0 引言
      高壓開關(guān)是電力電網(wǎng)中十分重要的設備，在電網(wǎng)中起到控制、保護等作用。高壓開關(guān)特性測試儀是用來對高壓開關(guān)的各項參數(shù)進行測試的專用儀器。我所自主研發(fā)了一套高壓開關(guān)特性測試儀校驗裝置，用以對高壓開關(guān)特性測試儀的各項功能進行測試和校驗。在校驗高壓開關(guān)特性測試儀各項速度量參數(shù)時，需要一種可靠、易用的速度信號源，要求其能夠生成一系列連續(xù)可調(diào)的脈沖信號，能夠提供儀器校驗工作需要的真實位移過程?，F(xiàn)有的速度發(fā)生裝置多依靠直線電機、壓氣機、電磁鐵等裝置作為驅(qū)動設備，來提供校驗工作需要的真實位移過程，這些裝置均有其優(yōu)勢所在，然而也存在著成本過高、使用不便、產(chǎn)生的速度量難以控制等缺點。因此，設計研制一臺成本低廉、使用方便、速度信號可以滿足儀器校驗工作需要的速度發(fā)生器成為高壓開關(guān)特性測試儀校驗裝置研制過程中的重要環(huán)節(jié)。
 
1 功能要求和技術(shù)指標
      高壓開關(guān)特性測試儀一般通過光柵、磁柵、接觸開關(guān)等多種器件對速度參數(shù)進行測試，主流產(chǎn)品對行程速度類參數(shù)的測試一般有兩種形式：總行程一時間式；連續(xù)信號式。

1)總行程一時間式
      采用在運動起始端和運動結(jié)束端安裝光電傳感器、微觸開關(guān)等裝置記錄運動的持續(xù)時間。精確測量動觸頭運動的總位移，結(jié)合已測得的合閘及分閘時間來計算平均速度。
 
2)連續(xù)信號式
      采用將光柵尺或滑動變阻器固定在動觸頭上，通過光柵尺的運動獲得一系列脈沖信號，或通過滑動變阻器獲得一系列電壓信號，即可根據(jù)光柵尺的柵條長度獲滑動變阻器的阻滯／位移關(guān)系來詳細記錄運動過程。因此，對高壓開關(guān)特性測試儀的速度參數(shù)進行儀器校驗，需要能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)生一個實際的運動，還需要能夠產(chǎn)生一個虛擬的運動，其表現(xiàn)為一系列精度較高的可調(diào)脈沖信號。
 
      按照JJG(機械)140．1993《高壓開關(guān)機械特性檢定規(guī)程》規(guī)定，在對高壓開關(guān)特性測試儀進行儀器校驗時，必須選取包含最小、最大、中間值及均勻分布的其它測試點共9個。因此，校驗所需的速度發(fā)生器的技術(shù)指標如下：脈沖輸出范圍為20Hz～50kHz；速度輸出范圍為0．1～5m／s；速度輸出行程為0．05～0．30m。
 
2 總體設計方案
      對兩種不同的高壓開關(guān)特性測試儀測速模塊，需要提供不同的儀器校驗方法。對行程一時間式測速的校驗，本文仿照高壓開關(guān)的機械操動機構(gòu)設計了一套簡單而有效的彈簧驅(qū)動裝置以提供真實運動。裝置釋放壓縮彈簧帶動傳感器支架沿固定方向運動，通過電機推動距離或設置擋塊來實現(xiàn)精確控制行程，運動過程中由光電開關(guān)進行運動時間測量，從而得到精確的速度。如圖1所示，在控制系統(tǒng)的基礎上，速度發(fā)生器根據(jù)被校驗儀器的不同設計了位移機構(gòu)和信號輸出電路兩個模塊，以向被校驗儀器提供兩種不同的速度信號。

 

      在儀器校驗過程中，對使用連續(xù)信號式測速的高壓開關(guān)特性測試儀通過調(diào)節(jié)定時模塊，在脈沖輸出模塊輸出所需頻率的方波信號即可進行校驗J。對行程一時間式測速的高壓開關(guān)特性測試儀，本裝置采用間接校驗的方法。通過測長儀等裝置測量速度發(fā)生器運動的距離，與光電開關(guān)測量的速度間隔進行計算作為標準值，即可對其進行儀器校驗。
 
3 結(jié)構(gòu)設計與分析
3．1 控制系統(tǒng)設計
      控制系統(tǒng)選用單片機為核心，利用單片機配備的10口進行控制指令、動作信號的輸入輸出。選用基于ARM9CotexM3架構(gòu)的STM32F407作為主控芯片，最高工作頻率可達到168MHz，足以進行復雜運算和控制。速度發(fā)生器選用CAN總線閉環(huán)步進一體機壓縮彈簧，單片機通過CAN總線接口操作電機驅(qū)動器，進而實現(xiàn)對電機的操作，該電機整合了通訊模塊、基本運動控制模塊、絕對位置計數(shù)器、正交編碼器等多個模塊，全部控制循環(huán)均在1ms內(nèi)完成，保證了可以準確對彈簧的壓縮量進行控制。計時模塊采用兩個光電傳感器實現(xiàn)，速度發(fā)生器上的傳感器支架裝有光電開關(guān)擋片，當傳感器支架開始運動時，第一個光電開關(guān)向單片機返回起始信號，單片機開始計時。當傳感器支架運動結(jié)束時，第二個光電開關(guān)向單片機返回結(jié)束信號，單片機停止計時。此時可得傳感器支架本次運動所經(jīng)歷的時間間隔。選用的u型光電開關(guān)具有5kHz的高開關(guān)頻率，此光電開關(guān)使用紅外連續(xù)光940nm作為光源?？奢敵?4VDC信號，并具有NPN互補過壓保護連接，u型口提供5mm寬度的感應口。

 

3．2 位移機構(gòu)設計
      位移機構(gòu)主要由儲能機構(gòu)、傳動機構(gòu)、控制機構(gòu)和固定裝置組成。儲能機構(gòu)是給儲能元件(彈簧)賦予能量的機構(gòu)；傳動機構(gòu)是向運動部件(本裝置中是傳感器支架)傳遞運動和動力的機構(gòu)；控制機構(gòu)貝0是控制運動開始的部件；固定裝置用以固定各種機構(gòu)J。位移機構(gòu)的割面圖如圖2所示。位移機構(gòu)工作原理：電機通過減速器和儲能機構(gòu)的動作，使壓縮彈簧產(chǎn)生壓縮量以儲存機械能。當彈簧壓縮至需求的壓縮量時，限位開關(guān)發(fā)出停止信號，電機停轉(zhuǎn)，儲能過程結(jié)束。儲能完畢后釋放彈簧卡鞘，壓縮彈簧開始恢復原長并釋放機械能。在壓縮彈簧釋放能量的過程中帶動導桿運動，導桿推傳感器支架運動。當彈簧恢復至限位卡塊限制的距離時，停止運動。在運動過程中，彈簧的壓縮量可以通過限位開關(guān)控制，彈簧的釋放量可以通過頂針卡塊控制，這樣傳感器支架就能夠獲得位移可調(diào)、速度可調(diào)的一段運動過程。綜合考慮尺寸、材料、加工難度等因素，驗證計算后，選取了表1中所示的3種型號的彈簧。

 

3．3 信號輸出設計
      常用的被校驗儀器一般有5，12，24V三種輸入電壓，STM32微處理器的IO口電壓最大為3．3V，而測試時需要的電壓可達24V，因此需要進行隔離，防止誤操作產(chǎn)生沖擊損壞微處理器。設計采用光耦6N137進行隔離，由一個850llm波長A1GaAsLED和一個集成檢測器組成的用于單通道的高速光耦，上升和下降延時均不超過50ns，轉(zhuǎn)換速率可達10Mbit／s，不會對輸入輸出性能造成影響。在隔離電路后端設計了調(diào)壓電路，通過4個選通繼電器實現(xiàn)各電壓輸出端口的互不干擾。信號輸出過程如圖3所示。

 

3．4 設計仿真驗證
      選取ADAMS對本文設計的位移機構(gòu)進行動力學仿真。整個運動需要關(guān)注的變化狀態(tài)有：運動過程中彈簧張力的變化、傳感器支架的速度一時間變化曲線、傳感器支架的位移一時間變化曲線，可據(jù)此計算最終提供的平均速度。圖4為本文選取的3種彈簧分別在3種壓縮量下所提供的9個速度點示意圖，橫軸格式為：彈簧編號一壓縮量，按照所能提供的速度從小到大排列；縱軸為所選取的彈簧在該壓縮量下所能提供的速度。從圖4中可以看出：設計的速度發(fā)生裝置可以提供2～10m／s的平均速度。為了使提供的速度點更加密集，速度發(fā)生器的限位塊均加工為5cm，可組合使用。2m／s以下的速度，可用電機直接拖動傳感器支架提供，因此，本文設計的速度發(fā)生器所提供的平均速度輸出可以滿足高壓開關(guān)特陡測試儀速度參數(shù)的校驗需要。

 

4 結(jié)論
      利用頻率計及高精度示波器對速度發(fā)生器的脈沖輸出能力進行測試，測試結(jié)果如表2。

      輸出的脈沖波形良好，頻率穩(wěn)定，連續(xù)可調(diào)。位移輸出由于加工不光滑、裝配等原因，實測值比計算值略小，但足夠提供儀器校驗時需要的速度。根據(jù)測試結(jié)果可以看出，本文設計的開關(guān)特性測試儀校驗裝置的速度發(fā)生器可以滿足儀器校驗工作的需要。本文討論了開關(guān)特性測試儀校驗裝置的速度發(fā)生器研制過程中的細節(jié)問題，詳細討論了速度發(fā)生器的設計過程。相對以往儀器校驗工作中使用的速度發(fā)生裝置來說，本文設計的裝置具有成本低廉、產(chǎn)生的速度信號連續(xù)分布、可以滿足儀器校驗工作需要的特點，在配備觸摸屏作為人機交互界面后，在易用性、交互友好性上也有很大提升，為開關(guān)特性測試儀校驗裝置提供了可靠的速度信號源。

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