醫(yī)用電氣設(shè)備直流繞組溫升測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

劉 錚，季升林，田 佳，魏 杰，吳新宇，張 克

（山東省醫(yī)療器械和藥品包裝檢驗(yàn)研究院醫(yī)用電器室，濟(jì)南 250101）

0 引言

目前，各類直流電動(dòng)機(jī)在醫(yī)用電氣設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用，而直流電動(dòng)機(jī)的繞組溫度測(cè)量一直是電氣安全要求中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，特別是電動(dòng)機(jī)中絕緣材料的壽命與運(yùn)行溫度有密切的關(guān)系，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 9706.1—2007與GB 4793.1—2007對(duì)繞組溫度有著嚴(yán)格的規(guī)定[1-3]。如果繞組在正常狀態(tài)和單一故障狀態(tài)下溫升過(guò)高，不僅會(huì)使電動(dòng)機(jī)繞組電阻增大，增加定、轉(zhuǎn)子銅耗，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)工作效率降低，還會(huì)加速絕緣材料老化，降低絕緣性能，引發(fā)觸電和著火危險(xiǎn)。由于電動(dòng)機(jī)溫升對(duì)其運(yùn)行的重要影響，所以將電動(dòng)機(jī)溫升測(cè)試作為電動(dòng)機(jī)型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)的重要組成部分[4]。同時(shí)，在電動(dòng)機(jī)的重要應(yīng)用場(chǎng)合，還必須對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為及時(shí)采取措施避免電動(dòng)機(jī)故障、延緩絕緣材料老化提供參考。

市場(chǎng)上檢測(cè)繞組溫度的主流產(chǎn)品基本是在線（帶電）繞組溫升測(cè)試儀，測(cè)試對(duì)象為變壓器和交流電動(dòng)機(jī)，對(duì)于直流繞組的溫升試驗(yàn)不適用，并且目前市場(chǎng)上也沒有專門為直流繞組這類測(cè)試對(duì)象研發(fā)生產(chǎn)相應(yīng)的測(cè)試儀器。因此，大部分實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行直流繞組溫升試驗(yàn)時(shí)，一般采取2種方法：一種是在直流電動(dòng)機(jī)內(nèi)部預(yù)埋熱電偶，直接測(cè)量；另一種是人工用電阻法測(cè)出試驗(yàn)前后的電阻值和環(huán)境溫度值，通過(guò)電阻法公式計(jì)算出直流繞組的溫升值[1-2]。前一種方法需要電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家專門定做，不容易實(shí)現(xiàn)，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(gè)繞組的溫升狀態(tài)；后一種方法需要人工多次一邊計(jì)時(shí)，一邊記錄測(cè)量的電阻值，先得出熱態(tài)電阻值，再匯總計(jì)算最終溫升，不僅效率不高，而且誤差較大，試驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性也不理想。

本文設(shè)計(jì)一種直流繞組溫升測(cè)試裝置，主要通過(guò)微處理器控制直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行，然后通過(guò)微處理器對(duì)各參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，包括試驗(yàn)前后的環(huán)境溫度、冷態(tài)電阻、各時(shí)間點(diǎn)的熱態(tài)電阻，并繪制相應(yīng)的溫升與繞組的關(guān)系曲線，根據(jù)相應(yīng)算法[5]，直接給出繞組溫升測(cè)試結(jié)果。

1 設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

GB 9706.1—2007和GB 4793.1—2007中對(duì)于電動(dòng)機(jī)繞組溫升的檢測(cè)是根據(jù)電阻法測(cè)出繞組試驗(yàn)前后的電阻值和環(huán)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(jì)算公式如下[1-2]：

式中，Δt為溫升，單位為℃；R1為試驗(yàn)開始時(shí)繞組的電阻值（冷態(tài)電阻），單位為Ω；R2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)繞組的電阻值（熱態(tài)電阻），單位為Ω；t1為試驗(yàn)開始時(shí)的室溫，單位為℃；t2為試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的室溫，單位為℃。

由上式可知，只要能準(zhǔn)確地得到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的熱態(tài)電阻值R2，就可以計(jì)算出繞組溫升值。但實(shí)際測(cè)試中不可能得到試驗(yàn)結(jié)束瞬間的0 s熱態(tài)電阻值，因?yàn)橐惹袛嗬@組的供電電源，再切換到阻值測(cè)量電路，只能保證盡可能快地測(cè)量，然后再每隔一段時(shí)間重復(fù)測(cè)量并記錄，這樣便可根據(jù)得到的電阻值及其對(duì)應(yīng)的時(shí)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(cè)量電路實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)繞組的電阻值快速測(cè)量和記錄，主要由微處理器系統(tǒng)、電源、環(huán)境傳感器、輸入和顯示部分、電阻測(cè)量電路和繼電器控制電路等組成，其設(shè)計(jì)原理如圖1所示[6]。

圖1 直流繞組溫升測(cè)試裝置設(shè)計(jì)原理框圖

1.2 裝置功能

直流繞組溫升測(cè)試裝置可實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）可自由設(shè)定測(cè)量間隔，范圍為1～20 s，分辨力為1 s；可設(shè)定記錄次數(shù)，范圍為1～50次，分辨力為1次；能夠自動(dòng)切換電阻測(cè)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(dòng)測(cè)量并顯示相關(guān)參數(shù)，包括直流電動(dòng)機(jī)初始的冷態(tài)電阻、測(cè)量過(guò)程中每次時(shí)間間隔結(jié)束后的熱態(tài)電阻值以及由環(huán)境傳感器反饋至微處理器系統(tǒng)的當(dāng)前環(huán)境溫度和濕度。

（3）對(duì)于測(cè)量所得的冷態(tài)電阻和熱態(tài)電阻值，使用專業(yè)線性回歸算法，推導(dǎo)出計(jì)算公式，從而得出0 s時(shí)的熱態(tài)電阻值，通過(guò)公式（1）計(jì)算出直流繞組0 s時(shí)的溫升值[7-8]，繞組溫度換算范圍為-100.00～999.00℃。

（4）可自動(dòng)存儲(chǔ)每一次的測(cè)量數(shù)據(jù)，在一定時(shí)間范圍內(nèi)可反復(fù)查看，同時(shí)具有與上位機(jī)的通信接口，可將數(shù)據(jù)上傳后進(jìn)行處理。

1.3 具體設(shè)計(jì)

1.3.1 硬件設(shè)計(jì)

由于直流電動(dòng)機(jī)的繞組阻值比較小，所以本裝置采用基于毫歐電阻的測(cè)量方法，需要使用可靠、穩(wěn)定的電流源，快速的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，低噪聲、準(zhǔn)確的信號(hào)處理電路，以保證測(cè)量阻值的準(zhǔn)確性。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)高效的、可替代人工的自動(dòng)化測(cè)量，需要實(shí)現(xiàn)阻值測(cè)量的自動(dòng)切換以及電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)控制。此部分功能需要通過(guò)自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)[9]。

本裝置的硬件部分主要由多路恒流源模塊、信號(hào)測(cè)量模塊、微處理器模塊和自動(dòng)控制與切換模塊等組成。裝置硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，樣機(jī)如圖3所示。

圖2 直流繞組溫升測(cè)試裝置硬件設(shè)計(jì)框圖

圖3 直流繞組溫升測(cè)試裝置樣機(jī)

1.3.1.1 多路恒流源模塊

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

1.3.1.2 信號(hào)測(cè)量模塊

信號(hào)測(cè)量模塊包括前端信號(hào)處理模塊、運(yùn)算放大模塊、濾波處理模塊與模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。前端信號(hào)處理模塊由3個(gè)運(yùn)算放大器組成，前2個(gè)為跟隨器，目的是增加電路的輸入阻抗，最后1個(gè)為差分放大器，目的是放大差分信號(hào)，減小共模信號(hào)。運(yùn)算放大模塊由OP07C運(yùn)算放大器與多通道模擬開關(guān)組成，可根據(jù)需求選擇合適的放大倍數(shù)。濾波處理模塊由一階低通濾波器組成，用于濾除高頻信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊由雙極性模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7327組成。AD7327為12位（帶符號(hào)位）逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，配有一個(gè)高速串行接口，最高吞吐速率可達(dá)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(nèi)核是Cortex-M3，主要用于數(shù)據(jù)處理、通信、邏輯控制等[11]。

1.3.1.4 自動(dòng)控制與切換模塊

自動(dòng)控制與切換模塊主要由模擬選擇開關(guān)與繼電器組成，包含測(cè)量切換模塊和電動(dòng)機(jī)控制模塊。選用直流固態(tài)繼電器，其是具有隔離功能的無(wú)觸點(diǎn)電子開關(guān)，在開關(guān)過(guò)程中無(wú)機(jī)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(jī)械沖擊、安裝位置無(wú)限制等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)控制繼電器可以切換測(cè)量與非測(cè)量模式。模擬選擇開關(guān)主要是根據(jù)測(cè)量切換模塊的反饋來(lái)切換不同通道參數(shù)，從而選擇合適的增益與合適的恒流源。

1.3.2 軟件設(shè)計(jì)

本裝置的軟件同樣采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，通過(guò)不斷接受中斷程序和調(diào)用子程序來(lái)完成監(jiān)測(cè)和控制任務(wù)。軟件程序主要包括電動(dòng)機(jī)控制子程序、模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序、鍵盤子程序、顯示模塊子程序等，同時(shí)兼顧參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)接收數(shù)據(jù)、請(qǐng)求數(shù)據(jù)以及信號(hào)判斷功能。軟件采用Java語(yǔ)言編寫，由Eclipse工具進(jìn)行開發(fā)。

1.3.2.1 電動(dòng)機(jī)控制子程序

電動(dòng)機(jī)控制子程序主要是通過(guò)對(duì)繼電器的控制達(dá)到對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的控制。程序通過(guò)讀取外部的開關(guān)鍵值，決定繼電器的閉合，當(dāng)鍵值為1時(shí)，繼電器動(dòng)作，電動(dòng)機(jī)通電。否則，繼電器斷開，電動(dòng)機(jī)斷電，從而保證電動(dòng)機(jī)的電阻測(cè)量能夠進(jìn)行。具體流程圖如圖4所示。

圖4 電動(dòng)機(jī)控制子程序流程圖

1.3.2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序

直流電動(dòng)機(jī)斷電后，本裝置自動(dòng)給直流電動(dòng)機(jī)串聯(lián)一個(gè)電阻進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。具體設(shè)計(jì)為：首先進(jìn)行定時(shí)、中斷的初始化，內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的初始化，打開中斷；設(shè)定時(shí)間到了以后，通過(guò)測(cè)量電阻兩端的電壓讀取外部電阻的電阻值，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量，并通過(guò)串口發(fā)送到上位機(jī)。該程序關(guān)鍵的部分在于內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的讀取，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)序控制必須嚴(yán)格按照MSP430F149的數(shù)據(jù)手冊(cè)要求進(jìn)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(guò)檢測(cè)終端子系統(tǒng)上的鍵盤對(duì)監(jiān)測(cè)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置的時(shí)間用一個(gè)變量保存起來(lái)。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(biāo)、字符顯示和圖形顯示等過(guò)程。主程序調(diào)用液晶顯示屏的驅(qū)動(dòng)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(yīng)的漢字等相關(guān)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(cè)試

2.1 測(cè)試方法

與普通兩線通電的直流電動(dòng)機(jī)相比，直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部同樣使用直流繞組，是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電動(dòng)機(jī)，需要使用驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，其具有體積小、驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)精確定位控制的特點(diǎn)，在醫(yī)用電氣設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用。因此選取常見的直流24 V步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為測(cè)試樣品，進(jìn)行裝置性能測(cè)試。根據(jù)GB 9706.1—2007的相關(guān)要求，在試驗(yàn)開始前，將被測(cè)樣品和本裝置放置在一個(gè)空氣流動(dòng)較小而且具有溫度控制的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)角內(nèi)。設(shè)置環(huán)境溫度為（23±2）℃，相對(duì)濕度為（60±15）%，相對(duì)大氣壓為860～1 060 hPa，放置24 h，使其與環(huán)境達(dá)到熱平衡。

在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)初級(jí)繞組絕緣表面不同位置布置2個(gè)熱電偶，用于監(jiān)測(cè)繞組溫度變化情況，記錄熱電偶測(cè)得的電動(dòng)機(jī)溫度變化值，并與本裝置測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比。

在本裝置上進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，測(cè)量間隔為5 s，測(cè)量次數(shù)為10次。將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接入本裝置開始測(cè)量，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間分別持續(xù)30、90和150 min，共測(cè)量3次。

2.2 測(cè)試結(jié)果

電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(cè)量結(jié)果見表1。經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算，可得0 s時(shí)R2值為4.239Ω，代入公式（1）可得繞組溫升值為43.96℃，取2個(gè)熱電偶的平均值43.20℃為實(shí)測(cè)溫升值，二者誤差為0.76℃。

表1 直流繞組溫升測(cè)試裝置熱態(tài)電阻R2檢測(cè)結(jié)果單位：Ω

電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(cè)量結(jié)果見表1。經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算，可得0 s時(shí)R2值為4.734Ω，代入公式（1）可得繞組溫升值為79.30℃，取2個(gè)熱電偶的平均值79.05℃為實(shí)測(cè)溫升值，則二者誤差為0.25℃。

電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(cè)量結(jié)果見表1。經(jīng)過(guò)軟件計(jì)算，可得0 s時(shí)R2值為5.232Ω，代入公式（1）可得繞組溫升值為112.88℃，取2個(gè)熱電偶的平均值111.95℃為實(shí)測(cè)溫升值，則二者誤差為0.93℃。

由于熱電偶測(cè)量的是電動(dòng)機(jī)的表面溫度，測(cè)量值會(huì)小于實(shí)際溫升值，因此本裝置的測(cè)量結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)繞組溫升的自動(dòng)化測(cè)量，可以用于醫(yī)用電氣設(shè)備的繞組溫升電氣安全評(píng)價(jià)。與類似產(chǎn)品相比，本裝置的特點(diǎn)包括：（1）可對(duì)繞組進(jìn)行自動(dòng)化測(cè)量，可自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算，直接給出最終的直流繞組溫升值；（2）可自由設(shè)定測(cè)量參數(shù)，深入研究其對(duì)最終的數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的影響；（3）阻值測(cè)量電路中切換開關(guān)采用固態(tài)繼電器替代人工操作的雙向閘刀開關(guān)，切換速度快，有效降低了測(cè)量電路內(nèi)阻不穩(wěn)定的問題。

當(dāng)然，目前本裝置也存在一些需要改進(jìn)的地方：測(cè)量電流在電阻測(cè)量過(guò)程中一直存在，在未測(cè)量的階段可能會(huì)對(duì)繞組和設(shè)備造成影響，可以通過(guò)改進(jìn)控制程序，使裝置只在測(cè)試時(shí)才有測(cè)量電流來(lái)避免這個(gè)缺陷；每一次電阻值測(cè)量需要切換2次繼電器，導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量電阻值的時(shí)間間隔與設(shè)置值不符，可通過(guò)更換切換速度更快的繼電器或在程序中對(duì)反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行修正，使實(shí)際時(shí)間間隔盡量與設(shè)置時(shí)間一致；本裝置目前主要用于測(cè)量直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，對(duì)于其他原理的直流電動(dòng)機(jī)測(cè)量可能還存在局限性，后期還需要進(jìn)一步優(yōu)化和測(cè)試。