基于STM32交流接觸器觸頭彈跳跟蹤研究*

彭亞濤，馬乾勛，陳東強

（廈門理工學院，福建 廈門 361024）

引言

交流接觸器在投入運行后的穩(wěn)定性，特別是運動部件的性能對電器設(shè)備的正常運行尤為重要[1]，通常情況下交流接觸器在原塑外殼的保護下無法直接觀測觸頭的彈跳情況，為此本研究通過增加彈跳視窗設(shè)計從而實現(xiàn)可視化的交流接觸器外殼結(jié)構(gòu)。在保證機械性能和電氣性能可靠的情況下，通過杠桿原理放大交流接觸器吸合時觸頭的振動，然后利用傳感器和STM32處理變化的電壓，最后記錄數(shù)據(jù)。采用應(yīng)變片傳感器與振動傳感器測取觸頭彈跳的線性機械參數(shù)與測取電壓、電流等非線性間接參數(shù)研究相對比，更加的準確與直觀。

1 交流接觸器觸頭基本情況

交流接觸器屬于低壓電器中控制電器中的一種[1]，能夠?qū)崿F(xiàn)手動或自動開斷電器，主要用于不受位置限制的反復操作和控制[2]。在電器的開關(guān)過程中觸頭的彈跳能反映接觸器的的相關(guān)性能，觸頭的彈跳參數(shù)對其電氣性能有直接的影響。交流接觸器在合閘過程中動、靜觸頭會進行碰撞和彈跳，電磨損和機械磨損是觸頭最主要的損耗方式。為了防止損耗嚴重，一般選用導電性能好的材料和接觸電阻小的材料作為觸頭材料。靜觸頭閉合過程中因為碰撞而產(chǎn)生的觸頭彈跳會導致觸頭表面材料磨損及分合時產(chǎn)生的電弧高溫能使觸頭面上的合金材料熔化和噴濺，從而使得動、靜觸頭無法緊密貼合影響電壽命和機器壽命，甚至直接對其造成損壞[3]。本論文通過可視化的外殼采集到觸頭的彈跳過程，判斷接觸器的工作性能，通過電氣參數(shù)測量來判斷是否出現(xiàn)由于長時間使用的老化氧化、觸頭上有異物、燒弧造成的缺陷、運動部分有卡阻現(xiàn)象等一系列問題[4]。

2 實驗平臺的設(shè)計與搭建

2.1 實驗平臺

本文以最常見的上民CJX2-0910接觸器為研究對象，其額定電壓為380V/50Hz。利用前置的空氣開關(guān)實現(xiàn)380V電源的閉合與開斷，從而控制觸頭之間的吸合[5]。在彈跳測試中，同時通過串口觀測和屏幕顯示來觀測觸頭彈跳情況。屏幕實時顯示電壓值，而通過串口助手可以看到所有的變化值，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。實驗平臺如下圖1。

圖1 實驗平臺

2.2 特殊接觸器外殼的選取

使用CAD繪制同等比例的特殊接觸器外殼，通過3D打印和亞克力板切割的2種原材料制作特殊交流接觸器外殼，分別使用了純3D打印、亞克力板結(jié)合3D打印、原注塑外殼結(jié)合亞克力板這3種方案，優(yōu)缺點如表1。

表1 3種方案優(yōu)缺點對比

圖2 特殊接觸器外殼

2.3 振動傳感器原理及測試

在振動傳感器中，需要輸入5V的直流電壓，輸出的信號有LED指示?？蛇x擇TTL電平輸出或是模擬信號輸出。當有振動時，TTL輸出的信號為高電平，而模擬信號中輸出的電壓越高說明振動的幅度越大。振動傳感器的靈敏度可以通過電位器調(diào)節(jié)，低靈敏度時，需要手用力敲擊才有輸出；高靈敏度時，有輕微振動即有輸出。

2.4 應(yīng)變片彎曲傳感器原理及測試

應(yīng)變片是用于測量機械結(jié)構(gòu)變化的元件。通過應(yīng)變片的機械形變，轉(zhuǎn)化為電阻變化量，從而改變輸出電壓值。通過輸出電壓值的變化來判定應(yīng)變片的形變程度。常用的應(yīng)變片為電阻式應(yīng)變片。通常金屬絲原始電阻為

其中R為電阻，電阻率為ρ，長度為l，截面積為s。當金屬絲收到拉力后，長度、電阻率、電阻值的變化分別為△l、△ρ、△R。應(yīng)變片的效應(yīng)表達式為

其中k0為金屬絲的靈敏系數(shù)，ε為金屬絲的軸向應(yīng)變。應(yīng)變片的電阻變化很微小，必須有放大電路檢測其微小的變化。將應(yīng)變片緊密貼合在彈跳放大杠桿上，選擇應(yīng)變片電阻的變化能對電路起到控制作用的電路，如惠斯通電橋。此電橋由4個電阻組成電橋，當其中一個電阻發(fā)生變化后，電壓會輸出不平衡電壓，然后對此電壓進行適當?shù)姆糯筇幚?，就可測出接觸器的彈跳量。在傳感器的選取上，若靈敏度的選取過小，則獲取不到彈跳信息；若靈敏度過大則，則獲取的彈跳信息會雜亂，包含許多干擾信息。在進行多次預實驗后，選取波形清晰的靈敏度。

2.5 STM32設(shè)計

STM32具有完善的底層函數(shù)庫，可以使用相關(guān)函數(shù)非常方便地調(diào)用所需功能。通用異步收發(fā)器UART，用于串口通信；模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，可以將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。通過開發(fā)板外接傳感器模塊，傳感器的電壓變化通過I/O口輸入后處理。

圖3 數(shù)據(jù)處理序流程圖

STM32開發(fā)板和傳感器的配合，可以初步實現(xiàn)對外部振動的物件進行模擬值電壓采集，再將采集的值換算成實際電壓，并通過串口保存電壓變化的數(shù)據(jù)?？蓪崿F(xiàn)振動傳感器和應(yīng)變片傳感器對不同程度振動測試的靈敏性的對比，用LCD顯示屏的顯示電壓持續(xù)的變化值，為后續(xù)的采集和分析數(shù)據(jù)提供參考。

2.6 彈跳測試臺搭建

交流接觸器觸頭彈跳十分微小，肉眼看不出來[6]。為了得到準確的數(shù)據(jù)，需要對彈跳進行放大。以3維建模設(shè)計杠桿臂，用PLA材料打印出杠桿模型。

選擇長臂端為傳感器接收力端，而短臂端與接觸器觸頭彈跳嵌入，與觸頭同時振動。考慮到實用性，設(shè)計了兩種臂長度都為150 mm杠桿，直徑為10 mm的旋轉(zhuǎn)軸，短臂與長臂比例為1∶2，為了配合觸頭和小窗測試，長、短臂的厚度為1.5 mm，寬度為5 mm。支架的高度為150 mm，每隔20 mm設(shè)置5個圓孔，使得高度可調(diào)。如圖4。打印出來后發(fā)現(xiàn)比例為1∶4的杠桿由于短臂過于短，彈跳時容易發(fā)生脫離觸頭，最后選用1∶2的杠桿。

圖4 彈跳測試臺模型及三視圖

3 上電測試與結(jié)果分析

3.1 接觸器上電開關(guān)測試

通過振動傳感器對上民CJX2-0910接觸器上電進行測試，在不改變靈敏度的情況下進行5次測試。經(jīng)過排除偏差最大的一條線后得到實際電壓折線圖如圖5-1。由圖可得知在正常的接觸器中，原始傳感器輸出電壓為0.59 V左右，觸頭閉合時，電壓在0.58～0.66 V之間；觸頭斷開時，電壓在0.56～0.78 V之間。

圖5-1 振動傳感器上電測試觸頭彈跳

通過應(yīng)變片傳感器對上民CJX2-0910接觸器上電進行測試。進行測試5組，選其中最為靠近的4組。得到實際電壓折線圖，如圖5-2。由于在應(yīng)變片傳感器中，杠桿粘合應(yīng)變片之中而始終無法完美貼合，整條曲線會往下平移，但并不影響電壓變化的觀測。由圖可知在正常的接觸器中，原始傳感器輸出電壓為0.23 ～0.28 V左右；觸頭閉合時，振幅在0.025～0.047 V之間；觸頭斷開時，振幅0.04～0.06 V之間。

圖5-2 應(yīng)變片傳感器上電測試

觸頭彈跳分析：對上民CJX2-0910型號的接觸器動觸頭的彈跳進行上電測試，通過多次測試可得知正常的交流接觸器吸合和斷開的時，接觸器彈跳都是在一定范圍內(nèi)，后續(xù)采用此數(shù)據(jù)作為標準。當上電測試后，應(yīng)變片傳感器的靈敏度比振動傳感器更大，而振動傳感器波形類比彈跳效果好。后續(xù)使用2種傳感器進行測試，振動傳感器觀測觸頭彈跳的波形，而應(yīng)變片傳感器觀測彈跳的頻率。

3.2 接觸器上電開關(guān)變量測試

3.2.1 接觸器觸頭彈簧

為了減少動、靜觸頭之間的電弧燒蝕斷電后彈簧使觸點迅速分斷，其高度固定，因此彈性形變也是固定的。通過壓縮彈簧的長度來改變在線圈斷電后使動觸頭復位動作，分別用振動傳感器和應(yīng)變片傳感器對接觸器內(nèi)經(jīng)過改變的彈簧長度進行測試。在不改變靈敏度的情況下測試5次，排除偏差最大的一條線后得到實際電壓折線圖，選取合適的4次測試數(shù)據(jù)如圖6-1、圖6-2。

圖6-1 振動傳感器上電測試（壓縮彈簧長度）

圖6-2 應(yīng)變片傳感器上電測試（壓縮彈簧長度）

從圖6-1可得知在彈簧縮短的接觸器中，原始傳感器輸出電壓為0.59 V左右，觸頭閉合時，電壓區(qū)間在0.58～0.63 V；觸頭斷開時，電壓區(qū)間在0.58～0.78 V之間。從圖6-2可得知在縮短彈簧的接觸器中，觸頭閉合時，振幅在0.028～0.035 V之間；觸頭斷開時，振幅在0.025～0.046 V之間。

分析：通過對接觸器長度改變后，從折線圖分析得到，振動傳感器測出的電壓變化區(qū)間變小，應(yīng)變片傳感器測出的幅度也比正常的小很多。彈簧力公式：

K為剛度系數(shù)，F(xiàn)0為預壓力。

由于剛度系數(shù)對彈簧力的貢獻主要由彈簧變形來實現(xiàn)，彈簧的變形由動觸頭回彈產(chǎn)生，回彈的高度不大因此彈簧力變化??；預壓力直接對彈簧力起主要作用[7]。彈簧壓縮時，由于彈簧力的增大，使在觸頭與接觸碰撞時產(chǎn)生彈跳幅度減小。

3.2.2 橡膠襯墊片

交流接觸器的襯墊片主要起緩沖作用，減少接觸器的振動與彈跳。而在直動式接觸器，改變接觸器襯墊片厚度可改變鐵芯的行程，從而改變觸頭的超程。當超程過長或者過短時，觸頭不能可靠接觸?？赏ㄟ^改變橡膠襯墊片的厚度，來改變接觸器的穩(wěn)定性與接觸超程，從而測試的電壓范圍也會發(fā)生變化。分別用振動傳感器和應(yīng)變片傳感器對接觸器內(nèi)變薄的橡膠村墊片的厚度進行測試。測試5次，排除偏差最大的一條線后得到實際電壓折線，選取合適的4次測試數(shù)據(jù)如圖7-1、圖7-2。

圖7-1 振動傳感器上電測試（改變襯墊片厚度）

圖7-2 應(yīng)變片傳感器上電測試（改變襯墊片厚度）

從圖7-1可得知在橡膠墊片過于薄的接觸器中，振動傳感器原始傳感器輸出電壓為0.59 V左右，觸頭閉合時，電壓區(qū)間在0.596～0.618 V之間；觸頭斷開時，電壓區(qū)間在0.597～0.783 V之間。用應(yīng)變片傳感器測試得到實際電壓折線圖7-2可得知在橡膠墊片過薄接觸器中，觸頭閉合時，振幅在0.016～0.06 V之間；觸頭斷開時，振幅在0.012～0.05 V之間。

分析：橡膠墊片厚度改變后，從折線圖分析可得知振動傳感器測出的電壓變化區(qū)間變小，電壓下限上移，區(qū)間數(shù)值整體往高偏移；應(yīng)變片傳感器測出的幅度也比正常的大很多，閉合時觸頭振動程度比斷開時的振動程度更大。在直動式接觸器中，襯墊片會影響觸頭超程使觸頭無法可靠吸合、使觸頭振動加劇，且橡膠墊片厚度變薄時，襯墊片無法起到充分的緩沖作用而使接觸器整體產(chǎn)生較大振動。

3.2.3 欠壓

在額定電壓為380 V的交流接觸器中，當電壓不足380 V時，最低可靠吸合電壓約為額定電壓的75%。在沒有欠壓脫扣器的情況下，無法檢測到是否是欠壓。下面就欠壓情況下開合閘和欠壓情況下開合閘臨界點250 V進行實驗，每組實驗做6次，去除離群數(shù)據(jù)后選取合適的5次數(shù)據(jù)。

如圖8-1可得知在250 V電壓運行下，原始傳感器輸出電壓為0.59 V左右，觸頭閉合時，電壓區(qū)間在0.566～0.635V之間；觸頭斷開時，電壓區(qū)間在0.569～0.776V之間。可得知在250 V電壓運行下，原始傳感器輸出電壓為0.59 V左右，觸頭閉合時，電壓區(qū)間在0.566～0.635 V之間；觸頭斷開時，電壓區(qū)間在0.569～0.776 V之間。用應(yīng)變片傳感器測試得到實際電壓折線圖8-2，可得知在250 V電壓下運行，觸頭閉合時振幅在0.014～0.046 V之間；觸頭斷開時振幅在0.012～0.038 V之間。

圖8-1 振動傳感器上電開合閘（欠壓）

圖8-2 應(yīng)變片傳感器上電開合閘（欠壓）

分析：從振動傳感器和應(yīng)變片傳感器測試得到的數(shù)據(jù)可知，在欠壓狀態(tài)下無論觸頭是在斷開還是閉合的狀態(tài)下，整條曲線都有明顯的振動，且在斷開的瞬間尤其明顯。接觸器的吸力-反力特性是影響觸頭閉合的重要參數(shù)，由電磁吸力與接觸壓力關(guān)系:

Fi電磁力，F(xiàn)k反力彈簧斥力，mg為運動部件所受重力。

在250 V臨界欠壓條件下，線圈的電流值減小，電磁吸力F_i減小。在反力特性的作用下無法使觸頭可靠閉合，故在臨界點產(chǎn)生反復的振動。當曲線全程都不平整而是呈現(xiàn)振動的狀態(tài)時，說明已經(jīng)出現(xiàn)了電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象。若使用電壓、電流檢測單元，在電壓短時波動時，瞬時值低于設(shè)定的電壓則會使脫扣器立即動作。而用此機械檢測單元在電壓短時低于欠電壓，由于機械動能是緩慢消減，瞬時不穩(wěn)定電壓對于整體檢測并不會產(chǎn)生過大影響。

4 總結(jié)

試驗使用的原塑外殼結(jié)合可視化亞克力板，并不影響接觸器的整體結(jié)構(gòu)，不會對其性能產(chǎn)生影響。在改變接觸器內(nèi)部條件的情況下與原始彈跳波形對比能夠以明顯的波形變化來反映出接觸器內(nèi)部參數(shù)的變化。實驗結(jié)果表明在不同的參數(shù)影響下，觸頭的彈跳變化范圍有所不同，可根據(jù)此接觸器外殼模塊試驗每一款CJ型號的接觸器彈跳數(shù)值是否正常，驗證設(shè)計的實用性。

⑴ 壓縮了接觸器內(nèi)部的觸頭彈簧，提升了彈簧的初壓力，減小接觸頭在碰撞時產(chǎn)生的彈跳。與原始彈跳波形相比波動幅值減小許多。

⑵ 改變了接觸器內(nèi)部的橡膠襯墊后，使觸頭的超程參數(shù)改變，觸頭不能得到正常的閉合，產(chǎn)生的振動比正常情況更加頻繁。且接觸器內(nèi)部動作無法得到充分緩沖，使整體的振動加劇。通過應(yīng)變片傳感器測試會得到的數(shù)據(jù)較為明顯，吸合與斷開時的觸頭彈跳明顯變強，整條曲線的波動明顯變大。

⑶ 當在降壓供電的情況下，無論接觸器是否動作，觸頭始終都有振動，而動作時相比正常情況下，振動傳感器測出電壓的上限降低；應(yīng)變片傳感器測出，電壓變化范圍增大。當接觸器吸合時，電壓過低導致無法提供足夠的電磁吸力，在反力作用下觸頭處于斷開的臨界點，此時振動十分頻繁且明顯?？傻卯斍€發(fā)生持續(xù)振動頻繁時，欠壓為其中的原因。且機械檢測單元在電壓短時波動時，基本不受影響更具有準確性。

本設(shè)計還存在一些可以改進的地方，例如：選用更加輕薄的杠桿彈性材料，減少杠桿對彈跳的影響；選用其他類型傳感器如壓電薄膜傳感器等進行波形對比分析；采用ADAMS仿真彈跳波形對比分析數(shù)據(jù)誤差。