電動(dòng)機(jī)定子匝間耐壓檢測(cè)裝置研究

于千博，毛謙敏

(中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州 310018)

0 引言

電動(dòng)機(jī)是一種把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電氣設(shè)備[1]。電動(dòng)機(jī)主要由產(chǎn)生磁場(chǎng)的定子和輸出扭矩的轉(zhuǎn)子組成。定子繞組作為產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用于轉(zhuǎn)子使其轉(zhuǎn)動(dòng)的“源”，其匝間耐壓情況影響整個(gè)電動(dòng)機(jī)的絕緣性能[2]。因此，保證定子匝間耐壓符合要求是保障電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的重要前提。

傳統(tǒng)的匝間耐壓檢測(cè)方法是使用示波器測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)繞組和待檢繞組的振蕩波形并用肉眼觀察兩波形之間的差異，但由于判斷具有主觀性，沒有量化的合格指標(biāo)，檢測(cè)效率和精度極低[3]。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，郝迎吉等采用STM32內(nèi)置ADC采集500 V電壓下被測(cè)線圈的振蕩信號(hào)并處理[4]。雖然克服了人工判斷的缺點(diǎn)，但脈沖電壓和采樣速率過低，采樣波形可能失真。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)機(jī)定子匝間耐壓檢測(cè)裝置，使用三極管自激推挽電路和倍壓整流電路產(chǎn)生3 kV電壓，STM32單片機(jī)外接AD9226和高速FIFO實(shí)現(xiàn)采樣速率0～42 MHz可調(diào)，并利用以太網(wǎng)高速傳輸控制命令與數(shù)據(jù)。該裝置能對(duì)兩組振蕩波形間的頻率比、面積比和面積差比進(jìn)行比較判斷，并能計(jì)算被測(cè)繞組的電感值，檢測(cè)效率和精度均滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

1 匝間耐壓檢測(cè)原理

當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到電容C0充滿電時(shí)，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通對(duì)后級(jí)電路放電；當(dāng)可控硅關(guān)斷后，RL0、L0、C1組成RLC電路，電感兩端產(chǎn)生衰減振蕩波形，RL0或L0的不同將會(huì)造成波形間存在差異。將測(cè)得的波形與標(biāo)準(zhǔn)波形進(jìn)行比較計(jì)算，即可判斷被測(cè)定子匝間繞組是否存在絕緣不良等情況[5]。其檢測(cè)原理等效電路如圖1所示。

圖1 檢測(cè)原理等效電路圖

圖1中，SCR是可控硅，C0是儲(chǔ)能電容，C1是振蕩電容，L0是被測(cè)線圈電感，RL0為線圈的等效電阻。從可控硅觸發(fā)到關(guān)斷，可分為3個(gè)階段：可控硅觸發(fā)瞬間，可控硅導(dǎo)通，可控硅關(guān)斷。

1.1 可控硅觸發(fā)瞬間

設(shè)可控硅觸發(fā)瞬間的時(shí)間為t1，由于電感L0電流無法突變，此時(shí)可近似為斷路，整個(gè)電路近似為零狀態(tài)響應(yīng)，等效電路如圖2所示。

圖2 可控硅觸發(fā)等效電路圖

C1兩端電壓方程為

(1)

一般認(rèn)為當(dāng)t=5R1C1，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)，uC1=U1。

1.2 可控硅導(dǎo)通

當(dāng)可控硅進(jìn)入導(dǎo)通階段，由于流經(jīng)回路的電流很小，R1阻值也很小，R1上的壓降相對(duì)電容電壓可以忽略。近似為電容C0和C1并聯(lián)后與RL0和L0連接，其等效電路如圖3所示。

圖3 可控硅導(dǎo)通等效電路圖

設(shè)初始狀態(tài)下UC0=UC1=U1，根據(jù)基爾霍夫電壓定律可求得回路的微分方程[6]：

(2)

求解該微分方程可得：

(3)

(4)

1.3 可控硅關(guān)斷

由于電感的電壓波形超前電流波形約90°，因此當(dāng)電感兩端電壓為負(fù)的最大值時(shí)流經(jīng)可控硅的電流為0。設(shè)此刻t=t2，根據(jù)可控硅的性質(zhì)此時(shí)可控硅關(guān)斷，振蕩電容的容值變?yōu)镃1，電路仍然為RLC振蕩電路，等效電路如圖4所示。

圖4 可控硅關(guān)斷等效電路圖

電容C1和電感L0兩端電壓表達(dá)式為：

(5)

(6)

綜上所述，t1時(shí)刻可控硅觸發(fā)導(dǎo)通，t2時(shí)刻可控硅關(guān)斷形成RLC振蕩，因此對(duì)于差比參數(shù)以及周期的計(jì)算，以t2時(shí)刻以后為準(zhǔn)。被測(cè)線圈振蕩電壓波形近似如圖5所示。

圖5 匝間振蕩波形示意圖

2 總體設(shè)計(jì)方案

本裝置設(shè)計(jì)了以STM32F405RGT6為核心處理器的測(cè)量控制電路，具體包括電源電路、采樣電路、觸發(fā)電路和以太網(wǎng)通信模塊。其中，電源電路產(chǎn)生高壓直流電，單片機(jī)產(chǎn)生采樣時(shí)鐘并控制觸發(fā)電路的導(dǎo)通，采樣電路采集振蕩波形數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)進(jìn)行處理與分析，裝置檢測(cè)流程結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 裝置檢測(cè)流程結(jié)構(gòu)框圖

3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 電源電路

匝間耐壓測(cè)試需要在被測(cè)繞組兩端施加脈沖高壓，為了避免損傷繞組，通過繞組的電流要非常小?？紤]上述情況，采用逆變電路和倍壓整流電路將低壓直流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電。

3.1.1 逆變電路

通過使用雙三極管自激推挽實(shí)現(xiàn)DC-AC升壓變換，其電路如圖7所示。

圖7 逆變電路圖

其主要原理是：每個(gè)同型號(hào)三極管性能不完全相同，造成上電導(dǎo)通時(shí)流經(jīng)三極管電流大小不相等。設(shè)流經(jīng)Q1的電流為I1，流經(jīng)Q2的電流為I2，假設(shè)最初I1>I2，在互感作用下反饋繞組上將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上負(fù)下正的電壓，該電壓將會(huì)作用于Q1和Q2，最終使Q1飽和導(dǎo)通，Q2截止。此時(shí)變壓器內(nèi)磁通大小不變，反饋繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為0，I1變小，I2變大，變壓器內(nèi)磁通方向由I2決定，形成與上述過程相反的情況。如此循環(huán)，將會(huì)在變壓器次級(jí)線圈形成高壓交流電。

3.1.2 倍壓整流電路

倍壓整流電路可以將交流電升壓成所需要的高壓直流電壓。其工作原理為：當(dāng)變壓器輸出峰值電壓為E且處于負(fù)半周期時(shí)，D3導(dǎo)通，D4截止，C3兩端電壓左負(fù)右正，大小為E；當(dāng)輸出電壓處于正半周期時(shí)，D3截止，D4導(dǎo)通，C7兩端電壓大小相當(dāng)于次級(jí)線圈和C3串聯(lián)，為2E。同理，C4～C9兩端電壓均為2E，U1電壓為7E，實(shí)現(xiàn)了電壓7倍抬升。電路連接如圖8所示。

圖8 倍壓整流電路圖

倍壓整流的輸出電壓經(jīng)過電阻R5和R6分壓后與LM385產(chǎn)生的2.5 V基準(zhǔn)電壓分別輸入比較器的負(fù)、正輸入端。當(dāng)比較器正輸入端電壓大于負(fù)輸入端，Uf為5 V，使逆變電路中三極管Q0導(dǎo)通；當(dāng)正端電壓小于負(fù)端，Uf為0 V，Q0關(guān)斷。在三極管動(dòng)態(tài)開關(guān)作用下，倍壓整流電路的輸出電壓穩(wěn)定在3 kV左右。同時(shí)，單片機(jī)PC15引腳讀取Uf電平，一旦單片機(jī)檢測(cè)到Uf輸出為0，說明儲(chǔ)能電容充電完成，觸發(fā)可控硅導(dǎo)通采樣。

3.2 采樣電路

可控硅觸發(fā)導(dǎo)通后，由于被測(cè)電感量的不同造成波形振蕩頻率有很大區(qū)別，需要采樣頻率可調(diào)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測(cè)量。奈奎斯特采樣定理要求理想狀態(tài)下采樣速率至少為最高頻率的2倍[7]。但為了能夠采集到更加準(zhǔn)確的信號(hào)，將ADC采樣速率設(shè)置為被測(cè)頻率的10倍以上。而單片機(jī)自帶的ADC無法實(shí)現(xiàn)如此高頻率的采集，因此選用AD9226芯片。該芯片在單電源供電情況下，只需輸入一個(gè)采樣時(shí)鐘，最高能達(dá)到65 MHz采樣速率[8]。又因?yàn)閱纹瑱C(jī)I/O口讀取速率也無法匹配ADC的采樣速率，故采用高速FIFO芯片IDT72V255作為數(shù)據(jù)緩沖芯片。該芯片具有最快50 MHz的寫入速率，且讀取速率在0～50 MHz范圍可調(diào)。使用上述采樣電路，實(shí)現(xiàn)了STM32單片機(jī)對(duì)不同頻率的高速信號(hào)的采集。采樣電路的連接示意圖如圖9所示。

圖9 采樣電路連接示意圖

圖9中，單片機(jī)的PB9、PB10和PB13分別控制芯片讀、寫使能和復(fù)位引腳，PB15產(chǎn)生采樣時(shí)鐘控制ADC的采樣速率和FIFO的讀取速率，PB10產(chǎn)生低速讀信號(hào)讀取FIFO內(nèi)的數(shù)據(jù)，PB11和PA10分別連接“全滿”和“全空”標(biāo)志位，用于判斷數(shù)據(jù)是否被全部寫入或者全部讀取完。

3.3 信號(hào)調(diào)理電路

電感兩端振蕩電壓經(jīng)阻容分壓后產(chǎn)生最大幅值約為±5 V的電壓U4，而AD9226輸入電壓允許范圍為1～3 V。因此設(shè)計(jì)如圖10所示信號(hào)調(diào)理電路，使用TL072和AD8065運(yùn)放芯片，ADC參考電壓UREF=2 V，電路輸出電壓U5為

圖10 信號(hào)調(diào)理電路圖

(7)

此電路將AD9226芯片的輸入閾值由1～3 V增加到了-5～+5 V，能采集到完整的振蕩波形信號(hào)。

3.4 可控硅觸發(fā)電路

根據(jù)檢測(cè)要求，需要一個(gè)開關(guān)器件在儲(chǔ)能電容飽和時(shí)經(jīng)觸發(fā)信號(hào)控制能迅速閉合，并且當(dāng)流經(jīng)該器件的電流為0時(shí)能迅速關(guān)斷?；谏鲜鲆?，選用單向可控硅TYN1012作為開關(guān)元件，設(shè)計(jì)如圖11所示觸發(fā)電路。

圖11 可控硅觸發(fā)電路圖

考慮到倍壓整流電路產(chǎn)生的3 kV電壓遠(yuǎn)高于單個(gè)芯片耐壓值，通過串聯(lián)多個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)在幾倍于耐壓電壓的環(huán)境中工作。由于制造工藝等原因，串聯(lián)的同型號(hào)可控硅在關(guān)斷時(shí)的等效阻抗不同，分壓不均會(huì)引起開關(guān)動(dòng)作不一致，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致個(gè)別可控硅被擊穿[9]。因此，在每個(gè)可控硅上并聯(lián)1個(gè)電阻，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)均壓。而當(dāng)可控硅流過電流為0時(shí)無法迅速關(guān)斷，會(huì)有70 μs左右的延時(shí)，期間依然會(huì)有電流流過。為了加快關(guān)斷速度，在可控硅輸出端和振蕩電容之間串接快恢復(fù)二極管，當(dāng)流經(jīng)回路電流為0且二極管負(fù)端電壓高于正端，能實(shí)現(xiàn)在ns級(jí)別時(shí)間內(nèi)關(guān)斷。

觸發(fā)電路使用柵極脈沖變壓器。當(dāng)單片機(jī)PA15引腳輸出高電平，經(jīng)過芯片74HC14兩次反向后觸發(fā)MOS管導(dǎo)通，此時(shí)變壓器初級(jí)線圈將有電流流過，次級(jí)線圈產(chǎn)生電壓觸發(fā)可控硅導(dǎo)通。

3.5 以太網(wǎng)通信模塊

相比于傳統(tǒng)的串口通信模式，以太網(wǎng)通信具有組網(wǎng)方便，通信速率快，同步性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。本文使用W5500以太網(wǎng)芯片，該芯片集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧，使用4線SPI接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，理論速率最高可達(dá)80 MHz[10]。W5500與STM32連接示意圖如圖12所示。

圖12 STM32和W5500連接示意圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件運(yùn)行流程

裝置啟動(dòng)后，軟件程序初始化并且FIFO芯片復(fù)位。當(dāng)接受到上位機(jī)的啟動(dòng)命令，并且檢測(cè)到Uf產(chǎn)生下降沿時(shí)觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，單片機(jī)產(chǎn)生寫時(shí)鐘信號(hào)分別控制AD9226芯片采集數(shù)據(jù)以及FIFO芯片寫入數(shù)據(jù)，并利用讀時(shí)鐘信號(hào)讀取FIFO芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)。其流程圖如圖13所示。

圖13 軟件流程圖

4.2 UDP通信協(xié)議

UDP是一種面向無連接的TCP/IP協(xié)議，其數(shù)據(jù)報(bào)由8個(gè)字節(jié)的UDP報(bào)頭和UDP數(shù)據(jù)組成[11]。相比于TCP連接需要3次握手才能連通，UDP在發(fā)送之前不需要建立連接，且程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳輸速率高，支持一對(duì)多的交互通信。

裝置上電后，首先上位機(jī)將發(fā)送10個(gè)字節(jié)的控制命令給單片機(jī)使其工作，采樣完畢后，單片機(jī)FLASH中存有12 KB的數(shù)據(jù)，將這12 KB數(shù)據(jù)分成12個(gè)包發(fā)送，每個(gè)包加上10個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)頭，每個(gè)包共計(jì)1 034個(gè)字節(jié)發(fā)送給上位機(jī)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 檢測(cè)方法

被測(cè)線圈是否合格主要通過計(jì)算波形的頻率比、面積比、面積差比來判斷。其相關(guān)示意圖如圖14所示。

圖14 計(jì)算方法示意圖

5.1.1 頻率比φ1

將被測(cè)波形的頻率與標(biāo)準(zhǔn)波形的頻率相減后除以標(biāo)準(zhǔn)波形的頻率，所得值的絕對(duì)值即是所求的頻率比。如圖14(a)所示，T2=Y2-X2是標(biāo)準(zhǔn)波形的振蕩周期，T1=Y1-X1是被測(cè)波形振蕩周期，則頻率比的計(jì)算公式為

(8)

5.1.2 面積比φ2

如圖14(b)所示，在任意指定的X3～Y3范圍內(nèi)將被測(cè)波形面積減去標(biāo)準(zhǔn)波形在此范圍內(nèi)的面積，所得差的絕對(duì)值除以標(biāo)準(zhǔn)波形在此范圍內(nèi)的面積即是所求的面積比。計(jì)算公式為

(9)

5.1.3 面積差比φ3

如圖14(c)所示，在任意指定X4～Y4范圍內(nèi)將被測(cè)波形和標(biāo)準(zhǔn)波形在Y軸方向包圍的面積(圖中陰影部分)除以標(biāo)準(zhǔn)波形在此范圍的面積即為所求的面積差比。計(jì)算公式為

(10)

在振蕩電容相同情況下，頻率比主要反映了電感量的差異，波形的面積比和面積差比主要由電阻RL0和電感L0決定。其中，面積差比對(duì)兩波形間的偏差非常敏感，微小的偏移就會(huì)造成面積差比明顯增加。通過對(duì)三者的計(jì)算和比較，能夠有效的判斷被測(cè)電動(dòng)機(jī)定子匝間耐壓情況。

檢測(cè)時(shí)存在2種較明顯的定子繞組故障情況，其檢測(cè)波形如圖15所示。

(a)(b)

圖15(a)表示外接線圈斷路，電容兩端電壓經(jīng)過電阻緩慢放電，在測(cè)試圖像上形成一條緩慢下降的線段。圖15(b)表示外接線圈短路，電容電壓迅速放電至零，測(cè)試圖像上形成一條與X軸近似重合的線段。

5.2 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)利用裝置測(cè)試一臺(tái)閑置的三相電動(dòng)機(jī)，測(cè)試頻率2 MHz，A、B、C三相的部分振蕩波形如圖16所示。

圖16 三相電機(jī)振蕩波形圖

從圖16中可看出，A相波形和B相波形基本重合，C相波形在可控硅關(guān)斷后振蕩周期略微小于A、B兩相波形，但3組波形都是振幅不斷減小、振蕩角頻率不變的衰減振蕩，其中振蕩角頻率ωd與周期T的關(guān)系如下：

(11)

對(duì)式(11)進(jìn)行解算，可得電感L0與振蕩周期T之間的關(guān)系如下：

(12)

將每相線圈測(cè)得的振蕩周期T帶入式(12)進(jìn)行計(jì)算，并使用精密電橋測(cè)量每一相電感值，測(cè)試計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 電感數(shù)據(jù)表

將精密電橋測(cè)得的電感值視為真實(shí)值，由表1可得使用裝置測(cè)量的三相電感值與專用儀表測(cè)量的數(shù)據(jù)接近，有較高的測(cè)量精度。

對(duì)于三相電動(dòng)機(jī)的測(cè)量，以A相波形為標(biāo)準(zhǔn)波形，另外兩相為被測(cè)波形進(jìn)行差比計(jì)算，根據(jù)式(8)～式(10)，可求得A-B兩相和A-C兩相線圈振蕩波形的頻率比、面積比和面積差比，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 差比測(cè)試數(shù)據(jù)表

由表1、表2可知，該電動(dòng)機(jī)C相線圈電感小于其他兩相，且面積差比超過10%，面積比超過5%，考慮是繞線匝數(shù)少于另外兩相或是匝間有輕微短路從而造成電感量減小，經(jīng)過拆機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)C相繞組存在匝間輕微短路情況。

同時(shí)，對(duì)該三相電動(dòng)機(jī)的A相進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，A相既作為標(biāo)準(zhǔn)波形又作為被測(cè)波形，理論上多次測(cè)量的波形是重合的，重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3測(cè)試數(shù)據(jù)可知，5次測(cè)量頻率比、面積比和面積差比的重復(fù)性均在1%以內(nèi)，重復(fù)性測(cè)量滿足檢測(cè)需求。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)機(jī)定子匝間耐壓檢測(cè)裝置，以STM32F405RGT6為主控芯片，配合高速FIFO和AD9226，輔以其他硬件電路，在電動(dòng)機(jī)離線狀態(tài)下采集振蕩波形，并利用以太網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)。通過計(jì)算被測(cè)波形和標(biāo)準(zhǔn)波形的頻率比、面積比和面積差比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)定子匝間耐壓情況的判定，并能測(cè)得繞組電感值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置檢測(cè)精度高，重復(fù)性好，可以應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)的生產(chǎn)檢測(cè)中。