基于STM32的漆包线漆膜软化击穿性能检测

谢明华，马凌云，刘 辉，张文希

XIE Ming-hua,MA Ling-yun,LIU Hui,ZHANG Wen-xi

(长沙学院 电子与通信工程系，长沙 410003)

0 引言

漆包线是绕组线的一个主要品种，由导体和绝缘层两部分组成，是电机、电器、仪表及机床等设备电磁绕组的主要和关键原材料[1,2]。漆包线漆膜在特定压力及温度情况下的击穿电压性能属于漆包线电性能的一种，主要反映漆包线在施加电压后的承受能力及绝缘性能。软化击穿电压测试需要经过绕线、预加热、加负荷、加试验电压及卸负荷等一系列步骤，操作繁琐，测试时间长，操作过程触电危险性大，传统的测试设备不能满足快速及安全的测试要求[3]。因此，本文设计一款智能软化击穿性能检测系统，用于快速精确检测漆包线漆膜软化击穿性能。

1 系统构成和硬件设计

系统由STM32控制电路、上位机软件、软化模块、散热模块、自动装样装置以及负荷升降装置等部分构成，系统总体结构如图1所示。

图1 软化击穿性能检测系统结构图

系统硬件电路部分由软化模块控温电路、电机控制电路、人机交互以及CAN总线通信电路等组成，如图2所示。

图2 硬件电路框架图

漆包线试样的软化模块温度控制功能由温度数据采集及温度控制两部分完成。温度采集部分选用16位Δ-Σ型A/D转换器ADS1118作为热电偶信号调理及模数转换芯片，该转换器集成了可编程增益放大器、参考电压、温度传感器和 4口输入多路复用器，在 0℃到 65℃的温度范围内，可确保为直接线性化测量实现不足 0.5 摄氏度的未校准误差，是理想的热电偶隔离温度变送器。使用K分度热电偶将黄铜材质的软化模块试样交叉点的温度转换为电压信号并经过滤波后，由ADS1118将其转换为数字量，经过SPI总线输入STM32F103进行处理[5]。电路如图3所示。

图3 温度数据采集电路

温度控制部分由STM32F103芯片根据当前温度及控制要求输出PWM信号，经过双RC积分及消除零点漂移后，控制交流调压模块对软化模块进行温度调节。积分电路如图4所示。

图4 积分电路原理图

在测试过程中，软化模块可稳定地保持在设定的温度。试样击穿或测试到设定的时间后，启动散热风扇对其进行降温。

2 软件设计

性能检测系统软件由下位机STM32F103嵌入式软件和上位机漆包线综合测试系统软件构成。下位机嵌入式软件完成各硬件电路的启动、温度数据采集、PWM产生及电机控制和人机交互等任务。上位机漆包线综合测试系统软件采用Visual C++2010平台设计，包括数据收发、存储、分析报表生成和打印等功能，可提高测试数据管理效率。

检测系统采用PID（比例-积分-微分）控制器通过可控硅控制250W加热丝，对软化模块加热。PID控制器结构简单、稳定性好、工作可靠及调整方便，是应用最广泛的工业控制器。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成[5]。本文PID控制器结构如图5所示。

图5 PID控制器框图

将公式(2)离散化后，得到在K时刻的输出:

在具体调节PID参数时，本文采用的方式为：先令KI=0、KD=0，即仅考虑KP比例参数的调节，如公式（4）所示。

调节控温周期TS及KP参数，观察温升曲线，得到一个接近目标温度的较稳定的KP参数，当软化模块的温度达到临界振荡时，测量其临界增益KC及振荡周期PC，然后据Ziegler-Nichols参数法计算KP、KI和KD三个参数的取值。计算公式如下：

3 测试结果及分析

本文设计的软化击穿性能检测系统经校准后，按照JB/T4279.8- 2008漆包绕组线试验仪器设备检定方法第8部分规定的软化击穿试验仪检验标准对测试系统的短路电流、灵敏度和温度等参数进行检定。启动设备，放下负荷压杆到位，用0.5级交流毫安表接于夹线装置两端，加载试样电压，测量检测系统短路电流参数。采用德力西TDGC2 2KVA单向接触式调压器调整检测电压，短路电流测试值均小于标准规定的50mA，如表1所示。

表1 短路电流测试

将30KΩ可调电阻器与0.5级交流毫安表串联，接于夹线装置两端，放下负荷压杆到位后，逐渐减小可调电阻器的阻值。检测系统的灵敏度参数。测试结果如表2所示。

表2 灵敏度测试结果表

在检测到漆包线漆膜击穿信号时，交流毫安表的示值范围为5mA±0.5mA，符合国标要求。

软化模块PID控温算法的检测采用FLUKE 52II温度表进行校对。在标准要求的100-430摄氏度实验温度范围内，软化模块温度控制稳定，控温精度可达±2℃。

测试结果表明，本文设计的性能检测软化击穿性能检测系统的短路电流小于50mA，当试样通过(5±1)mA电流时，可进行击穿认定，指示温度与试样交叉点实际温度之差小于2℃，符合JB/T4279.8- 2008标准要求。

4 结束语

本文设计的漆包线漆膜软化击穿性能检测系统采用热电偶测温，PID控温，实现了测试过程的自动控制，仪器操作简便、安全性好、灵敏度高、重复性能好以及测试结果准确，完全符合国标JB/T4279.8- 2008检验标准重复性和再现性的要求，可用于检测标称直径0.08mm至2.00mm漆包圆线的软化击穿性能。与传统软化击穿测试设备比较，实现了试验过程的自动化处理，提高了操作的便利性、安全性和测试结果的可靠性，具有较好的实用价值。

[1] GB/T4074.6-2008绕组线试验方法[S].北京:中国标准出版社,2008.

[2] 何宝祥,朱正伟. 基于匝间耐压测试的绕组品质评价与故障诊断[J].制造业自动化,2010,09:52-54.

[3] JB/T4279.8-2008漆包绕组线试验仪器设备检定方法[S],北京:中国标准出版社,2008.

[4] 王丽洁,徐德凯.基于STM32系列单片机的盘式液压制动器智能监测系统的研制[J].制造业自动化,2013,01:48-49,+58.

[5] 屈毅,宁铎,赖展翅,程琪,穆丽宁.温室温度控制系统的神经网络PID控制[J].农业工程学报,2011,02:307-311.