電動機換向片間電阻檢測設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

王 勇，楊 雷，韓 豐，張雷鳴，曹 磊

(河南科技大學(xué)，洛陽471003)

0 引 言

直流電動機的電樞繞組發(fā)生斷線、開焊、匝間斷路，或者換向器發(fā)生升高片斷裂、片間短路時，會造成電磁上的不對稱，從而產(chǎn)生換向火花［1］。檢測片間電阻能夠發(fā)現(xiàn)電動機是否存在上述故障，一般要求兩換向片之間的電阻值均勻性誤差不大于5%。因此，片間電阻檢測是直流電動機經(jīng)常性的和必要的檢查項目。某電機廠家生產(chǎn)的電機型號眾多，換向片數(shù)量為5 ～120 片不等。檢驗員在進(jìn)行人工片間電阻檢測時，過程繁瑣，效率低下，且容易漏檢。為提高對電動機該項性能指標(biāo)的檢測效率和準(zhǔn)確性，設(shè)計了一臺自動化的電動機換向片間阻值檢測設(shè)備。

1 檢測要求

該廠生產(chǎn)的不同型號的直流電動機所對應(yīng)的轉(zhuǎn)子直徑、換向片數(shù)量及換向片間電阻值范圍各不相同，而要求檢測設(shè)備具有通用性，能夠檢測各種型號的電動機，具體要求包括:換向片間電阻測量范圍:20 mΩ、200 mΩ、2 Ω、20 Ω、200 Ω、1 500 Ω;換向片間電阻測量精度±0.5%;換向片最小尺寸(L ×W):6 mm×2 mm;換向片數(shù)量:5 ～120 片;轉(zhuǎn)子最大軸長:500 mm;轉(zhuǎn)子最大軸安裝直徑:20 mm;測量時不能損壞、劃傷換向片，安裝方便，通用性強;測量頭調(diào)整范圍:0° ～180°;自動測量、記錄測量數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

為滿足上述檢測指標(biāo)要求，該檢測設(shè)備整體結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。系統(tǒng)以工控機為主控單元，編寫上位機軟件控制界面，通過兩路RS－232 接口實現(xiàn)對被測的兩相鄰換向片的位置控制和阻值數(shù)據(jù)的讀取。一路RS－232 接口和步進(jìn)電動機的控制與驅(qū)動電路連接，用于實現(xiàn)工控機對被測兩換向片間位置和每次轉(zhuǎn)動角度的精確控制;另一路和低電阻測量儀連接，用于實現(xiàn)對低電阻測量儀工作狀態(tài)的設(shè)置和測量數(shù)據(jù)的回讀。

圖1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)組成框圖

3 硬件設(shè)計

3.1 步進(jìn)電動機系統(tǒng)

步進(jìn)電動機系統(tǒng)用于控制設(shè)備內(nèi)安裝的帶有減速機構(gòu)的步進(jìn)電動機運行，在該電機的轉(zhuǎn)軸上裝有卡盤，待測直流電動機轉(zhuǎn)子卡在卡盤上。當(dāng)工控機發(fā)出指令，控制步進(jìn)電動機系統(tǒng)步進(jìn)，待測轉(zhuǎn)子隨之轉(zhuǎn)動相同的角度，根據(jù)待測轉(zhuǎn)子上換向片數(shù)量的不同，調(diào)整電動機每次動作的角度，就可以精確定位兩待測換向片的位置。相鄰兩換向片進(jìn)行測量時，步進(jìn)電動機每次需要轉(zhuǎn)動的步數(shù)由下式計算得到:

式中:S 為每次測量步進(jìn)電動機需要轉(zhuǎn)動的步數(shù)，M為步進(jìn)電動機細(xì)分?jǐn)?shù)，N 為減速機構(gòu)減速比，H 為所測轉(zhuǎn)子上換向片數(shù)量，θ 為步進(jìn)電動機每一步轉(zhuǎn)動的角度。

該步進(jìn)電動機系統(tǒng)選用微型一體化步進(jìn)電動機控制器。該控制器使用RS－232 通訊協(xié)議，指令結(jié)構(gòu)簡單，高容錯，可實現(xiàn)開環(huán)或者基于正交編碼器的自閉環(huán)控制。其控制單元包括:通訊模塊、基本運動控制模塊、絕對位置計數(shù)器、正交編碼器界面以及事件變化通知模塊。控制驅(qū)動器內(nèi)置高性能DSP 嵌入式微處理系統(tǒng)，具備運動控制和實時狀態(tài)變化通知功能，全部控制循環(huán)在1 ms 內(nèi)完成。

3.2 低電阻測量儀

低電阻測量儀用于直接測量兩換向片之間的阻值。由于待測阻值最小值為mΩ 級，與常規(guī)電阻測量儀器的測試延長線的線阻以及測量端子與待測元件測試端的接觸電阻可比擬，因此不能采用原理為兩線測阻法的常規(guī)測阻儀器。設(shè)備中選用高精度的低電阻測量儀，其內(nèi)部采用四線測阻法，具體工作原理如圖2 所示。

四線測阻法［2］使用一對導(dǎo)線(線C1、線C2)接恒流源源，另一對導(dǎo)線(線V1、線V2)接被測電阻的兩端用于電壓測量。恒流源和電壓測量回路是分開的，恒流源提供的電流不受連接線線阻和被測電阻大小的影響;又因電壓表電路內(nèi)部的輸入電阻(10 MΩ)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測電阻，圖2 中M 節(jié)點的電流方程如下式。

式中:IL為流過被測電阻的電流;IR為流過線C1的電流;IV為流過線V1的電流。即:恒流源電流只流過負(fù)載而不分流至電壓測試端，兩條連接線線阻上分壓則為0。因此:

式中:V 為電壓表測得的電壓值;UL為被測電阻兩端電壓值;U 下線為導(dǎo)線V1(導(dǎo)線V2)上的電壓值;IL為流過被測電阻的電流。

圖2 四線測阻法原理示意圖

從以上測量原理可以看出，只要讓四線測阻法的兩條測量回路在被測電阻的兩端相交(即圖2 的M、N 節(jié)點)，就可以消除連接線線阻對測量結(jié)果的影響，從而保證電阻測量的精確性。

3.3 探針夾具的設(shè)計

所選低電阻測量儀外引的兩條測試線(紅、黑)是通用型的，每條測試線內(nèi)又包含兩根線:紅色外引線內(nèi)部包含如圖2 所示的線V1、線C1，二者引至鱷魚夾兩腳，夾子夾在被測電阻一端，對應(yīng)圖中的M點;黑色外引線內(nèi)部包含如圖2 所示的線V2、線C2，二者引至另一只鱷魚夾兩腳，夾子夾在被測電阻另一端，對應(yīng)圖中的N 點。

但是，在直流電動機換向片間電阻檢測過程中不能拆解和損傷換向片，因此無法直接用鱷魚夾夾住換向片，只能用探針壓接在換向片表面。為了消除連接線線阻對測量結(jié)果的影響，實際設(shè)計時，我們將原配的鱷魚夾剪掉，再將與鱷魚夾相連的兩根線分別焊接在兩個探針上，再將探針固定在用膠木特制的夾具內(nèi)，如圖3所示。移動夾具即可讓兩個探針同時緊密接觸在被測換向片表面，即相當(dāng)于圖2 中的線V1、線C1相交于M 點。

圖3 探針夾具的設(shè)計

為操作方便，且探針能與被測換向片接觸良好，設(shè)備采用將膠木夾具裝載在磁力表座上，測試前移動磁力表座，將探針壓接在換向片表面，然后鎖死磁力表座。在測量完畢需要換裝另一個待測轉(zhuǎn)子時，只需松開磁力表座，移開其位置，即可使探針與換向片脫離。這種設(shè)計可以在保證換向片嶄新無劃傷的前提下使探針與被測換向片接觸良好，而且使被測轉(zhuǎn)子的裝卸方便而快捷。

4 軟件設(shè)計

4.1 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要功能為以下幾點:(1)精確測量電阻并回讀測量值;(2)根據(jù)換向片個數(shù)的不同，精確控制電動機傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動，從而帶動被測轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，在保持測量探針不動的情況下，更換到新的一組待測換向片;(3)設(shè)置手動測試、連續(xù)測試功能，方便測試人員操作;(4)處理測試數(shù)據(jù)，保存為WORD 文檔，并支持現(xiàn)場打印輸出。操作軟件設(shè)計流程如圖4 所示。

圖4 測試軟件流程圖

4.2 軟件系統(tǒng)界面設(shè)計

操作軟件系統(tǒng)界面以NI 公司LabWindows/CVI為平臺進(jìn)行編寫。為滿足測試操作需求，軟件還需要完成電動機上電鎖止、測量過程中能夠急停退出、長時間不測試時設(shè)備自動下電、數(shù)據(jù)自動保存并支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出等細(xì)節(jié)功能，因此在軟件程序設(shè)計上采用了異步定時、多線程、ActiveX 控件調(diào)用等關(guān)鍵技術(shù)［3－4］，其程序代碼這里不再贅述。

5 結(jié) 語

本文以工控機、步進(jìn)電動機傳動系統(tǒng)、低電阻測量儀、上位機軟件系統(tǒng)為核心，設(shè)計了直流電動機換向片間電阻檢測設(shè)備，經(jīng)過組裝、調(diào)試和現(xiàn)場運行檢驗，順利通過了使用方的驗收，反響良好。這種以工控機為主控單元，編寫上位機控制軟件，利用通用接口控制設(shè)備硬件運行，從而達(dá)到自動化檢測的設(shè)計思路和方法，具有較強的通用性，可以為其它自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計提供借鑒。

［1］ 王紅娟.直流電動機的常見故障淺析［J］.機械管理開發(fā)，2003(5):32－33.

［2］ 李祚亮，王作全. 數(shù)字表測量電阻的方法［J］. 計量與測試技術(shù)，2011，38(11):29－31.

［3］ 王建新，隋美麗. LabWindows/CVI 虛擬儀器設(shè)計技術(shù)［M］. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

［4］ 宋宇峰.LabWindows/CVI 逐步深入與開發(fā)實例［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，2003.