關(guān)鍵詞 比例閥；檢測；多功能程控電源；性能檢測

1、引言

目前國內(nèi)使用的燃?xì)獗壤y種類有：動(dòng)永磁式燃?xì)獗壤y、動(dòng)線圈式燃?xì)獗壤y、動(dòng)鐵芯式燃?xì)獗壤y等，不同種類的比例閥對電源類型的適應(yīng)性也不相同[1]。為了適應(yīng)不同類型的比例閥測試，我們專門設(shè)計(jì)了適應(yīng)多種波形輸出的程控電源。該測試系統(tǒng)可以對各種類型的比例閥進(jìn)行穩(wěn)壓特性測試、比例特性測試。其中，穩(wěn)壓特性測試可以進(jìn)行多個(gè)穩(wěn)壓點(diǎn)測試，每個(gè)穩(wěn)壓點(diǎn)可以采用定電流模式或者找電流模式；比例特性測試，可以在進(jìn)行回差測試的同時(shí)檢測二次壓，為找電流測試的穩(wěn)壓特性測試做準(zhǔn)備。雙工位交替的工作方式以及靈活的配置參數(shù)，讓該系統(tǒng)運(yùn)行效率更高，能夠更好地適應(yīng)生產(chǎn)、品保、研發(fā)等不同崗位的多方面需求。

2、測試系統(tǒng)需求

通過和多個(gè)燃?xì)獗壤y生產(chǎn)廠家溝通，獲取客戶在實(shí)際生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、研發(fā)過程中的需求，進(jìn)行系統(tǒng)的整理、分析。系統(tǒng)將燃?xì)獗壤y性能測試劃分成兩個(gè)主要的部分：比例性能測試和穩(wěn)壓特性測試。

為了滿足生產(chǎn)、品保、研發(fā)等不同需求的應(yīng)用，我們將比例特性測試和穩(wěn)壓特性測試中的各參數(shù)進(jìn)行細(xì)分。將兩個(gè)測試大項(xiàng)，細(xì)分成可選測試的小項(xiàng)目，不同的應(yīng)用場景下，用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行選擇和設(shè)置。雙工位交替執(zhí)行、單工位循環(huán)執(zhí)行，兩種執(zhí)行方式可選既可以滿足生產(chǎn)節(jié)奏的需求，也可以滿足品保、研發(fā)對數(shù)據(jù)分析的需要。

3、測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件組成主要包括，程控電源、傳感器、執(zhí)行器件、PLC智能控制單元以及工控機(jī)。

在各項(xiàng)試驗(yàn)中以工控機(jī)為核心，同時(shí)和PLC控制單元、程控電源進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；PLC采集端，采集各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)并通過串行通訊將數(shù)據(jù)發(fā)送至工控機(jī)；PLC控制端，工控機(jī)發(fā)出控制命令，PLC通過協(xié)議解析控制信號，并對相應(yīng)的執(zhí)行器件實(shí)行有效的控制，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能；電源采集端，程控電源通過串行通訊將電源目前的測試值及狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋至工控機(jī)；電源控制端，工控機(jī)根據(jù)當(dāng)前各傳感器狀態(tài)及測試需求向程控電源發(fā)送控制命令，電源通過協(xié)議解析控制信號，執(zhí)行相應(yīng)功能。

4、測試系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

4.1 電源設(shè)計(jì)概述

主機(jī)為恒流式電流源，相對于普通恒流源有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）恒流精度高；

2）除了輸出直流外還輸出方波、正弦波疊加、全波等；

3）本機(jī)彩色觸摸屏控制；

4）可以通過串口，連接工控機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)測試；

5）體積小，重量輕，現(xiàn)場檢測。

本機(jī)分為主控部分、波形產(chǎn)生部分、恒流控制部分、通訊接口、人面界面和保護(hù)等幾個(gè)部分。

4.2 主控部分

主控部分主要采用ST公司的STM32F103系列的芯片。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，相當(dāng)于0.5mA/MHz。和8/16位設(shè)備相比，ARM Cortex-M3 32位RISC處理器提供了更高的代碼效率。STM32F103xx微控制器帶有一個(gè)嵌入式的ARM核，可以兼容所有的ARM工具和軟件，是32位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。

4.3 波形產(chǎn)生部分

采用高速16位AD，根據(jù)要求產(chǎn)生各種波形的基波，并經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行精密放大，以達(dá)到推動(dòng)后級恒流源的要求。其與主控芯片之間采用FPGA芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和連接，并采用高速磁隔離電路進(jìn)行電氣隔離，以保證設(shè)備安全和準(zhǔn)確度。

4.4 恒流控制部分

本機(jī)采用PWM專用芯片TL494制作開關(guān)型恒流電源。TL494包含了開關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于橋式單端正激雙管式，半、全橋式開關(guān)電源。TL494是一個(gè)固定頻率的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)置了線性鋸齒波振蕩器，其振蕩頻率可以通過外部的一個(gè)電阻和一個(gè)電容進(jìn)行調(diào)節(jié)。

輸出電容的脈沖其實(shí)是通過電容上的正極性鋸齒波電壓與另外兩個(gè)控制信號進(jìn)行比較來實(shí)現(xiàn)。功率輸出管Q1和Q2受控于或非門。當(dāng)雙穩(wěn)觸壓器的時(shí)鐘信號為低電平時(shí)才會(huì)被通過，即只有在鋸齒波電壓大于控制信號期間才會(huì)被選通。當(dāng)控制信號增大，輸出脈沖的寬度將減小。

控制信號由集成電路外部輸入，一路送至死區(qū)時(shí)間比較器，再一路送往誤差放大器的輸入端。死區(qū)時(shí)間比較器具有120mV的輸入補(bǔ)償電壓，它限制了最小輸出死區(qū)時(shí)間，約等于鋸齒波周期的4%，當(dāng)輸出端接地的時(shí)候，其最大輸出占空比為96%，而當(dāng)輸出端接參考電平的時(shí)候，占空比為48%。當(dāng)把死區(qū)時(shí)間控制輸入端接上固定的電壓，即能在輸出脈沖上產(chǎn)生附加的死區(qū)時(shí)間。

脈沖寬度調(diào)制比較器為誤差放大器調(diào)節(jié)輸出脈寬提供了一個(gè)手段：當(dāng)反饋電壓從0.5V變化到3.5V時(shí)，輸出的脈沖寬度從被死區(qū)確定的最大導(dǎo)通百分比時(shí)間中下降為零。

兩個(gè)誤差放大器具有從vcc-0.3V到vcc-2.0V的共模輸入范圍，這可能從電源的輸出電壓和電流中察覺的到。誤差放大器的輸出端常處于高電平，它與脈沖寬度調(diào)制器的反相輸入端進(jìn)行“或”運(yùn)算，正是由于這種電路結(jié)構(gòu)，放大器只需要最小的輸出即能夠支配控制電路。

幾個(gè)繼電器是用于切換電流檔位的，運(yùn)算放大器是對電流反饋進(jìn)行放大并和輸入的基波信號進(jìn)行差動(dòng)，然后輸入到TL494的反饋端，從而保證本機(jī)輸出電流不隨負(fù)載變化而變化。TL494產(chǎn)生PWM信號，通過驅(qū)動(dòng)變壓器，驅(qū)動(dòng)MOS管對電流進(jìn)行通斷控制，從而達(dá)到控制電流的目的。

4.5 通訊接口

本機(jī)有時(shí)需外接工控機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)測量，所以本機(jī)留有RS485接口用于通訊?？紤]到通訊可靠和操作員的安全，本機(jī)通訊接口采用了光電隔離。通訊模塊電路布置如圖2。

4.6 人機(jī)界面

本機(jī)采用五寸彩色觸摸屏進(jìn)行人機(jī)對話。該觸摸屏基于ASIC的HMI平臺(tái)架構(gòu)，歷經(jīng)十余年工業(yè)應(yīng)用考驗(yàn)，質(zhì)量可靠；無操作系統(tǒng)，上電即運(yùn)行，無系統(tǒng)冗余，運(yùn)行速度始終如一；分辨率高，達(dá)到800ppi×480ppi；采用電阻式觸摸，在惡劣的工業(yè)環(huán)境下也能穩(wěn)定使用，不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作。

4.7 系統(tǒng)保護(hù)

系統(tǒng)保護(hù)有過流保護(hù)，過載保護(hù)，過熱保護(hù)等。

5、測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 平臺(tái)概述

該測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是在Windows系統(tǒng)環(huán)境下開發(fā)的，使用了大量的Windows開放接口，并和虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了豐富的功能，增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)。它以ANSIC為核心，將功能強(qiáng)大、使用靈活的C語言平臺(tái)與用于數(shù)據(jù)采集、分析和測控專業(yè)工具有機(jī)結(jié)合起來。它的集成化開發(fā)平臺(tái)、交互式編程方法、豐富的功能面板和庫函數(shù)大大增加了C語言的功能，為熟悉C語言的開發(fā)人員建立檢測系統(tǒng)、自動(dòng)測量環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)視系統(tǒng)提供了一個(gè)理想的軟件開發(fā)環(huán)境。

5.2 概要設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)根據(jù)用戶需求，按功能劃分測試模塊，按功能模塊分段設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。主要功能點(diǎn)包括比例特性測試功能、穩(wěn)壓特性測試功能、雙工位交替功能、產(chǎn)品信息管理功能、設(shè)備校準(zhǔn)功能。各功能細(xì)述如下：

1）系統(tǒng)背景通訊及數(shù)據(jù)交互功能：實(shí)現(xiàn)PLC、工控機(jī)、程控電源間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，數(shù)據(jù)資源在工控機(jī)集合、計(jì)算、顯示；

2）雙工位交替功能：系統(tǒng)根據(jù)選擇旋鈕的檔位，確定當(dāng)前系統(tǒng)的工作模式，并在此模式的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的比例特性測試和穩(wěn)壓特性測試。模式分為：單獨(dú)左工位、單獨(dú)右工位、左右工位交替。

3）產(chǎn)品信息管理功能：將產(chǎn)品各項(xiàng)參數(shù)輸入到參數(shù)設(shè)置界面中予以保存，可以通過新建產(chǎn)品庫的形式，保存多組產(chǎn)品的數(shù)據(jù)。在以后的測試過程中直接進(jìn)行產(chǎn)品名稱選擇即可調(diào)用設(shè)定好的參數(shù)。

4）設(shè)備校準(zhǔn)功能：該功能用于對設(shè)備中的傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和修正。

5）比例特性測試功能：用于測試燃?xì)獗壤y的比例特性，同時(shí)為穩(wěn)壓特性找電流模式做準(zhǔn)備。

6）穩(wěn)壓特性測試功能：用于測試燃?xì)獗壤y的穩(wěn)壓性能。

5.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

1）背景通訊及數(shù)據(jù)交互功能

通過開辟獨(dú)立線程，在主進(jìn)程外，實(shí)現(xiàn)固定時(shí)鐘頻率的數(shù)據(jù)刷新，同時(shí)建立工控機(jī)和PLC之間的通訊，從而獲取PLC采集的各項(xiàng)參數(shù)，以及向PLC發(fā)送執(zhí)行指令。建立工控機(jī)和程控電源之間的通訊，從而獲取電源的實(shí)時(shí)狀態(tài)和測試值，以及向程控電源發(fā)送指令，執(zhí)行相應(yīng)命令。

進(jìn)程和單獨(dú)子線程之間執(zhí)行獨(dú)立數(shù)據(jù)共享。

2）雙工位交替功能

雙工位功能主要用于不同應(yīng)用場景的切換。在品?；蜓邪l(fā)部門使用時(shí)，基本以單工位循環(huán)執(zhí)行為主，且以數(shù)據(jù)分析和曲線分析為主要目的。

因此在這種情況下，通常會(huì)通過工位旋鈕鎖定在左工位或右工位單獨(dú)執(zhí)行。在生產(chǎn)線上，用于批量檢測時(shí)，更多的是講究效率。因此將工位旋鈕鎖定在雙工位運(yùn)行檔，當(dāng)一個(gè)工位在檢測時(shí)，另一個(gè)工位進(jìn)行工件安裝，能有效地縮短連續(xù)、批量檢測的時(shí)間，大大提高檢測效率。

在需要檢測兩種不同的閥時(shí)，可以兩個(gè)工位同時(shí)放上不同比例閥需要使用的夾具，這樣通過工位旋鈕的選擇，就可以直接選擇要檢測的類型、夾具等，也能提高日常使用中的效率。

3）產(chǎn)品管理功能

在架構(gòu)上使用產(chǎn)品庫管理方式。通過將所有參數(shù)分組保存，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品類型區(qū)分，當(dāng)參數(shù)設(shè)置完成后，保存為當(dāng)前的類型參數(shù)。當(dāng)產(chǎn)品更換時(shí)，無需修改或重復(fù)輸入?yún)?shù)，直接選擇調(diào)用產(chǎn)品庫中的數(shù)據(jù)即可。

4）設(shè)備校準(zhǔn)功能

設(shè)備在使用了一段時(shí)間后，必然會(huì)出現(xiàn)傳感器的反饋值和實(shí)際值之間的偏差。因此在設(shè)備中，尤其對于燃?xì)獗壤y這種對精度要求很高的器件檢測，更需要保證反饋值的準(zhǔn)確性。

因此開發(fā)了針對線性和偏移的校準(zhǔn)功能，該功能能夠?qū)Ξ?dāng)前燃?xì)獗壤y檢測設(shè)備上所有的傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和修正，如圖3所示。

5）比例特性測試

根據(jù)用戶對比例特性檢測的需求，我們設(shè)計(jì)了比例特性測試相關(guān)的功能。借參數(shù)來說明設(shè)計(jì)流程，如圖4所示。

比例特性測試，在P1一次壓穩(wěn)定條件下，電流根據(jù)調(diào)節(jié)周期、調(diào)節(jié)步長參數(shù)先上升再下降，再上升。

在首次上升下降之間，于Imin+(Imax-Imin)×C處，取得產(chǎn)品的磁滯參數(shù)，與設(shè)定值比對判定是否合格。小于設(shè)定磁滯H值則合格，大于磁滯回差則不合格。

在二次上升時(shí)，電流上升至點(diǎn)火電流Q11處，同時(shí)測出此時(shí)點(diǎn)火回差二次壓的值，并與設(shè)定值做比對判定是否合格。小于設(shè)定值合格，反之不合格。

電源波形選擇：包括純直流、直流疊加交流、全波整流、直流脈沖。以此發(fā)送給程控電源信號，輸出不同的波形。

不合格后是否繼續(xù)測試：因?yàn)椴煌脩舻男枨蟛煌?，有些用戶要求檢測不合格后，直接結(jié)束測試，而部分客戶需要在檢測不合格后繼續(xù)測試剩下的項(xiàng)目而不結(jié)束測試，因此在這里設(shè)計(jì)一個(gè)選擇項(xiàng)，供不同用戶選擇。選擇“是”，則在檢測到不合格后，會(huì)繼續(xù)檢測剩下的檢測項(xiàng)目；選擇“否”，則在檢測到不合格后，報(bào)警并結(jié)束測試。

6）穩(wěn)壓特性測試

穩(wěn)壓特性測試主要目的是測試燃?xì)獗壤y在固定電流條件下，外界供氣壓力變化（P1一次壓變化）對性能的影響（測試比例閥是否能穩(wěn)住二次壓力P2）。

由于不同用戶對于測試穩(wěn)壓點(diǎn)的數(shù)量要求不同、給定電流值的方式不同、P1升壓后降壓起點(diǎn)不同等，考慮到適應(yīng)多類型用戶的需求，將這些可能發(fā)生變化的因素都設(shè)計(jì)成為參數(shù)供用戶配置。

是否定電流：如果選擇定電流測試，則使用事先設(shè)定好的參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)壓特性測試；如果選擇否，則在進(jìn)行穩(wěn)壓特性測試時(shí)，電源輸出的電流采用在比例特性測試時(shí)（當(dāng)P2處于設(shè)定下限和上限之間時(shí)）采集到的電流值作為穩(wěn)壓特性測試的電流值。

以1#曲線為例，如果選擇定電流，則穩(wěn)壓特性測試時(shí)使用的電流值就是1#曲線電流這個(gè)參數(shù)；當(dāng)選擇否時(shí)，則在比例特性測試時(shí)，當(dāng)P2處于1#P2壓強(qiáng)下限和1#P2壓強(qiáng)上限，記錄下該點(diǎn)電流值，作為穩(wěn)壓特性測試時(shí)使用的電流值。

P1回程值：當(dāng)穩(wěn)壓特性測試完成P1升壓段后，從該點(diǎn)開始進(jìn)入降壓段。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以最多一次性測試4個(gè)穩(wěn)壓點(diǎn)，也可以按需選擇。以1#曲線為例，如果勾選1#穩(wěn)壓特性曲線則執(zhí)行該參數(shù)設(shè)置的流程，反之直接跳過，不測試該穩(wěn)壓點(diǎn)。

6、結(jié)語

燃?xì)獗壤y作為燃?xì)獗趻鞝t和恒溫式熱水器的重要配件，其質(zhì)量對于整機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量至關(guān)重要。為了能夠滿足行業(yè)內(nèi)不同用戶的多樣性需求，該系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到完成經(jīng)歷了多次反復(fù)的更改、驗(yàn)證，最終推出了一款能夠適應(yīng)行業(yè)內(nèi)大多數(shù)用戶需求的產(chǎn)品，同時(shí)可以兼顧不同用戶、不同部門的需求，實(shí)現(xiàn)了測試臺(tái)應(yīng)用多樣化的可能。

系統(tǒng)需求分析、設(shè)計(jì)研發(fā)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等都是系統(tǒng)開發(fā)實(shí)踐過程中不可或缺的部分。我們會(huì)在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)努力，多與行業(yè)內(nèi)的專家、客戶溝通，升級打造我們的產(chǎn)品，使其能以更好的性能、更高的穩(wěn)定性、更強(qiáng)的實(shí)用性呈現(xiàn)給我們的每一位用戶。

參考文獻(xiàn)

[1] 龐智勇, 姚占朋, 朱寧東. 驅(qū)動(dòng)電源類型對動(dòng)鐵芯式燃?xì)獗壤y調(diào)節(jié)特性的影響[J].家用燃氣具,2012(2):39-43.