醫用電氣設備直流繞組溫升測試裝置的設計

劉 錚，季升林，田 佳，魏 杰，吳新宇，張 克

（山東省醫療器械和藥品包裝檢驗研究院醫用電器室，濟南 250101）

0 引言

目前，各類直流電動機在醫用電氣設備中得到廣泛應用，而直流電動機的繞組溫度測量一直是電氣安全要求中的一項重要指標，特別是電動機中絕緣材料的壽命與運行溫度有密切的關系，國家標準GB 9706.1—2007與GB 4793.1—2007對繞組溫度有著嚴格的規定[1-3]。如果繞組在正常狀態和單一故障狀態下溫升過高，不僅會使電動機繞組電阻增大，增加定、轉子銅耗，導致電動機工作效率降低，還會加速絕緣材料老化，降低絕緣性能，引發觸電和著火危險。由于電動機溫升對其運行的重要影響，所以將電動機溫升測試作為電動機型式試驗和出廠試驗的重要組成部分[4]。同時，在電動機的重要應用場合，還必須對電動機運行的溫度變化進行實時監測，為及時采取措施避免電動機故障、延緩絕緣材料老化提供參考。

市場上檢測繞組溫度的主流產品基本是在線（帶電）繞組溫升測試儀，測試對象為變壓器和交流電動機，對于直流繞組的溫升試驗不適用，并且目前市場上也沒有專門為直流繞組這類測試對象研發生產相應的測試儀器。因此，大部分實驗室在進行直流繞組溫升試驗時，一般采取2種方法：一種是在直流電動機內部預埋熱電偶，直接測量；另一種是人工用電阻法測出試驗前后的電阻值和環境溫度值，通過電阻法公式計算出直流繞組的溫升值[1-2]。前一種方法需要電動機生產廠家專門定做，不容易實現，而且熱電偶只能反映所在繞組位置的溫升，不能全面表征整個繞組的溫升狀態；后一種方法需要人工多次一邊計時，一邊記錄測量的電阻值，先得出熱態電阻值，再匯總計算最終溫升，不僅效率不高，而且誤差較大，試驗結果的重復性也不理想。

本文設計一種直流繞組溫升測試裝置，主要通過微處理器控制直流電動機的運行，然后通過微處理器對各參數進行測量，包括試驗前后的環境溫度、冷態電阻、各時間點的熱態電阻，并繪制相應的溫升與繞組的關系曲線，根據相應算法[5]，直接給出繞組溫升測試結果。

1 設計

1.1 設計原理

GB 9706.1—2007和GB 4793.1—2007中對于電動機繞組溫升的檢測是根據電阻法測出繞組試驗前后的電阻值和環境溫度值，由于直流繞組一般都是銅繞組，故以銅繞組為例，計算公式如下[1-2]：

式中，Δt為溫升，單位為℃；R1為試驗開始時繞組的電阻值（冷態電阻），單位為Ω；R2為試驗結束時繞組的電阻值（熱態電阻），單位為Ω；t1為試驗開始時的室溫，單位為℃；t2為試驗結束時的室溫，單位為℃。

由上式可知，只要能準確地得到試驗結束時的熱態電阻值R2，就可以計算出繞組溫升值。但實際測試中不可能得到試驗結束瞬間的0 s熱態電阻值，因為要先切斷繞組的供電電源，再切換到阻值測量電路，只能保證盡可能快地測量，然后再每隔一段時間重復測量并記錄，這樣便可根據得到的電阻值及其對應的時間，利用回歸分析法推算出R2的值。

本裝置采用基于微處理器控制的阻值測量電路實現直流電動機繞組的電阻值快速測量和記錄，主要由微處理器系統、電源、環境傳感器、輸入和顯示部分、電阻測量電路和繼電器控制電路等組成，其設計原理如圖1所示[6]。

圖1 直流繞組溫升測試裝置設計原理框圖

1.2 裝置功能

直流繞組溫升測試裝置可實現如下功能：

（1）可自由設定測量間隔，范圍為1～20 s，分辨力為1 s；可設定記錄次數，范圍為1～50次，分辨力為1次；能夠自動切換電阻測量擋位，分為0.050～5.000Ω、5.001～50.00Ω、50.01～500.0Ω擋，最小分辨力為0.001Ω。

（2）可自動測量并顯示相關參數，包括直流電動機初始的冷態電阻、測量過程中每次時間間隔結束后的熱態電阻值以及由環境傳感器反饋至微處理器系統的當前環境溫度和濕度。

（3）對于測量所得的冷態電阻和熱態電阻值，使用專業線性回歸算法，推導出計算公式，從而得出0 s時的熱態電阻值，通過公式（1）計算出直流繞組0 s時的溫升值[7-8]，繞組溫度換算范圍為-100.00～999.00℃。

（4）可自動存儲每一次的測量數據，在一定時間范圍內可反復查看，同時具有與上位機的通信接口，可將數據上傳后進行處理。

1.3 具體設計

1.3.1 硬件設計

由于直流電動機的繞組阻值比較小，所以本裝置采用基于毫歐電阻的測量方法，需要使用可靠、穩定的電流源，快速的模數轉換電路，低噪聲、準確的信號處理電路，以保證測量阻值的準確性。同時為實現高效的、可替代人工的自動化測量，需要實現阻值測量的自動切換以及電動機的自動控制。此部分功能需要通過自動化控制技術實現[9]。

本裝置的硬件部分主要由多路恒流源模塊、信號測量模塊、微處理器模塊和自動控制與切換模塊等組成。裝置硬件設計框圖如圖2所示，樣機如圖3所示。

圖2 直流繞組溫升測試裝置硬件設計框圖

圖3 直流繞組溫升測試裝置樣機

1.3.1.1 多路恒流源模塊

該模塊可根據阻值的大小選擇最適合的恒流源。恒流源結構采用集成運算放大器與三極管的結構，屬于壓控恒流源。為了保證恒流源的精度，選擇LM385穩壓二極管，其低噪聲以及隨時間和溫度穩定工作的特性，可以保證提供穩定的基準電壓[10]。

1.3.1.2 信號測量模塊

信號測量模塊包括前端信號處理模塊、運算放大模塊、濾波處理模塊與模數轉換模塊。前端信號處理模塊由3個運算放大器組成，前2個為跟隨器，目的是增加電路的輸入阻抗，最后1個為差分放大器，目的是放大差分信號，減小共模信號。運算放大模塊由OP07C運算放大器與多通道模擬開關組成，可根據需求選擇合適的放大倍數。濾波處理模塊由一階低通濾波器組成，用于濾除高頻信號。模數轉換模塊由雙極性模數轉換器AD7327組成。AD7327為12位（帶符號位）逐次逼近型模數轉換器，配有一個高速串行接口，最高吞吐速率可達500 kSa/s。

1.3.1.3 微處理器模塊

微處理器為32位ARM微控制器STM32F103，其內核是Cortex-M3，主要用于數據處理、通信、邏輯控制等[11]。

1.3.1.4 自動控制與切換模塊

自動控制與切換模塊主要由模擬選擇開關與繼電器組成，包含測量切換模塊和電動機控制模塊。選用直流固態繼電器，其是具有隔離功能的無觸點電子開關，在開關過程中無機械接觸部件，除了具有與電磁繼電器一樣的功能，還具有邏輯電路兼容、耐振耐機械沖擊、安裝位置無限制等優點，通過控制繼電器可以切換測量與非測量模式。模擬選擇開關主要是根據測量切換模塊的反饋來切換不同通道參數，從而選擇合適的增益與合適的恒流源。

1.3.2 軟件設計

本裝置的軟件同樣采用模塊化的設計方法，通過不斷接受中斷程序和調用子程序來完成監測和控制任務。軟件程序主要包括電動機控制子程序、模數轉換子程序、鍵盤子程序、顯示模塊子程序等，同時兼顧參數設置、自動接收數據、請求數據以及信號判斷功能。軟件采用Java語言編寫，由Eclipse工具進行開發。

1.3.2.1 電動機控制子程序

電動機控制子程序主要是通過對繼電器的控制達到對直流電動機的控制。程序通過讀取外部的開關鍵值，決定繼電器的閉合，當鍵值為1時，繼電器動作，電動機通電。否則，繼電器斷開，電動機斷電，從而保證電動機的電阻測量能夠進行。具體流程圖如圖4所示。

圖4 電動機控制子程序流程圖

1.3.2.2 模數轉換子程序

直流電動機斷電后，本裝置自動給直流電動機串聯一個電阻進行模數轉換。具體設計為：首先進行定時、中斷的初始化，內部模數轉換器的初始化，打開中斷；設定時間到了以后，通過測量電阻兩端的電壓讀取外部電阻的電阻值，轉換成相應的數字量，并通過串口發送到上位機。該程序關鍵的部分在于內部模數轉換器的讀取，對模數轉換器的時序控制必須嚴格按照MSP430F149的數據手冊要求進行。具體流程圖如圖5所示。

1.3.2.3 鍵盤子程序

鍵盤子程序是通過檢測終端子系統上的鍵盤對監測時間進行設置，設置的時間用一個變量保存起來。鍵盤子程序流程圖如圖6所示。

圖6 鍵盤子程序流程圖

1.3.2.4 顯示模塊子程序

顯示模塊子程序主要包括程序初始化、清屏、確定顯示坐 標、字符顯示和圖形顯示等過程。主程序調用液晶顯示屏的驅動子程序，可以將溫度值和電流值顯示在液晶屏上，也可以顯示相應的漢字等相關信息。具體流程圖如圖7所示。

圖7 顯示模塊子程序流程圖

2 性能測試

2.1 測試方法

與普通兩線通電的直流電動機相比，直流步進電動機內部同樣使用直流繞組，是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制電動機，需要使用驅動電路進行控制，其具有體積小、驅動簡單、可實現精確定位控制的特點，在醫用電氣設備中有廣泛的應用。因此選取常見的直流24 V步進電動機作為測試樣品，進行裝置性能測試。根據GB 9706.1—2007的相關要求，在試驗開始前，將被測樣品和本裝置放置在一個空氣流動較小而且具有溫度控制的標準試驗角內。設置環境溫度為（23±2）℃，相對濕度為（60±15）%，相對大氣壓為860～1 060 hPa，放置24 h，使其與環境達到熱平衡。

在步進電動機初級繞組絕緣表面不同位置布置2個熱電偶，用于監測繞組溫度變化情況，記錄熱電偶測得的電動機溫度變化值，并與本裝置測量值進行對比。

在本裝置上進行參數設置，測量間隔為5 s，測量次數為10次。將步進電動機接入本裝置開始測量，電動機運行時間分別持續30、90和150 min，共測量3次。

2.2 測試結果

電動機運行30 min后，熱電偶T1溫升值為42.5℃，熱電偶T2溫升值為43.9℃，本裝置測量結果見表1。經過軟件計算，可得0 s時R2值為4.239Ω，代入公式（1）可得繞組溫升值為43.96℃，取2個熱電偶的平均值43.20℃為實測溫升值，二者誤差為0.76℃。

表1 直流繞組溫升測試裝置熱態電阻R2檢測結果單位：Ω

電動機運行90 min后，熱電偶T1溫升值為78.9℃，熱電偶T2溫升值為79.2℃，本裝置測量結果見表1。經過軟件計算，可得0 s時R2值為4.734Ω，代入公式（1）可得繞組溫升值為79.30℃，取2個熱電偶的平均值79.05℃為實測溫升值，則二者誤差為0.25℃。

電動機運行150 min后，熱電偶T1溫升值為111.1℃，熱電偶T2溫升值為112.8℃，本裝置測量結果見表1。經過軟件計算，可得0 s時R2值為5.232Ω，代入公式（1）可得繞組溫升值為112.88℃，取2個熱電偶的平均值111.95℃為實測溫升值，則二者誤差為0.93℃。

由于熱電偶測量的是電動機的表面溫度，測量值會小于實際溫升值，因此本裝置的測量結果符合相關標準要求。

3 結語

本裝置能夠實現直流電動機繞組溫升的自動化測量，可以用于醫用電氣設備的繞組溫升電氣安全評價。與類似產品相比，本裝置的特點包括：（1）可對繞組進行自動化測量，可自動記錄數據并計算，直接給出最終的直流繞組溫升值；（2）可自由設定測量參數，深入研究其對最終的數據處理產生的影響；（3）阻值測量電路中切換開關采用固態繼電器替代人工操作的雙向閘刀開關，切換速度快，有效降低了測量電路內阻不穩定的問題。

當然，目前本裝置也存在一些需要改進的地方：測量電流在電阻測量過程中一直存在，在未測量的階段可能會對繞組和設備造成影響，可以通過改進控制程序，使裝置只在測試時才有測量電流來避免這個缺陷；每一次電阻值測量需要切換2次繼電器，導致實際測量電阻值的時間間隔與設置值不符，可通過更換切換速度更快的繼電器或在程序中對反應時間進行修正，使實際時間間隔盡量與設置時間一致；本裝置目前主要用于測量直流步進電動機，對于其他原理的直流電動機測量可能還存在局限性，后期還需要進一步優化和測試。