導(dǎo)電環(huán)動(dòng)態(tài)接觸電阻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫星曦，徐圣法，徐春鵬，崔 凱，郭佳鑫

(北京東方計(jì)量測試研究所，北京 100094)

0 引言

導(dǎo)電滑環(huán)是保證相對轉(zhuǎn)動(dòng)的2個(gè)部件可靠穩(wěn)定工作的關(guān)鍵設(shè)備。目前，在航天航空、航海、新能源、電力電子等行業(yè)，都是運(yùn)用導(dǎo)電滑環(huán)將電信號(hào)或功率信號(hào)由固定端向旋轉(zhuǎn)端傳輸，進(jìn)行信號(hào)交換與功率傳輸。它們之間相對轉(zhuǎn)動(dòng)工作的動(dòng)態(tài)接觸電阻是保證系統(tǒng)可靠連接、穩(wěn)定工作的重要參數(shù)之一[1]。

因此，在導(dǎo)電滑環(huán)設(shè)計(jì)過程中，要對其動(dòng)態(tài)接觸電阻進(jìn)行全面可靠測試，目前有以下方法：

(1)手動(dòng)法：將被測對象的接觸點(diǎn)通過轉(zhuǎn)接電纜連接至轉(zhuǎn)接盒，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，使用萬用表對轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的接觸電阻值進(jìn)行測量，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中萬用表采集接觸電阻的最大值和最小值。該方法效率低，多個(gè)通道同時(shí)測量需要多臺(tái)設(shè)備，測試成本較高。

(2)半集成法：由通道切換矩陣與微歐計(jì)組成，用低接觸電阻繼電器組成的開關(guān)矩陣進(jìn)行通道自動(dòng)切換測試，但該方法無法實(shí)現(xiàn)多通道并行測試，與實(shí)際使用工況不符。

(3)數(shù)字采集卡：采用數(shù)字采集卡加外部電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行測試，該方法雖然實(shí)時(shí)性較好，但需要額外的外部電機(jī)控制設(shè)備，系統(tǒng)較復(fù)雜，自動(dòng)化程度一般。

本文針對該問題，提出了基于CPCI總線的一體化、高度集成的接觸電阻采集方案：以FPGA作為主控芯片，集成設(shè)計(jì)電阻采集模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，回采導(dǎo)電滑環(huán)的接觸電阻，最終將采集的電阻值實(shí)時(shí)發(fā)送給上位機(jī)，并以圖表形式顯示測試結(jié)果。以此實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電滑環(huán)多通道接觸電阻的自動(dòng)化測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)按功能可劃分為恒流源模塊、采集測量模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、供電轉(zhuǎn)換模塊，具體實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

恒流源模塊主要用來提供測量激勵(lì)信號(hào)，由于被測對象為mΩ級(jí)的接觸電阻，引線電阻不可忽略，所以本次測試采用四線方法進(jìn)行測試[2]。四線法主要特點(diǎn)是測量電阻的激勵(lì)電流和電壓測試線路不在一個(gè)回路中，可以有效避免測試線路的線阻，是目前測量小電阻常用的方法[3-5]；采集測量模塊主要實(shí)現(xiàn)I-V轉(zhuǎn)換之后的電壓采集功能，采用24 bit高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片對多路電壓信號(hào)并行采集，并以高速并口的形式將數(shù)據(jù)送給FPGA；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要用來實(shí)現(xiàn)對被測對象中電機(jī)部分的驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)、細(xì)分?jǐn)?shù)、驅(qū)動(dòng)電流、轉(zhuǎn)速設(shè)置等功能；控制模塊主要實(shí)現(xiàn)對上位機(jī)指令的解析以及對外圍電路的控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?；供電轉(zhuǎn)換模塊主要實(shí)現(xiàn)將背板輸入的5 V、12 V等電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)工作所需的電壓。

工作過程如下：用戶根據(jù)測試對象的通道數(shù)量選擇相關(guān)板卡，通過轉(zhuǎn)接電纜與被測對象連接。然后配置電阻測量范圍、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流、采樣率等參數(shù)，下位機(jī)接收到指令后，根據(jù)電阻范圍調(diào)節(jié)DA輸出的電壓值，控制恒流源大小，控制信號(hào)調(diào)理部分的放大倍數(shù)，之后根據(jù)采樣頻率設(shè)置指令以及轉(zhuǎn)速指令進(jìn)行初始化。系統(tǒng)工作后，與電阻相關(guān)的電壓信號(hào)由A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸給FPGA，F(xiàn)PGA 對采樣量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行編幀處理后存入寫FIFO中，待寫FIFO半滿標(biāo)志有效，將數(shù)據(jù)傳輸至總線，等待上位機(jī)進(jìn)行讀取，最后由上位機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 恒流源模塊設(shè)計(jì)

正常情況下，滑環(huán)的動(dòng)態(tài)接觸電阻很小，在幾十mΩ至幾百mΩ之間，所以對作為測試激勵(lì)的恒流源的穩(wěn)定性、精度有較高的要求，本次設(shè)計(jì)采用跨導(dǎo)放大器式V/I轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)恒流源，采用誤差放大器對輸入差分電壓和采樣電阻反饋電壓進(jìn)行放大[6]，在較寬的輸出量程下，有效控制輸出線性度，提高系統(tǒng)輸出指標(biāo)，為被測回路提供高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)激勵(lì)信號(hào)。同時(shí)采用Buffer緩沖器實(shí)現(xiàn)電流放大，精簡電路，使得單個(gè)電路實(shí)現(xiàn)所有需要的量值，減少了量程切換繼電器級(jí)數(shù)，有利于減小熱電勢對輸出精度的影響；相比于多級(jí)OC門電路，Buffer緩沖器工作穩(wěn)定，靜態(tài)工作電流小，可以大幅降低電路功耗，提高電路穩(wěn)定性。同時(shí)由于內(nèi)部壓降的減小，增加了輸出電流順從電壓，即直流帶載能力，具體原理如圖2所示。

圖2 恒流源原理框圖

圖2中RS大小為20 Ω，Vin來源于AD5664高精度16位DA芯片,根據(jù)實(shí)際需要測試電阻量程的大小進(jìn)而輸出不同的參考電壓，本次設(shè)計(jì)要求測量范圍為10 mΩ～100 Ω，恒流源設(shè)置100 mA和20 mA兩檔，根據(jù)計(jì)算Vin分別對應(yīng)為2 V和0.4 V。為了保證測試電流處于安全范圍內(nèi)，在測試回路中串聯(lián)120 mA保險(xiǎn)絲。同時(shí)為了保證測量精度與穩(wěn)定性，恒流源電路中關(guān)鍵元器件[7]，如采樣電阻、比例電阻選擇高精度、低溫漂電阻，誤差放大器選用低漂移、低噪聲運(yùn)放。

2.2 采集測量電路設(shè)計(jì)

由于被測電阻很小，最小為10 mΩ，即便在100 mA測試電流條件下，電壓僅為1 mV，所以必須設(shè)計(jì)比例放大電路，選用AD8253程控儀表放大器，放大被測電阻的電壓信號(hào)，電路如圖3所示。AD8253可編程增益儀表放大器，具有1、10、100、1 000四檔位放大倍數(shù)，10 MHz寬帶寬、低總諧波失真(THD)，具有較好的共模抑制能力，同時(shí)也具有精密直流性能與高速能力結(jié)合的特點(diǎn)，非常適合于數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。根據(jù)實(shí)際測試需求，測試分為以下?lián)跷?，如?所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

表1 測試擋位分配

另外被測導(dǎo)電環(huán)環(huán)數(shù)一般較多，有時(shí)多達(dá)上百路，所以每塊采集板設(shè)計(jì)了16路同步采集的工作方式。設(shè)計(jì)中選取2片ADS1278進(jìn)行高精度采集，ADS1278(八通道)是一款 24 位、三角積分 (Δ∑) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其數(shù)據(jù)速率高達(dá)128 kSPS。A/D采集的數(shù)據(jù)通過CPCI協(xié)議實(shí)時(shí)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行解析。幾百mV的電壓值，用該模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集，是比較容易保證采集精度的。同時(shí)設(shè)計(jì)完成后，采用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱對電阻采集精度進(jìn)行擬合校準(zhǔn)，進(jìn)一步減少恒流源、ADC非線性等引入的誤差。另外本方案中，測試電纜采用屏蔽雙絞形式，減少外界電信號(hào)對采集結(jié)果的影響，保證采集精度。

因?yàn)椴杉ǖ垒^多，單通道采樣率達(dá)100 kHz，F(xiàn)PGA內(nèi)部FIFO資源有限，對于長時(shí)間[8]、實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)無法保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性,故在該系統(tǒng)中先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至緩存SDRAM中，待系統(tǒng)收到有效的讀數(shù)據(jù)信號(hào)，再將數(shù)據(jù)讀取至FIFO中進(jìn)行DMA傳輸。這里選取HY57V561620HT型號(hào)的SDRAM作為緩存，F(xiàn)PGA與SDRAM的連接電路如圖4所示。

圖4 FPGA與SDRAM的連接電路

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要包含了兩相雙四拍、四相雙四拍驅(qū)動(dòng)線路，用來實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制功能?？筛鶕?jù)用戶設(shè)置的電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和電機(jī)工作電流，輸出相應(yīng)的恒流脈沖信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖如圖5所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

用戶設(shè)置的電機(jī)轉(zhuǎn)速與控制模塊產(chǎn)生的脈沖信號(hào)頻率之間的關(guān)系為：電機(jī)轉(zhuǎn)速除以電機(jī)步矩角得脈沖信號(hào)頻率，控制模塊控制電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)送3.3 V的F_CP信號(hào)經(jīng)過磁耦隔離轉(zhuǎn)換為5 V的G_CP信號(hào)，達(dá)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片脈沖的輸入端，驅(qū)動(dòng)芯片將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率相同的雙極性PWM信號(hào)，此信號(hào)為功率信號(hào)，電流大小由驅(qū)動(dòng)芯片的基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)電阻共同決定，電流大小以5 mA為步進(jìn)，實(shí)現(xiàn)從0到1.8 A可調(diào)；用戶可以通過上位機(jī)設(shè)置PWM信號(hào)輸出的電流大小，控制模塊接收到上位機(jī)的指令后，生成F_DL信號(hào)控制DAC產(chǎn)生相應(yīng)的模擬電壓，作為驅(qū)動(dòng)芯片的基準(zhǔn)電壓，結(jié)合驅(qū)動(dòng)芯片外部的基準(zhǔn)電阻，達(dá)到控制驅(qū)動(dòng)芯片的輸出電流，在驅(qū)動(dòng)芯片輸出過流時(shí)，會(huì)反饋到控制模塊，并同時(shí)令驅(qū)動(dòng)芯片停止輸出。

設(shè)計(jì)中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中的驅(qū)動(dòng)芯片選用LV8729V，它采用內(nèi)部斬波頻率對脈沖信號(hào)進(jìn)行正余弦切分，實(shí)現(xiàn)正余弦細(xì)分驅(qū)動(dòng)的效果。該芯片的正常工作溫度為-30～85 ℃，并且芯片內(nèi)部包含過流保護(hù)電路、過熱保護(hù)電路，在輸出電流超過預(yù)設(shè)的電流值時(shí)，能自動(dòng)限制甚至停止芯片對外輸出信號(hào)，提高了驅(qū)動(dòng)模塊的可靠性。

2.4 控制模塊電路設(shè)計(jì)

控制模塊采用PCI芯片按照一定協(xié)議接收上位機(jī)發(fā)送的命令，并對其進(jìn)行解析后，輸入FPGA中，同時(shí)可將FPGA需要反饋到上位機(jī)的信號(hào)進(jìn)行譯碼，生成上位機(jī)識(shí)別的數(shù)據(jù)信號(hào)；FPGA作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)對電阻采集模塊的激勵(lì)電流大小設(shè)置、高速ADC控制、數(shù)據(jù)緩存等控制功能，同時(shí)對電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的細(xì)分比、輸出電流大小等操作進(jìn)行控制，采用I/O接口對驅(qū)動(dòng)模塊的過流、過熱信號(hào)進(jìn)行檢測，控制模塊原理框圖如圖6所示。

圖6 控制模塊原理框圖

選用接口芯片實(shí)現(xiàn)CPCI總線協(xié)議，以減少開發(fā)周期。具體為PCI9054-AC50PIF，支持33 MHz時(shí)鐘頻率以及32位數(shù)據(jù)傳輸，且PCI總線端與上位機(jī)總線端之間的數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)到133 MB/s，滿足用戶對電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)時(shí)控制；根據(jù)實(shí)際需要的資源，選用EP4CE30F23C8N作為主控芯片，該芯片內(nèi)部有28 848個(gè)邏輯單元，片上594 kb存儲(chǔ)資源，用戶可用I/O數(shù)量為328，內(nèi)核供電1.15～1.25 V，I/O電平為3.3 V，正常工作溫度為0～85 ℃，完全滿足控制要求。

2.5 供電模塊電路設(shè)計(jì)

供電模塊主要功能為將機(jī)箱背板輸入的電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)工作需要的3.3 V、2.5 V、1.2 V、12 V和電壓隔離的功能。電模塊原理框圖如圖7所示。

圖7 供電模塊原理框圖

不需要隔離的電壓選用AMS1117型電源轉(zhuǎn)換芯片，隔離電壓選用隔離DC-DC模塊。在設(shè)計(jì)中充分考慮電源轉(zhuǎn)換芯片的散熱問題，PCB設(shè)計(jì)開窗功率焊盤，部分發(fā)熱量大的模塊加裝鋁制散熱器，保證實(shí)際散熱效果。設(shè)計(jì)過壓過流保護(hù)電路，有效提高系統(tǒng)的可靠性與安全性，保證測試對象的安全。

3 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

動(dòng)態(tài)電阻測試的流程如下：上位機(jī)根據(jù)被測機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品化類型及被測導(dǎo)電環(huán)類型進(jìn)行相應(yīng)的電機(jī)參數(shù)配置、采集板卡參數(shù)配置、導(dǎo)電環(huán)類型選取，設(shè)置完成后，上位機(jī)依據(jù)自動(dòng)測試流程，完成動(dòng)態(tài)電阻的測試。

基于上述的測試流程，對導(dǎo)電環(huán)測試設(shè)備的軟件進(jìn)行功能梳理，如圖8所示。

圖8 軟件功能梳理

軟件的子功能包括：

(1)產(chǎn)品選擇功能：選擇不同的產(chǎn)品類型，可以根據(jù)模板并通過“導(dǎo)入檢測項(xiàng)”功能導(dǎo)入產(chǎn)品和測試相信息；

(2)測試項(xiàng)配置功能：選擇監(jiān)控的測點(diǎn)用于測試過程的波形顯示、列表顯示以及報(bào)告、報(bào)表導(dǎo)出；

(3)系統(tǒng)配置功能：配置板卡所在的槽位，并設(shè)置啟用狀態(tài)；

(4)電機(jī)配置功能：按照槽位配置電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的參數(shù)及兩相、四相的使能狀態(tài)；

(5)采集配置：按照槽位配置采集板模塊的數(shù)據(jù)采集參數(shù)；

(6)開始/停止：啟動(dòng)或者停止動(dòng)態(tài)電阻采集測試；

(7)暫停：暫停動(dòng)態(tài)電阻采集測試；

(8)導(dǎo)入檢測相：根據(jù)測試模板導(dǎo)入檢查相信息和產(chǎn)品信息；

(9)導(dǎo)出報(bào)告：根據(jù)測試模板和測試結(jié)果導(dǎo)出檢測報(bào)告；

(10)導(dǎo)出記錄：將測試結(jié)果導(dǎo)出到EXCEL文件中；

(11)查看異常值：查看測量過程中存在的判讀失效的數(shù)據(jù)；

(12)極限模式：測試過程中通過列表形式查看測試數(shù)據(jù)和測試結(jié)果；

(13)連續(xù)模式：測試過程中通過波形圖方式查看測試數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化過程。

系統(tǒng)在測試過程中，會(huì)實(shí)時(shí)根據(jù)設(shè)定的閾值，判斷測試數(shù)據(jù)是否合格，并記錄異常點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間與大小，測試完畢后，用戶可打開異常記錄進(jìn)行查看，并可進(jìn)入該異常通道的連續(xù)模式再次進(jìn)行測試，對異常通道的電阻值與角度進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線繪制，方便測試人員直觀查看該通道實(shí)時(shí)測試結(jié)果。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證測試系統(tǒng)指標(biāo)，隨機(jī)選取2個(gè)通道，將標(biāo)準(zhǔn)電阻箱的輸出用轉(zhuǎn)接電纜按照節(jié)點(diǎn)定義連接到采集板卡的輸入端，測試結(jié)果如表2所示。

表2 相關(guān)通道測試數(shù)據(jù) Ω

由表2可以看出，該系統(tǒng)的測試指標(biāo)完全符合測試精度需求，測試數(shù)據(jù)具有較高的穩(wěn)定性。為了驗(yàn)證測試系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性，選取相關(guān)被測導(dǎo)電環(huán)的K對L測試點(diǎn)(對應(yīng)第16通道)進(jìn)行測試驗(yàn)證，測試結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 正常模式測試數(shù)據(jù)截圖

根據(jù)實(shí)際測試結(jié)果看出，該測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，設(shè)計(jì)方案可行，測試數(shù)據(jù)符合實(shí)際情況，滿足工程測試需求。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過研制模塊化、一體化的接觸電阻高速采集板卡，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電環(huán)接觸電阻的自動(dòng)化高速采集測試功能，減少設(shè)計(jì)人員的重復(fù)性勞動(dòng)，顯著提高了測試研制效率，同時(shí)該系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)CPCI協(xié)議，通用化較強(qiáng)，可以搭配其他功能板卡，組合實(shí)現(xiàn)不同的測試系統(tǒng)。

圖10 定位角度測試截圖