电动机换向片间电阻检测设备的设计与实现

王 勇，杨 雷，韩 丰，张雷鸣，曹 磊

(河南科技大学，洛阳471003)

0 引 言

直流电动机的电枢绕组发生断线、开焊、匝间断路，或者换向器发生升高片断裂、片间短路时，会造成电磁上的不对称，从而产生换向火花［1］。检测片间电阻能够发现电动机是否存在上述故障，一般要求两换向片之间的电阻值均匀性误差不大于5%。因此，片间电阻检测是直流电动机经常性的和必要的检查项目。某电机厂家生产的电机型号众多，换向片数量为5 ～120 片不等。检验员在进行人工片间电阻检测时，过程繁琐，效率低下，且容易漏检。为提高对电动机该项性能指标的检测效率和准确性，设计了一台自动化的电动机换向片间阻值检测设备。

1 检测要求

该厂生产的不同型号的直流电动机所对应的转子直径、换向片数量及换向片间电阻值范围各不相同，而要求检测设备具有通用性，能够检测各种型号的电动机，具体要求包括:换向片间电阻测量范围:20 mΩ、200 mΩ、2 Ω、20 Ω、200 Ω、1 500 Ω;换向片间电阻测量精度±0.5%;换向片最小尺寸(L ×W):6 mm×2 mm;换向片数量:5 ～120 片;转子最大轴长:500 mm;转子最大轴安装直径:20 mm;测量时不能损坏、划伤换向片，安装方便，通用性强;测量头调整范围:0° ～180°;自动测量、记录测量数据。

2 系统组成及工作原理

为满足上述检测指标要求，该检测设备整体结构组成如图1 所示。系统以工控机为主控单元，编写上位机软件控制界面，通过两路RS－232 接口实现对被测的两相邻换向片的位置控制和阻值数据的读取。一路RS－232 接口和步进电动机的控制与驱动电路连接，用于实现工控机对被测两换向片间位置和每次转动角度的精确控制;另一路和低电阻测量仪连接，用于实现对低电阻测量仪工作状态的设置和测量数据的回读。

图1 设备整体结构组成框图

3 硬件设计

3.1 步进电动机系统

步进电动机系统用于控制设备内安装的带有减速机构的步进电动机运行，在该电机的转轴上装有卡盘，待测直流电动机转子卡在卡盘上。当工控机发出指令，控制步进电动机系统步进，待测转子随之转动相同的角度，根据待测转子上换向片数量的不同，调整电动机每次动作的角度，就可以精确定位两待测换向片的位置。相邻两换向片进行测量时，步进电动机每次需要转动的步数由下式计算得到:

式中:S 为每次测量步进电动机需要转动的步数，M为步进电动机细分数，N 为减速机构减速比，H 为所测转子上换向片数量，θ 为步进电动机每一步转动的角度。

该步进电动机系统选用微型一体化步进电动机控制器。该控制器使用RS－232 通讯协议，指令结构简单，高容错，可实现开环或者基于正交编码器的自闭环控制。其控制单元包括:通讯模块、基本运动控制模块、绝对位置计数器、正交编码器界面以及事件变化通知模块。控制驱动器内置高性能DSP 嵌入式微处理系统，具备运动控制和实时状态变化通知功能，全部控制循环在1 ms 内完成。

3.2 低电阻测量仪

低电阻测量仪用于直接测量两换向片之间的阻值。由于待测阻值最小值为mΩ 级，与常规电阻测量仪器的测试延长线的线阻以及测量端子与待测元件测试端的接触电阻可比拟，因此不能采用原理为两线测阻法的常规测阻仪器。设备中选用高精度的低电阻测量仪，其内部采用四线测阻法，具体工作原理如图2 所示。

四线测阻法［2］使用一对导线(线C1、线C2)接恒流源源，另一对导线(线V1、线V2)接被测电阻的两端用于电压测量。恒流源和电压测量回路是分开的，恒流源提供的电流不受连接线线阻和被测电阻大小的影响;又因电压表电路内部的输入电阻(10 MΩ)远远大于被测电阻，图2 中M 节点的电流方程如下式。

式中:IL为流过被测电阻的电流;IR为流过线C1的电流;IV为流过线V1的电流。即:恒流源电流只流过负载而不分流至电压测试端，两条连接线线阻上分压则为0。因此:

式中:V 为电压表测得的电压值;UL为被测电阻两端电压值;U 下线为导线V1(导线V2)上的电压值;IL为流过被测电阻的电流。

图2 四线测阻法原理示意图

从以上测量原理可以看出，只要让四线测阻法的两条测量回路在被测电阻的两端相交(即图2 的M、N 节点)，就可以消除连接线线阻对测量结果的影响，从而保证电阻测量的精确性。

3.3 探针夹具的设计

所选低电阻测量仪外引的两条测试线(红、黑)是通用型的，每条测试线内又包含两根线:红色外引线内部包含如图2 所示的线V1、线C1，二者引至鳄鱼夹两脚，夹子夹在被测电阻一端，对应图中的M点;黑色外引线内部包含如图2 所示的线V2、线C2，二者引至另一只鳄鱼夹两脚，夹子夹在被测电阻另一端，对应图中的N 点。

但是，在直流电动机换向片间电阻检测过程中不能拆解和损伤换向片，因此无法直接用鳄鱼夹夹住换向片，只能用探针压接在换向片表面。为了消除连接线线阻对测量结果的影响，实际设计时，我们将原配的鳄鱼夹剪掉，再将与鳄鱼夹相连的两根线分别焊接在两个探针上，再将探针固定在用胶木特制的夹具内，如图3所示。移动夹具即可让两个探针同时紧密接触在被测换向片表面，即相当于图2 中的线V1、线C1相交于M 点。

图3 探针夹具的设计

为操作方便，且探针能与被测换向片接触良好，设备采用将胶木夹具装载在磁力表座上，测试前移动磁力表座，将探针压接在换向片表面，然后锁死磁力表座。在测量完毕需要换装另一个待测转子时，只需松开磁力表座，移开其位置，即可使探针与换向片脱离。这种设计可以在保证换向片崭新无划伤的前提下使探针与被测换向片接触良好，而且使被测转子的装卸方便而快捷。

4 软件设计

4.1 软件系统整体设计

软件系统主要功能为以下几点:(1)精确测量电阻并回读测量值;(2)根据换向片个数的不同，精确控制电动机传动系统转动，从而带动被测转子转动，在保持测量探针不动的情况下，更换到新的一组待测换向片;(3)设置手动测试、连续测试功能，方便测试人员操作;(4)处理测试数据，保存为WORD 文档，并支持现场打印输出。操作软件设计流程如图4 所示。

图4 测试软件流程图

4.2 软件系统界面设计

操作软件系统界面以NI 公司LabWindows/CVI为平台进行编写。为满足测试操作需求，软件还需要完成电动机上电锁止、测量过程中能够急停退出、长时间不测试时设备自动下电、数据自动保存并支持数据导出等细节功能，因此在软件程序设计上采用了异步定时、多线程、ActiveX 控件调用等关键技术［3－4］，其程序代码这里不再赘述。

5 结 语

本文以工控机、步进电动机传动系统、低电阻测量仪、上位机软件系统为核心，设计了直流电动机换向片间电阻检测设备，经过组装、调试和现场运行检验，顺利通过了使用方的验收，反响良好。这种以工控机为主控单元，编写上位机控制软件，利用通用接口控制设备硬件运行，从而达到自动化检测的设计思路和方法，具有较强的通用性，可以为其它自动化测试系统的设计提供借鉴。

［1］ 王红娟.直流电动机的常见故障浅析［J］.机械管理开发，2003(5):32－33.

［2］ 李祚亮，王作全. 数字表测量电阻的方法［J］. 计量与测试技术，2011，38(11):29－31.

［3］ 王建新，隋美丽. LabWindows/CVI 虚拟仪器设计技术［M］. 北京:化学工业出版社，2013.

［4］ 宋宇峰.LabWindows/CVI 逐步深入与开发实例［M］. 北京:机械工业出版社，2003.