【《高速铁路电磁继电器测试系统的软件设计案例分析》7300字】

PAGE45高速铁路电磁继电器测试系统的软件设计案例分析1.1软件开发平台Python介绍本实验装置的软件部分主要功能有对实验装置的控制功能和对实验数据的存储功能。而Python语言因其简洁性、易读性以及可扩展性，成为本测试系统软件部分开发的最优选择。Python的创始人为荷兰人吉多∙范罗苏姆[39]。Python不仅提供了高效的高级数据结构，还能使面向对象编程变得更加简单且更加有效。Python语法和动态类型，以及解释型语言的本质，使它成为多数平台上写脚本和快速开发应用的编程语言[40-43]。随着版本的不断更新和不断添加的新的语言功能，Python逐渐被更多的独立的、大型项目的开发系统所使用[44-46]。Python具有一个功能很强大的标准库。Python语言的构成十分简单，主要由数字、字符串、列表、字典、文件等比较常见的类型和函数组成。并且Python的标准库提供了许多额外的功能，如系统的管理功能、网络的通讯功能、文件处理功能、和数据库之间进行数据交互的功能、图形化系统功能、程序可视化功能以及XML处理等功能。Python的标准库命名规则简单清楚、可以用文档的型式直接打开，更方便直接学习和使用。Python的社区也提供了丰富的来自第三方的应用模块，调用模块的方法和调用标准库的方法相同。第三方应用模块的功能覆盖面很广泛，包括科学计算领域、网页的开发领域、和数据库之间进行数据交互的领域以及图形可视化领域等多个领域，并且基本所有的第三方应用模块都已经经过长时间的使用，模块性能成熟并且稳定。第三方模块直接使用Python语言或者C语言进行编写，借助于标准库内提供的大量工具，就可以使用低级语言比如C语言和可以成为其他库函数接口的C++语言。Python语言已经成为了一种强大的用来连接其他语言的中介语言。Python标准库的主要功能有：1）处理文本的功能，主要包括把文本格式化、对二进制数据进行处理等功能。2）处理文件的功能，主要包括对文件的基本操作、创建新文件、文件的压缩、操作和配置文件等功能。3）对系统的操作功能：主要包括线程与进程支持、调用系统函数等功能。Python程序的常用开发环境有：IDLE开发环境、PyCharm开发环境、SPE开发环境、Spyder开发环境等。本测试系统的软件程序选用的开发环境为PyCharm。PyCharm由著名的JetBrains公司开发，内部自带有一整套可以帮助用户在使用Python语言开发新系统时提高其开发效率的工具，比如调试工具、语法高亮工具、Project管理工具、代码自动跳转对齐工具、智能提示工具、自动完成工具、单元测试工具、版本选择工具。此外，该IDE还提供了一些更高级功能，以用于支持Django框架下的专业网页的开发功能。1.2测试系统功能设计点击“电磁继电器特性参数测试系统”的快捷登录图标，测试系统开始运行。首先打开的是测试系统的实验选择界面，如图1.1所示。选择实验模式，点击“确认”按钮进入相应模式的测试主界面。图4-1测试系统实验模式选择界面点击“电气特性参数测试模式”或“时间特性参数测试模式”，弹出“电气特性参数测试实验参数初始化”或“时间特性参数测试实验初始化”对话框，如图4-2（a）、（b）所示。（a）电气特性参数测试实验初始化界面（b）时间特性参数测试实验初始化界面图4-2测试系统实验初始化界面输入初始化参数后，点击“确定”按钮，进入“电气特性参数实验界面”或“时间特性参数实验界面”。如图4-3（a）、（b）所示。主界面左侧上半部分为波形显示部分，左侧下半部分为记录实验数据的表格，主界面右侧为实验控制区域以及实验状态显示部分。在测试系统主界面中，不仅可以随时控制实验开始、暂停或停止实验，还可以实时显示测量信号的波形，记录计算参数的表格也会实时更新。（a）电气特性参数测试实验主界面（b）时间特性参数测试实验主界面图4-3测试系统实验主界面主界面右侧的按钮4个按钮分别控制着系统的4个功能。“开始”按钮会按照执行系统启动时的初始化设置条件开始进行实验。“暂停”按钮会暂时停止实验，但实验次数并不清零，再次点击“开始”按钮后，实验会继续进行，实验次数继续累加。“停止”按钮会使实验终止，实验次数重新清零，再次点击“开始”按钮后，实验会按照上一次实验设置的初始化参数，重新开始测试实验，实验次数从0开始。如果需要更改实验条件，在停止实验后，点击“参数初始化”按钮重新设置实验参数后再点击“开始”按钮开始实验。采集卡采集程序和主程序为多线程运行，即采集卡程序和主程序一同独立运行，采集卡程序一直循环判断，等待主程序的信号。当点击“开始”按钮后，采集卡程序判断为真，开始执行采集任务，采集次数为主程序初始化中设置的实验次数，当实验次数变为零后，采集卡程序重新执行判断任务，直到等到主程序再次给予真信号，即再次点击“开始”按钮后，再次执行采集任务。采集卡程序如图4-4所示。每次程序读取采集卡采集到的数据后，都会清空采集卡的缓存空间来预防发生数据溢出错误，防止采集程序出现故障。图4-4采集卡采集控制程序采集卡采集到的电压、电流信号经过参数计算程序后，算出相应的电气特性参数或时间特性参数，计算参数会实时在表格中更新显示，并被存入数组，数组值到1000后，会自动写入文档中，生成以当前时间为文件名的excel文件，保存在程序所在的文件路径内。若测量次数不是1000的倍数，不足1000个的计算数据会在采集程序自动停止时，即程序判断到采集次数变为零后，将剩余计算值存入文档。存储程序如图4-5所示。图4-5数据存储程序1.3测试系统测试流程软件设计的主要目的是实现对8通道触点电压信号和线圈电压信号的采集和显示，并将结果写入文本文件中。软件程序通过调用库函数控制树莓派的硬件接口，实现软件系统对硬件系统的控制。当软件程序发出开始指令后，树莓派首先发送控制信号触发采集卡并控制DAC芯片输出电压信号以驱动电磁继电器动作，然后采集到的电压信号传回树莓派，软件程序对电压信号进行分析计算，最后进行数据存储和波形显示。详细流程图如图4-6所示。图4-6软件程序设计流程图1.4本章小结在确认了硬件部分的总体设计方案后，结合硬件电路的设计和参数的计算原理，基于Python开发平台完成了测试系统软件部分的设计开发，按照测试系统的功能流程图，完成了测试系统的主界面和相关子界面的设计，软件程序的主要功能有：1）选择实验模式：“电气特性参数测试模式”或“时间特性参数测试模式”。2）设置实验条件：电磁继电器充磁值、实验次数、采集卡采集模式、线圈电压值、线圈电压通断时间比。3）采集电压、电流数据的波形实时显示，计算数据在表格中的实时显示。4）计算数据按设定次数自动存储为excel文档。第2章测试结果及分析2.1电气特性参数测试实验结果分析图5-1为本实验所测试的型号为JWXC-1700的高速铁路电磁继电器工作值和释放值的测试结果。从图中可以看出，触点6的工作值最小，为12.57V；触点5的工作最大，为12.99V。触点5的释放值最小，为3.99V；触点4的释放值最大，为1.55V。实验结果表明，继电器各组触点对的工作值和释放值存在差异。同一电磁继电器的所有触点对理论上要求同时接触，但在触点系统的生产过程中，由于工艺的差异，导致继电器每组触点对在初始时的超程（常闭触点和动触点闭合后，常闭触点移动的距离）和开距（常开触点和动触点之间的距离）不同，如图5-2所示。图5-18对触点的工作值、释放值图5-2继电器触点对初始位置示意图2.2时间特性参数测试实验结果分析2.2.1额定电压下时间参数的测试实验当施加的线圈电压为额定电压24V时，连续进行6000次转换实验，得到8组触点对在闭合过程中动断时间、吸合时间的变化趋势，如图5-3（a）、（b）所示，在闭合过程中，以触点1为例，在图（a）中初始时其动断时间为126.30ms，第1000次实验时，动断时间下降到122.75ms，下降百分比为0.4%左右，第2000次实验的时候，动断时间下降到122.55ms，和第1000次动断时间相比，下降百分比为0.2%左右，在3000次实验后，动断时间稳定在122.45ms。图（b）中，触点1的吸合时间初始值为160.61ms，第1000次实验时，吸合时间增长到了161.25ms，增长百分比为2.2%左右，第2000次实验时，吸合时间增长到了161.72ms，和第1000次吸合时间相比，增长百分比为0.3%左右，在3000次实验左右，吸合时间稳定在161.78ms。分断过程中的释放时间、返回时间的变化趋势如图5-3（c）、（d）所示。在分断过程中，以触点1为例，在图（c）中其初始的释放时间为56.03ms，第1000次实验时，释放时间下降到52.49ms，下降百分比为0.9%左右，第2000次实验的时候，释放时间下降到52.37ms，和第1000次释放时间相比，下降百分比为0.2%左右，在3500次实验后，释放时间稳定在52.34ms。在图（d）中，触点1的返回时间初始值为59.78ms，第1000次实验时，返回时间减小到了59.62ms，下降百分比为0.2%左右，第2000次实验时，返回时间减小到了59.56ms，和第1000次返回时间相比，下降百分比为0.1%左右。在3500次实验左右，返回时间稳定在59.54ms。为更好的观察时间参数的变化趋势，对实验数据进行指数拟合处理，拟合公式为：（5-1）其中，常数t0为时间的稳定值、常数A值的正负表示时间曲线的下降和上升、常数B值为影响时间变化速度的主要参数，B值越大达到稳定值所需要的时间越短，C为常数，x为实验次数，e为自然对数的底数。（a）8对触点的动断时间变化趋势（b）8对触点的吸合时间变化趋势（c）8对触点的释放时间变化趋势（d）8对触点的返回时间变化趋势图5-3额定线圈电压等级下时间参数的变化趋势当x=1时的t值定义为时间的初始值，当t值为t0的99.98%时即认为时间已达到稳定，此时的x值为动断时间的稳定点。根据拟合公式分析计算出8组触点对的时间变化如表2所示。以动断时间为例，从表2中可以看出，触点5的动断时间初始值和稳定值最大，触点6的动断时间初始值和稳定值最小。触点5的B值最大，触点1的B值最小，动断时间稳定点从大到小的触点顺序为：1>2>8>4>7>6>3>5。结合图5-3和表2可以看出，随着实验次数的增加，8组触点对的动断时间、释放时间、返回时间总体呈现先下降后稳定的趋势；吸合时间总体呈现先增长后稳定的趋势。表28组触点对时间参数的变化触点对序号12345678动断时间初始值t0(ms)126.34121.24122.86121.13127.51121.92122.36121.66动断时间稳定值(ms)122.47123.34121.47123.31126.28120.91121.08123.82动断时间稳定点31392795174124131505177823242445拟合曲线B值(10-3ms)1.2041.3432.4351.5972.7382.1081.7231.396吸合时间初始值t0(ms)160.61160.95160.38159.00161.25158.93159.18159.71吸合时间稳定值(ms)161.78162.12161.53163.39162.39163.10163.83161.10吸合时间稳定点25582551291626662540289222422548拟合曲线B值(10-3ms)2.0892.0941.7812.0462.1181.7832.4912.117释放时间初始值t0(ms)56.0256.1656.0557.8652.3856.3156.1656.00释放时间稳定值(ms)52.3452.4452.7856.3452.0852.8452.9752.64释放时间稳定点24332289185915621140273012622803拟合曲线B值(10-3ms)1.4501.5141.6821.9362.7121.3942.5011.357返回时间初始值t0(ms)59.7860.1960.5760.1459.1261.2059.4059.96返回时间稳定值(ms)59.5359.8360.3159.8758.8760.4859.1859.71返回时间稳定点2369196412431145154437143916801拟合曲线B值(10-3ms)1.0631.4712.0752.0891.6490.8810.6023.404触点对位置随实验次数的变化过程示意图如图5-4所示。在每次闭合过程中，由于超程的存在会使静触点的簧片产生形变：常开静触点位置向上偏移，常闭静触点位置向下偏移。初始时，簧片的形变程度相对较大，随着实验次数的增加，簧片形变逐渐减慢，最后达到稳定状态。触点的吸合时间为动断时间和转换时间的和，由于线圈电压不变，推杆的运动速度不变，所以转换时间为一定值，当动断时间减少时，吸合时间仍呈增长的趋势，这说明常开静触点和动触点的闭合时间的增加大于常闭静触点和动触点的分离时间的减少，即常开静触点簧片的形变程度大于常闭静触点簧片的形变程度。随着常开静触点的位置向上偏移，触点对闭合超程相对减小，触点释放过程的位移减小，所以常开静触点和动触点的分离时间变短，释放时间会呈现减小的趋势；随着常闭静触点的位置向下偏移，触点返回过程的位移增加，导致常闭静触点和动触点闭合时间增加，由于常开静触点簧片形变程度大于常闭静触点簧片形变程度，所以常闭静触点闭合时间的增加小于常开静触点分断时间的减小，导致返回时间呈减小的趋势。（a）初始状态（b）闭合过程（c）闭合结束状态（d）分断过程（e）分断结束状态（f）触点对变化方向图5-4触点位置的变化趋势从图5-3中可以看出，不同触点对之间的动断、吸合、释放、返回时间均存在差异。以触点1和触点2为例，图5-5中画出了闭合、分断过程中它们的触点电压波形。为了研究各组触点之间时间的差异性，将同一次实验中，动断时间最长的触点对的动断时间定义为，动断时间最短的触点对的动断时间定义为，将和差值定义为此次实验的动断时间齐度。吸合时间齐度、释放时间齐度、返回时间齐度同理，如公式（5-2）所示。（5-2）（a）闭合过程（b）释放过程图5-5时间齐度典型波形时间齐度的变化趋势和对应时间参数的变化趋势有关。由图5-3（b）和表2可知，触点5的吸合时间最长，触点6的吸合时间最短,初始时触点5的上升速度大于触点6的上升速度，导致吸合时间齐度在实验初始时迅速增加，随着实验次数的增加，触点5和触点6的吸合时间逐渐达到稳定值，吸合时间齐度也随之保持稳定；同理，由图5-3（a）、（c）、（d）和表2可知TDmax、TSmax、TFmax的下降速度大于TDmin、TSmin、TFmin的下降速度，所以动断时间齐度、释放时间齐度、返回时间齐度在实验初始时快速下降，随着实验次数的增加，逐渐达稳定。时间齐度随实验次数的变化趋势如图5-6所示。图5-6时间齐度随实验次数的变化趋势2.2.2非额定电压下时间参数的测试实验不同线圈电压等级下，触点闭合过程中的动断时间、吸合时间和分断过程中的释放时间、返回时间的变化趋势如图5-7（a）-（d）所示。线圈电压额定工作值为24V，实验A测得线圈的临界工作值为13V。当线圈电压从24V减小到13V时，触点对的动断时间随着线圈电压的下降而非线性增加如图5-7（a）所示，图（a）中动断时间最快的为触点6，最慢的为触点5。触点6在线圈电压为24V时，动断时间为121.36ms，线圈电压为13V时，动断时间为362ms，动断时间增长了3倍左右；触点5在线圈电压为24V时，动断时间为128.56ms；线圈电压为13V时，动断时间为678.96ms，增长了5倍左右。触点对的动断时间随着线圈电压的下降而非线性增加，且不同的触点对增长速度不同。触点对的吸合时间随着线圈电压的下降而非线性增加如图5-7（b）所示，图（b）中吸合时间最快的为触点6，最慢的为触点5。触点6在线圈电压为24V时，吸合时间为161.72ms，线圈电压为13V时，吸合时间为723.04ms，增长了1.5倍左右；触点5在线圈为24V时，吸合时间为161.4ms，线圈电压为13V时，吸合时间为762.36ms，增长了1.7倍左右。触点对的吸合时间随着线圈电压的下降而非线性增加，不同触点对增长速度不同，但增长速度差异不大。触点对的释放时间随着线圈电压的下降而非线性减少如图5-7（c）所示，图（c）中释放时间最快的为触点5，释放时间最慢的为触点4。触点5在线圈电压为24V时，释放时间为52.92ms，线圈电压为13V时，释放时间为40.24ms；触点4在线圈电压为24V时，释放时间为57.28ms，线圈电压为13V时，释放时间为41.28ms。触点对的释放时间随着线圈电压的下降而非线性减少，不同触点对的下降百分比均为28%左右。图（d）中返回时间最快的为触点5，返回时间最慢的为触点6。触点5在线圈电压为24V时，返回时间为59.84ms，线圈电压为13V时，返回时间为43.44ms；触点6在线圈电压为24V时，返回时间为61.52ms，线圈电压为13V时，返回时间为41.8ms。触点对的返回时间随着线圈电压的下降而非线性减少，且不同触点对的下降百分比均为27%左右。线圈电压等级的减小，对触点对动断时间的影响最大。（a）8对触点的动断时间（b）8对触点的吸合时间（a）8对触点的释放时间（b）8对触点的返回时间图5-7不同电压等级时间参数的变化趋势衔铁的吸力会随着线圈电压的下降而下降，即推杆的力在减小，导致触点的动断、吸合时间变慢。推杆的力在减小时，触点运动超程减小如图5-8所示，触点总运动距离变短，导致释放时间和返回时间随着线圈电压的减小在变快。当线圈电压小于线圈的工作值时，触点将无法分断闭合，释放时间和吸合时间会变为零。图5-8不同电压等级对闭合过程超程的影响改变线圈电压等级时，以触点1为例其时间参数随实验次数的变化趋势如图5-9（a）-（d）所示。当线圈电压为24V时，触点1的动断时间从121.18ms缓慢下降，到第2884次实验时动断时间达到稳定，稳定值为123.35ms，下降百分比为0.7%左右；吸合时间从158.78ms缓慢增长到162.86ms，稳定点为第3123次实验，增长百分比为2.5%；释放时间从59.84ms缓慢下降到59.14ms，下降百分比为1.2%，稳定点为第1722次实验；返回时间从61.26ms缓慢下降到60.67ms，稳定点为2843次实验，下降百分比为0.9%。用公式（5-1）对实验数据进行拟合处理，结果如表3所示。从表3中可以看出，当线圈电压为24V时，触点1的动断时间初始值和稳定值之差为0.85ms；吸合时间初始值和稳定值之差为1.1ms；释放时间初始值和稳定值之差为0.74ms；返回时间初始值和稳定值之差为0.59ms；当线圈电压为13V时，动断时间初始值和稳定值之差为0.03ms；吸合时间初始值和稳定值之差为2.31ms；释放时间初始值和稳定值之差为0.09ms；返回时间初始值和稳定值之差为0.01ms。同一个触点对的动断时间、吸合时间、返回时间、释放时间随着电压的下降变化趋势逐渐变缓。当线圈电压下降时，推杆的推力减小，动触点运动速度、路程均减小，常开静触点、常闭静触点簧片的形变程度相对变小。线圈电压为13V时，继电器处于临界工作状态，推杆运动产生的力几乎不引起静触点簧片的形变，即触点超程相对线圈电压为24V时减小很多导致时间参数几乎呈不变的趋势。（a）动断时间的变化趋势 （b）吸合时间的变化趋势（c）释放时间的变化趋势（d）返回时间的变化趋势图5-9不同线圈电压等级下触点1时间参