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轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置的技術(shù)改造方案,包括對其進(jìn)行電機(jī)、機(jī)械變速等部分的改造及將鎖相伺服控制技術(shù)和總線技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)。經(jīng)改造后裝置的技術(shù)性能達(dá)到*水平。

一、概 述

轉(zhuǎn)速裝置、轉(zhuǎn)速表是一種應(yīng)用極其廣泛的儀器儀表,它主要用于電梯制造行業(yè)、汽車制造行業(yè)、醫(yī)療器械行業(yè)及民航與船舶工業(yè)等各領(lǐng)域和有各類動力設(shè)備的企業(yè)和生產(chǎn)此類儀器儀表的單位。

我院的轉(zhuǎn)速計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置是上海及華東地區(qū)zui高的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn),每年承擔(dān)著上海及其周邊地區(qū)的量傳任務(wù),不僅工作量大,而且轉(zhuǎn)速儀表的種類也很繁多。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在生產(chǎn)使用的轉(zhuǎn)速儀器儀表的性能與原有的相比有著很大的提高。如上海英特爾公司從英國進(jìn)口的轉(zhuǎn)速表、上海曼特醫(yī)療器械公司從日本進(jìn)口的轉(zhuǎn)速表等,這些公司的轉(zhuǎn)速表的轉(zhuǎn)速性能都能達(dá)到10萬轉(zhuǎn)/分,不確定度為0.01%,這對我們的轉(zhuǎn)速專業(yè)提出了新的要求。我們改造前的轉(zhuǎn)速裝置的齒輪箱是用螺栓安裝在主齒輪箱軸上,zui大的缺陷是使用不方便,安裝定位困難。

由于安裝不好對齒輪箱增加負(fù)載,影響主齒輪的使用壽命和使用安全。不僅如此,該裝置的轉(zhuǎn)速量程不夠?qū)?影響檢定工作的開展。經(jīng)過一年的努力,我們對原有的裝置進(jìn)行了改造,改造后的標(biāo)準(zhǔn)裝置擴(kuò)展了檢測下限,減小了不確定度。不僅能保證量傳工作的正常開展,也能滿足上海及華東地區(qū)企業(yè)單位、合資、外資企業(yè)的轉(zhuǎn)速儀表的檢定和校準(zhǔn)需要,*改變了原裝置老化落后不適應(yīng)社會需求的狀況。

 

二、技術(shù)改造方案

這次技術(shù)改造的目標(biāo)是提高不確定度和擴(kuò)展量程,為此新研制了一臺轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置。為了適應(yīng)轉(zhuǎn)速表檢定規(guī)程的要求和適應(yīng)不同類型轉(zhuǎn)速表檢測的需要, 我們選購了一臺90年代*水平的美國hp3325b函數(shù)信號發(fā)生器作為信號源。該函數(shù)信號發(fā)生器能產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等各種波形,可適應(yīng)各類轉(zhuǎn)速儀表檢測需要。

 

三、工作原理

新研制的轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)裝置以單片機(jī)為核心組成*處理單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制和管理,通過鍵盤輸入所需轉(zhuǎn)速值相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖,該信號與電機(jī)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖(光電碼盤產(chǎn)生)同時輸入調(diào)寬控制單元,調(diào)寬控制電路進(jìn)行比較后輸出訊號給雙三相橋式驅(qū)動單元對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制,當(dāng)轉(zhuǎn)速脈沖*同步時, 這就達(dá)到了對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,即“鎖相”。但由于鎖相控制只能適應(yīng)在負(fù)載波動較小的范圍內(nèi),于是又利用調(diào)幅控制單元的作用實(shí)現(xiàn)實(shí)時跟蹤負(fù)載變化,自動調(diào)節(jié)輸入系統(tǒng)中的幅值,擴(kuò)展了鎖相捕捉的工作范圍,即“伺服”。而狀態(tài)監(jiān)測環(huán)節(jié)具有向*控制單元提供過勵磁、欠勵磁及適度勵磁三個信號,cpu據(jù)此決定調(diào)幅控制的輸出,使運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到*。同時為了實(shí)現(xiàn)寬量程轉(zhuǎn)速范圍,采用了精密高速齒輪變速箱。

 

四、技術(shù)特點(diǎn)

1.裝置采用了稀土永磁無刷電機(jī)。以稀土材料制作的磁鋼,其磁密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通高品質(zhì)磁鋼,因此在相同功率條件下,以稀土磁鋼制作的永磁電機(jī),其體積zui小。本裝置采用了稀土永磁無刷電機(jī),與原裝置相比體積和重量都大大減少了。

2.采用鎖相伺服控速技術(shù)。該技術(shù)是本系統(tǒng)轉(zhuǎn)速控制的核心,通過鎖相技術(shù)實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制,通過伺服(自動調(diào)節(jié)供電的電壓值),可實(shí)時跟蹤負(fù)載功率及工作轉(zhuǎn)速變化,大大擴(kuò)展鎖相捕獲的工作范圍,提高裝置的負(fù)載能力和減小裝置不確定度。

3.調(diào)幅控制環(huán)節(jié)能平滑連續(xù)地大范圍調(diào)節(jié)系統(tǒng)所需的勵磁注入,沒有繼電器切換接線的跳變因素,減小了干擾。

4.狀態(tài)監(jiān)測環(huán)節(jié)實(shí)時向*控制單元提供“過勵磁”,“欠勵磁”及“適度勵磁”的標(biāo)志信號,*控制器據(jù)此決定調(diào)幅控制的輸出大小,使運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到*。

5.采用鎖相伺服穩(wěn)速控速技術(shù),使轉(zhuǎn)速穩(wěn)定及準(zhǔn)確度提高,這是因?yàn)榕c所需轉(zhuǎn)速相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率脈沖是由2×10-7穩(wěn)定度的溫補(bǔ)晶振作時鐘的頻率合成器提供的,該脈沖決定了轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確度。調(diào)寬控制環(huán)節(jié)的核心是由邊沿觸發(fā)器組成的高速鑒相器,其相位同步跟蹤是以單片機(jī)cpu運(yùn)行速度進(jìn)行跟蹤的,因此,只要系統(tǒng)不失鎖,其轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度與標(biāo)準(zhǔn)頻率穩(wěn)定是相近的。

6.縮小控制周期。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于600r/min時(主軸轉(zhuǎn)速)采用電機(jī)內(nèi)碼盤測速信號60脈沖/轉(zhuǎn),即每個脈沖的周期為6°轉(zhuǎn)角。由于運(yùn)行慣性的原因,轉(zhuǎn)速波動極小,每6°完成一個控制周期已相當(dāng)。為了降低下限轉(zhuǎn)速的控制,在低于600r/min時采用美國300線光電碼盤,這樣保證鎖定轉(zhuǎn)速下限值為150r/min(主軸)。

7.機(jī)械變速部分。電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速范圍為300~6000r/min,為了實(shí)現(xiàn)30~100000r/min轉(zhuǎn)速范圍,需要使用變速箱。這里選用齒輪變速箱,其分主、付齒輪箱二部分,付齒輪箱可產(chǎn)生100000r/min轉(zhuǎn)速。現(xiàn)裝置用精密的導(dǎo)軌和準(zhǔn)確的對中系統(tǒng)使用速箱的輸出軸與高速變速箱輸出軸軸心一致,并降低振動,以提高安全性、穩(wěn)定性、可靠性。通過定位系統(tǒng)使變速更方便,保證對主箱不帶或少帶附加影響,且連接方便。

8.控制部分。為了操作人員的操作方便和裝置的安全,本裝置特別設(shè)置了限速功能。當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速超出限速值時,裝置不予接受。同時裝置設(shè)有iee-488接口,它可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離自動測控。

9.顯示部分。本裝置采用中、西文圖形終端64×256點(diǎn)陣熒光屏。

 

五、技術(shù)改造后標(biāo)準(zhǔn)裝置的性能

經(jīng)技術(shù)改造,裝置主要有以下功能:

1.產(chǎn)生(30~100000)r/min轉(zhuǎn)速,下限可達(dá)3r/min。

2.具有上限轉(zhuǎn)速限速功能。

3.無極調(diào)速功能。

4.順、逆轉(zhuǎn)速方向選擇。

5.計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)距離測控功能。

6.裝置控制儀具有iee-488接口,可以遠(yuǎn)距離自動測控并計(jì)算打印數(shù)據(jù)。

7.高轉(zhuǎn)速安全防護(hù)功能,即高速軸設(shè)有防護(hù)罩。

8.輸出正弦波形、三角波形、方波形等波形。zui大輸出幅值40v,可滿足檢定需求。

 

六、不確定度分析

1.標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源

齒輪變速箱加工精度要求*,變速箱的不均勻性和間隙主要反映在齒輪周節(jié)累積誤差和齒輪箱的變速比。周節(jié)累積誤差又可分為zui大周節(jié)誤差和任意周節(jié)誤差,前者指的是齒輪一周內(nèi)齒距的zui大誤差,后者指的是任意二點(diǎn)間zui大的誤差。然后轉(zhuǎn)速的連續(xù)性其累積誤差為零,故而周節(jié)累積誤差對整周測量不產(chǎn)生影響,只對瞬態(tài)測試有影響。所以只要齒輪箱加工度足夠高,不發(fā)生打滑、卡齒等現(xiàn)象,變速箱的各軸基本上不傳遞誤差,故可忽略。

(6)外接負(fù)載的不穩(wěn)定性及控制響應(yīng)引起的誤差由于外接負(fù)載可能引起變化,控制系統(tǒng)中自身的響應(yīng)速度和非線性都有可能帶來誤差,而該誤差是隨機(jī)性的,且主要反映在裝置的穩(wěn)定度,故此項(xiàng)誤差與裝置穩(wěn)定度一并考慮。

(7)裝置穩(wěn)定度 6.3×10-6(500r/min為zui大)

2.合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上a、b兩類各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量互不相關(guān),則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc=7.1×10-6

3.總不確定度

 

七、結(jié)束語

經(jīng)過改造后的裝置轉(zhuǎn)速范圍:(30~100000)r/min(下限可延伸至3r/min),不確定度為3×10-5。頻率范圍:1mhz~21mhz,穩(wěn)定度優(yōu)于4×10-7/月,輸出電平40v,輸出波形:正弦波、方波、三角波、斜波等任意波形。改造后的裝置與目前的科技發(fā)展相適應(yīng)完滿足現(xiàn)行檢定規(guī)程的要求,并且達(dá)到了*水平,若配置計(jì)算機(jī)還可以實(shí)施遠(yuǎn)距離操作。