铝电解电容器老练过程实时监测系统设计

1、铝电解电容器老练过程实时监测系统设计The design of real-time monitoring system for aluminum electrolytic capacitor aging process申红明，王桂星，杨永杰，沈晓燕SHEN Hongming，WANG Guixing，YANG Yongjie，SHENG Xiaoyan （南通大学电子信息学院，江苏省南通市 226019）摘要：通过对铝电解电容老练过程的研究，研制出一种自动化、智能化的监测系统，除了可将老练过程中的开路、短路和反接的电容器在早期判别剔除外，还能检测出老练过程中每个电容器的电流变化情况，并在高温、

2、高压老练后测量出每个电容器漏电流的大小。该系统由下位机数据采集装置和上位机数据处理软件共同构成，数据采集装置包括分流式电流取样电路、通道选择与切换电路、信号调理电路、多路并行A/D转换电路，上位机软件采用VC6.0开发，界面简洁曲线直观，上下位机之间数据传输稳定可靠。经测试，系统测量误差小，判别结果准确可靠。关键词：检测技术与自动化装置；铝电解电容；老练；实时监控；IOCOMP。中图分类号： TM535 文献标识码： 文章编号：0 引言老练也称老化，是铝电解电容器制造的关键工艺之一，对保证产品性能的均一性和稳定性，有着十分重要的意义。老练的目的在于剔除废品、修补氧化膜、稳定电性能，提高电容器工

3、作的可靠性。在电容器老练过程中，要求对损坏的电容器及时剔除，以保证其它电容器的正常老化，提高产品的安全性及成品率1。本文所设计的老练过程实时监控系统，除了具有短路、漏液、开路、反接判别功能外，还可检测电容器充电电流的变化情况，测量出漏电流的大小；设计的三维矩阵式排列结构，改变了继电器切换方式所带来的成本高、故障率高、维护不便等缺点，可以实现大批量电容器的集中老练，电路结构简单，成本低廉易于扩展；借助上位机软件，可实现批量电容器循环检测，或对异常电容器进行高速重复检测，可作为批量电容器例行试验的测试设备。1 系统工作原理中高压大容量铝电解电容器的体积较大（直径在35mm以上），其老练工艺一般是在

4、高温过压的条件下，在烘箱中进行长时间充(放)电过程2。短路或者反接的电容需要在老练过程的早期及时排除，以免影响到一起参与老练的其他电容；生产过程中发生的开路或者和夹具接触不好的电容器也需要在老练的初期及时发现；老练过程中发生的故障电容器需要及时进行人工干预。以上可能出现的故障状态以及老练过程结束后漏电流大小的测量，都是通过检测流过电容器的电流大小来监测判别。因此通过预置不同型号电容器的老练电流经验值范围，将老练过程中的充电电流值和经验值范围进行比对，如果测量值偏大可能是电容器发生了短路或反接，过小则可能是断路或接触不良。通过观察电容器的充电电流变化曲线，还可以直观的反映出被测电容的老练状态。准

5、确测量充电电流是进行故障判别的主要依据。图1所示电路为本系统所设计的单路分流式电流取样电路原理图。I1为待测电容的充电电流，K为用于切换测量通道的电子开关，D1、D2为限幅保护电路，通过合理设置R1、R2的阻值，保证在电容正常老练过程中，两只二极管均截止。当K闭合时，通过测量流过R3的电流 I1,根据式1即可求出待测电容器充电电流I1的值，式中R0是电子开关K的等效内阻。 (式1)当K断开后，电源通过电阻R1、R2对电容器进行充电，检测过程中电子开关的切换动作不会影响待测电容的老练过程3。为了保证测量精度，应尽量选择内阻小且一致性好的电子开关。 图1 单路分流式电流取样电路原理图2 硬件设计图

6、2所示为下位机硬件系统结构框图。看门狗复位 复位电路以MCU作为控制核心，包括多路电压取样电路、通道选择电路、信号调理电路、电源电路、JTAG、看门狗复位电路以及RS232串行通信电路。下位机负责采集老练电容器的充电电流的变化情况，经过A/D 转换后发送给上位机，利用 PC机显示电流大小，判别电容的工作状态。图2 下位机硬件系统结构框图MCU是下位机数据采集部分的控制核心。为了实现大批量电容器的集中监测，系统采用了分时切换测量通道的方法，MCU通过控制通道选择电路，获取被测电容器的充电电流大小并转换为电压，通过信号调理电路及量程选择电路获得恰当的信号增益，送MCU的内部AD模块处理，MCU将处

7、理结果通过串行接口传送给上位机，并接受上位机的控制命令。本系统选用了TI公司MSP430F2274单片机作为主控制器，其内部集成了两个带捕获/比较功能的16位定时器、通用串行接口、具有参考电压发生电路和数据传输控制功能的12路10位A/D转换器以及32个I/O口4，完全满足本系统需要。2.1多通道电压取样电路因中、高压大容量电解电容器的个体体积较大，考虑到烘箱的尺寸限制，设计了640路的批量检测能力，可以满足绝大多数要求，同时预留扩展端口，经过简单的连接，可实现更大规模的批量集中老练。因MSP430F2274具备10路AD并行转换能力，本系统设计了三维矩阵式的排列结构，如图3所示。将640路待

8、测电容分别接在8张接口板上，每张板由8个通道构成，每通道上连有10路电流取样电路，构成8* 8* 10的三维矩阵，通过低阻电子开关分时切换测量通道进行测量。通道选择电路首先进行8选1的选板操作，再对选定的接口板进行8选1的通道选择，从而将所选通道的10路采样信号送给MSP430F2274的10路并行A/D进行处理，选板操作、通道选择及切换操作均在单片机的控制下完成。该通道选择电路结构简单，成本低廉，发生故障后易于排查维护。 图3 8* 8* 10电容电流取样电路结构示意图2.1.1 选板电路选板电路如图4所示，由一片三八译码器74LS138和一片总线驱动芯片74LS245共同实现。单片机为74

9、LS138提供编码选址信号，当A、B、C从000111变化时，Y0Y7端口上分别出有效低电平信号，经74LS245驱动后，将INH0INH7分别作为8张接口板的选板信号。图4 选板电路2.1.2 通道选择电路每张接口板连接80个待测电容，分为8组通道，每通道接10个电容电流取样电路，取样电流经过I/V转换处理后送单片机A/D端口，并行采集转换。8个通道的切换通过板上的10片模拟开关多路选择器CD4051来实现。图5所示为通道选择电路简图。U0U9为10片CD4051，CH00CH09为第一组通道，将10路单路分流式电流取样电路中的a点（图1所示）分别接入CH00CH09，CH10CH19 为第

10、二通道，以此类推。CD4051的6脚INH，接图4选板电路的输出信号，低电平有效。当图4中P45、P46、P47输出000时，INH0为低电平，图5中的10片4051则被选中，在单片机所提供的编码信号A、B、C从000111变化时，8组通道依次选中，通过CH0CH9输出信号。图5 通道选择电路简图2.2信号调理及量程选择电路由于电容器类型不同，且老练过程中电容器的充电电流会变化，因此，采集到的信号在进入单片机A/D 端口之前需要进行预处理，使其信号幅值满足后续A/D 采样电路的要求。图6 信号调理及量程选择电路原理图图6所示为信号调理及量程选择电路原理图。图中OPX1、OPX2为两片运放TL0

11、81，RLYx为干簧管继电器D1C05000，以图5中CH0CH9中的某一路信号CHx为例说明。将CHx接在运放OPX1的反相输入端，OPX1、D1C05000及相关元件构成反相比例放大电路，QDx接单片机I/O口。系统具有1mA和10mA两档量程，当QDx=0时为1mA量程档，此时三极管9013截止，D1C05000的1、7脚接通，9.5K电阻和1K电位器构成运放的反馈支路；当QDx=1时为10mA量程档，此时三极管9013导通，D1C05000的8、14脚接通，950欧的电阻和100欧的电位器构成运放的反馈支路。OPX2及相关外围电路构成1：1的反相放大电路，使输出信号Ax和输入信号CHx

12、同相。系统硬件部分还包括RS232串行通信、看门狗、电源等电路，均比较简单，不再赘述。3 软件设计软件设计共分为两个部分，下位机软件配合硬件实现数据的采集与传输，上位机软件实现数据的接收、处理以及界面呈现。3.1下位机软件设计下位机软件采用IAR for MSP430开发完成。上电之后，下位机程序首先进行系统初始化，主要包括端口、时钟模块、串口以及ADC模块的初始化4。初始化完成后，下位机根据接收到的上位机指令完成工作参数设置，进入测量状态。在上位机指令控制下完成数据采集和传输任务，直到接收到停止测量指令，下位机软件流程图如图7所示。 图7 下位机软件流程图 图8 上位机软件流程图3.2上位机

13、软件设计上位机向下位机发送指令并接受下位机返回的数据，指令主要包括参数设置指令和测量指令。图8所示为上位机软件流程图，上位机软件设计主要包括界面设计、串口通信程序设计和后台数据处理程序，采用Microsoft VC+6.0及相关控件设计完成。3.2.1 界面设计界面作为系统的对外窗口，界面设计的好坏直接影响操作人员对系统的直观感受。借助专业的工业仪表控件IOCOMP ActiveX/VCL5，设计了基于对话框的软件界面，界面简洁，操作方便。上位机软件界面如图9所示，用LED控件指示各被测电容，右上角为参数设置区，用于设置量程、通信端口号、扫描时间间隔、电流上下限等参数。左侧光标指示当前被测通道

14、，电流指示区显示所测通道中10路电容的充电电流值，将电流测量值和预置的上下限做比较即可判断出每个电容器的老练状态，通过LED灯的不同颜色来标示。按下“自动测量”按钮后，系统将按照设置的扫描时间间隔依次切换测量通道，实现循环检测；按下“停止测量”按钮后，只需在某通道前的光标位置处双击，即可实现对该通道的连续测量，在判别某些可疑电容时十分方便；高温老练过程结束后，双击LED指示灯，即可打开该指示灯所对应的电容器的充电电流曲线。图9 上位机软件界面3.2.2 串口通信程序设计本系统的上位机串口通信程序通过VC6.0 提供的通信控件MSComm 来实现。使用需要对MSComm 控件的一些主要属性进行设

15、置，例如使用CommPort设置端口号；利用Settings 属性设置波特率等。该程序可自动扫描可用串行端口并加入界面中的“端口”下拉列表框, 通信波特率设为9600BPS、8位数据位、1位停止位、无检验位。为了确保数据传输的可靠性，发送和接收数据时都必须遵循一定的格式或规范。表1、表2所示分别为上位机发送协议和接收协议。表1 上位机发送协议起始校验命令字数据字和校验上位机发送协议由四部分组成，起始校验、和校验用于确保数据传输的可靠性，命令字用于区分上位机发送给下位机的是参数设置指令还是测量指令，数据字用于在上位机发送测量指令时传递板号、通道号等信息。表2 上位机接收协议起始检验标志位板号通道

16、号数据字和校验上位机接收协议由六部分组成，其中标志位用于区分下位机返回的是设置完成确认信息还是测量数据信息，板号、通道号和数据字用于在测量状态下接受下位机发送的测量数据。4 系统测试及应用系统测试的主要目的是测定该系统判别结果的可靠性以及电流测量数据的准确性，为此，在某公司生产的CD294系列产品中，选用了一批规格为220uF/450V的电容器，对其老练的全过程进行了实时监控和测量，该型号电容器在恒流充电时的电流限定在2mA。常温老练前，在前80只电容器中人为、随机设定了4个异常点，分别是2只开路电容器、1只短路电容器和1只正负极性接反的电容器。在合理地设定了相关参数后，该系统即自动判别出52

17、和61号这两个电容器存在开路现象，标示为黄色同时发出故障报警声；随着电源电压的上升，系统又自动判别出13和57电容器存在短路或电容器极性接反的现象，显示为红色同时发出故障报警声（高频），其余正常电容均显示为亮绿色，测试结果如图10所示。经反复测试系统均能准确判别，各电容充电电流大小也能正确显示。此外在老练过程中系统提示的故障电容，经取出测量后均与系统判别结论相符，故障电容老练检出率达到100%。高温老练阶段完成后，双击电容指示灯，可显示出高温老练过程中电容电流的变化曲线及漏电流测量结果，如图11所示。 图10 测试页面 图11 高温老练阶段电流变化曲线5 结束语本文针对中高压大容量铝电解电容器老练过程效率低、成本高的问题，设计了一套可自动测量、监控、判别的全过程自动化智能型测试设备。通过该系统，用户可实时、定量、全面地掌握每个电容器在老练过程中的动态情况，及时发现并排除故障电容，系统还具有全过程老练电流曲线记录及漏电流大小测量功能，可作为批量电容器例行试验的测试设备。可以预期，该系统在相