2.1 接触电阻测量原理
系统测量接触电阻时采用“四端法”.主回路通过控制晶体管的导通向触点通入100 mA的短时直流电流,测量回路提取触点两端的电压经过滤波和放大后接入模数转换器(ADC)处理,然后利用欧姆定律计算出触点电阻.为了使结果更加准确,需要将测量触点电压所用的导线提前用电桥测出,用于标定触点电阻的阻值.
2.2 线圈电阻测量电路
不同电压等级的继电器,其线圈阻值是不同的,表2展示了欧姆龙G5V-1系列继电器的线圈电阻参数.不仅如此,同一电压等级、不同厂家生产的继电器线圈电阻也有较大的差异.目前,线圈电阻检测方式需要根据不同型号继电器线圈电阻,人工预先设定励磁电流的大小,存在参数难以自动设置的问题,效率低下.本研究搭建了可自动设置励磁电流的继电器线圈电阻自动测量系统,可满足10～5 000 Ω范围内的继电器线圈电阻测量.
表2 欧姆龙G5V-1系列继电器的线圈电阻参数
Tab.2 Coil resistance parameters of the OMRON G5V-1 series relay
本系统采用数字式可编程电流源芯片AD5422搭配AD8231程控运算放大器,利用线圈吸合/释放回路中的采样电阻检测出待测继电器额定电压下的线圈电流.单片机通过数据总线设置AD5422和AD8231相应的寄存器.AD5422具有16位精度,0～20 mA的输出.系统可根据实际继电器线圈电阻对AD5422设置多个档位,例如:10～50 Ω范围输出5 mA,50～500 Ω范围输出2 mA,500～1 000 Ω范围输出1 mA,1 000～5 000 Ω范围输出0.1 mA等.对于已知类型的继电器,可人工选择合适的电流档位,以提高检测效率; 而对于未知类型的继电器,系统可先给线圈通入额定电压,通过采样电阻上的电压计算出线圈的额定电流的大小,重新设置电流源的输出为额定电流的10%,对线圈电阻实现精确测量,进而实现自适应地根据线圈电阻值大小选择合适的励磁电流.取10%的额定电流作为检测线圈电阻的励磁电流,是对线圈电阻“自热”影响和提高线圈电压信号信噪比的一种折中.AD8231是一款零漂移、数字可编程式仪表放大器,系统通过该放大器将线圈电压放大到最适合模数转换器(ADC)读取的电压,以降低ADC采集过程中的噪声波动对信号的影响.在线圈电流和线圈电压均已知的情况下,再根据欧姆定律R=U/I计算出线圈电阻值.
图2中半圆形弹性簧片为夹持继电器线圈引脚的机构,方便待测继电器的快速更换.系统也采用“四端法”将AD5422程控电流源的输出与AD8231对线圈电压信号的采集分隔开来,避免导线电阻所带来的误差.由于使用的是芯片内部的ADC,所以同时还需要保证采集的线圈电压信号满足0～3.3 V.
图2 线圈电阻测量原理示意图
Fig.2 Principle diagram of coil resistance measurement
2.3 线圈电压驱动电路
为了驱动不同电压等级的继电器以及准确地测量出吸合/释放电压,系统需要一个能从0～80 V任意变化的可调电压源为继电器供电,而串联型稳压电路就可以满足这样的需求[7].相比于开关型稳压电路,串联型稳压电路电压调节速度快,输出电压稳定.
图3 线圈电压驱动电路
Fig.3 Coil voltage drive circuit
图3中,STM32的数模转换器(DAC)输出电压UDAC与线圈驱动电路输出电压UO的反馈电压Uf的差值送入由运放搭建的比例积分(PI)调节器,进而控制由三极管T1和功率管T2组成的达林顿结构,使得将多变比变压器整流出来的直流电压线性可调.电路中的多变比变压器具有15,48和110 V 3个电压级别的抽头,根据待测继电器的额定电压的大小由继电器网络切换到相应电压等级的中心抽头.
值得一提的是,为了实现宽范围的电压可调,需要合理地选取R4～R9的阻值,让T1和T2始终工作在线性放大区.最大反馈电压Ufmax不应超过DAC的最大输出电压UDACmax:
Ufmax=Uomax×R9/(R8+R9)≤UDACmax,
R8和R9的取值在满足上述不等式的同时,也不能超过自身电阻的功率限制,否则反馈电压Uf会因为电阻发热的问题产生波动.同时为了保证输出电压UO的精度,R8和R9应该选取高精度的电阻.
设整流出来的电压为Ucc,负载电流为ILoad,IC1、IC2分别为T1、T2的集电极电流,UEB2为T2射极和基极之间的电压,α、β分别为T1、T2的放大倍数,T1的射极电流IE1不应超过运放OP3的最大输出电流IOPmax,若给运放留20%的余量,则有
IE1≈IC1=(IC2)/(β+1)+(βIC2R7)/((β+1)R6)+(UEB2)/(R6)≈
(ILoad)/(β+1)+(ILoadR7)/(R6)≤0.8IOPmax.
设运放OP3输出电压最大值为UOPmax,那么
R5≤(0.8UOPmax)/(IE1)≤(UOPmax)/(IOPmax).
对于R4的选取,应保证T1始终工作在放大区,即
R4≥0.8(α(UOPmax-IOPmaxR5))/(IE1).
由上面的不等式可知,R4的选取依赖于IE1和R5,而IE1的大小取决于R6和R7,同时R8和R9构成了负载电路的一部分,会影响负载电流ILoad的大小.所以需要按照R9,R8,R7,R6,R5和R4的顺序进行电阻的取值.
2.4 吸合/释放电压检测电路
当线圈两端的电压慢慢升高时,线圈的励磁电流也会逐渐变大,直至线圈对衔铁的吸引力大于继电器内部动簧片的弹力时,衔铁开始运动.为了让触点可靠地接触,触点接触后会继续运动,直至超行程距离.动簧片与静簧片接触以后,衔铁需要同时克服动簧片与静簧片的弹力,此时电流会微弱的下降,对应的线圈电压为一次吸合电压.当吸力大于两个簧片的弹力的合力时,衔铁会再次运动,直至到达限位装置,此时电流又会有一个微弱下降的过程,对应的线圈电压为二次吸合电压.最后,线圈的电流将会饱和.由此可见,线圈电流的变化可以反映吸合状态的变化,故可通过对线圈电流的处理捕获到线圈的一次和二次电压.
图5 吸合/释放电压检测电路
Fig.5 Pull-in and release voltage detection circuit
图4给出了线圈采样电阻上电压的处理波形,其中U1,U2,U3在图5所示检测电路中的相应位置标出.U1即为图5中采样电阻R1上的电压经过反向放大得到的波形,U2为U1微分后的波形,U3为U2和阈值电压UR进行电压比较后的波形.在图4(a)中U1有两个小的尖峰,分别对应一次吸合和二次吸合时线圈电压的变化状态.图4(b)中U1所描述的继电器释放过程基本上是吸合的逆过程.随着线圈电压的下降,U1也在随之减少,相应的励磁电流也随之减小.当吸力小于弹力后,衔铁开始运动,反电动势使线圈上的电流微弱的上升,之后电流会慢慢下降到零[8].
图4 线圈采样电阻上电压的调理波形
Fig.4 Processing waveform of coil sampling resistance voltage
检测吸合/释放电压的方法有:二分法[9]、步进中值法和差异比较法.继电器吸合和释放时电流的变化是极其短暂的,对于超行程距离比较小的继电器而言,一次吸合和二次吸合很难分开,前两种方法无法得到二次吸合的电压,而最后一种方法检测的时间又比较长,因此3种方法都是利用数学方法来逼近真实值.本系统则是从硬件出发,线圈电压驱动电路步进地增加或减少线圈电压,将线圈电流采样得到的电压进行放大、微分、滤波和比较[10],最后得到脉冲触发信号,如图4中的U3所示.脉冲信号触发单片机中断,单片机在中断程序中用ADC读取线圈的电压值,此时对应的线圈电采样压即为吸合/释放电压.调理电路配合中断程序有效地解决了传统算法无法检测二次吸合和检测过程缓慢的问题.图5给出了本系统所搭建的吸合/释放电压检测电路图.
