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【關鍵詞】 電力系統 電流傳感器 繼電保護

前言：隨著我國科學技術的快速發展，在電網的等級和壓力不端增大時，對與電網的繼電保護有了新的要求。在繼電保護中，要求對互感器具有較為敏捷的反應速度。這樣才能將故障的數據信息真實的反映出來，進而使得繼電保護裝置能在暫態過程中，做出正確的動作。從目前技術的層面來看，電流傳感器能有效的應對這樣的問題。

一、電流傳感器簡介

在電流傳感器不斷發展的過程中，第二代的電流傳感器在實際的應用中較為廣泛。第二代的電流傳感器是一種三端口的電流型有源集成器件。與上一代相比，在其基礎之上，增加了緩沖器、電流鏡以及電流模等，通過新技術和就技術的有效融合，提高了動態的范圍，同時，電路結構簡單，運轉的速度較高，功率較低等優勢。所以，如若將會電流傳感器與其他電子器件進行重新組合。則可以形成其他的電路結構，進而實現電流器得到廣泛應用，從而設計出性能較好的模擬電路。

二、電流傳感器在繼電保護中的可行性研究

在我國電力工業的不斷發展過程中，對電力系統的要求越來越高。但傳統的傳感器在使用時，存在很多的問題和不足之處。例如，以往使用的絕緣材料的結構都比較復雜，并且體積也相對較大，成本也比較高。而電流傳感器的出現為改變這一現象提供了一定的技術支持。電流傳感器具有廣泛的使用前景，是電力技術未來發展的主要方向之一。電流傳感器在整個電力系統的監控方面具有很大的作用，對于電力系統實現設備的自動化化具有一定的影響。新研制出的傳感器克服了傳統傳感器質量體積大、抗干擾能力弱等缺點，優化電力系統的安全運行，節約電力系統的運行成本。

在我國計算機技術和控制技術發展的進程中，電力運行系統中的繼電保護裝置也達到了微機化控制的要求，使繼電保護控制設備日趨小型化，這也要求了與其相關的設備接口要做出相應的改變，以滿足繼電保護設備對于接口的要求。而電流傳感器正滿足上訴的要求，相較于其他的控制設備，電流傳感器具有十分明顯的優勢。除了滿足基本的設備連接要求，其本身具有的良好兼容性、簡便性等方面都要比傳統的設備更加的優秀，并且更加的節約成本。而且利用電流傳感器進行繼電保護滿足技術上的要求，可以進行推廣和廣泛的使用。

三、電流傳感器在繼電保護中應用

3.1電流傳感器和繼電保護接口

電流傳感器是電力系統中的檢測裝置，能將檢測到的電流信息，按照設定的方式將這些數據信息進行傳送，進而滿足對電力系統中，電流信息的存儲、顯示、記錄以及控制的需求。在應用到繼電保護中，電流傳感器不僅是提供光信號和電信號。同時能將光信號和電信號進行有效的結合[1]。在科學技術不斷發展的過程中，新型的電流傳感器增加了輸出端口，在原有技術的基礎之上，增加了電子模塊，這樣的方式有利于拓展繼電保護的應用和推廣。同時，還減輕了電流傳輸器的自身的質量，增強了使用的效率。

3.2電流傳感器對繼電保護的影響

電流傳感器對于繼電保護產生的影響主要體現在以下幾個方面，其一是，促成了電路保護方面的探討。現今在我國電器市場中，關于繼電保護的商品有較多，其各自的工作原理也具有多樣化，最基本的工作原理就是濾波。這樣就會產生延遲，對電力資源的消耗極大。因此，為了保障電力系統中電流的正常運轉，就要對故障進行科學系統的分析，對電路的高速運轉進行保護。其二是電流傳感器能提高對繼電保護的可靠性[2]。以往的電流傳感器在使用的過程中，基于其自身的局限性，很多情況下沒能使繼電保護作出正確的動作，這就產生了不平衡。而新型的電流傳感器的容量較大，能對電流大規模的動態范圍進行保護，這就在很大的程度上提高了繼電保護的可靠性。

四、結論

在電力系統中，電流感應器能對電流屬性進行感知，并對具有特殊性的電流狀況反饋給電力系統中的繼電保護中。通過本文的論述得知，在第一代的電流傳感器對繼電保護的中，還存在一定的問題，而第二代的電流傳感器能彌補其中的不足。隨著科學技術的不斷進步，電流傳感器對電力系統中繼電保護起到重要的推動作用。

參 考 文 獻

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關鍵詞：漏電流傳感器；檢測精度；數字化處理。

中圖分類號：TP334 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）27-0245-03

Abstract： n this paper， a new type of digital leakage current sensor based on STM32 platform is developed. It is in a high precision simulation based on leakage current sensor by digitization and improvement， using CAN bus for data communication， real-time display clear， has the ability to meet the independent and comprehensive treatment of treatment with multiple other the same sensor， accurate detection， response fast， safe and reliable data communication lines. Is a kind of current advanced digital sensor for leakage current.

Key words： Leakage current sensor； detection accuracy； digital processing.

鐵路電氣化的普及，電氣設備使用過程中的電氣安全問題也越來越多，主要體現在電氣設備的絕緣特性與漏電檢測上。為了設備的安全使用，必須執行嚴格的絕緣和漏電的技術要求。從而避免因為絕緣不過關或者漏電而引起安全事故。本文采用STM32平臺，利用CAN總線通訊，研制了一款新型數字化漏電流傳感器。相比于之前的模擬傳感器，本次設計采用數字化設計，通訊利用CAN總線，顯示實時清晰，具有獨立處理和與其他多個同樣的傳感器進行配合綜合處理的能力，經過軟硬件設計和實驗測試，本傳感器檢測精度高、檢測快速，錯誤率低。具有較好的應用價值。

嵌入式系統漏電流傳感器在機車中為實現對漏電流的檢測，最終實現自動控制。其最主要特征是能快速、準確檢測和轉換，傳遞出檢測的數字信息，供計算機系統分析處理。國外嵌入式系統傳感器應用較早，技術較為成熟，但由于傳感器應用廣，要求各異，市場需求旺盛。基于STM32平臺的CAN總線車載式漏電流傳感器的研制就是這樣背景產生的。

1 系統原理

其系統的原理圖圖如圖1所示。

由圖可以看出多個基于STM32平臺的CAN總線漏電流檢測數字傳感器通過CAN總線連接，通信線串接在一起，極大地減少線數；同時A/D轉換在STM32處理器內部，減少傳感器硬件內部的分塊。

基于STM32平臺的CAN總線漏電流檢測數字傳感器主要檢測參數：檢測漏電流的范圍是 0～300mA ，檢測精度為1% ，線性度為1%。其系統整體接線設計圖如圖2所示。

2 硬件系統設計

系統采用單片機進行系統設計，通過對STM32單片機芯片的使用，熟悉了CORTEX-M3內核的處理器， ARM Cortex-M3是一種基于ARM7v架構的最新ARM嵌入式內核，它采用哈佛結構，使用分離的指令和數據總線（馮諾伊曼結構下，數據和指令共用一條總線）。從本質上來說，哈佛結構在物理上更為復雜，但是處理速度明顯加快。根據摩爾定理，復雜性并不是一件非常重要的事，而吞吐量的增加卻極具價值。除了使用哈佛結構， Cortex-M3 還具有其他顯著的優點：具有更小的基礎內核，價格更低，速度更快。與內核集成在一起的是一些系統外設，如中斷控制器、總線矩陣、調試功能模塊，而這些外設通常都是由芯片制造商增加的。 Cortex-M3 還集成了睡眠模式和可選的完整的八區域存儲器保護單元。它采用 THUMB-2指令集，最大限度降低了匯編器使用率。

系統采用CAN通訊的方式，CAN 的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。

漏電流測試儀前期購買帶CAN總線接口的STM32開發板，這樣節約開發周期，和降低前期的開發風險。在開發板上調通CAN通訊之后，再根據模擬量傳感器的實際大小，加裝一個小的數據處理單元。完成模擬量采集和CAN通訊。

整個通訊框架由主機實時對各個子模塊進行輪詢。每個子模塊有其單獨的通訊地址，保證數據不沖突。采用CAN總線進行信息傳遞避免了導線過多而帶來的故障。

3 系統軟件設計

本項目后期測試軟件，采用成熟穩定的軟件開發平臺開發，結合電力機車行業中的實際應用和實際使用過程中得到的反饋意見，不斷完善功能，操作方便簡單，功能完備。軟件架構設想，如圖2所示。

4 裝置與實驗

系統設計為一臺裝置主機、多個數字傳感器及相關電纜組成。

裝置主機：由DC110V電源電路 、液晶顯示屏、主控制板、數據轉存單元及人機界面等組成，如圖4所示。

實驗流程：

A、主從機和漏電流傳感器都相應的接好電源接口和CAN通訊接口。

B、取一組待測漏電流的線，把正電流那根線按漏電流傳感器指示的方向穿過，在串入電流表，接入負載（適當接地以模擬漏電實驗）后再負線穿過漏電流傳感器返回。

C、啟動電源和模擬負載及電流表，查看電流表的數據和漏電流檢測裝置的顯示屏數據，進行對比即可看出當前實際的漏電流值。至此實驗完成。

如：測量實驗記錄如表1所示。

5 結論

本項目設計的數字漏電流傳感器經過原理分析，硬件設計與軟件設計，然后經過實際的漏電流檢測，數據表明，檢測準備，精度高，檢測方便，該數字式漏電流傳感器具有良好的應用推廣價值。

參考文獻：

[1] 王大力.基于CAN總線電動車混合制動系統[J].儀表技術與傳感器，2013（11）：108-110.

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[4] 陳志旺.STM32嵌入式微控制器原理，應用技術[M].電子工業出版社，2012.

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關鍵詞：光伏水泵系統；直流無刷電機；反電勢；過零點識別電路；三段式起動

引言

近年來，隨著電力電子器件及控制理論的迅速發展，永磁直流無刷電機以其高效性，良好的調速性，易于維護性而得到了廣泛的應用。傳統的永磁直流無刷電機往往采用位置傳感器來確定轉子的位置，這不僅增大了電機的安裝體積，增加了成本，而且降低了電機的可靠性。目前，無傳感器直流無刷電機一般采用三段式起動方式，起動轉矩在開始起動時比較小，并且有脈動，對于有起動轉矩要求的系統存在著局限性，而在中小型太陽能光伏水泵系統中，負載轉矩是隨著轉速的增加而增加的，不計摩擦力，在靜止時負載轉矩為零，所以，直流無刷電機可以應用于光伏水泵系統，并且整個系統是直流的，無須逆變，那么，在光伏水泵系統中應用直流無刷電機，對于提高系統效率,簡化系統裝置就具有重大的意義。

1光伏水泵系統簡介

光伏水泵系統由光伏陣列，控制器，電機，水泵4部分組成。光伏陣列由許多太陽電池串并聯構成，直接把太陽能轉化為直流電能。目前所用的太陽電池都為硅太陽電池，包括單晶硅、多晶硅及非晶硅太陽電池。由于光伏陣列的輸出伏－安特性曲線具有強烈的非線性，而且和太陽輻照度、環境溫度、陰、晴、雨、霧等氣象條件有密切關系,所以，如果要使光伏水泵系統工作在比較理想的工況，就需要用控制器去調節、控制整個系統。電機是用來驅動水泵的，由于電機的功率因數及電壓等級在很大程度上受到太陽電池陣列的電壓等級和功率等級的制約，因此，對水泵揚程、流量的要求被反映到電機上，往往在兼顧陣列結構的條件下專門進行設計。對于要求流量小、揚程高的用戶，宜選用容積式水泵；對于需要流量較大，但揚程卻較低的用戶，一般宜采用自吸式水泵。

2單片機M68HC908JK3ECP介紹

這是Motorola公司的8位單片機家族中的成員之一，同樣具有高性能，低成本的優點。它內嵌4k閃速存儲器FLASH，128字節RAM；具有10個通道的8位精度ADC模塊，15個I/O端口；時鐘模塊具有輸入捕捉，輸出比較及脈寬調制等功能，能滿足系統要求。

3無傳感器直流無刷電機控制原理

無刷電機的定子為三相對稱繞組，采用兩相通電方式時控制電路按照一定的順序向定子的兩相通入直流電流，產生定子磁勢Fa；轉子為永磁材料，產生磁勢Ff，通過兩者的相互作用，可以產生電磁轉矩T=FaFf|sinθ|，顯然，當θ=60°～120°時，平均電磁轉矩最大。故檢測轉子磁勢位置時，當定轉子磁勢夾角為60°時，三相繞組中的某兩相導通，轉過60°時，其中一相的功率管關斷，另一相中的功率管導通。這樣，保證定轉子磁勢夾角為60°～120°，達到轉矩最大的目的。由于每次轉過60°只關斷一個功率管，故每個功率管導通角度為120°，這種方式為120°導通方式。

主電路采用三相全控橋，如圖1所示。圖2為三相6拍工作方式下典型的相電壓反電勢波形圖。由圖2我們可以清楚地看到，在該相懸空狀態（過零點前后30°區域）下，繞組感應反電勢按正弦規律變化，平頂部分為繞組通電激勵時逆變換相主電路電壓鉗位引起的。換相點發生在過零點后30°，使用反電勢法來實現電子換相，就是在過零點檢測電路檢測到過零點后30°進行換相。三相6拍工作方式下，導通次序為S1，S2－S2，S3－S3，S4－S4，S5－S5，S6－S6，S1－S1，S2。基于反電勢的電子換相方法有多種，如“1/2母線電壓比較法”、“端電壓比較法”等，但這些測量方法都存在抗干擾能力弱的問題，特別是在PWM調制情況下，測量時必須采取專門措施避開或抑制干擾，增加了控制電路的復雜性，并且可能產生換相滯后。采用“虛擬中點法”可以解決以上問題，并且在PWM調制情況下，其開關噪聲不會影響相繞組的過零測量，檢測電路也較簡單。

在靜止或低速狀態下反電勢值為0或很小，無法用反電勢法來判定轉子的位置，通常采用三段式起動方式來解決這個問題，即先按他控式同步電機的運行狀態從靜止開始加速，當達到一定的轉速時再切換到反電勢法控制狀態，包括轉子定位，步進起動和自由切換三個階段。轉子定位時首先導通兩個功率管，一般來說先導通S6及S1，一定時間后就完成轉子的初始定位。步進起動時從初始位置開始，按前面的導通次序依次導通各功率管，但導通時間按一定規律遞減，以達到提速的目的。步進起動結束后進行自由切換，保證換相的正確性，同時，PWM斬波使直流側電壓逐漸加到主電路上，使無刷電機的轉速按控制要求加速，相當于電機轉速的軟起動過程，這樣就避免了電機在起動初期會產生大電流，減少了對主電路的沖擊，延長了功率管的壽命。

4系統實現

系統硬件電路由主電路、驅動電路、過零點檢測電路、采樣電路、各種保護電路組成。過零點檢測電路檢測到過零信號，并把過零信號送到JK3單片機的捕捉口，JK3單片機接收到過零信號，由軟件計算出延遲時間，并在延遲時間到后發出換相脈沖信號，經驅動電路轉換為驅動信號去驅動各功率管，這樣就實現了單片機對直流無刷電機的控制。保護電路主要有過電壓充電保護，低水位保護。

系統軟件采用模塊化設計，包括初始化模塊，PWM中斷模塊，捕捉中斷模塊，采樣保護模塊。PWM中斷模塊實現了無刷電機的步進起動，自由切換運行。PWM中斷模塊的流程圖如圖3所示。

初始化模塊主要完成程序所用變量的初始化，PWM中斷初始化，捕捉中斷初始化，發初始定位脈沖；捕捉中斷完成反電勢過零點的捕捉及換相周期的確定；采樣保護模塊主要用來采集直流側電壓和電流，以及判定和處理故障。實驗數據證明，換相時刻的準確性和相位跟蹤的快速性對電機控制的性能影響極大，電子開關的準確換相點每次都在該相不激勵繞組的反電勢過零后30°的電角度位置，由于電機的運行是變速運行，換相周期是變化的，所以并不能準確確定延遲30°電角度的換相時間，只能根據前若干個換相周期的變化趨勢，對該次換相時刻進行合理有效的濾波和預估，有數字濾波和鎖相跟蹤兩種方式。

圖4為系統正常運行時測得的線電壓波形，毛刺部分是由PWM斬波和換相引起的。從圖中可以看出，電壓波形比較接近于理想情況，說明換相點準確，從而驗證了對整個系統控制思想是正確的。

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關鍵詞：光纖光學；光學電流傳感器；超磁致伸縮材料；光纖光柵

1 引言

與傳統的電磁式電流傳感器相比，光學電流傳感器具有抗電磁干擾能力強，絕緣性強、頻帶寬和動態范圍大等特點，受到了廣泛的關注。其中，將GMM與FBG結合作為傳感器對電流進行檢測的方案具有線性度好，可遠程操控等優點，具有重要的應用價值[1-4]。本文設計了一種GMM-FBG結構的電流傳感器，利用MI對FBG波長信息進行解調，實現對交流電流信號的檢測。

3 實驗結果和分析

3.1 系統設計

傳感實驗裝置由寬帶光源ASE、傳感系統、解調系統和數據采集系統組成，如圖1（1）所示。ASE平坦區波長范圍為1535nm～1565nm。匯流排作為激勵源，硅鋼片對磁場回路進行限制。為避免GMM發生倍頻且工作在線性區，核心傳感部件中加入可提供直流偏置磁場的永磁體。如圖1（2）所示， FBG通過永磁體中的光纖毛細管埋入GMM中，兩端用環氧樹脂膠將FBG與傳感基座固定，避免核心傳感部件的封裝會對FBG柵區產生影響。解調部分的MI則由一個2×2單模光纖耦合器與微位移器構成。

3.2 實驗結果分析

將交流電流的幅值從100A到2000A逐漸增大，從圖2可知PD輸出的電壓信號和待測電流幅值進行線性擬合后，得到線性相關性為99.91% 。

由于以上實驗數據均建立在系統不受周圍環境溫度影響的基礎上，因此在下一步工作中，我們將增加一個參考的光纖光柵抵消溫度的影響。

4 結語

在本文中，設計了一種基于GMM-FBG結構的便于封裝的光纖電流傳感器。實驗結果表明，在電流幅值為100A ～2000A時，傳感器輸出信號值與被測交流電間成線性關系。該電流傳感系統結構簡單，易于封裝，并具有成本低，方便實現與調試的優點。

參考文獻：

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[2]Klaus Bohnert， Philippe Gabus， Jürgen Nehring， et al. Fiber-Optic Current Sensor for Electro-winning of Metals[J].Journal of Lightwave Technology， 2007，25（11）：3602-3609.

[3]劉杰，趙洪，王鵬.基于DFB激光器解調技術的光學電流互感器[J].光電子-激光，2011，22（12）：1789-1792.

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【關鍵詞】新型電流電壓 傳感器技術 應用

變電站是電力行業在發展過程中重要組成部分，其在實際運行過程中主要通過微處理技術、自動控制技術和網絡通訊技術的進行，只有這樣才能保證變電站在運行過程中滿足一些二次設備合理、有效運行而提出的一種模式。隨著社會不斷的發展，我國經濟水平逐漸提高，電力行業發展迅速，這對于變電站自動化管理來說提供了很大的幫助。現階段，我國變電站在發展過程中主要以模塊管理的形式進行發展，并對其中的核心危機繼電保護的機箱總線到單板總線進行合理管理，只有這樣才能保證變電站運行時的穩定性、安全性，并保證其在傳感技術中得到廣泛的應用。

一、電壓電流互感器在電力系統中的作用

網絡技術和計算機技術的快速發展，為電力行業中的繼電保護和變電站自動化的發展提供了很大的幫助，尤其是網絡技術的發展將變電站以自動化的形勢發展下去，并將其中的電力設備進行創新、完善，尤其是新型的電流電壓傳感器的出現，對于變電站自動化技術與繼電保護技術的發展提供了很大的幫助。

電力行業是促進我國經濟快速發展的重要產業之一，在國民經濟中占據著非常重要的地位]。隨著社會不斷的發展，人們的生活水平逐漸提高，對于電力的使用需求也越來越高，電力系統中的額定電壓和額定電流都在逐漸提升，而原有的電壓電流傳感器已經不能跟上社會發展的腳步，滿足社會的需求，只有將其不斷的創新、完善才能從根本上解決這一問題，改變這一現狀就應該將現有的傳感器進行創新、完善，產生全新的高壓設備，而電壓電流互感器就是高壓設備中的一種。

二、光纖電流電壓傳感器技術的應用

光纖電流電壓傳感器是一種全新的傳感技術，在其發展初期，主要通過一些空間光路或者玻璃棒的形式進行傳播，并將其安裝在220kV的電網上進行傳播。在其傳播過程中還可以有效的將高壓電流測量裝置中的信息體現出來，只有這樣才能方便人們操作。隨著社會不斷發展，光纖技術越來越成熟，光纖技術在電壓電流傳感器中的應用主要通過連接的形式節能型操作，并通過發電機組的電流裝置將其中的電流進行測量。而近年來，光纖電壓電流傳感器技術在運行過程中主要以一些具有一定物質基礎的產品進行奠定，尤其是光電晶體的發展，使我國的電流電壓傳感器技術水平逐漸提升，并為該技術提供了對應的關鍵敏感元件，并通過晶體的形式進行操作，從而保證電流電壓傳感器的運行安全。另外，光纖電流電壓互感器在運行過程中的主要優點有絕緣性、成本低、低危險等特點，可以在變電站中得到廣泛的應用。

光纖電流電流互感器在運行過程中主要通過一些常規的電磁式CT在原有的傳感器中進行操作，而電磁式CT利用電磁的耦合性質進行操作，只有這樣才能形成一個全新的正比電流，并將其中的信號能源應用在對應的電流中。現階段，光纖電流電壓傳感器在運行時其中的光纖電流互感器主要通過二次信號的形式將其中的源以一個獨立的形式體現出來，從而保證電流電壓傳感器的運行安全。另外，對于一些包含多種原理的傳感器來說，在其運行過程中主要通過一些指定的OCT安培定律進行操作，并利用Faraday光磁效應運行，只有這樣才能將其中的測量圍繞電流中的光學環路內磁場以一個全新的形式體現出來。

三、組合式電流電壓傳感器技術的應用

組合式電流電壓傳感器是一種具有一定的抗阻式的分浩鰨其主要通過一些線圈和繞組制造，在實際運行過程中可以有效的提高傳感器的整體傳播效率與準確性。如果組合式電流電壓傳感器在運行過程中出現一些不確定的來源，其主要原因是：溫度變化、搭配出錯、受其他電流影響、初級導體的非無限長度等問題。要想從根本上解決這些問題，保證在組合式電流電壓傳感器的運行安全就應該利用一些體積較小的物理溫度系數的特殊材料將其中的穩定進行降低，只有這樣才能保證該溫度達到了制定的傳播問題；當傳感器裝配出錯時，可以通過一些機械的安裝的形式進行處理，并將傳感器中的電流轉移到對應的設備中，從而減少裝置出錯的現象發生；串擾，當其中的電流測量數值較少時，可以通過傳感器中的設計方式將其中的數值進行縮小，只有這樣才能保證傳感器在運行過程中防止出現一些干擾的現象發生。組合式電流電壓傳感器在運行過程中主要有準確的高、兼容性強、尺寸小等優點，可以在變電站自動化中得到廣泛的應用。

在電力系統運行過程中，需要根據其運行現狀制定對應的電流電壓傳感器制定出對應的運行設計方案，只有這樣才能保證電流電壓傳感器在運行過程中的安全性、穩定性。本文對新型電流電壓傳感器技術的應用進行了簡單的研究，文中還存在著一定的不足，希望我國專業技術人員加強對其的研究。

參考文獻：

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電控汽車的電能管理系統實際上包括上游和下游2個部分。其中，上游部分對汽車電源設備(包括發電機和蓄電池)的輸出進行控制和調節，下游部分則是指對用電設備的棄用和集中控制。

一、車載電能管理系統的工作原理

車載電能管理系統是利用汽車原有的發動機控制模塊(ECM)、車身控制模塊(BCM)和儀表控制模塊等，再通過車載局域網絡這一平臺，形成一個電源閉環控制系統，并由網關指揮，從而實現智能供電和節能功能。

車載電能管理系統具有以下主要功能：

(1)全面監控蓄電池的性能參數，包括放電電流(I)、端電壓(V)、電解液溫度(T)、電容量以及充電電流等。

(2)對用電負荷采取分級放電管理方式。適時關閉可以暫時停用的舒適系統(如空調)的用電，保證蓄電池至少具備啟動發動機的電容量，滿足車輛急加速工況的需求，從而提高整車的燃油經濟性。

(3)當蓄電池的輸出電壓較低時，適當提高發動機的轉速，實現高效、即時控制發電機的輸出電壓。

(4)在不縮短蓄電池使用壽命的前提下，根據蓄電池的充電狀態和電解液溫度，控制發電機合理的充電電流，實現蓄電池的快速充電。

(5)有的車載電能管理系統還用來控制發動機的啟動／停止系統。如果蓄電池的SOC(荷電狀態)值顯示蓄電池的電量不足，使發動機的智能啟動／停止系統暫時不工作。

(6)在儀表盤上即時顯示對電源(蓄電池和發電機)系統的診斷和監控信息，以提醒相關人員注意。

車載電能管理系統的節能控制，是基于汽車上所有用電器同時運行的情況偶然才會發生，因此電源設備的功率設計可以取平均載荷而不是最大載荷，這樣設計能夠顯著地提高汽車的燃油經濟性，并減小汽車的整備質量。

當車載電能管理系統檢測到蓄電池的容量小于一定值時，系統將采取“棄用集中控制”方式，首先考慮那些關乎汽車基本功能的系統(如點火系統)對電能的需求，而像舒適系統等只好置于次要地位。另外，當駕駛人希望汽車達到比較大的加速度時，就關閉或者調小舒適系統的用電，如調小空調鼓風機的轉速，或者調低座椅加熱器的溫度等。二、車載電能管理系統對發電機的控制

對于電控汽車來說，影響發電機輸出電壓的因素包括蓄電池的容量、發動機電控單元(ECM)以及外界溫度等。如果ECM監測到蓄電池的電壓過低，會自動提高發動機的轉速，以此來提高發電機的輸出電壓，為蓄電池提供足夠的電量。

車載電能管理系統對發電機的控制，主要通過控制進入勵磁線圈電流的占空比，調節勵磁電流的大小，從而控制發電機的輸出電壓。采用專門的電能管理系統以后，凌志430轎車發電機的磁場電流占空比的頻率為150Hz，磁場電壓可以從0一直調節到8V，發電機的輸出電壓明顯提高，從而提高了供電量和對蓄電池的充電效率。

下面以通用林蔭大道轎車為例，說明電能管理系統對發電機輸出電壓的控制過程。

(1)車身控制模塊(BCM)接收蓄電池端電壓、電解液溫度、蓄電池電容量以及放電電流等信息，并將這些數據通過Class-2串行數據線傳輸給發動機控制模塊(ECM)。

(2)發動機ECM控制一個5V、128Hz的固定脈沖，進行脈寬調制信號調制，即控制發電機0～100％勵磁電流占空比，實現對磁場電流的調節，從而控制發電機的輸出電壓。

(3)在正常情況下，發電機的磁場電流占空比在5％～95％之間調節，以維持對蓄電池的充電以及向汽車整個電路供電，而占空比0～5％及占空比95％～100％只是在對發電機及網絡系統進行檢測時使用(見表1)。

三、車載電能管理系統對蓄電池的控制

目前轎車上一般裝備2個蓄電池，一個用于啟動發動機，另一個用于為電子控制系統供電。這2個蓄電池的充放電需要電能管理系統進行協調。例如輝騰3.2L轎車，它是大眾公司的頂級車型，該車裝備了雙蓄電池系統，蓄電池安置在行李廂的左右兩側。左側蓄電池負責為車載電網供電，右側蓄電池負責為啟動機供電。如果安全氣囊被引爆，啟動用蓄電池的負極接線柱也會自動熔斷，以防止發生短路。

汽車上的蓄電池是交流發電機的輸出電能和全車用電負載之間的緩；中器。車載電能管理系統的軟件是以蓄電池的電量來判斷蓄電池的性能，進而判斷蓄電池還能給汽車的哪些系統提供電能。請看下面2種車型的電能管理系統是怎樣對蓄電池進行控制的。

(1)通用林蔭大道轎車

通用林蔭大道轎車裝備的蓄電池容量為80Ah。能夠為冷啟動發動機提供720A的強大電流，啟動儲備容量RC(指在蓄電池充足電的狀態下，以25A的電流放電，到端電壓下降到10.5V時的持續放電時間)為133min。該車采用電流傳感器檢測蓄電池的性能，電流傳感器與蓄電池的粗搭鐵線集成為一體，緊貼在蓄電池的負極上，是三線式的霍爾式傳感器，產生的霍爾電壓信號直接輸入BCM。

電流傳感器輸出霍爾電壓，其輸出電壓的大小與霍爾傳感器的磁場強度、進入磁場的電流成正比。當進入磁場的電流不變時，產生的霍爾電壓為磁場強度的單一函數，而該磁場取決于蓄電池充電和放電電流的大小。

(2)豐田凌志430轎車

豐田凌志430轎車同時采用電流傳感器和電解液溫度傳感器，該車設置電解液溫度傳感器的目的，是限制過高溫度下的充電電流，能夠有效地延長蓄電池內極板的使用壽命。

豐田凌志430轎車的電流傳感器安裝在蓄電池的正極上，也是霍爾式傳感器。電流傳感器產生的電壓與蓄電池的充電電流(正值)或放電電流(負值)成線性關系。

有的電流傳感器是通過一個叫做“錳銅分流器”的特殊裝置來測量的，它是一個非常精確的低歐電阻器，其阻值范圍在50-200mQ之間。進出蓄電池的電流流過這個阻值很小、但是非常精確的電阻器，然后通過測量電阻器上的電壓降，得出蓄電池電流的大小，系統就可以知道蓄電池現存多少電能，然后采取“棄用集中控制”策略，對各用電器的運行做出最佳的配置。上述電流傳感器(德爾福公司稱之為“IVT”)一般安裝在蓄電池的右端，而且盡可能地靠近蓄電池。這種傳感器通常作為終端總成的一個部件，目的是為了達到所需要的精確度。

四、大眾車系的電能管理系統

以大眾速騰(Sagitar)1.6L轎車的車載電能管理系統為例，它根據蓄電池電壓、發動機轉速、發電機的DFM信號等數據對

蓄電池的性能進行評估。當蓄電池電壓低于一定值時，車載電源控制單元便提高發動機的怠速，以補償供電系統的電壓，并適時關閉舒適系統的某些用電設備。

大眾速騰轎車采取以下3種模式對用電設備進行管理：

管理模式一。15號線接通，發電機處于工作狀態。如果蓄電池的電壓低于12.7V，車載電源控制單元將提升發動機的怠速。如果蓄電池的電壓低于12.2V，則關閉座椅加熱、后窗加熱、后視鏡加熱、轉向盤加熱、腳坑照明以及門內把手照明等功能，關閉空調器或降低全自動空調功能，關閉信息娛樂系統。

管理模式二。15號線接通，發電機處于停供狀態。如果蓄電池的電壓低于12.2V，則關閉空調或降低空調能耗，關閉腳坑照明和門內把手照明，關閉上／下車燈和離家功能，關閉信息娛樂系統。

管理模式三。15號線斷開，發電機處于停供狀態。如果蓄電池的電壓低于11.8V。則關閉車內燈、腳坑照明和門內把手照明，關閉上／下車燈和離家功能，關閉信息娛樂系統。

這里需要說明3點：①以上3種模式的不同之處，在于用電設備被關閉的次序不同。②如果關閉的條件不再存在，用電設備將重新激活。③如果用電設備因為電能管理系統原因被關閉，在中央電器控制單元(J519)中有故障信息存儲。

進口大眾輝騰轎車設置的車載電網控制單元與大眾速騰轎車有相同之處，都是用來監控蓄電池的充電狀況，當監控到蓄電池的電壓在一段時間內低于12.2V，則判定車載電網處于臨界狀態，將根據優先等級，由各自的電控單元關閉后窗玻璃加熱器、座椅加熱器等舒適性用電設備，或者降低空調系統的輸出功率，以避免出現嚴重的蓄電池虧電現象。

五、車載電能管理系統的檢測

判斷車載電能管理系統是否失常，可以采取簡便方法。當車載電能管理系統失效時，一般具有以下特征：

(1)組合儀表中只有充電指示燈點亮；

(2)發動機偶爾啟動困難；

(3)蓄電池靜態放電的電流不大；

(4)發動機的動力正常；

(5)調不出故障碼。

還可以在發動機艙內傾聽，或者在安靜、密閉的情況下，人坐在車廂內，鎖上車門，然后仔細傾聽有無類似繼電器吸合的“吧嗒”聲，或者電控單元工作的聲音。如果有，說明車載電能管理系統存在故障。

對車載電能管理系統的檢測，可以采取以下2種手段：

。

(1)讀取汽車運行時的數據流。查看發電機勵磁電流的占空比，應當在50％-90％之間，如果小于50％或者大于90％，都不正常。

(2)檢測蓄電池電流傳感器的輸出電壓。當蓄電池不充電和不放電時，電流傳感器產生的基準電壓為2.5V。如果檢測到電流傳感器的輸出電壓在2.6～2.8V之間波動，說明蓄電池的充電電流過小(見圖1).車載電能管理系統失常。

六、典型案例分析

(1)故障現象

一輛2003款寶馬530i轎車(采用E60底盤)，每天早晨第1次啟動時，儀表盤上的EGS(電子自動變速器)、RPA(輪胎壓力報警)、ACC(自動巡航控制)指示燈報警，但是將發動機熄火后重新啟動，上述故障指示燈會熄滅。

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會導致儀表盤無法正常警告，雖不影響到正常啟動，但是自動啟停可能會不能使用，發電量也不會隨著調節。一般車輛都會在負極接線柱上安裝一個電流傳感器。主要是檢測車輛的電瓶電流，進而根據電瓶的使用進行充電模式的切換，現在有些車輛都有了啟停功能，電流傳感器也會做出一個信號來判斷是否可以啟停。

傳感器：傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

傳感器的特點包括：微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器的存在和發展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。

（來源：文章屋網 ）

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關鍵詞：無刷直流電機；轉子預定位；兩步短時脈沖定位加速法

中圖分類號：TM332 文獻標識碼：A

1 前 言

無刷直流電機因其調速特性好、無換向火花、效率高、壽命長、運行可靠、維護簡便等優點得到了廣泛的應用[1]。無刷直流電機的類型很多，從有無位置傳感器可以分為無位置傳感器的無刷直流電機和有位置傳感器的無刷直流電機。有位置傳感器的無刷直流電機在其啟動時無需特殊注意。但是因為無位置傳感器的無刷直流電機在體積和生產成本上與有位置傳感器的無刷直流電機有著無可比擬的優勢，所以無位置無刷直流電機在生產和生活中的應用越來越得到人們的重視，而其如何啟動也就順理成章的成為了人們的研究對象[2]。

在對于無位置傳感器無刷直流電機常用的啟動方法包括三段式啟動法，升頻升壓同步啟動法。其中三段式啟動法簡單，但是實驗調試特別的復雜，要依靠大量的經驗施加電壓矢量，而且還容易受到負載條件的影響，很容易使得啟動失敗，甚至發生倒轉，存在嚴重的安全隱患[3]。升頻升壓發啟動比較可靠，但是沒有嚴格的換向信號作為指導，雖然可以攜帶一定的負載進行啟動，但是附加的啟動電路增加了電機的尺寸，降低了系統的可靠性，也不是這類電機啟動的最佳選擇[4]。

本文提出了一種基于結合傳統三段式法的轉子預定位法和兩步短時脈沖加速法，兩步即可使得電機順利啟動，最后根據反電動勢建立完整的控制系統，整個過程簡單易行，大大降低了電機啟動失敗的概率。

2 短時脈動法的理論基礎

本文所研究的無刷直流電機的結構如圖1所示，無刷直流電機電機的轉子位于整個電機的中心，是由永磁體組成的，而定子則是由纏繞于鐵心的線圈而成，結構如圖所示。

轉子即永磁體有N和S不同的極性，而在外部纏繞在鐵芯上的線圈在外部電路的控制作用下產生不同的磁場，兩個磁場相互作用，使得轉子轉動[5]。

計算技術與自動化2016年6月

第35卷第2期王 哲等：無位置傳感器無刷直流電機啟動系統研究

這里線圈纏繞在鐵心上形成定子，當外加磁場作用于線圈時，電感L的值會隨著磁場的大小和方向的變化不斷的變化。當線圈中通過的電流和轉子的磁場保持一致時，電感L減小，當處于垂直狀態時，電感L的值最大[6]，如圖2所示。電壓電流和電感的關系如式2，這就是短脈沖檢測的原理。

無刷直流電機的通電線圈處于電機的外側，即電機的定子，電流通過線圈，線圈存在電感，而作為電機的轉子的永磁體對于線圈的電感有著增磁和去磁作用，永磁體（即轉子）的N極靠近線圈時，線圈的電感值減小，所以當線圈中存在電流并且轉子的N極靠近線圈時，電流會因為線圈電感值的減小而增大。

圖3電機的控制原理圖，經過簡化以后可以得到下圖所示：

這樣我們能夠根據電路中電流的大小判斷出轉子的位置，也能夠根據電流的大小得到換向點。

3 轉子定位及加速

3.1 轉子預定位法

對于無傳感器的無刷直流電機而言，在電機啟動之前，轉子的初始位置是隨即的，也就是未知的，所以得到轉子的確切的初始位置對于這類無傳感器無刷直流電機的啟動是至關重要的。為了簡單而準確的定位到轉子的初始位置，這里我們采用轉子預定位的方法是借鑒三段式啟動法的轉子預定位法，在電機通電伊始，給電機的任意兩項通電一段時間，使定子能夠產生一個固定的磁場，如下圖a所示。

在磁場力F的作用下，電機轉子轉動到如圖a的位置，但是若電機初始位置正好與F相差180度，如b，這時在理論上產生的電磁轉矩為零，所以要進行電機的第二次定位，也就是按電機的旋轉方向導通下一次繞組電流，使其產生與原來F相差90度的F’方向的磁場力，這樣，不論轉子的初始位置是在a的位置上還是在b所指的位置上，轉子都將轉動到F’所指的位置[7]。

其實，在實際實驗中，我們發現，轉子大部分時候是不需要二次定位的。但是我們這里為了防止意外情況的出現，還是采用了更為保守的二次定位。這樣誰稍稍延長預定位的時間，但是杜絕了意外的發生。

等到電機的轉子到達指定位置后，將在指定位置處左右擺動，處在一個不穩定的狀態，最后在摩擦力和磁滯渦流的作用下停止。很多時候為了讓轉子有足夠的時間反應調整位置，所以我們要對電機的通電時間稍微長一點[8]，但是電壓不要過大，因為在這個階段，我們通常不使用PWM來調節電壓。

3.2 轉子加速

電機的加速過程采用的導通方式為二二導通方式。如下圖所示，經過轉子預定位，轉子到達指定的位置，給電機的繞組依次通電，就可以保證電機轉動。但是如何找到電機的換向點，是加速過程的一個關鍵，過早和過完的換向都會引起電機的失步，嚴重的可能會導致電機啟動失敗，造成重大的事故。這里我們采用短脈沖加速法，通過比較電流閾值檢測換向點，該方法簡單易行，準確度高，且不需要知道電機的準確參數就能夠保證電機的正常啟動。

根據短脈沖理論，我們可以大致描繪出其脈沖的波形圖，進而得到電流波形，大致如下圖所示。

在PWM的低電平期間，給出相應的檢測脈沖矢量，在短脈沖結束時檢測母線電流的大小，根據兩次電流值的大小可以確定是否為換向點。通過電機運行電壓矢量圖可以得到理論上的換向值，當兩次取得的電流值大小相等時為最佳換向點。

短脈沖加速法采取的是給一個短時間的短脈沖，這個短脈沖的持續時間既不可過長，因為時間過長會引起電機的轉動，亦不宜過短，因為如果短脈沖的時間過短，不容易檢測到電流值，很可能會發生檢測到的電流值大小相等的情況，使得控制器誤以為到了換相時間進行錯誤的換相。這個短脈沖的持續時間建議值為當前電路的時間常數，但是經實驗證明，取值為等效時間常數的短脈沖電壓引起電機轉動時，應當稍微減小脈沖持續的時間以保證轉子不轉動。

下面我們以初定位的位置在V1為例，進行分析說明，短脈沖加速法是如何進行重復檢測-加速運行的。

若轉子經過預定位后的位置為V1，為了取得最大的轉矩，所以取呈現90度導通，所以導通的電壓矢量應為V32，轉子進入I和II區，而此時的檢測電壓矢量應為V1和V3，相應的檢測到電流為I1和I3，這時I1>I3，當轉子轉到V2的位置時，I1=I3，這時就到達了換向點，可以進行換向操作到V34。但在實際定位加速過程中，加速脈沖過寬可能會淹沒最佳換相時刻，造成換相失敗，在實際操作中，我們也發現了這一點，每次都很難能檢測到最佳換相時刻。為了加速的穩定性，把換相條件設定為I3≥I1，即最佳或滯后換相，這提高了短脈沖加速法的負載適應性，防止檢測失誤錯過換向時間。轉子繼續在V34的作用下轉動，轉子處在III和IV區，這時檢測電壓矢量為V2和V4，相應的檢測電流為I2和I4，當轉子位于III和IV區時，I2>I4，當轉子轉動到V3的位置時，I2=I4，相應的，我們也取當I4≥I2時換向到V54，轉子進入V和VI象限，依照上述的方法，這樣在不同電壓矢量的作用下，轉子加速到指定的速度。下表給出了短時間脈沖檢測電壓矢量及換相條件如表：

對照著上表電機進行重復檢測-加速運行，加速結束時，電機已經具備較低的轉速與反電動勢，這是可以根據轉子的當前位置切換到反電動勢運行。

圖8即母線檢測到的電流波形圖將電流波形局部放大如圖9可以看到矢量控制產生的電流和短脈沖產生的電流，通過比較檢測脈沖的大小可以得知換向點。

在這里我們首先僅僅使用本文介紹的啟動方式對電機進行啟動，為了表現明顯，我們這里單獨使用短脈沖對電機的控制，為的是展示此方法的可行性。因為在實際控制中，啟動的過程很短暫，不容易觀察到，所以這里我們暫時不切換到反電動勢進行控制。

下圖為速度波形，可以觀察到有電機初定位到切換到短脈沖加速時的位置，因為短脈沖加速會產生震蕩，所以單獨用這種方法進行電機的控制會速度會產生震蕩，這也正是短脈沖加速的局限性所在。

4 實驗

這里我們采用的是南京研旭電氣生產的57BL52-230，其性能穩定，額定電壓為24V，線電阻0.6歐，線電感為0.75Mh。

這里采用基于相電壓的反電動勢檢測電路，為了避免復雜的運算，我們將得到的反電動勢延遲90-a。

圖11 控制電路

其得到的速度波形圖如下圖所示，因為轉子定位和加速至可以檢測到反電動勢的過程非常短暫，這里很快就使得轉子進入了指定的速度。

5 實驗結果分析及說明

經過理論和實驗的分析，我們可以看出，轉子的二次定位可以方便快捷的得到轉子的初始位置，而短脈沖加速過程，可以得到使得轉子在不失步的情況下使得轉子的轉速到達可以檢測到反電動勢的速度，從理論和實驗兩方面證明了，采用短脈沖加速技術大大降低了轉子的失步的概率，減少了事故的發生。

該方法不僅適用于方波的無刷直流電機 ， 還適用于正弦波的無刷直流電機，即永磁同步電機，并且不必要知道這些電機確切參數。只需要大致的計算檢測脈沖所持續的時間再進行調節即可。

參考文獻

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關鍵詞 電化學微傳感器; 銅質敏感膜; 電流脈沖沉積法; 硝酸根離子檢測; 湖庫水樣

1 引 言

硝酸鹽廣泛存在于自然環境、食品、工業產品和生態系統之中。研究證明，過量NO Symbolm@@ 3會引發嚴重的環境和生理問題^[1]，攝取過量的硝酸鹽會嚴重危害人體健康，因此世界各國對飲用水中硝酸鹽的含量都有嚴格規定。美國環境保護局（EPA）規定的最高限量為硝酸鹽氮10 mg/L（0.7 mmol/L，以N計，下同）;我國《生活飲用水衛生標準（GB5749-2006）》規定飲用水中硝酸鹽濃度的限量值為10 mg/L;世界衛生組織（WHO）規定飲用水中硝酸鹽氮含量必須低于11 mg/L（0.8 mmol/L）。因此，建立簡便、靈敏、準確的硝酸根離子檢測方法是十分必要的。

目前，NO Symbolm@@ 3的檢測方法主要包括分光光度法、色譜分析法、發光分析法、毛細管電泳法、電化學檢測法等^[1，2]。基于光學原理的檢測方法大多具有檢出限低、準確性好、靈敏度高等優點，但檢測設備價格比較昂貴，且需要對待測水樣進行精細的預處理。而基于電化學原理的NO Symbolm@@ 3檢測方法具有操作簡便、所需試劑量少、易與測試電路集成、儀器裝置簡單便攜等優點，因而近幾年得到研究者的青睞。

到目前為止，研究人員已經發展了多種類型的電化學傳感器用于水體中NO Symbolm@@ 3的檢測，根據所測量的響應信號的不同， 可分為電位型傳感器和電流型傳感器兩大類。電位型硝酸根傳感器大多以NO Symbolm@@ 3選擇性電極為核心部件，當選擇性電極與含有NO Symbolm@@ 3的樣品接觸時，敏感膜和溶液的相界面上產生與NO Symbolm@@ 3活度相關的膜電勢，測量膜電勢的變化即可實現NO Symbolm@@ 3濃度的檢測。常見的敏感膜材料包括聚氯乙烯（PVC）^[3]、聚吡咯^[4]和復合型聚合物材料^[5]等。這種類型的硝酸根傳感器結構簡單、耐用，有些還可以在惡劣環境下使用（如測量潮濕土壤中硝酸鹽的含量），但是其選擇性識別能力往往較弱，難以用于具有復雜背景基質的水樣檢測。與電位型傳感器相比，電流型傳感器通常具有更高的檢測靈敏度和更低的檢出限。目前報道的硝酸根電化學傳感器主要是電流型傳感器，其工作原理是以固定在工作電極表面的敏感膜為介質，將待測樣品中的NO Symbolm@@ 3還原為NO Symbolm@@ 2或其它含氮物質，測量還原電流的大小，以實現對NO Symbolm@@ 3濃度的檢測。常用的硝酸根敏感膜按材料性質不同可分為金屬、導電聚合物以及生物酶材料等。用于NO Symbolm@@ 3檢測的金屬敏感材料主要有Cu^[6，7]、Ag^[8，9]、Pd^[10，11]以及合金^[12，13]等。導電聚合物敏感材料主要是摻雜的聚吡咯膜^[14，15]。近年， 研究人員利用生物酶固定技術將NO Symbolm@@ 3還原酶固定在檢測電極表面用于NO Symbolm@@ 3的選擇性識別^[16，17]。其中，聚吡咯和生物酶材料在制備和使用過程中需要嚴格控制環境光線和溫度，導致其應用領域受限。而在金屬類敏感材料中，由于銅具有廉價、易于制備、相對較穩定等特點，近年來以銅作為電極修飾材料，用于NO Symbolm@@ 3檢測的探索，成為研究熱點之一。

已有的文獻大都使用恒定電位法在電極表面制備銅質敏感膜，研究重點集中于沉積電位的選取和沉積時間的優化^[18，19]。而通過改變電沉積方式改善修飾層的微觀形貌，以提高修飾銅質敏感材料對NO Symbolm@@ 3電催化還原活性的研究少有報道^[20]。最近，文獻[21]報道了一種新的電流脈沖沉積法制備銅材料的方法，此方法以含高濃度H+的CuSO4溶液為沉積液，采用高頻脈沖電流的加電方式，能夠制備出在微觀上呈蜂窩狀多孔結構的銅層。但是相關報道中均使用銅質的基底電極，而且制備的多孔狀銅膜大多被用作貴金屬催化材料（如納米鉑或納米金等）的依附結構層^[22]，直接將其作為敏感層修飾材料的研究還未見報道。本研究利用類似的電流脈沖沉積法在鉑質微傳感電極上制備出呈多孔、枝簇狀的銅質敏感層，并將其應用于不同濃度NO Symbolm@@ 3標準樣品的檢測，表現出較高的檢測靈敏度;使用修飾后的微傳感電極對實際水樣進行檢測，測試結果與專業水質檢測機構的測試值之間具有較高的一致性。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

S-4800掃描電鏡 （FE-SEM，日本Hitachi公司）;凱美瑞Reference-600電化學分析儀（美國Gamry公司）;AUW電子天平，BioSpec-nano紫外可見分光光度計（日本島津公司）;Direct-Q3UV高純水機（美國Millipore公司）;pHS-25型數顯pH計（上海智光儀器儀表公司）;CHI111型Ag/AgCl參比電極（上海辰華公司）。

CuSO4?5H2O，Na2SO4，NaNO3和98% H2SO4（北京化學試劑公司）;硝酸鹽標準試樣50 mg/L（北京環境保護部標準化研究所）;所用溶劑均為分析純，實驗用水均為30 MΩ?cm去離子水。采用三電極體系，參比電極為Ag/AgCl電極，工作電極和對電極為實驗室自制微傳感電極。

2.2 微傳感電極加工制備

采用標準微加工工藝在玻璃基片上制備微傳感電極^[20]，制備工藝流程如圖1A所示，主要采用光刻、濺射、剝離等工藝制備。所制備的微傳感電極照片如圖1B所示。其中， 工作電極和對電極為對稱式“圓-環形”結構的鉑質金屬膜電極，工作電極為半徑約為0.56 mm、

面積為1 mm2的圓，對電極為寬度0.4 mm、面積約為1 mm2的近圓環該結構能夠提高工作電極與對電極之間電場分布的對稱性，改善傳感電極的電化學響應性能^[20]。敏感表面是主要的電化學修飾和反應界面，為提高微傳感電極的一致性，使用SU-8絕緣層精確定義薄膜金屬電極的幾何形狀，確保每一個微傳感電極的敏感表面均是面積為1 mm2的標準圓形。此外，微傳感電極還包括一個備用的準參比電極，后續可以在該電極上涂覆銀/氯化銀漿，實現集成式三電極體系。本研究為確保參比電極的穩定性，直接使用商用Ag/AgCl參比電極。

2.3 銅質敏感膜制備

在酸化的CuSO4溶液中，采用在微傳感芯片的工作電極和對電極之間施加脈沖電流信號的方式，將銅沉積在工作電極表面，制備敏感膜：首先，將微電極芯片在丙酮、乙醇、去離子水中依次超聲5 min以清潔電極表面，并使用等離子氧刻蝕機進一步清潔并活化電極表面;之后，將微電極浸入含0.10 mol/L CuSO4和0.50 mol/L H2SO4的混合溶液，利用電化學分析儀中的Repeating Chronopotentionmetry掃描功能，在工作電極上施加周期性脈沖電流信號（一個完整的脈沖周期T=T1+T2，其中T1為工作階段，加電沉積;T2為暫停階段，停止沉積）。電流脈沖法的電化學沉積曲線如圖2所示。電流脈沖沉積法修飾的工作電極，表面呈深黑色。為防止新沉積的銅在空氣中被氧化，沉積完成后，用去離子水沖洗電極表面，并將電極放入去離子水中保存，4 h內使用，否則銅質敏感膜將逐漸失去活性，影響傳感器的檢測性能。

3 結果與討論

3.1 參數優化

3.1.1 電流脈沖沉積法的工作機理 根據文獻[21]對電流脈沖沉積的脈沖參數設置進行優化，本實驗參數為：T1=0.01 s， I1= Symbolm@@ 4.4 mA; T2=0.01 s， I2=0.0 mA; 0.50 mol/L H2SO4;并對沉積時間（脈沖周期數）和沉積液中CuSO4的濃度進行優化。

當保持沉積液中CuSO4濃度為0.1 mol/L時，不同沉積時間下所制備的敏感膜的微觀形貌如圖3所示。發現使用電流脈沖法可以在微傳感電極的工作表面制備呈多孔形態的銅質敏感膜;隨著掃描周期數（沉積時間）的增加，敏感膜的微觀形貌由均勻分布的“枝干”結構向密集、多孔的“樹枝”狀結構發展。此種微觀形貌的形成機理主要與兩方面因素有關^[21]：（1）沉積液中含有高濃度的H+，因此，伴隨Cu2+被還原的電沉積過程，工作電極表面會發生析氫現象，析出的微小氣泡像模板一樣附著在電極表面，影響電極表面流體動力學微環境，使銅原子無法在該區域生長，進而導致敏感膜中出現均勻分布的凹陷多孔區;（2）采用脈沖電流，使敏感膜的生長和暫停生長階段隨著脈沖周期交替進行，可以避免持續加電條件下沉積膜生長過快，易于開裂、脫落的現象。以這種方式制備的敏感層，雖然分布疏松、呈現多孔形貌，但自身結構堅實、與基底電極粘附緊密，因而是一種理想的表面催化活性材料。同時，本研究采用鉑基底電極，相對于文獻中通常采用的銅質基底電極，H+在鉑表面更容易發生析氫反應，因而此種條件下制備的敏感層的多孔形態更加顯著。

3.1.2 電流脈沖沉積法的參數優化 為考察不同沉積液濃度下，制備的敏感膜的實際性能，使用所制備的敏感膜對同一種測試液（含濃度為1 mmol/L NaNO3）做檢測^[20]，通過線性掃描的方式，比較響應電流值的大小，結果如圖4所示。當CuSO4濃度為0.15 mol/L，沉積時間為200 s時，微傳感電極的響應電流值較大，且重復性最好，故后續實驗均采用此條件進行表面修飾。當CuSO4濃度為0.20 mol/L或沉積時間為300 s時，修飾層厚度迅速增大，且沿工作電極表面向外徑方向延伸，已超出1 mm2的敏感區域，為保證實驗條件的一致，排除此沉積條件。

在優化參數下，所制備的敏感膜的微觀形貌如圖5所示，在鉑微電極表面生成了疏松的、呈多孔性的枝簇狀結構。枝簇結構分布均勻，由微米尺寸的顆粒沿著一定的空間方向、突出于電極表面形成三維的堆疊結構。

對修飾層材料進行X射線衍射分析（XRD）分析（圖6），發現修飾層材料明顯地表現出Cu在（111）和（200）兩個取向的特征峰，說明電流脈沖法制備的敏感層是金屬銅，且晶向明顯，而非氧化態銅。

3.2 微傳感器對NO Symbolm@@ 3的檢測性能

將微傳感器浸入含有不同濃度NO Symbolm@@ 3的待測液中做線性掃描測試，考察NO Symbolm@@ 3濃度與還原峰電流大小的關系（實驗支持電解液均為0.1 mol/L Na2SO4溶液，pH=2.0）。

圖7所示為微傳感器在濃度0～3000 μmol/L硝酸鹽標準品中的線性掃描響應曲線。在12.5～200 μmol/L（圖7（a））和200～3000 μmol/L（圖7b）濃度范圍內，微傳感器響應電流值與NO Symbolm@@ 3濃度具有良好的線性關系。兩種濃度范圍內線性擬合曲線分別為：

需要注意的是，在低濃度范圍內，微傳感器在不同濃度NO Symbolm@@ 3樣品中的還原峰電位為 Symbolm@@ 460 mV，基本保持不變;而在高濃度范圍內，隨著NO Symbolm@@ 3濃度增加，其還原峰電位逐步由 Symbolm@@ 460 mV偏移至 Symbolm@@ 550 mV，且微傳感器的檢測靈敏度也有降低。這是由于在溶液環境中使用安培型電化學傳感器時，待測物在修飾材料表面發生電化學反應會生成一些產物，隨著待測物濃度的升高和測試次數的增加，反應產物會逐漸附著在修飾材料的表面，使其有效面積逐步縮減，電催化活性也隨之降低，即出現電極鈍化效應。當銅質敏感材料的電催化活性下降后，針對NO Symbolm@@ 3的電催化還原反應更難于發生，因此其還原峰電位隨之負移至 Symbolm@@ 550 mV處，而傳感器的檢測靈敏度也同時減小。

經電流脈沖沉積法修飾的微傳感器對NO Symbolm@@ 3進行測試時表現出較好的重復性和抗干擾性，水體中常見的離子除NO Symbolm@@ 2外，均未對測試結果產生明顯的干擾^[20]。微傳感器對0， 14.3， 35.7， 71.4， 107.1和142.9 μmol/L 6個硝酸鹽標準樣品重復測試3次，其中最大相對標準偏差RSD<5%。檢出限為2 μmol/L（S/N=3）。

3.3 實際水樣檢測

為考察微傳感器對實際水樣的檢測性能，取實際水樣，對比微傳感器的測試結果以及專業水質檢測機構的測試結果。在北京市某地的湖泊及河道分別取水樣，標記為水樣1、水樣2和水樣3，并對3個水樣分別進行分樣，所分水樣一部分送至專業水質檢測機構按照硝酸鹽國標檢測法之一的紫外分光光度法（HJ T 346-2007）進行測試，另一部分水樣使用本文研制的微傳感器進行測試。對于每一個水樣，在實驗室均使用3支微傳感器進行測試，每支傳感器均先以3個硝酸鹽標準品（0，50，100 μmol/L）定標，

然后進行水樣檢測。從表1可見，微傳感器的測試結果與專業機構出具的測試值偏差在3.9%～15.4%之間，具有一定的相關性。實驗結果表明，微傳感器可用于實際水樣中NO Symbolm@@ 3濃度的檢測。

4 結 論

使用電流脈沖沉積法在鉑質微電極表面制備出枝簇狀、多孔的銅質敏感膜，利用銅在酸性溶液中對NO Symbolm@@ 3的電催化還原特性，實現溶液中NO Symbolm@@ 3的檢測，依據此種原理研制的電化學硝酸根微傳感器能夠用于實際水樣中NO Symbolm@@ 3的檢測，且測量結果與專業水質檢測機構出具的結果具有一定的相關性。

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A Micro Electrochemical Sensor for Nitrate Determination Based

on Square-wave Pulsating Current Deposition Process

LI Yang*， SUN Ji-Zhou， WANG Jin-Feng， BIAN Chao， TONG Jian-Hua，

DONG Han-Peng， ZHANG Hong， XIA Shan-Hong

（State Key Laboratory of Transducer Technology， Institute of Electronics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

Abstract Based on microfabrication technology and electrochemical modification method， a micro electrochemical sensor for nitrate （NO Symbolm@@ 3） determination was developed. A micro sensor chip with working electrode and counter electrode was used as the signal convertor of the sensor. The area of the micro working-electrode was only 1 mm2. As an electrocatalysis sensitive material， copper was electrodeposited onto the working electrode by square-wave pulse current electrodeposition method. The morphologies and components of freshly deposited materials were examined by scanning electron microscopy （SEM） and X-ray diffraction （XRD） to explore key factors that affected the electrocatalytic ability of the deposited copper layer for reducing nitrate ions. The experimental results revealed that under the optimal conditions， the deposited copper layer was macroporous and had a larger effective surface area that could serve as a more effective electrocatalyst in facilitating nitrate reduction. Electrochemical response of the macroporous copper layer was characterized by linear sweep voltammetry in acidic supporting electrolytes （pH=2）. The electroanalytical results showed that the modified microsensor had marked sensitivity for standard nitrate samples within the concentration range from 12.5 to 3000 μmol/L （in the range of 12.5-200 μmol/L yielded straight line： y1= Symbolm@@ 0.1422x-10.326， R12=0.9976， while in the range of 200-3000 μmol/L yielded straight line： y2= Symbolm@@ 0.0984x-22.144， R22=0.9927） with a detection limit of 2 μmol/L （S/N=3）. The developed electrochemical microsensor was also employed for nitrate determination in water samples collected from lakes and rivers near the city of Beijing. The results were in good agreement with the data given by qualified water quality detection institute， with the deviations from 3.9% to 15.4%.

Keywords Micro electrochemical sensor; Copper sensitive material; Pulsating current electrodeposition method; Nitrate determination; Real water samples

篇10

關鍵詞： PI參數、主機、霍爾電流傳感器、編碼器

中圖分類號：TU229 文獻標識碼：A 文章編號

Introduction: with the development of society, people for the operation of the elevator comfortable requirement more and more high, the operation of the elevator comfort mainly displays in horizontal and vertical direction of vibrations, and the vibration of the vertical direction more easily influence the attention of the passengers, according to some of the previous experience in dealing with and summarized, electrical cause elevator of perpendicular direction reason is expounded, and share some processing experience, to improve the level of treatment.

Keywords: PI parameters, host, hall to current sensor, encoder

1、電梯控制系統的原理

電梯控制系統原理圖，如圖1

圖1電梯控制系統原理圖

主控板處理電梯的內外找信號和各種的開關信號，當需要主控板收到指令需要運行電梯時，主控板則給速度指令給變頻器運行，變頻器通過U、V、W三相控制主機的正反轉來控制轎廂的上下行，而變頻器控制主機的運轉又霍爾電流傳感器反饋輸出的電流及旋轉編碼器反饋電梯的速度和控制的距離來形成閉環控制，以保證系統控制的準確性。

2、影響電梯垂直振動的因素

2.1旋轉編碼器

2.1.1旋轉編碼器的原理

根據檢測的原理，編碼器可分為光學式、磁式、感應式和電容式。根據其刻度的方法及信號輸出形式，可分為增量式以及混合式三種。電梯一般采用增量式旋轉編碼器。

增量式編碼器是直接利用光電轉換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90º，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。它的優點是原理構造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉動的絕對位置信息。

2.1.2旋轉編碼器在電梯上的作用

旋編作為電梯的重要部件，其功能有：1、檢測主機的運行速度，與變頻器形成閉環控制，使變頻器更精確的控制電梯的運行速度；2、通過旋編輸出的脈沖數，準確檢測電梯轎廂的所在的井道的位置；3、檢測永磁同步主機的磁力角，使變頻器有效的安全的控制電梯的正常啟動、運行及停止，保證電梯運行的舒適感。

2.1.3 旋轉編碼器影響垂直振動的分析

（1）旋轉編碼器Z相對電梯振動的影響

電梯在運行過程中，由于脈沖的掉失，往往需要在運行過程中進行脈沖矯正，電梯在運行過程中除了通過井到設置的一些部件如平層感應器進行矯正電梯的脈沖數之外，旋編本身也要通過Z相來矯正旋編的脈沖，旋轉編碼器每旋轉一圈會通過Z相輸出一個波形來矯正旋編的脈沖數，以較少脈沖的偏差。當Z相輸出收到干擾或輸出不準的就會影響旋編的脈沖矯正，從而導致電梯控制系統脈沖數的累積誤差增大，編碼器反饋的脈沖信號偏差到一定程度就會影響變頻器對主機的控制，從而引起電梯的垂直方向的振動。

（2）磁極對電梯振動的影響

永磁同步主機的正常運轉需要通過編碼器來檢測其磁力角，如果磁力角出現偏差時，輕則引起電梯振動，嚴重的會導致主機失控。正常來說，電梯的磁力角是通過A、B、Z三相來檢測主機的磁力角，如果由于旋轉編碼器損壞或受到干擾就會導致主機的磁力角檢測出現偏差，引起變頻器的輸出力矩出現偏差，最終解決影響電梯的垂直振動。

（3）預防編碼器影響電梯垂直振動的措施

a、編碼器的信號線要用金屬蛇皮管進行抗干擾處理，并且要單點接地，禁止多點接地或不接地；

b、編碼器的安裝要與主機軸同軸安裝，避免偏心安裝影響A、B、Z三相信號的準確輸出；

c、強電和弱電信號要分開，避免強電對旋編的弱電信號造成干擾，導致脈沖輸出出錯；

d、盡量縮短編碼器信號線的傳輸距離同時要提高旋編的供電電源的穩定性，已保證旋編的正常工作。

2.2 主機

近年來，隨著電力電子技術、微電子技術、新型電機控制理論和稀土永磁材料的快速發展，永磁同步電動機得以迅速的推廣應用。目前電梯市場普遍應用永磁同步主機。永磁同步電動機具有體積小，損耗低，效率高、噪音小等優點。

2.2.1、主機影響電梯振動的原因

（1）主機線圈絕緣對電梯振動的影響

對于電梯來說，一般要求主機線圈與主機外殼之間的阻值大于1兆歐。如果主機三相的絕緣值不滿足這個要求，則電梯在加減速或重在上行或輕載下行的時候轎廂會感覺到明顯的高頻振動。這時測量主機的U、V、W三相的輸出電流也會異常的偏大，很容易導致變頻器過流檢出。

（2）主機線圈阻值對電梯振動的影響

在測量主機的三相電阻時需要用到的工具是微電阻計，要求三相的阻值要均勻，當三相的阻值不平衡時，電梯三相的電流就會存在偏差，從而影響電梯的力矩的輸出，引起電梯振動。

2.3霍爾電流傳感器

2.3.1霍爾電流傳感器原理

原邊電流Ip產生的磁通量聚集在磁路中，并由霍爾器件檢測出霍爾電壓信號，經過放大器放大，該電壓信號精確地反映原邊電流。 磁平衡霍爾電流傳感器 原邊電流Ip產生的磁通量和霍爾電壓經放大產生的副邊電流Is通過副邊線圈所產生的磁通量相平衡。副邊電流Is精確地反映原邊電流。 磁平衡霍爾電壓傳感器 原邊電壓Vp通過原邊電阻R1轉換為原邊電流Ip，Ip產生的磁通量和霍爾電壓經放大產生的副邊電流Is通過副邊線圈產生的磁通量相平衡。副邊電流Is精確地反映原邊電壓。

2.3.2、霍爾電流傳感器的特點

（1） 測量范圍廣：它可以測量任意波形的電流和電壓，如直流、交流、脈沖、三角波形等，甚至對瞬態峰值電流、電壓信號也能忠實地進行反映;

（2）響應速度快：最快者響應時間只為1us。

（3）測量精度高：其測量精度優于1[%]，該精度適合于對任何波形的測量。普通互感器是感性元件，接入后影響被測信號波形，其一般精度為3[%]~5[%]，且只適合于50Hz 正弦波形。