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轉速標準裝置的技術改造方案,包括對其進行電機、機械變速等部分的改造及將鎖相伺服控制技術和總線技術應用于控制系統。經改造后裝置的技術性能達到*水平。
一、概 述
轉速裝置、轉速表是一種應用極其廣泛的儀器儀表,它主要用于電梯制造行業、汽車制造行業、醫療器械行業及航空與船舶工業等各領域和有各類動力設備的企業和生產此類儀器儀表的單位。
我院的轉速計量標準裝置是上海及華東地區zui高的計量標準,每年承擔著上海及其周邊地區的量傳任務,不僅工作量大,而且轉速儀表的種類也很繁多。隨著科學技術的發展,現在生產使用的轉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口的轉速表、上海曼特醫療器械公司從日本進口的轉速表等,這些公司的轉速表的轉速性能都能達到10萬轉/分,不確定度為0.01%,這對我們的轉速專業提出了新的要求。我們改造前的轉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,該裝置的轉速量程不夠寬,影響檢定工作的開展。經過一年的努力,我們對原有的裝置進行了改造,改造后的標準裝置擴展了檢測下限,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企業單位、合資、外資企業的轉速儀表的檢定和校準需要,*改變了原裝置老化落后不適應社會需求的狀況。
二、技術改造方案
這次技術改造的目標是提高不確定度和擴展量程,為此新研制了一臺轉速標準裝置。為了適應轉速表檢定規程的要求和適應不同類型轉速表檢測的需要, 我們選購了一臺90年代*水平的美國hp3325b函數信號發生器作為信號源。該函數信號發生器能產生正弦波、三角波、方波等各種波形,可適應各類轉速儀表檢測需要。
三、工作原理
新研制的轉速標準裝置以單片機為核心組成*處理單元實現系統的控制和管理,通過鍵盤輸入所需轉速值相對應的標準頻率脈沖,該信號與電機旋轉而產生的轉速脈沖(光電碼盤產生)同時輸入調寬控制單元,調寬控制電路進行比較后輸出訊號給雙三相橋式驅動單元對電機轉速進行控制,當轉速脈沖*同步時, 這就達到了對電機轉速的控制,即“鎖相”。但由于鎖相控制只能適應在負載波動較小的范圍內,于是又利用調幅控制單元的作用實現實時跟蹤負載變化,自動調節輸入系統中的幅值,擴展了鎖相捕捉的工作范圍,即“伺服”。而狀態監測環節具有向*控制單元提供過勵磁、欠勵磁及適度勵磁三個信號,cpu據此決定調幅控制的輸出,使運行狀態達到。同時為了實現寬量程轉速范圍,采用了精密高速齒輪變速箱。
四、技術特點
1.裝置采用了稀土永磁無刷電機。以稀土材料制作的磁鋼,其磁密度要遠遠高于普通高品質磁鋼,因此在相同功率條件下,以稀土磁鋼制作的永磁電機,其體積zui小。本裝置采用了稀土永磁無刷電機,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。該技術是本系統轉速控制的核心,通過鎖相技術實現對電機轉速的控制,通過伺服(自動調節供電的電壓值),可實時跟蹤負載功率及工作轉速變化,大大擴展鎖相捕獲的工作范圍,提高裝置的負載能力和減小裝置不確定度。
3.調幅控制環節能平滑連續地大范圍調節系統所需的勵磁注入,沒有繼電器切換接線的跳變因素,減小了干擾。
4.狀態監測環節實時向*控制單元提供“過勵磁”,“欠勵磁”及“適度勵磁”的標志信號,*控制器據此決定調幅控制的輸出大小,使運行狀態達到。
5.采用鎖相伺服穩速控速技術,使轉速穩定及準確度提高,這是因為與所需轉速相應的標準頻率脈沖是由2×10-7穩定度的溫補晶振作時鐘的頻率合成器提供的,該脈沖決定了轉速的準確度。調寬控制環節的核心是由邊沿觸發器組成的高速鑒相器,其相位同步跟蹤是以單片機cpu運行速度進行跟蹤的,因此,只要系統不失鎖,其轉速的穩定度與標準頻率穩定是相近的。
6.縮小控制周期。當轉速大于600r/min時(主軸轉速)采用電機內碼盤測速信號60脈沖/轉,即每個脈沖的周期為6°轉角。由于運行慣性的原因,轉速波動極小,每6°完成一個控制周期已相當。為了降低下限轉速的控制,在低于600r/min時采用美國300線光電碼盤,這樣保證鎖定轉速下限值為150r/min(主軸)。
7.機械變速部分。電機主軸轉速范圍為300~6000r/min,為了實現30~100000r/min轉速范圍,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,付齒輪箱可產生100000r/min轉速。現裝置用精密的導軌和準確的對中系統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、穩定性、可靠性。通過定位系統使變速更方便,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,本裝置特別設置了限速功能。當輸入轉速超出限速值時,裝置不予接受。同時裝置設有iee-488接口,它可以實現遠距離自動測控。
9.顯示部分。本裝置采用中、西文圖形終端64×256點陣熒光屏。
五、技術改造后標準裝置的性能
經技術改造,裝置主要有以下功能:
1.產生(30~100000)r/min轉速,下限可達3r/min。
2.具有上限轉速限速功能。
3.無極調速功能。
4.順、逆轉速方向選擇。
5.計算機遠距離測控功能。
6.裝置控制儀具有iee-488接口,可以遠距離自動測控并計算打印數據。
7.高轉速安全防護功能,即高速軸設有防護罩。
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.標準不確定度來源
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累積誤差和齒輪箱的變速比。周節累積誤差又可分為zui大周節誤差和任意周節誤差,前者指的是齒輪一周內齒距的zui大誤差,后者指的是任意二點間zui大的誤差。然后轉速的連續性其累積誤差為零,故而周節累積誤差對整周測量不產生影響,只對瞬態測試有影響。所以只要齒輪箱加工度足夠高,不發生打滑、卡齒等現象,變速箱的各軸基本上不傳遞誤差,故可忽略。
(6)外接負載的不穩定性及控制響應引起的誤差由于外接負載可能引起變化,控制系統中自身的響應速度和非線性都有可能帶來誤差,而該誤差是隨機性的,且主要反映在裝置的穩定度,故此項誤差與裝置穩定度一并考慮。
(7)裝置穩定度 6.3×10-6(500r/min為zui大)
2.合成標準不確定度
以上a、b兩類各項標準不確定度分量互不相關,則合成標準不確定度uc=7.1×10-6
3.總不確定度
七、結束語
經過改造后的裝置轉速范圍:(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,穩定度優于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展相適應完滿足現行檢定規程的要求,并且達到了*水平,若配置計算機還可以實施遠距離操作。
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