1、鋁電解電容器老練過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)The design of real-time monitoring system for aluminum electrolytic capacitor aging process申紅明，王桂星，楊永杰，沈曉燕SHEN Hongming，WANG Guixing，YANG Yongjie，SHENG Xiaoyan （南通大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇省南通市 226019）摘要：通過對(duì)鋁電解電容老練過程的研究，研制出一種自動(dòng)化、智能化的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，除了可將老練過程中的開路、短路和反接的電容器在早期判別剔除外，還能檢測(cè)出老練過程中每個(gè)電容器的電流變化情況，并在高溫、

2、高壓老練后測(cè)量出每個(gè)電容器漏電流的大小。該系統(tǒng)由下位機(jī)數(shù)據(jù)采集裝置和上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件共同構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集裝置包括分流式電流取樣電路、通道選擇與切換電路、信號(hào)調(diào)理電路、多路并行A/D轉(zhuǎn)換電路，上位機(jī)軟件采用VC6.0開發(fā)，界面簡(jiǎn)潔曲線直觀，上下位機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)測(cè)量誤差小，判別結(jié)果準(zhǔn)確可靠。關(guān)鍵詞：檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置；鋁電解電容；老練；實(shí)時(shí)監(jiān)控；IOCOMP。中圖分類號(hào)： TM535 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： 文章編號(hào)：0 引言老練也稱老化，是鋁電解電容器制造的關(guān)鍵工藝之一，對(duì)保證產(chǎn)品性能的均一性和穩(wěn)定性，有著十分重要的意義。老練的目的在于剔除廢品、修補(bǔ)氧化膜、穩(wěn)定電性能，提高電容器工

3、作的可靠性。在電容器老練過程中，要求對(duì)損壞的電容器及時(shí)剔除，以保證其它電容器的正常老化，提高產(chǎn)品的安全性及成品率1。本文所設(shè)計(jì)的老練過程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，除了具有短路、漏液、開路、反接判別功能外，還可檢測(cè)電容器充電電流的變化情況，測(cè)量出漏電流的大??；設(shè)計(jì)的三維矩陣式排列結(jié)構(gòu)，改變了繼電器切換方式所帶來的成本高、故障率高、維護(hù)不便等缺點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)大批量電容器的集中老練，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉易于擴(kuò)展；借助上位機(jī)軟件，可實(shí)現(xiàn)批量電容器循環(huán)檢測(cè)，或?qū)Ξ惓ｋ娙萜鬟M(jìn)行高速重復(fù)檢測(cè)，可作為批量電容器例行試驗(yàn)的測(cè)試設(shè)備。1 系統(tǒng)工作原理中高壓大容量鋁電解電容器的體積較大（直徑在35mm以上），其老練工藝一般是在

4、高溫過壓的條件下，在烘箱中進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間充(放)電過程2。短路或者反接的電容需要在老練過程的早期及時(shí)排除，以免影響到一起參與老練的其他電容；生產(chǎn)過程中發(fā)生的開路或者和夾具接觸不好的電容器也需要在老練的初期及時(shí)發(fā)現(xiàn)；老練過程中發(fā)生的故障電容器需要及時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)。以上可能出現(xiàn)的故障狀態(tài)以及老練過程結(jié)束后漏電流大小的測(cè)量，都是通過檢測(cè)流過電容器的電流大小來監(jiān)測(cè)判別。因此通過預(yù)置不同型號(hào)電容器的老練電流經(jīng)驗(yàn)值范圍，將老練過程中的充電電流值和經(jīng)驗(yàn)值范圍進(jìn)行比對(duì)，如果測(cè)量值偏大可能是電容器發(fā)生了短路或反接，過小則可能是斷路或接觸不良。通過觀察電容器的充電電流變化曲線，還可以直觀的反映出被測(cè)電容的老練狀態(tài)。準(zhǔn)

5、確測(cè)量充電電流是進(jìn)行故障判別的主要依據(jù)。圖1所示電路為本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的單路分流式電流取樣電路原理圖。I1為待測(cè)電容的充電電流，K為用于切換測(cè)量通道的電子開關(guān)，D1、D2為限幅保護(hù)電路，通過合理設(shè)置R1、R2的阻值，保證在電容正常老練過程中，兩只二極管均截止。當(dāng)K閉合時(shí)，通過測(cè)量流過R3的電流 I1,根據(jù)式1即可求出待測(cè)電容器充電電流I1的值，式中R0是電子開關(guān)K的等效內(nèi)阻。 (式1)當(dāng)K斷開后，電源通過電阻R1、R2對(duì)電容器進(jìn)行充電，檢測(cè)過程中電子開關(guān)的切換動(dòng)作不會(huì)影響待測(cè)電容的老練過程3。為了保證測(cè)量精度，應(yīng)盡量選擇內(nèi)阻小且一致性好的電子開關(guān)。 圖1 單路分流式電流取樣電路原理圖2 硬件設(shè)計(jì)圖

6、2所示為下位機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖?？撮T狗復(fù)位 復(fù)位電路以MCU作為控制核心，包括多路電壓取樣電路、通道選擇電路、信號(hào)調(diào)理電路、電源電路、JTAG、看門狗復(fù)位電路以及RS232串行通信電路。下位機(jī)負(fù)責(zé)采集老練電容器的充電電流的變化情況，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換后發(fā)送給上位機(jī)，利用 PC機(jī)顯示電流大小，判別電容的工作狀態(tài)。圖2 下位機(jī)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖MCU是下位機(jī)數(shù)據(jù)采集部分的控制核心。為了實(shí)現(xiàn)大批量電容器的集中監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)采用了分時(shí)切換測(cè)量通道的方法，MCU通過控制通道選擇電路，獲取被測(cè)電容器的充電電流大小并轉(zhuǎn)換為電壓，通過信號(hào)調(diào)理電路及量程選擇電路獲得恰當(dāng)?shù)男盘?hào)增益，送MCU的內(nèi)部AD模塊處理，MCU將處

7、理結(jié)果通過串行接口傳送給上位機(jī)，并接受上位機(jī)的控制命令。本系統(tǒng)選用了TI公司MSP430F2274單片機(jī)作為主控制器，其內(nèi)部集成了兩個(gè)帶捕獲/比較功能的16位定時(shí)器、通用串行接口、具有參考電壓發(fā)生電路和數(shù)據(jù)傳輸控制功能的12路10位A/D轉(zhuǎn)換器以及32個(gè)I/O口4，完全滿足本系統(tǒng)需要。2.1多通道電壓取樣電路因中、高壓大容量電解電容器的個(gè)體體積較大，考慮到烘箱的尺寸限制，設(shè)計(jì)了640路的批量檢測(cè)能力，可以滿足絕大多數(shù)要求，同時(shí)預(yù)留擴(kuò)展端口，經(jīng)過簡(jiǎn)單的連接，可實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的批量集中老練。因MSP430F2274具備10路AD并行轉(zhuǎn)換能力，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三維矩陣式的排列結(jié)構(gòu)，如圖3所示。將640路待

8、測(cè)電容分別接在8張接口板上，每張板由8個(gè)通道構(gòu)成，每通道上連有10路電流取樣電路，構(gòu)成8* 8* 10的三維矩陣，通過低阻電子開關(guān)分時(shí)切換測(cè)量通道進(jìn)行測(cè)量。通道選擇電路首先進(jìn)行8選1的選板操作，再對(duì)選定的接口板進(jìn)行8選1的通道選擇，從而將所選通道的10路采樣信號(hào)送給MSP430F2274的10路并行A/D進(jìn)行處理，選板操作、通道選擇及切換操作均在單片機(jī)的控制下完成。該通道選擇電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，發(fā)生故障后易于排查維護(hù)。 圖3 8* 8* 10電容電流取樣電路結(jié)構(gòu)示意圖2.1.1 選板電路選板電路如圖4所示，由一片三八譯碼器74LS138和一片總線驅(qū)動(dòng)芯片74LS245共同實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)為74

9、LS138提供編碼選址信號(hào)，當(dāng)A、B、C從000111變化時(shí)，Y0Y7端口上分別出有效低電平信號(hào)，經(jīng)74LS245驅(qū)動(dòng)后，將INH0INH7分別作為8張接口板的選板信號(hào)。圖4 選板電路2.1.2 通道選擇電路每張接口板連接80個(gè)待測(cè)電容，分為8組通道，每通道接10個(gè)電容電流取樣電路，取樣電流經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換處理后送單片機(jī)A/D端口，并行采集轉(zhuǎn)換。8個(gè)通道的切換通過板上的10片模擬開關(guān)多路選擇器CD4051來實(shí)現(xiàn)。圖5所示為通道選擇電路簡(jiǎn)圖。U0U9為10片CD4051，CH00CH09為第一組通道，將10路單路分流式電流取樣電路中的a點(diǎn)（圖1所示）分別接入CH00CH09，CH10CH19 為第

10、二通道，以此類推。CD4051的6腳INH，接圖4選板電路的輸出信號(hào)，低電平有效。當(dāng)圖4中P45、P46、P47輸出000時(shí)，INH0為低電平，圖5中的10片4051則被選中，在單片機(jī)所提供的編碼信號(hào)A、B、C從000111變化時(shí)，8組通道依次選中，通過CH0CH9輸出信號(hào)。圖5 通道選擇電路簡(jiǎn)圖2.2信號(hào)調(diào)理及量程選擇電路由于電容器類型不同，且老練過程中電容器的充電電流會(huì)變化，因此，采集到的信號(hào)在進(jìn)入單片機(jī)A/D 端口之前需要進(jìn)行預(yù)處理，使其信號(hào)幅值滿足后續(xù)A/D 采樣電路的要求。圖6 信號(hào)調(diào)理及量程選擇電路原理圖圖6所示為信號(hào)調(diào)理及量程選擇電路原理圖。圖中OPX1、OPX2為兩片運(yùn)放TL0

11、81，RLYx為干簧管繼電器D1C05000，以圖5中CH0CH9中的某一路信號(hào)CHx為例說明。將CHx接在運(yùn)放OPX1的反相輸入端，OPX1、D1C05000及相關(guān)元件構(gòu)成反相比例放大電路，QDx接單片機(jī)I/O口。系統(tǒng)具有1mA和10mA兩檔量程，當(dāng)QDx=0時(shí)為1mA量程檔，此時(shí)三極管9013截止，D1C05000的1、7腳接通，9.5K電阻和1K電位器構(gòu)成運(yùn)放的反饋支路；當(dāng)QDx=1時(shí)為10mA量程檔，此時(shí)三極管9013導(dǎo)通，D1C05000的8、14腳接通，950歐的電阻和100歐的電位器構(gòu)成運(yùn)放的反饋支路。OPX2及相關(guān)外圍電路構(gòu)成1：1的反相放大電路，使輸出信號(hào)Ax和輸入信號(hào)CHx

12、同相。系統(tǒng)硬件部分還包括RS232串行通信、看門狗、電源等電路，均比較簡(jiǎn)單，不再贅述。3 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)共分為兩個(gè)部分，下位機(jī)軟件配合硬件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收、處理以及界面呈現(xiàn)。3.1下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)下位機(jī)軟件采用IAR for MSP430開發(fā)完成。上電之后，下位機(jī)程序首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，主要包括端口、時(shí)鐘模塊、串口以及ADC模塊的初始化4。初始化完成后，下位機(jī)根據(jù)接收到的上位機(jī)指令完成工作參數(shù)設(shè)置，進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。在上位機(jī)指令控制下完成數(shù)據(jù)采集和傳輸任務(wù)，直到接收到停止測(cè)量指令，下位機(jī)軟件流程圖如圖7所示。 圖7 下位機(jī)軟件流程圖 圖8 上位機(jī)軟件流程圖3.2上位機(jī)

13、軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送指令并接受下位機(jī)返回的數(shù)據(jù)，指令主要包括參數(shù)設(shè)置指令和測(cè)量指令。圖8所示為上位機(jī)軟件流程圖，上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括界面設(shè)計(jì)、串口通信程序設(shè)計(jì)和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理程序，采用Microsoft VC+6.0及相關(guān)控件設(shè)計(jì)完成。3.2.1 界面設(shè)計(jì)界面作為系統(tǒng)的對(duì)外窗口，界面設(shè)計(jì)的好壞直接影響操作人員對(duì)系統(tǒng)的直觀感受。借助專業(yè)的工業(yè)儀表控件IOCOMP ActiveX/VCL5，設(shè)計(jì)了基于對(duì)話框的軟件界面，界面簡(jiǎn)潔，操作方便。上位機(jī)軟件界面如圖9所示，用LED控件指示各被測(cè)電容，右上角為參數(shù)設(shè)置區(qū)，用于設(shè)置量程、通信端口號(hào)、掃描時(shí)間間隔、電流上下限等參數(shù)。左側(cè)光標(biāo)指示當(dāng)前被測(cè)通道

14、，電流指示區(qū)顯示所測(cè)通道中10路電容的充電電流值，將電流測(cè)量值和預(yù)置的上下限做比較即可判斷出每個(gè)電容器的老練狀態(tài)，通過LED燈的不同顏色來標(biāo)示。按下“自動(dòng)測(cè)量”按鈕后，系統(tǒng)將按照設(shè)置的掃描時(shí)間間隔依次切換測(cè)量通道，實(shí)現(xiàn)循環(huán)檢測(cè)；按下“停止測(cè)量”按鈕后，只需在某通道前的光標(biāo)位置處雙擊，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)該通道的連續(xù)測(cè)量，在判別某些可疑電容時(shí)十分方便；高溫老練過程結(jié)束后，雙擊LED指示燈，即可打開該指示燈所對(duì)應(yīng)的電容器的充電電流曲線。圖9 上位機(jī)軟件界面3.2.2 串口通信程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的上位機(jī)串口通信程序通過VC6.0 提供的通信控件MSComm 來實(shí)現(xiàn)。使用需要對(duì)MSComm 控件的一些主要屬性進(jìn)行設(shè)

15、置，例如使用CommPort設(shè)置端口號(hào)；利用Settings 屬性設(shè)置波特率等。該程序可自動(dòng)掃描可用串行端口并加入界面中的“端口”下拉列表框, 通信波特率設(shè)為9600BPS、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無(wú)檢驗(yàn)位。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕l(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)都必須遵循一定的格式或規(guī)范。表1、表2所示分別為上位機(jī)發(fā)送協(xié)議和接收協(xié)議。表1 上位機(jī)發(fā)送協(xié)議起始校驗(yàn)命令字?jǐn)?shù)據(jù)字和校驗(yàn)上位機(jī)發(fā)送協(xié)議由四部分組成，起始校驗(yàn)、和校驗(yàn)用于確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，命令字用于區(qū)分上位機(jī)發(fā)送給下位機(jī)的是參數(shù)設(shè)置指令還是測(cè)量指令，數(shù)據(jù)字用于在上位機(jī)發(fā)送測(cè)量指令時(shí)傳遞板號(hào)、通道號(hào)等信息。表2 上位機(jī)接收協(xié)議起始檢驗(yàn)標(biāo)志位板號(hào)通道

16、號(hào)數(shù)據(jù)字和校驗(yàn)上位機(jī)接收協(xié)議由六部分組成，其中標(biāo)志位用于區(qū)分下位機(jī)返回的是設(shè)置完成確認(rèn)信息還是測(cè)量數(shù)據(jù)信息，板號(hào)、通道號(hào)和數(shù)據(jù)字用于在測(cè)量狀態(tài)下接受下位機(jī)發(fā)送的測(cè)量數(shù)據(jù)。4 系統(tǒng)測(cè)試及應(yīng)用系統(tǒng)測(cè)試的主要目的是測(cè)定該系統(tǒng)判別結(jié)果的可靠性以及電流測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為此，在某公司生產(chǎn)的CD294系列產(chǎn)品中，選用了一批規(guī)格為220uF/450V的電容器，對(duì)其老練的全過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控和測(cè)量，該型號(hào)電容器在恒流充電時(shí)的電流限定在2mA。常溫老練前，在前80只電容器中人為、隨機(jī)設(shè)定了4個(gè)異常點(diǎn)，分別是2只開路電容器、1只短路電容器和1只正負(fù)極性接反的電容器。在合理地設(shè)定了相關(guān)參數(shù)后，該系統(tǒng)即自動(dòng)判別出52

17、和61號(hào)這兩個(gè)電容器存在開路現(xiàn)象，標(biāo)示為黃色同時(shí)發(fā)出故障報(bào)警聲；隨著電源電壓的上升，系統(tǒng)又自動(dòng)判別出13和57電容器存在短路或電容器極性接反的現(xiàn)象，顯示為紅色同時(shí)發(fā)出故障報(bào)警聲（高頻），其余正常電容均顯示為亮綠色，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。經(jīng)反復(fù)測(cè)試系統(tǒng)均能準(zhǔn)確判別，各電容充電電流大小也能正確顯示。此外在老練過程中系統(tǒng)提示的故障電容，經(jīng)取出測(cè)量后均與系統(tǒng)判別結(jié)論相符，故障電容老練檢出率達(dá)到100%。高溫老練階段完成后，雙擊電容指示燈，可顯示出高溫老練過程中電容電流的變化曲線及漏電流測(cè)量結(jié)果，如圖11所示。 圖10 測(cè)試頁(yè)面 圖11 高溫老練階段電流變化曲線5 結(jié)束語(yǔ)本文針對(duì)中高壓大容量鋁電解電容器老練過程效率低、成本高的問題，設(shè)計(jì)了一套可自動(dòng)測(cè)量、監(jiān)控、判別的全過程自動(dòng)化智能型測(cè)試設(shè)備。通過該系統(tǒng)，用戶可實(shí)時(shí)、定量、全面地掌握每個(gè)電容器在老練過程中的動(dòng)態(tài)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障電容，系統(tǒng)還具有全過程老練電流曲線記錄及漏電流大小測(cè)量功能，可作為批量電容器例行試驗(yàn)的測(cè)試設(shè)備。可以預(yù)期，該系統(tǒng)在相