的動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線。圖7是交流接觸器在0°分閘相角下分?jǐn)嗟膭?dòng)態(tài)過(guò)程曲線。

圖5 下位機(jī)主程序流程圖

圖6 30°合閘相角吸合動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線

圖7 0°分閘相角分?jǐn)?動(dòng)態(tài)過(guò)程曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本文所用的基于Labview的交流接觸器動(dòng)態(tài)過(guò)程測(cè)試裝置，具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

（1）實(shí)現(xiàn)了對(duì)交流接觸器的選相合分閘功能，同時(shí)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集交流接觸器動(dòng)態(tài)過(guò)程中的鐵心位移信號(hào)、線圈電流信號(hào)和鐵心、觸頭的開(kāi)合信號(hào)。

（2）具有良好的人機(jī)交互界面，操作簡(jiǎn)單。

運(yùn)用本裝置對(duì)交流接觸器動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行測(cè)量和分析，可以進(jìn)一步優(yōu)化交流接觸器的合閘動(dòng)態(tài)過(guò)程，延過(guò)交流接觸器的使用壽命。

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