交流接觸器電磁機構(gòu)動態(tài)仿真分析

 

　繼電器是一種高精密的電子元器件，它廣泛應用于工業(yè)制造和國防科技。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，有必要對其進行測試，以決定其優(yōu)劣。從測試精度來說，動作時間需要到ms或μs，觸點電阻到mΩ，此外，有些繼電器由多個線圈或觸點組組成，如JHX-3F系列繼電器。目前，常用的手工測試方法效率低、誤差大，且測試參數(shù)少，而對于高精密繼電器的測試只能依賴基于微機的測試系統(tǒng)。本文將討論基于JHX-3F系列繼電器的測試系統(tǒng)的軟硬件設計思路，并重點分析單插座對多規(guī)格繼電器的自動測試、動作時間μs級測試和小電壓或大電流型線圈的繼電器測試。
1 繼電器測試系統(tǒng)的構(gòu)成
　　繼電器測試系統(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和測試儀兩部分組成，它們之間通過AC6115傳遞A/D、D/A和I/O信號。系統(tǒng)軟件平臺為Windows XP/2000，軟件開發(fā)環(huán)境Delphi 6.0，數(shù)據(jù)庫SQL Server 2000。主要測試指標及精度要求：1）電壓精度<=0.01V;2）電流精度<=0.01A;3）動作時間精度<=1ms;4）觸點電阻精度<=1mΩ。
 

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

　　待測繼電器的特點：引腳1～4為繼電器線圈，引腳5～8為繼電器觸點。產(chǎn)品封裝符合雙列直插集成電路封裝特征。待測繼電器的這些特征為只用單插座完成對多規(guī)格1362個品種繼電器的自動測試提供了可能性。
　　自動測試的電路工作原理：若待測繼電器為單線圈時，輔助繼電器FZJD1的線圈上不施加激勵，受控源施加到插座1、4兩端。若待測繼電器為雙線圈時，分兩個階段工作，在系統(tǒng)測試啟動線圈階段時，F(xiàn)ZJD1的線圈上不施加激勵，受控源施加到插座1、2兩端;在測試保持或復歸線圈階段時在FZJD1的線圈上施加激勵，受控源施加到插座3、4兩端。當被測繼電器線圈為電壓型時，輔助繼電器FZJD2的線圈上不施加激勵，受控電壓源工作并施加到電路中，為電流型時，在FZJD2的線圈上施加激勵，受控電流源工作并施加到電路中;觸點狀態(tài)的測試只要將被測觸點送到兩個I/O即可。觸點電阻測試采用四端法消除接觸電阻的影響，分別用三檔激勵源進行測試。
　　2.3 大電流或小電壓型繼電器測試的硬件實現(xiàn)
　　測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)自動根據(jù)被測繼電器型號選擇不同輸出范圍的受控電壓源進行測試，一種是從0～24VDC輸出，另一種是從0～110VDC輸出。可以測試從1.5VDC～100VDC額定吸合電壓的被測繼電器。受控電流源輸出范圍從0～2ADC，可以測試從0.003ADC～2.0ADC額定吸合電流的被測繼電器。電路中利用輔助繼電器實現(xiàn)自動構(gòu)建電路的目的。
3 繼電器測試系統(tǒng)的軟件設計
　　3.1 多種軟件定時器的應用
　　Timer控件基于Windows系統(tǒng)定時，它可以在要求不高的地方使用，定時分辨率為55ms[1>，精度只有5～8ms，系統(tǒng)中應用它進行線圈參數(shù)、吸合值和釋放值的測試。定時它無法勝任。多媒體定時器來自于Windows API。它可工作在較高優(yōu)先級的線程中，它的定時事件被定義為回調(diào)過程，只要在該過程中添加消息處理代碼即可完成定時響應[2>。Delphi把它封裝到了mmsystem.pas中供軟定時使用。本系統(tǒng)應用它對故障繼電器進行檢測，如觸點始終未動作。
　　動作時間測試有2種方法。1）使用AC6115上的硬件定時器，AC6115提供了一個16位的微秒脈沖計數(shù)器，計數(shù)范圍是1～216微秒[3>，因此，可通過脈沖計數(shù)完成動作時間測試，但此方法會加大硬件電路設計的復雜性;2）采用軟件定時器。例如Z_Timer。它可以ActiveX控件的形式加載到Delphi控件面板上。它的定時分辨率是0.1ms，定時精度是0.015ms，在有效定時事件中它能獨占系統(tǒng)所有資源，如消息響應和線程時間片。故使用Z_Timer是基于Windows環(huán)境下高精度軟定時的好方法。
　　本系統(tǒng)應用Z_Timer短時間內(nèi)獨占系統(tǒng)資源而中斷其它線程、消息的運行，從而快速準確地測試出動作時間。首先設定其獨占系統(tǒng)資源時間為秒級別，因為動作時間精度<=1ms，所以該段時間內(nèi)繼電器必然動作;在這段獨占時間內(nèi)，Z_Timer采集動作前后的觸點組電壓值并裝入數(shù)組;zui后，分析該數(shù)組中數(shù)值的變化就可以計算出動作時間。使用這種方法，簡化了硬件電路的設計，且測試效果良好。
　　3.2 繼電器單項測試的軟件實現(xiàn)
　　3.2.1線圈基本參數(shù)測試的軟件實現(xiàn)
　　Timer啟動后，對線圈（包括啟動線圈、保持線圈和復歸線圈）進行測試。調(diào)用AC6115提供的DLL（動態(tài)鏈接庫）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。在線圈觸點吸合處、額定電壓處和觸點釋放處先使用Sleep函數(shù)短暫延時，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 動作時間測試的軟件實現(xiàn)
　　動作時間是衡量繼電器質(zhì)量的關(guān)鍵指標，其精度要求高。圖3-1是一觸點初始狀態(tài)為2H的繼電器動作時間測試的“理想圖”，實際的測試結(jié)果如圖3-2所示出現(xiàn)了“回跳時間”，它是測試過程中必須考慮的。本系統(tǒng)采用短時間獨占系統(tǒng)資源的Z_Timer完成動作時間測試，其吸合時間測試的定時響應代碼如下：
　　Procedure TMainForm.Draw_Time_Test（）;//“吸合時間”測試
　　Begin
　　if（Call_DLL（）<31）;//調(diào)用AC6115動態(tài)鏈接庫
　　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）;//采集觸點動作前后的所有數(shù)據(jù)
　　DA_To_Value（0）;//電壓歸0，準備釋放時間測試
　　Sleep（100）;//平緩處理
　　IO_Out（1,0,0）;//設置I/O信號，準備“釋放時間”測試
　　Sleep（2000）;//為其釋放資源準備時間，此后，系統(tǒng)將“緩沖”到正常狀態(tài)
　　End;End;
 

圖3-1 理想動作時間測試

 

圖3-2 實際動作時間測試
　　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。通道轉(zhuǎn)換時間80＊0.25=20μs，故同一通道相鄰兩點之間的時間間隔為20＊2=40μs，所以每組觸點有效監(jiān)測的電壓時間為1024＊40=40960μs，動作時間的測試精度為40μs。
　　“回跳時間”計算：每組觸點采樣1024個點，從第1024個點開始逐一向前查詢當前點和當前點之前一點的采樣電壓值，如果發(fā)現(xiàn)兩者之差值為5，且第1次出現(xiàn)，立刻記錄當前點位置T1。同時開始累加“回跳時間”計數(shù)器，如此反復，直到zui后1次出現(xiàn)此類情況，記錄此時位置T2，所以T1就是動作時間點，而T1-T2則是“回跳時間”。
　　3.2.3 觸點電阻測試的軟件實現(xiàn)
　　觸點初始狀態(tài)為2D的繼電器，直接采樣相關(guān)通道電壓進行計算即可;觸點初始狀態(tài)為2H的繼電器，首先，線圈外加電壓跳變至額定值，待其觸點吸合穩(wěn)定后，采用類似2D測試方法測試;1H1D繼電器，首先采用類似測試2D的方法測試1D觸點組，然后用類似測試2H的方法測試1H觸點組。
　　3.3組合多項測試項的自動測試的軟件實現(xiàn)
　　組合多項測試項的自動測試的主要軟件流程如圖4所示。
 

圖4 系統(tǒng)自動測試軟件實現(xiàn)流程圖