劉 鵬，籍 艷，王 平

LIU Peng,JI Yan,WANG Ping

（山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，青島 266001）

0 引言

流速儀檢定車是流速儀檢定裝置的重要組成部分，其速度控制精度是檢驗(yàn)檢定裝置的主要指標(biāo)。目前，全國(guó)有十幾家檢定中心，由于大多數(shù)檢定中心建造年代較早，設(shè)備陳舊老化，系統(tǒng)故障日益增多，此外，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，檢定裝置自動(dòng)化智能控制水平較低的缺點(diǎn)也日漸顯露，因此，將新的控制技術(shù)應(yīng)用于檢定裝置中勢(shì)在必行[1]。

1 設(shè)計(jì)思想

根據(jù)GB/T21699-2008《直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定／校準(zhǔn)方法》中的規(guī)定，檢定車可采用拖曳式和自推進(jìn)式兩種驅(qū)動(dòng)方式，檢定車上裝有電動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備，經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)使檢定車沿軌道運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)保證車速穩(wěn)定。檢定車速度在測(cè)量段運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)保持相對(duì)穩(wěn)定，車速變化率要求分二級(jí)，如表1所示。其置信水平為99%[2,3]。

表1 檢定車速變化率 %

檢定車速變化率(e)用式(2)計(jì)算：

式中：vt￠為檢定車瞬時(shí)速度，單位為米每秒(m／s)。當(dāng)車速小于等于0.2m/s時(shí)，可用10s為測(cè)速單位；大于等于0.2m/s時(shí)，應(yīng)用1s為測(cè)速單位；vt為檢定車在測(cè)量段內(nèi)運(yùn)行的平均速度，單位為米每秒(m／s)。

本文采用自推進(jìn)式檢定車，車速變化率按照一級(jí)精度要求設(shè)計(jì)。由于傳統(tǒng)的變頻器控制具有低速階段車速穩(wěn)定性差，易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象、啟動(dòng)制動(dòng)距離長(zhǎng)和快速響應(yīng)能力差，在鋼軌接縫及電壓擾動(dòng)情況下容易出現(xiàn)車速不穩(wěn)的現(xiàn)象?；谝陨咸攸c(diǎn)，本文將伺服控制技術(shù)應(yīng)用于檢定車車速控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車速的高精度控制和快速響應(yīng)[4,5]。檢定車結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成及工作原理

圖1 檢定車結(jié)構(gòu)示意圖

檢定車經(jīng)過(guò)鋼軌接縫、或行車走偏經(jīng)導(dǎo)向輪調(diào)整時(shí)，行車負(fù)載會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致信號(hào)快速波動(dòng)，利用變頻控制時(shí)會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)不及時(shí)而出現(xiàn)車速不穩(wěn)的情況，因此本系統(tǒng)采用伺服控制。該系統(tǒng)由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)、伺服放大器、可編程控制器、差速器、半軸及車輪等部分組成。行車的動(dòng)力控制主要是控制行車的運(yùn)行速度和運(yùn)行距離。動(dòng)力控制單元采用三菱交流電機(jī)伺服系統(tǒng)，通過(guò)可編程控制器控制伺服放大器，將控制信號(hào)傳遞給電機(jī)，動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)差速器和半軸等環(huán)節(jié)將動(dòng)力傳遞給車輪，從而驅(qū)動(dòng)行車運(yùn)行。伺服系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 動(dòng)力電機(jī)伺服系統(tǒng)原理框圖

2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)計(jì)算

目前，檢定水槽的參數(shù)為100m（長(zhǎng)）×2.5m（寬）×3m（深），根據(jù)需要達(dá)到的指標(biāo)計(jì)算所需驅(qū)動(dòng)電機(jī)的具體參數(shù)。在行車運(yùn)行過(guò)程時(shí)，伺服電機(jī)以一定的加速度拖動(dòng)負(fù)載克服阻力矩向新的平衡狀態(tài)運(yùn)動(dòng)的。因此，電機(jī)應(yīng)依據(jù)負(fù)載所需的最大轉(zhuǎn)矩來(lái)選型。

2.2.1 運(yùn)行功率計(jì)算

行車運(yùn)行功率計(jì)算公式為：

F運(yùn)為行車運(yùn)行時(shí)需要的力，N；

F摩為行車運(yùn)行時(shí)車輪滾動(dòng)受到的阻力，N；

F水為行車運(yùn)行時(shí)受到的水的阻力，N；

P運(yùn)為行車最高速度運(yùn)行時(shí)需要的功率，kW；

v為行車最高運(yùn)行速度，m/s；

h為電機(jī)效率，取0.85。

由此可以得出：

行車運(yùn)行時(shí)需要的力：F運(yùn)=1812N。

行車最高速度運(yùn)行時(shí)需要的功率P運(yùn)=8.53kW

電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算：

式中： n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；

i為電機(jī)與車輪減速比；

D為車輪直徑，m。

因此，電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1783r/min。

2.2.2 電機(jī)啟動(dòng)力矩計(jì)算

式中：M起為行車啟動(dòng)所需力矩，Nm；

M運(yùn)為運(yùn)行力矩，Nm；

M慣為行車慣性力矩，Nm；

GD12為電機(jī)慣性矩，Nm2；

GD22為行車折算到電機(jī)軸上的總慣性矩，Nm2；

W為行車重量，kg。

表2 HA-LP11K2伺服電機(jī)參數(shù)表

由此得出：行車運(yùn)行力矩M運(yùn)=46.34Nm。

行車慣性力矩M慣=25.99 Nm。

行車啟動(dòng)所需力矩M起= 72.33 Nm。

2.3 伺服系統(tǒng)選擇

根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算，選擇伺服系統(tǒng)元器件如下。

2.3.1 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用日本三菱公司生產(chǎn)的HALP11K2型交流伺服電機(jī)，如圖3所示。電機(jī)配有18位高分辨率的絕對(duì)位置編碼器，分辨率為262144脈沖/r，編碼器對(duì)電機(jī)主軸轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行采集，并反饋至可編程控制器，實(shí)現(xiàn)行車速度的高精度閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制。該電機(jī)具體技術(shù)參數(shù)如表2所示。

圖3 動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)外觀示意圖

2.3.2 伺服放大器

選用日本三菱公司生產(chǎn)的MR-J3-11KB型伺服放大器，與動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電機(jī)配套，用于高精度定位及行車速度控制，外觀如圖4所示。

伺服放大器具有位置控制、速度控制及轉(zhuǎn)矩控制三種模式，并具有光纖通訊功能，可通過(guò)連接安裝有伺服設(shè)置軟件的上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、試運(yùn)行、狀態(tài)顯示和增益調(diào)整等操作。伺服放大器具有高水平自整定功能和高級(jí)振動(dòng)抑制控制功能。伺服放大器配有電池組件，具有原點(diǎn)記憶功能，用于構(gòu)成絕對(duì)位置檢測(cè)系統(tǒng)。

2.3.3 可編程控制器

圖4 MR-J3-11KB型伺服放大器示意圖

為完成各種不同試驗(yàn)過(guò)程對(duì)行車速度和行程的控制，在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有可編程控制器?？删幊炭刂破魇菍樵诠I(yè)環(huán)境中進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算操作而設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)。選用日本三菱公司生產(chǎn)的可編程控制器，它包含四種組件，分別為L(zhǎng)02CPU型CPU組件、LD77MH4型定位組件、LX40C6型輸入組件和LY10R2型輸出組件。工作時(shí)將預(yù)先設(shè)計(jì)的試驗(yàn)控制內(nèi)容編寫(xiě)成程序并寫(xiě)入到可編程控制器中。可編程控制器通過(guò)各部件進(jìn)行采樣、運(yùn)算、輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)行車試驗(yàn)全程的運(yùn)行控制。

3 結(jié)論

經(jīng)運(yùn)行測(cè)試，結(jié)果表明采用該控制系統(tǒng)時(shí)，檢定車速度穩(wěn)定，行車啟動(dòng)平穩(wěn)，可靠性高，制動(dòng)距離短，制動(dòng)平滑。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：車速≤1m/s時(shí)，啟動(dòng)距離小于4m，制動(dòng)距離小于1m；車速＞1m/s，≤2m/s時(shí)，啟動(dòng)距離小于10m，制動(dòng)距離小于4m；車速＞2m/s，≤4m/s時(shí)，啟動(dòng)距離小于28m，制動(dòng)距離小于16m（以上啟動(dòng)距離均含3s的穩(wěn)速階段）。車速變化率達(dá)到了國(guó)家一級(jí)流速儀檢定標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 李深,張錫永,張均順,等.濰坊流速儀檢定水槽升級(jí)技術(shù)改造[J].海洋通報(bào),1999,18(1)∶83-87.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),直線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定/校準(zhǔn)方法,北京∶中國(guó)水利水電出版社,2008.

[3] 李長(zhǎng)連,等.中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程,SLC-9型直讀式海流計(jì),北京∶中國(guó)計(jì)量出版社,1990.

[4] 潘頎,張文錦.基于變頻器的流速儀檢定車的車速控制系統(tǒng)[J].儀器儀表用戶,2008,15(4)∶24-25.

[5] 姜松燕,高偉,張文韜,等.伺服控制放大技術(shù)在流速儀檢定系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].水利信息化,2010,(2)∶58-60.