高轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置研究與建立

孫 橋, 白 杰, 杜 磊, 范 哲, 胡紅波

(中國計量科學(xué)研究院, 北京 100029)

1 引 言

轉(zhuǎn)速是是描述各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械運轉(zhuǎn)技術(shù)性能的一個重要參量,是力學(xué)運動學(xué)計量的基礎(chǔ)之一。在計量學(xué)里,轉(zhuǎn)速屬于導(dǎo)出單位,其物理含義為旋轉(zhuǎn)物體在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)數(shù)。工程中用它來描述動力機(jī)械的運動特性。轉(zhuǎn)速和頻率有共同的量綱,都是單位時間內(nèi)某一量值出現(xiàn)的次數(shù),溯源至基本量[1]。旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速均需利用轉(zhuǎn)速測量儀表或轉(zhuǎn)速傳感器配套二次儀表來實現(xiàn)準(zhǔn)確可靠的測量。屬于工作器具的轉(zhuǎn)速測量儀表被社會各行業(yè)廣泛應(yīng)用,例如,轉(zhuǎn)速測量儀表是機(jī)械行業(yè)必備的儀器之一,用來測定電機(jī)的轉(zhuǎn)速或進(jìn)行回轉(zhuǎn)件的動平衡[2,3],常用于電機(jī)、造紙、塑料、化纖、汽車、飛機(jī)、輪船等制造業(yè)。各種類型的轉(zhuǎn)速測量儀表及轉(zhuǎn)速傳感器都必須通過轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置來檢定或校準(zhǔn)。

為保證轉(zhuǎn)速量值統(tǒng)一及測量準(zhǔn)確可靠,對轉(zhuǎn)速測量儀表的測量范圍和測量誤差進(jìn)行檢測是國內(nèi)外計量領(lǐng)域工作中的一項重要任務(wù)[4,5]。國內(nèi)的轉(zhuǎn)速測量儀表的傳統(tǒng)檢測往往使用無刷電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)配合多級的齒輪變速裝置來組成標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速裝置,其轉(zhuǎn)速測量上限,通常能達(dá)到30 000 r/min或40 000 r/min,校準(zhǔn)不確定度1×10-4或5×10-5,k=3。由于采用多級的增速機(jī)構(gòu),這類傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置在6 000 r/min或8 000 r/min以上的最小分辨力為5 r/min,然而目前廣泛使用的光電轉(zhuǎn)速表的測量上限為99 999 r/min、分辨力1 r/min,所以傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置已經(jīng)無法在全量程范圍內(nèi)對其分辨力溯源。Diaz Henry等人通過光電信號模擬技術(shù)試圖解決這個問題,取得了10-7級的校準(zhǔn)不確定度水平[6],但這種技術(shù)途徑回避了轉(zhuǎn)速量值的真實復(fù)現(xiàn),不能反映光電轉(zhuǎn)速表的實際工作性能,未能在國際轉(zhuǎn)速計量領(lǐng)域得到推廣。

隨著近年來航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生以及一些高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展,現(xiàn)有的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置在測量范圍、分辨力和測量準(zhǔn)確度等方面已經(jīng)越來越不能滿足來自科學(xué)研究、國防建設(shè)和民生安全的高轉(zhuǎn)速計量需求。本文實現(xiàn)的高轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置,基于微型空心杯特種電機(jī)和現(xiàn)場可編程門陣列( field programmable gate array,FPGA)技術(shù)來實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的發(fā)生和精確控制,能夠按1 r/min的分辨力在高轉(zhuǎn)速范圍30 000～100 000 r/min內(nèi),完成對非接觸激光式和光電式轉(zhuǎn)速測量儀表準(zhǔn)確可靠的轉(zhuǎn)速檢測校準(zhǔn)。該裝置的轉(zhuǎn)速范圍寬、轉(zhuǎn)速上限高,并且運行噪聲小、抗干擾能力強(qiáng)、操作靈活便捷[7]。

2 標(biāo)準(zhǔn)裝置

2.1 裝置組成

高轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的基本組成包括:電源系統(tǒng)、電機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輸入輸出系統(tǒng),見圖1。

圖1 高轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置組成框圖

高轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置選用的空心杯電機(jī)是一種直流、永磁、伺服微型特種電機(jī),其能量轉(zhuǎn)換效率很高。由于采用無鐵芯轉(zhuǎn)子,空心杯電機(jī)的響應(yīng)快、轉(zhuǎn)速波動小,具有靈敏方便的控制特性和穩(wěn)定的運行特性。FPGA模塊主要完成端口的數(shù)據(jù)接收、控制算法的實現(xiàn)和脈寬調(diào)制的實現(xiàn)。由于FPGA內(nèi)部包含大量的組合邏輯資源和觸發(fā)器,可同時完成組合邏輯電路和時序邏輯功能,因而可將系統(tǒng)的主要控制功能都集成在FPGA模塊內(nèi)部完成,從而大大簡化硬件電路設(shè)計,使控制系統(tǒng)的實時控制速度更快,系統(tǒng)穩(wěn)定性更高[8,9]。

與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置相比,高轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置取消了齒輪變速系統(tǒng)的多級多軸輸出,由無刷直流空心杯電機(jī)的單一輸出軸實現(xiàn)整個測量范圍的轉(zhuǎn)速量值輸出,并且顯著減小了裝置的噪聲和振動。圖2所示為高轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置在99 999 r/min轉(zhuǎn)速下對國產(chǎn)高精度轉(zhuǎn)速表EMT260C進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖2 高轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置實物圖

2.2 控制策略

在無刷直流空心杯電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)中,若采用開環(huán)控制系統(tǒng),即只通過改變驅(qū)動電路的控制電壓來達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的目的,由于這種控制具有單向性,輸出轉(zhuǎn)速不影響控制電壓,控制電壓直接由給定電壓產(chǎn)生,很難讓空心杯電機(jī)準(zhǔn)確地工作在指定轉(zhuǎn)速上。因此,必須采用帶有負(fù)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng),在給出控制指令后,不斷采集空心杯電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速,并根據(jù)實時轉(zhuǎn)速修正控制信號,直到空心杯電機(jī)穩(wěn)定、精確地輸出設(shè)定轉(zhuǎn)速。為了保證空心杯電機(jī)的輸出具有較好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能,設(shè)計采用轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制策略,具備最佳過渡過程和轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)。

圖3所示為轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖3中的轉(zhuǎn)速控制和電流控制相互獨立,由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電流,其控制過程如下:首先,控制器根據(jù)檢測到的空心杯電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號,計算其當(dāng)前轉(zhuǎn)速,然后與轉(zhuǎn)速給定值比較,得到速度誤差信號,作為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸入;轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定值,該值與實際的空心杯電機(jī)相電流作比較,得到的差值作為電流調(diào)節(jié)器的輸入;電流調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)轉(zhuǎn)化后將適當(dāng)?shù)腜WM信號施加到電機(jī)功率驅(qū)動單元上,通過控制功率開關(guān)管來實現(xiàn)對空心杯電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩的控制。

圖3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在這種控制策略中,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用是對轉(zhuǎn)速進(jìn)行抗擾調(diào)節(jié),使轉(zhuǎn)速穩(wěn)態(tài)無靜差,其輸出限幅決定了電流調(diào)節(jié)器允許的最大給定電流;電流調(diào)節(jié)器的作用是使電流跟隨轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器后的輸出值變化,保證電機(jī)啟動時獲得允許的最大電流,并對電網(wǎng)電壓波動及其它電路對電流擾動起抑制作用。

2.3 控制算法

在控制系統(tǒng)中,按偏差的比例、積分和微分進(jìn)行控制的控制器，簡稱為PID 控制器。PID控制器的參數(shù)可調(diào)、結(jié)構(gòu)清晰,適用于各種控制對象,可在現(xiàn)場根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)參數(shù)而取得良好的控制效果,因此在實際控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[10]。尤其是,當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握,或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時,最適合用PID控制器。PID控制器能夠?qū)⒔o定值r(t)與實際輸出值y(t)的偏差e(t)、比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量,對空心杯電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行實時控制,能達(dá)到較好的效果。

PID算法能夠?qū)⒚枋鲞B續(xù)過程的微分方程轉(zhuǎn)化為離散化的差分方程,然后根據(jù)差分方程使用Lab VIEW編制計算程序來進(jìn)行控制計算。PID算法表達(dá)式為:

Kd[e(k)-e(k-1)]

(1)

式中:k(k=1,2,…)為采樣序列號;u(k)為第k次采樣時刻PID控制器的輸出值;e(k)為第k次采樣時刻的系統(tǒng)輸入偏差值;e(k-1)為第k-1次采樣時刻的系統(tǒng)輸入偏差值;Kp為比例系數(shù);Ki為積分系數(shù);Kd為微分系數(shù)。

PID控制算法包括全量式PID控制算法和增量式PID控制算法。全量式PID控制算法中,每次的輸出及控制偏差與過去的整個變化過程相關(guān),不僅計算量大,而且由于偏差的累加作用很容易產(chǎn)生較大的積累偏差,因而采用增量式PID的控制算法。

Δu(k) =KpΔe(k)+Kie(k)+

Kd[Δe(k)-Δe(k-1)]

(2)

式中:偏差變化量Δe(k)=e(k)-e(k-1)。

在增量式PID控制算法中,增量u(k)的確定僅與最近k次誤差采樣值有關(guān),計算精度對控制量的影響較小,且容易通過加權(quán)處理獲得較好的控制效果。在增量式PID控制算法實現(xiàn)的過程中,將控制系統(tǒng)的模塊劃分為:偏差模塊、比例模塊、微分模塊、積分模塊和求和輸出模塊。5個模塊可以通過加法運算、減法運算和乘法運算來實現(xiàn)。通過以上的模塊將比例模塊、微分模塊和積分模塊3者的輸出求出,并依據(jù)增量式PID控制算法推導(dǎo)算式,將3個輸出值求和,即可得到PID控制算法的最終輸出量。對于Kp,Ki和Kd的選取,則要根據(jù)空心杯電機(jī)實際情況進(jìn)行調(diào)節(jié),3個值相互關(guān)聯(lián),相互影響,不斷改變調(diào)節(jié),判斷響應(yīng)狀態(tài),得到最終的最佳取值。

3 實 驗

采用空軍第一研究所生產(chǎn)的轉(zhuǎn)速頻率儀(型號:GZCY-1A,編號:91019),參照J(rèn)JG 326—2006 轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置檢定規(guī)程 的要求,對中國計量科學(xué)研究院研制的高轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行校準(zhǔn),轉(zhuǎn)速測量范圍為30 000～100 000 r/min。除了在測量范圍均勻選擇8個校準(zhǔn)點外,特增加99 999 r/min作為驗證裝置分辨力的校準(zhǔn)點。

表1所列為轉(zhuǎn)速頻率儀的校準(zhǔn)結(jié)果,測量平均值為轉(zhuǎn)速頻率儀10次重復(fù)測量的結(jié)果。參考JJG 326—2006對高轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行了測量不確定度的評估,其相對擴(kuò)展不確定度優(yōu)于1×10-5,k=3。對于這9個校準(zhǔn)點,測量重復(fù)性的實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差最大不超過6.0×10-6,測量重復(fù)性較好,校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠,證明了高轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置較好的可控性與重復(fù)性。

表1 轉(zhuǎn)速頻率儀高轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)結(jié)果

4 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置測量上限、測量精度和分辨力不能滿足目前廣泛使用的高精度光電轉(zhuǎn)速表和轉(zhuǎn)速測量儀的高轉(zhuǎn)速溯源要求,中國計量科學(xué)研究院研制了基于微型空心杯特種電機(jī)和FPGA技術(shù)的高轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置,能夠按1 r/min的分辨力在高轉(zhuǎn)速范圍30 000～100 000 r/min內(nèi),完成對非接觸光電式轉(zhuǎn)速測量儀表準(zhǔn)確可靠的轉(zhuǎn)速檢測校準(zhǔn)。該裝置采用轉(zhuǎn)速-電流雙閉環(huán)控制,轉(zhuǎn)速范圍寬、轉(zhuǎn)速上限高,并且運行噪聲小、抗干擾能力強(qiáng)。

采用空軍第一研究所生產(chǎn)的轉(zhuǎn)速頻率儀,選擇高轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置測量范圍的9個校準(zhǔn)點,進(jìn)行了校準(zhǔn)驗證實驗,測量重復(fù)性較好,校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠,擴(kuò)展不確定度優(yōu)于1×10-5,k=3。

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