导电环动态接触电阻采集系统设计

2021-11-29温星曦徐圣法徐春鹏郭佳鑫

仪表技术与传感器 2021年11期

温星曦，徐圣法，徐春鹏，崔凯，郭佳鑫

(北京东方计量测试研究所，北京 100094)

0 引言

导电滑环是保证相对转动的2个部件可靠稳定工作的关键设备。目前，在航天航空、航海、新能源、电力电子等行业，都是运用导电滑环将电信号或功率信号由固定端向旋转端传输，进行信号交换与功率传输。它们之间相对转动工作的动态接触电阻是保证系统可靠连接、稳定工作的重要参数之一[1]。

因此，在导电滑环设计过程中，要对其动态接触电阻进行全面可靠测试，目前有以下方法：

(1)手动法：将被测对象的接触点通过转接电缆连接至转接盒，驱动机构以一定转速转动，使用万用表对转动过程中的接触电阻值进行测量，在转动过程中万用表采集接触电阻的最大值和最小值。该方法效率低，多个通道同时测量需要多台设备，测试成本较高。

(2)半集成法：由通道切换矩阵与微欧计组成，用低接触电阻继电器组成的开关矩阵进行通道自动切换测试，但该方法无法实现多通道并行测试，与实际使用工况不符。

(3)数字采集卡：采用数字采集卡加外部电机驱动装置进行测试，该方法虽然实时性较好，但需要额外的外部电机控制设备，系统较复杂，自动化程度一般。

本文针对该问题，提出了基于CPCI总线的一体化、高度集成的接触电阻采集方案：以FPGA作为主控芯片，集成设计电阻采集模块和电机驱动模块，实现驱动电机转动的同时，回采导电滑环的接触电阻，最终将采集的电阻值实时发送给上位机，并以图表形式显示测试结果。以此实现导电滑环多通道接触电阻的自动化测试。

1 系统总体设计

系统按功能可划分为恒流源模块、采集测量模块、电机驱动模块、控制模块、供电转换模块，具体实现方案如图1所示。

图1 系统原理图

恒流源模块主要用来提供测量激励信号，由于被测对象为mΩ级的接触电阻，引线电阻不可忽略，所以本次测试采用四线方法进行测试[2]。四线法主要特点是测量电阻的激励电流和电压测试线路不在一个回路中，可以有效避免测试线路的线阻，是目前测量小电阻常用的方法[3-5]；采集测量模块主要实现I-V转换之后的电压采集功能，采用24 bit高精度A/D转换芯片对多路电压信号并行采集，并以高速并口的形式将数据送给FPGA；电机驱动模块主要用来实现对被测对象中电机部分的驱动，可以实现正反转、细分数、驱动电流、转速设置等功能；控制模块主要实现对上位机指令的解析以及对外围电路的控制，同时实现高速数据传输等功能；供电转换模块主要实现将背板输入的5 V、12 V等电压转换为系统工作所需的电压。

工作过程如下：用户根据测试对象的通道数量选择相关板卡，通过转接电缆与被测对象连接。然后配置电阻测量范围、电机转速、电机驱动电流、采样率等参数，下位机接收到指令后，根据电阻范围调节DA输出的电压值，控制恒流源大小，控制信号调理部分的放大倍数，之后根据采样频率设置指令以及转速指令进行初始化。系统工作后，与电阻相关的电压信号由A/D模块转换成数字信号并传输给FPGA，FPGA 对采样量化后的数据进行编帧处理后存入写FIFO中，待写FIFO半满标志有效，将数据传输至总线，等待上位机进行读取，最后由上位机软件对数据进行处理和显示。

2 硬件设计

2.1 恒流源模块设计

正常情况下，滑环的动态接触电阻很小，在几十mΩ至几百mΩ之间，所以对作为测试激励的恒流源的稳定性、精度有较高的要求，本次设计采用跨导放大器式V/I转换电路实现恒流源，采用误差放大器对输入差分电压和采样电阻反馈电压进行放大[6]，在较宽的输出量程下，有效控制输出线性度，提高系统输出指标，为被测回路提供高稳定度的基准激励信号。同时采用Buffer缓冲器实现电流放大，精简电路，使得单个电路实现所有需要的量值，减少了量程切换继电器级数，有利于减小热电势对输出精度的影响；相比于多级OC门电路，Buffer缓冲器工作稳定，静态工作电流小，可以大幅降低电路功耗，提高电路稳定性。同时由于内部压降的减小，增加了输出电流顺从电压，即直流带载能力，具体原理如图2所示。

图2 恒流源原理框图

图2中RS大小为20 Ω，Vin来源于AD5664高精度16位DA芯片,根据实际需要测试电阻量程的大小进而输出不同的参考电压，本次设计要求测量范围为10 mΩ～100 Ω，恒流源设置100 mA和20 mA两档，根据计算Vin分别对应为2 V和0.4 V。为了保证测试电流处于安全范围内，在测试回路中串联120 mA保险丝。同时为了保证测量精度与稳定性，恒流源电路中关键元器件[7]，如采样电阻、比例电阻选择高精度、低温漂电阻，误差放大器选用低漂移、低噪声运放。

2.2 采集测量电路设计

由于被测电阻很小，最小为10 mΩ，即便在100 mA测试电流条件下，电压仅为1 mV，所以必须设计比例放大电路，选用AD8253程控仪表放大器，放大被测电阻的电压信号，电路如图3所示。AD8253可编程增益仪表放大器，具有1、10、100、1 000四档位放大倍数，10 MHz宽带宽、低总谐波失真(THD)，具有较好的共模抑制能力，同时也具有精密直流性能与高速能力结合的特点，非常适合于数据采集应用。根据实际测试需求，测试分为以下挡位，如表1所示。

图3 信号调理电路

表1 测试挡位分配

另外被测导电环环数一般较多，有时多达上百路，所以每块采集板设计了16路同步采集的工作方式。设计中选取2片ADS1278进行高精度采集，ADS1278(八通道)是一款 24 位、三角积分 (Δ∑) 模数转换器，其数据速率高达128 kSPS。A/D采集的数据通过CPCI协议实时传输给上位机进行解析。几百mV的电压值，用该模数转换器进行采集，是比较容易保证采集精度的。同时设计完成后，采用标准电阻箱对电阻采集精度进行拟合校准，进一步减少恒流源、ADC非线性等引入的误差。另外本方案中，测试电缆采用屏蔽双绞形式，减少外界电信号对采集结果的影响，保证采集精度。

因为采集通道较多，单通道采样率达100 kHz，FPGA内部FIFO资源有限，对于长时间[8]、实时采集的数据无法保证数据存储的可靠性,故在该系统中先将数据存储至缓存SDRAM中，待系统收到有效的读数据信号，再将数据读取至FIFO中进行DMA传输。这里选取HY57V561620HT型号的SDRAM作为缓存，FPGA与SDRAM的连接电路如图4所示。

图4 FPGA与SDRAM的连接电路

2.3 电机驱动模块设计

电机驱动模块主要包含了两相双四拍、四相双四拍驱动线路，用来实现对步进电机的驱动控制功能。可根据用户设置的电机转速、转向和电机工作电流，输出相应的恒流脉冲信号，电机驱动模块电路图如图5所示。

图5 电机驱动模块原理图

用户设置的电机转速与控制模块产生的脉冲信号频率之间的关系为：电机转速除以电机步矩角得脉冲信号频率，控制模块控制电机转速时，发送3.3 V的F_CP信号经过磁耦隔离转换为5 V的G_CP信号，达到电机驱动芯片脉冲的输入端，驱动芯片将脉冲信号转化为频率相同的双极性PWM信号，此信号为功率信号，电流大小由驱动芯片的基准电压和基准电阻共同决定，电流大小以5 mA为步进，实现从0到1.8 A可调；用户可以通过上位机设置PWM信号输出的电流大小，控制模块接收到上位机的指令后，生成F_DL信号控制DAC产生相应的模拟电压，作为驱动芯片的基准电压，结合驱动芯片外部的基准电阻，达到控制驱动芯片的输出电流，在驱动芯片输出过流时，会反馈到控制模块，并同时令驱动芯片停止输出。

设计中，电机驱动模块中的驱动芯片选用LV8729V，它采用内部斩波频率对脉冲信号进行正余弦切分，实现正余弦细分驱动的效果。该芯片的正常工作温度为-30～85 ℃，并且芯片内部包含过流保护电路、过热保护电路，在输出电流超过预设的电流值时，能自动限制甚至停止芯片对外输出信号，提高了驱动模块的可靠性。

2.4 控制模块电路设计

控制模块采用PCI芯片按照一定协议接收上位机发送的命令，并对其进行解析后，输入FPGA中，同时可将FPGA需要反馈到上位机的信号进行译码，生成上位机识别的数据信号；FPGA作为主控芯片，实现对电阻采集模块的激励电流大小设置、高速ADC控制、数据缓存等控制功能，同时对电机驱动模块的细分比、输出电流大小等操作进行控制，采用I/O接口对驱动模块的过流、过热信号进行检测，控制模块原理框图如图6所示。

图6 控制模块原理框图

选用接口芯片实现CPCI总线协议，以减少开发周期。具体为PCI9054-AC50PIF，支持33 MHz时钟频率以及32位数据传输，且PCI总线端与上位机总线端之间的数据传送速率可达到133 MB/s，满足用户对电机驱动模块的实时控制；根据实际需要的资源，选用EP4CE30F23C8N作为主控芯片，该芯片内部有28 848个逻辑单元，片上594 kb存储资源，用户可用I/O数量为328，内核供电1.15～1.25 V，I/O电平为3.3 V，正常工作温度为0～85 ℃，完全满足控制要求。