转速标准装置技术改造研究
转速标准装置的技术改造方案,包括对其进行电机、机械变速等部分的改造及将锁相伺服控制技术和总线技术应用于控制系统。经改造后装置的技术性能达到*水平。
一、概 述
转速装置、转速表是一种应用极其广泛的仪器仪表,它主要用于电梯制造行业、汽车制造行业、医疗器械行业及航空与船舶工业等各领域和有各类动力设备的企业和生产此类仪器仪表的单位。
我院的转速计量标准装置是上海及华东地区zui高的计量标准,每年承担着上海及其周边地区的量传任务,不仅工作量大,而且转速仪表的种类也很繁多。随着科学技术的发展,现在生产使用的转速仪器仪表的性能与原有的相比有着很大的提高。如上海英特尔公司从英国进口的转速表、上海曼特医疗器械公司从日本进口的转速表等,这些公司的转速表的转速性能都能达到10万转/分,不确定度为0.01%,这对我们的转速专业提出了新的要求。我们改造前的转速装置的齿轮箱是用螺栓安装在主齿轮箱轴上,zui大的缺陷是使用不方便,安装定位困难。
由于安装不好对齿轮箱增加负载,影响主齿轮的使用寿命和使用安全。不仅如此,该装置的转速量程不够宽,影响检定工作的开展。经过一年的努力,我们对原有的装置进行了改造,改造后的标准装置扩展了检测下限,减小了不确定度。不仅能保证量传工作的正常开展,也能满足上海及华东地区企业单位、合资、外资企业的转速仪表的检定和校准需要,*改变了原装置老化落后不适应社会需求的状况。
二、技术改造方案
这次技术改造的目标是提高不确定度和扩展量程,为此新研制了一台转速标准装置。为了适应转速表检定规程的要求和适应不同类型转速表检测的需要, 我们选购了一台90年代*水平的美国hp3325b函数信号发生器作为信号源。该函数信号发生器能产生正弦波、三角波、方波等各种波形,可适应各类转速仪表检测需要。
三、工作原理
新研制的转速标准装置以单片机为核心组成*处理单元实现系统的控制和管理,通过键盘输入所需转速值相对应的标准频率脉冲,该信号与电机旋转而产生的转速脉冲(光电码盘产生)同时输入调宽控制单元,调宽控制电路进行比较后输出讯号给双三相桥式驱动单元对电机转速进行控制,当转速脉冲*同步时, 这就达到了对电机转速的控制,即“锁相”。但由于锁相控制只能适应在负载波动较小的范围内,于是又利用调幅控制单元的作用实现实时跟踪负载变化,自动调节输入系统中的幅值,扩展了锁相捕捉的工作范围,即“伺服”。而状态监测环节具有向*控制单元提供过励磁、欠励磁及适度励磁三个信号,cpu据此决定调幅控制的输出,使运行状态达到。同时为了实现宽量程转速范围,采用了精密高速齿轮变速箱。
四、技术特点
1.装置采用了稀土永磁无刷电机。以稀土材料制作的磁钢,其磁密度要远远高于普通高品质磁钢,因此在相同功率条件下,以稀土磁钢制作的永磁电机,其体积zui小。本装置采用了稀土永磁无刷电机,与原装置相比体积和重量都大大减少了。
2.采用锁相伺服控速技术。该技术是本系统转速控制的核心,通过锁相技术实现对电机转速的控制,通过伺服(自动调节供电的电压值),可实时跟踪负载功率及工作转速变化,大大扩展锁相捕获的工作范围,提高装置的负载能力和减小装置不确定度。
3.调幅控制环节能平滑连续地大范围调节系统所需的励磁注入,没有继电器切换接线的跳变因素,减小了干扰。
4.状态监测环节实时向*控制单元提供“过励磁”,“欠励磁”及“适度励磁”的标志信号,*控制器据此决定调幅控制的输出大小,使运行状态达到。
5.采用锁相伺服稳速控速技术,使转速稳定及准确度提高,这是因为与所需转速相应的标准频率脉冲是由2×10-7稳定度的温补晶振作时钟的频率合成器提供的,该脉冲决定了转速的准确度。调宽控制环节的核心是由边沿触发器组成的高速鉴相器,其相位同步跟踪是以单片机cpu运行速度进行跟踪的,因此,只要系统不失锁,其转速的稳定度与标准频率稳定是相近的。
6.缩小控制周期。当转速大于600r/min时(主轴转速)采用电机内码盘测速信号60脉冲/转,即每个脉冲的周期为6°转角。由于运行惯性的原因,转速波动极小,每6°完成一个控制周期已相当。为了降低下限转速的控制,在低于600r/min时采用美国300线光电码盘,这样保证锁定转速下限值为150r/min(主轴)。
7.机械变速部分。电机主轴转速范围为300~6000r/min,为了实现30~100000r/min转速范围,需要使用变速箱。这里选用齿轮变速箱,其分主、付齿轮箱二部分,付齿轮箱可产生100000r/min转速。现装置用精密的导轨和准确的对中系统使用速箱的输出轴与高速变速箱输出轴轴心一致,并降低振动,以提高安全性、稳定性、可靠性。通过定位系统使变速更方便,保证对主箱不带或少带附加影响,且连接方便。
8.控制部分。为了操作人员的操作方便和装置的安全,本装置特别设置了限速功能。当输入转速超出限速值时,装置不予接受。同时装置设有iee-488接口,它可以实现远距离自动测控。
9.显示部分。本装置采用中、西文图形终端64×256点阵荧光屏。
五、技术改造后标准装置的性能
经技术改造,装置主要有以下功能:
1.产生(30~100000)r/min转速,下限可达3r/min。
2.具有上限转速限速功能。
3.无极调速功能。
4.顺、逆转速方向选择。
5.计算机远距离测控功能。
6.装置控制仪具有iee-488接口,可以远距离自动测控并计算打印数据。
7.高转速安全防护功能,即高速轴设有防护罩。
8.输出正弦波形、三角波形、方波形等波形。zui大输出幅值40v,可满足检定需求。
六、不确定度分析
1.标准不确定度来源
齿轮变速箱加工精度要求*,变速箱的不均匀性和间隙主要反映在齿轮周节累积误差和齿轮箱的变速比。周节累积误差又可分为zui大周节误差和任意周节误差,前者指的是齿轮一周内齿距的zui大误差,后者指的是任意二点间zui大的误差。然后转速的连续性其累积误差为零,故而周节累积误差对整周测量不产生影响,只对瞬态测试有影响。所以只要齿轮箱加工度足够高,不发生打滑、卡齿等现象,变速箱的各轴基本上不传递误差,故可忽略。
(6)外接负载的不稳定性及控制响应引起的误差由于外接负载可能引起变化,控制系统中自身的响应速度和非线性都有可能带来误差,而该误差是随机性的,且主要反映在装置的稳定度,故此项误差与装置稳定度一并考虑。
(7)装置稳定度 6.3×10-6(500r/min为zui大)
2.合成标准不确定度
以上a、b两类各项标准不确定度分量互不相关,则合成标准不确定度uc=7.1×10-6
3.总不确定度
七、结束语
经过改造后的装置转速范围:(30~100000)r/min(下限可延伸至3r/min),不确定度为3×10-5。频率范围:1mhz~21mhz,稳定度优于4×10-7/月,输出电平40v,输出波形:正弦波、方波、三角波、斜波等任意波形。改造后的装置与目前的科技发展相适应完满足现行检定规程的要求,并且达到了*水平,若配置计算机还可以实施远距离操作。
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