基于伺服控制的流速儀檢定車速度控制系統設計

劉 鵬，籍 艷，王 平

LIU Peng,JI Yan,WANG Ping

（山東省海洋環境監測技術重點實驗室 山東省科學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檢定裝置的主要指標。目前，全國有十幾家檢定中心，由于大多數檢定中心建造年代較早，設備陳舊老化，系統故障日益增多，此外，隨著計算機科學技術及自動控制技術的發展，檢定裝置自動化智能控制水平較低的缺點也日漸顯露，因此，將新的控制技術應用于檢定裝置中勢在必行[1]。

1 設計思想

根據GB/T21699-2008《直線明槽中的轉子式流速儀檢定／校準方法》中的規定，檢定車可采用拖曳式和自推進式兩種驅動方式，檢定車上裝有電動驅動設備，經傳動系統使檢定車沿軌道運行，自動調速系統保證車速穩定。檢定車速度在測量段運行過程中應保持相對穩定，車速變化率要求分二級，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)計算：

式中：vt￠為檢定車瞬時速度，單位為米每秒(m／s)。當車速小于等于0.2m/s時，可用10s為測速單位；大于等于0.2m/s時，應用1s為測速單位；vt為檢定車在測量段內運行的平均速度，單位為米每秒(m／s)。

本文采用自推進式檢定車，車速變化率按照一級精度要求設計。由于傳統的變頻器控制具有低速階段車速穩定性差，易出現爬行現象、啟動制動距離長和快速響應能力差，在鋼軌接縫及電壓擾動情況下容易出現車速不穩的現象。基于以上特點，本文將伺服控制技術應用于檢定車車速控制系統，實現了車速的高精度控制和快速響應[4,5]。檢定車結構示意圖如圖1所示。

2 控制系統設計

2.1 系統組成及工作原理

圖1 檢定車結構示意圖

檢定車經過鋼軌接縫、或行車走偏經導向輪調整時，行車負載會發生變化，導致信號快速波動，利用變頻控制時會出現響應不及時而出現車速不穩的情況，因此本系統采用伺服控制。該系統由動力驅動電機、伺服放大器、可編程控制器、差速器、半軸及車輪等部分組成。行車的動力控制主要是控制行車的運行速度和運行距離。動力控制單元采用三菱交流電機伺服系統，通過可編程控制器控制伺服放大器，將控制信號傳遞給電機，動力驅動電機通過差速器和半軸等環節將動力傳遞給車輪，從而驅動行車運行。伺服系統原理框圖如圖2所示。

圖2 動力電機伺服系統原理框圖

2.2 驅動電機參數計算

目前，檢定水槽的參數為100m（長）×2.5m（寬）×3m（深），根據需要達到的指標計算所需驅動電機的具體參數。在行車運行過程時，伺服電機以一定的加速度拖動負載克服阻力矩向新的平衡狀態運動的。因此，電機應依據負載所需的最大轉矩來選型。

2.2.1 運行功率計算

行車運行功率計算公式為：

F運為行車運行時需要的力，N；

F摩為行車運行時車輪滾動受到的阻力，N；

F水為行車運行時受到的水的阻力，N；

P運為行車最高速度運行時需要的功率，kW；

v為行車最高運行速度，m/s；

h為電機效率，取0.85。

由此可以得出：

行車運行時需要的力：F運=1812N。

行車最高速度運行時需要的功率P運=8.53kW

電機轉速計算：

式中： n為電機轉速，r/min；

i為電機與車輪減速比；

D為車輪直徑，m。

因此，電機轉速n=1783r/min。

2.2.2 電機啟動力矩計算

式中：M起為行車啟動所需力矩，Nm；

M運為運行力矩，Nm；

M慣為行車慣性力矩，Nm；

GD12為電機慣性矩，Nm2；

GD22為行車折算到電機軸上的總慣性矩，Nm2；

W為行車重量，kg。

表2 HA-LP11K2伺服電機參數表

由此得出：行車運行力矩M運=46.34Nm。

行車慣性力矩M慣=25.99 Nm。

行車啟動所需力矩M起= 72.33 Nm。

2.3 伺服系統選擇

根據以上參數計算，選擇伺服系統元器件如下。

2.3.1 動力驅動電機

動力驅動電機選用日本三菱公司生產的HALP11K2型交流伺服電機，如圖3所示。電機配有18位高分辨率的絕對位置編碼器，分辨率為262144脈沖/r，編碼器對電機主軸轉速信號進行采集，并反饋至可編程控制器，實現行車速度的高精度閉環運動控制。該電機具體技術參數如表2所示。

圖3 動力驅動電機外觀示意圖

2.3.2 伺服放大器

選用日本三菱公司生產的MR-J3-11KB型伺服放大器，與動力驅動電機配套，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、速度控制及轉矩控制三種模式，并具有光纖通訊功能，可通過連接安裝有伺服設置軟件的上位計算機進行參數設定、試運行、狀態顯示和增益調整等操作。伺服放大器具有高水平自整定功能和高級振動抑制控制功能。伺服放大器配有電池組件，具有原點記憶功能，用于構成絕對位置檢測系統。

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過程對行車速度和行程的控制，在動力驅動系統中設計有可編程控制器。可編程控制器是專為在工業環境中進行數字運算操作而設計的電子系統。選用日本三菱公司生產的可編程控制器，它包含四種組件，分別為L02CPU型CPU組件、LD77MH4型定位組件、LX40C6型輸入組件和LY10R2型輸出組件。工作時將預先設計的試驗控制內容編寫成程序并寫入到可編程控制器中。可編程控制器通過各部件進行采樣、運算、輸出實現對行車試驗全程的運行控制。

3 結論

經運行測試，結果表明采用該控制系統時，檢定車速度穩定，行車啟動平穩，可靠性高，制動距離短，制動平滑。實驗結果表明：車速≤1m/s時，啟動距離小于4m，制動距離小于1m；車速＞1m/s，≤2m/s時，啟動距離小于10m，制動距離小于4m；車速＞2m/s，≤4m/s時，啟動距離小于28m，制動距離小于16m（以上啟動距離均含3s的穩速階段）。車速變化率達到了國家一級流速儀檢定標準。

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

[2] 中華人民共和國國家標準,直線明槽中的轉子式流速儀檢定/校準方法,北京∶中國水利水電出版社,2008.

[3] 李長連,等.中華人民共和國國家計量檢定規程,SLC-9型直讀式海流計,北京∶中國計量出版社,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[J].儀器儀表用戶,2008,15(4)∶24-25.

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