交流接觸器電磁機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真分析

 

　繼電器是一種高精密的電子元器件，它廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造和國(guó)防科技。但由于生產(chǎn)工藝、材料等原因造成了其質(zhì)量的不穩(wěn)定性。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，以決定其優(yōu)劣。從測(cè)試精度來(lái)說(shuō)，動(dòng)作時(shí)間需要到ms或μs，觸點(diǎn)電阻到mΩ，此外，有些繼電器由多個(gè)線圈或觸點(diǎn)組組成，如JHX-3F系列繼電器。目前，常用的手工測(cè)試方法效率低、誤差大，且測(cè)試參數(shù)少，而對(duì)于高精密繼電器的測(cè)試只能依賴基于微機(jī)的測(cè)試系統(tǒng)。本文將討論基于JHX-3F系列繼電器的測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)思路，并重點(diǎn)分析單插座對(duì)多規(guī)格繼電器的自動(dòng)測(cè)試、動(dòng)作時(shí)間μs級(jí)測(cè)試和小電壓或大電流型線圈的繼電器測(cè)試。
1 繼電器測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成
　　繼電器測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1。數(shù)據(jù)采集卡選擇基于PCI總線的AC6115。系統(tǒng)由PC和測(cè)試儀兩部分組成，它們之間通過(guò)AC6115傳遞A/D、D/A和I/O信號(hào)。系統(tǒng)軟件平臺(tái)為Windows XP/2000，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境Delphi 6.0，數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server 2000。主要測(cè)試指標(biāo)及精度要求：1）電壓精度<=0.01V;2）電流精度<=0.01A;3）動(dòng)作時(shí)間精度<=1ms;4）觸點(diǎn)電阻精度<=1mΩ。
 

2 繼電器測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
　　2.1 JHX-3F小型直流電磁繼電器種類(lèi)
　　JHX-3F包括A、B、C和D四個(gè)大類(lèi)。線圈類(lèi)型可以是電壓型或電流型或電壓電流混合型，其中A大類(lèi)為單線圈16個(gè)品種;B大類(lèi)為雙線圈240個(gè)品種;C大類(lèi)為雙線圈182個(gè)品種;D大類(lèi)為單線圈16個(gè)品種。共454個(gè)品種（其中又分電壓型166種，電流型72種，混合型216種）。繼電器初始觸點(diǎn)狀態(tài)分又為全閉（2D）、全開(kāi)（2H）和半開(kāi)半閉（1H1D）三種狀態(tài)。所以，JHX-3F系列繼電器總計(jì)1362個(gè)品種。
　　本文以兩類(lèi)繼電器說(shuō)明其工作原理。B類(lèi)雙線圈單位置：該類(lèi)繼電器有一個(gè)啟動(dòng)線圈和一個(gè)保持線圈。啟動(dòng)線圈施加激勵(lì)，繼電器狀態(tài)改變，接著給保持線圈施加激勵(lì)，撤除啟動(dòng)線圈激勵(lì)，狀態(tài)保持，再撤除保持線圈的激勵(lì)，狀態(tài)釋放。C類(lèi)雙線圈雙位置：該類(lèi)繼電器有一個(gè)啟動(dòng)線圈和一個(gè)復(fù)歸線圈。啟動(dòng)線圈施加激勵(lì)，繼電器狀態(tài)改變，撤除激勵(lì)，此狀態(tài)保持，再給復(fù)歸線圈施加激勵(lì)，狀態(tài)復(fù)歸為初始態(tài)。
　　2.2單插座完成對(duì)多規(guī)格1362個(gè)品種繼電器自動(dòng)測(cè)試的硬件實(shí)現(xiàn)
 

　　待測(cè)繼電器的特點(diǎn)：引腳1～4為繼電器線圈，引腳5～8為繼電器觸點(diǎn)。產(chǎn)品封裝符合雙列直插集成電路封裝特征。待測(cè)繼電器的這些特征為只用單插座完成對(duì)多規(guī)格1362個(gè)品種繼電器的自動(dòng)測(cè)試提供了可能性。
　　自動(dòng)測(cè)試的電路工作原理：若待測(cè)繼電器為單線圈時(shí)，輔助繼電器FZJD1的線圈上不施加激勵(lì)，受控源施加到插座1、4兩端。若待測(cè)繼電器為雙線圈時(shí)，分兩個(gè)階段工作，在系統(tǒng)測(cè)試啟動(dòng)線圈階段時(shí)，F(xiàn)ZJD1的線圈上不施加激勵(lì)，受控源施加到插座1、2兩端;在測(cè)試保持或復(fù)歸線圈階段時(shí)在FZJD1的線圈上施加激勵(lì)，受控源施加到插座3、4兩端。當(dāng)被測(cè)繼電器線圈為電壓型時(shí)，輔助繼電器FZJD2的線圈上不施加激勵(lì)，受控電壓源工作并施加到電路中，為電流型時(shí)，在FZJD2的線圈上施加激勵(lì)，受控電流源工作并施加到電路中;觸點(diǎn)狀態(tài)的測(cè)試只要將被測(cè)觸點(diǎn)送到兩個(gè)I/O即可。觸點(diǎn)電阻測(cè)試采用四端法消除接觸電阻的影響，分別用三檔激勵(lì)源進(jìn)行測(cè)試。
　　2.3 大電流或小電壓型繼電器測(cè)試的硬件實(shí)現(xiàn)
　　測(cè)試用的電壓源和電流源均受數(shù)據(jù)采集卡上DAC輸出的控制，電壓源輸出電壓和電流源輸出電流與控制電壓均呈線性關(guān)系。系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)被測(cè)繼電器型號(hào)選擇不同輸出范圍的受控電壓源進(jìn)行測(cè)試，一種是從0～24VDC輸出，另一種是從0～110VDC輸出?？梢詼y(cè)試從1.5VDC～100VDC額定吸合電壓的被測(cè)繼電器。受控電流源輸出范圍從0～2ADC，可以測(cè)試從0.003ADC～2.0ADC額定吸合電流的被測(cè)繼電器。電路中利用輔助繼電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)構(gòu)建電路的目的。
3 繼電器測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　　3.1 多種軟件定時(shí)器的應(yīng)用
　　Timer控件基于Windows系統(tǒng)定時(shí)，它可以在要求不高的地方使用，定時(shí)分辨率為55ms[1>，精度只有5～8ms，系統(tǒng)中應(yīng)用它進(jìn)行線圈參數(shù)、吸合值和釋放值的測(cè)試。定時(shí)它無(wú)法勝任。多媒體定時(shí)器來(lái)自于Windows API。它可工作在較高優(yōu)先級(jí)的線程中，它的定時(shí)事件被定義為回調(diào)過(guò)程，只要在該過(guò)程中添加消息處理代碼即可完成定時(shí)響應(yīng)[2>。Delphi把它封裝到了mmsystem.pas中供軟定時(shí)使用。本系統(tǒng)應(yīng)用它對(duì)故障繼電器進(jìn)行檢測(cè)，如觸點(diǎn)始終未動(dòng)作。
　　動(dòng)作時(shí)間測(cè)試有2種方法。1）使用AC6115上的硬件定時(shí)器，AC6115提供了一個(gè)16位的微秒脈沖計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)范圍是1～216微秒[3>，因此，可通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)完成動(dòng)作時(shí)間測(cè)試，但此方法會(huì)加大硬件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性;2）采用軟件定時(shí)器。例如Z_Timer。它可以ActiveX控件的形式加載到Delphi控件面板上。它的定時(shí)分辨率是0.1ms，定時(shí)精度是0.015ms，在有效定時(shí)事件中它能獨(dú)占系統(tǒng)所有資源，如消息響應(yīng)和線程時(shí)間片。故使用Z_Timer是基于Windows環(huán)境下高精度軟定時(shí)的好方法。
　　本系統(tǒng)應(yīng)用Z_Timer短時(shí)間內(nèi)獨(dú)占系統(tǒng)資源而中斷其它線程、消息的運(yùn)行，從而快速準(zhǔn)確地測(cè)試出動(dòng)作時(shí)間。首先設(shè)定其獨(dú)占系統(tǒng)資源時(shí)間為秒級(jí)別，因?yàn)閯?dòng)作時(shí)間精度<=1ms，所以該段時(shí)間內(nèi)繼電器必然動(dòng)作;在這段獨(dú)占時(shí)間內(nèi)，Z_Timer采集動(dòng)作前后的觸點(diǎn)組電壓值并裝入數(shù)組;zui后，分析該數(shù)組中數(shù)值的變化就可以計(jì)算出動(dòng)作時(shí)間。使用這種方法，簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，且測(cè)試效果良好。
　　3.2 繼電器單項(xiàng)測(cè)試的軟件實(shí)現(xiàn)
　　3.2.1線圈基本參數(shù)測(cè)試的軟件實(shí)現(xiàn)
　　Timer啟動(dòng)后，對(duì)線圈（包括啟動(dòng)線圈、保持線圈和復(fù)歸線圈）進(jìn)行測(cè)試。調(diào)用AC6115提供的DLL（動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)）中的AC_6115_DA函數(shù)線性控制輸出在線圈上的電壓。電壓上升（下降）梯度10v/5s。在線圈觸點(diǎn)吸合處、額定電壓處和觸點(diǎn)釋放處先使用Sleep函數(shù)短暫延時(shí)，待繼電器狀態(tài)穩(wěn)定后，再調(diào)用DLL中的AC_6115_AD函數(shù)記錄吸合值或額定值或釋放值，并存入公用數(shù)據(jù)模塊Datamodule中。
　　3.2.2 動(dòng)作時(shí)間測(cè)試的軟件實(shí)現(xiàn)
　　動(dòng)作時(shí)間是衡量繼電器質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，其精度要求高。圖3-1是一觸點(diǎn)初始狀態(tài)為2H的繼電器動(dòng)作時(shí)間測(cè)試的“理想圖”，實(shí)際的測(cè)試結(jié)果如圖3-2所示出現(xiàn)了“回跳時(shí)間”，它是測(cè)試過(guò)程中必須考慮的。本系統(tǒng)采用短時(shí)間獨(dú)占系統(tǒng)資源的Z_Timer完成動(dòng)作時(shí)間測(cè)試，其吸合時(shí)間測(cè)試的定時(shí)響應(yīng)代碼如下：
　　Procedure TMainForm.Draw_Time_Test（）;//“吸合時(shí)間”測(cè)試
　　Begin
　　if（Call_DLL（）<31）;//調(diào)用AC6115動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)
　　Showmessage（‘DLL裝載失敗!’）;
　　Else
　　Begin
　　AC_6115_AD（Datamodule.Driverio, Datamodule.IDofcard[1>, 80,3,4,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, Datamodule.Draw_Time_Data,2048）;//采集觸點(diǎn)動(dòng)作前后的所有數(shù)據(jù)
　　DA_To_Value（0）;//電壓歸0，準(zhǔn)備釋放時(shí)間測(cè)試
　　Sleep（100）;//平緩處理
　　IO_Out（1,0,0）;//設(shè)置I/O信號(hào)，準(zhǔn)備“釋放時(shí)間”測(cè)試
　　Sleep（2000）;//為其釋放資源準(zhǔn)備時(shí)間，此后，系統(tǒng)將“緩沖”到正常狀態(tài)
　　End;End;
 

圖3-1 理想動(dòng)作時(shí)間測(cè)試

 

圖3-2 實(shí)際動(dòng)作時(shí)間測(cè)試
　　代碼中數(shù)據(jù)采集函數(shù)采集3、4通道，每通道采集2048/2=1024點(diǎn)。通道轉(zhuǎn)換時(shí)間80＊0.25=20μs，故同一通道相鄰兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為20＊2=40μs，所以每組觸點(diǎn)有效監(jiān)測(cè)的電壓時(shí)間為1024＊40=40960μs，動(dòng)作時(shí)間的測(cè)試精度為40μs。
　　“回跳時(shí)間”計(jì)算：每組觸點(diǎn)采樣1024個(gè)點(diǎn)，從第1024個(gè)點(diǎn)開(kāi)始逐一向前查詢當(dāng)前點(diǎn)和當(dāng)前點(diǎn)之前一點(diǎn)的采樣電壓值，如果發(fā)現(xiàn)兩者之差值為5，且第1次出現(xiàn)，立刻記錄當(dāng)前點(diǎn)位置T1。同時(shí)開(kāi)始累加“回跳時(shí)間”計(jì)數(shù)器，如此反復(fù)，直到zui后1次出現(xiàn)此類(lèi)情況，記錄此時(shí)位置T2，所以T1就是動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)，而T1-T2則是“回跳時(shí)間”。
　　3.2.3 觸點(diǎn)電阻測(cè)試的軟件實(shí)現(xiàn)
　　觸點(diǎn)初始狀態(tài)為2D的繼電器，直接采樣相關(guān)通道電壓進(jìn)行計(jì)算即可;觸點(diǎn)初始狀態(tài)為2H的繼電器，首先，線圈外加電壓跳變至額定值，待其觸點(diǎn)吸合穩(wěn)定后，采用類(lèi)似2D測(cè)試方法測(cè)試;1H1D繼電器，首先采用類(lèi)似測(cè)試2D的方法測(cè)試1D觸點(diǎn)組，然后用類(lèi)似測(cè)試2H的方法測(cè)試1H觸點(diǎn)組。
　　3.3組合多項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)的自動(dòng)測(cè)試的軟件實(shí)現(xiàn)
　　組合多項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)的自動(dòng)測(cè)試的主要軟件流程如圖4所示。
 

圖4 系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)流程圖