基于伺服電機的流量標準裝置換向器精度的研究

孟 濤樊尚春任 蕾

(1.北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院，北京 100191； 2.中國計量科學研究院,北京 100029)

水流量標準裝置是流量傳感器的測試、計量設備。提高流量計量檢定精度對工業生產、居民生活有著重要意義，換向器是影響水流量標準裝置精度的關鍵因素[1-2]。換向器引起的不確定度是整個裝置不確定度的主要來源[3]。因此，對提高換向器不確定度的研究具有現實意義。隨著工業技術的發展，對流量標準裝置的精度提出了更高的需求，流量標準裝置換向器的性能提升成為了流量計量領域的研究熱點和主要的研究方向[4]。其中，精確同步換向器的觸發方式是換向器精度研究的重要環節。

氣缸驅動的換向器具有簡單可靠的優點，國內超過90%的換向器采用這種結構，但這種驅動方式的換向器的運動狀態無法控制，無法實現精確換向。中國水利水電科學研究院的朱雷等人研究了機械連桿推動換向器實現水平移動換向進行控制的換向器，通過提高換向速度來縮短換向時間，從而降低了計時誤差[5]。天津大學孫立軍等研制了一種通過控制三相混合式步進電機來驅動分流器運動實現換向的換向器，并使用光電開關完成同步觸發操作[4]。德國物理工程研究院的Engel等人研制了一種水平運動換向器，采用PLC控制電機驅動線性軸承方式換向，并利用絕對角度式光電開關完成同步觸發操作[6-7]。

本文的研究對象為中國計量科學研究院的靜態質量法熱水水流量標準裝置，換向器是裝置的重要組成[8]。伺服電機具有運動平穩、響應速度快、轉向精度高等優點，通過采集其編碼器反饋的位置信息可以實現精確換向與連續可調的同步觸發[9]。基于伺服電機的以上特點，本文研究并實現了一種伺服電機驅動的換向器，取代原有的氣缸驅動設計。

1 換向器概述

換向器是主要由噴嘴、驅動器、分流器及同步觸發組件組成的機械電子系統。其本質是利用分流器的結構改變液體的流動方向并發出同步觸發信號，使水流在旁通管路與稱重管路內實現切換，并實現待測流量計的計時同步。圖1(a)、圖1(b)分別為換向器基本組成及運行原理示意圖[10]。換向器的運行過程為：水由待檢表經過上游管路及過渡段到達換向器噴嘴，形成射流，通過分流器的分流選擇進入旁通管路或稱重管路。

圖1 換向器基本組成及運行原理示意圖

圖2展示的是換向的理想過程時間t、量Q的對應關系曲線

圖2 理想換向過程時間-流量關系圖

圖2兩圖描述了換向換入過程中，水由旁通管路換入稱重管路的時間流量關系圖，曲線描述了進入稱重器內的流量與時間的關系，曲線與坐標所圍陰影面積表示進入稱重器內的累積質量/體積。圖(2)b是圖2(a)為便于理解計時關系的簡化版，t1和t2分別為換入換出時間，tR1和tR2分別是啟動和停止計時同步觸發位置時間點，陰影面積A1為實際進入標準器的液體累積流量，陰影面積A2為計時器計時期間理論液體累積流量。在理想的換向過程中，應得到A1=A2，但現實換向過程中流量曲線以及信號觸發位置都會受到很多因素影響，導致在測量開始和結束的換向過程中所引起的這兩個累積流量的不相等,并由此引起不確定度。

由于換向過程中存在換向速度隨流量變化、水利中心與同步觸發點不一致等問題、噴嘴出口流暢不穩定、不均勻等問題，實際的換向過程中的時間-流量對應關系如圖3所示。在流量標準裝置實際的標定中，tR1和tR2時刻通常利用人為判斷與手動微調結合的方式獲得。在固定的流量點下對圖3的tR1和tR2進行調整使其更加接近圖2中的tR1和tR2，更加接近近似的換向過程。本文研究的是利用伺服電機的精確可控性使得tR1和tR2的判斷接近理想過程。

圖3 實際換向過程時間-流量關系

2 熱水流量裝置換向器

本文所研究的熱水流量裝置換向器利用伺服電機通過n型架與換向器外殼連接，轉動軸的輸出軸通過梅花聯軸器與經過伺服電機的減速器相連，梅花聯軸換向器的爆炸圖如圖4所示。

圖4 換向器主要零件爆炸圖

圖3展示了換向器換向過程的時間-流量對應關系，曲線可以細化為5個過程，通過圖5可以建立起實物與換向過程曲線的關系。動過程對應了5個典型的時刻，分別為：換向起始時刻t0；運動至水利中心點過程的計時觸發時刻t1；水利中心時刻t2；計時觸發終止時刻t3；運動終止時刻t4。5個狀態依次對應圖5的5張圖。

圖5 換向器換向過程示意圖

裝置整體裝配圖如圖6所示，該設計的伺服電機與換向器之間的無縫連接，梅花聯軸器最大限度地降低了機械結構帶來的影響。經過減速器的伺服電機直接與換向器相連，減少了輸出扭矩的損失，可以保證換向器的穩定轉動，可盡可能地減少噴嘴出口在不同流量點下不一致對轉速的影響，提高了換向器的不確定度水平。在裝置中加入了光電開關，作為換向器分流器擋片實際位置。實際搭建的實驗臺如圖7所示。

圖6 裝置整體裝配圖

該型換向器通過實際的搭建與測試應用，證明了該結構能夠承擔平穩換向的功能需求，可以實現完整的換向過程，為換向器精準換向與觸發奠定基礎。

3 基于伺服電機的換向器系統組成

伺服電機的換向器系統主要由換向器、伺服電機、光電開關流量積算儀及用于控制、測量的單片機組成。

圖7 實驗裝置搭建圖

單片機用于采集換向器伺服電機編碼器的位置信息以及光電開關的計數觸發信號，單片機對觸發信號與編碼脈沖進行處理后完成對流量積算儀的計數開始與結束操作計數[11]，同時可通過單片機實現連續可調同步觸發操作，提升觸發精度。核心的控制器單片機采集并控制的流程圖如圖8所示。

圖8 單片機測量、控制流程圖

伺服電機自身所帶的編碼器為增量式編碼器，分辨力達0.036°。裝置通過采集編碼器返回脈沖，可準確得到換向器轉動位置。

系統中一個光電開關作為觸發計數源，當電機正向單片機接收到正轉信號時計為換入，當觸發光電開關為進入換向階段，開始對編碼器脈沖信號進行計數，連續可調脈沖信號作為同步觸發流量積算儀的門控信號。單片機對編碼器采集到的脈沖數進行采集可以檢測到有效邊沿的數量，完成換向器的精確同步觸發，通過標定使觸發位置盡可能接近真實的水利中心線。

圖9展示了連續可調的同步觸發過程中編碼器脈沖數和觸發信號的關系。N1、N2為調整脈沖數，脈沖數為電機編碼器的反饋至單片機的脈沖數，光電開關發出的脈沖信號上升沿為調整前的同步觸發信號。基于伺服電機的換向器通過單片機進行對電機編碼器脈沖采集與調整并完成同步觸發。

流量積算儀作用是采集記錄標準表流量，即標準流量計發出脈沖數。圖11為流量積算儀與標準表、單片機控制器以及電機的關系。當正向換向時，到達同步觸發位置，單片機通過流量積算儀外控口發送高電平信號，觸發開始對標準表記錄脈沖數；換出開始時，電機反向轉動結束，達到光電開關同步觸發位置時，單片機通過外控接口向流量積算儀發送低電平信號，下降沿觸發流量積算儀停止對標準表的脈沖計數。

圖9 可調同步觸發過程原理圖[12]

圖10 單片機控制器實物圖

圖11 系統接線圖

在同步觸發模塊中，可對伺服電機自身編碼器的反饋脈沖進行采集。觸發節點為光電開關發出信號的上升沿，利用邊沿計數的方式，對脈沖數進行采集，上升沿數即為脈沖數。

4 同步觸發實驗

同步觸發位置所對應的轉動角度為

(1)

式中，t1為電機開始轉動到觸發光電開關經過時間；t為電機轉動的脈沖周期；N為觸發光電開始到同步觸發位調整設定的脈沖數。根據電機參數，電機轉動一周輸出100000個脈沖，當電機在32.5 r/min下轉動，脈沖周期為t=1.8/100000 s，由此可得

(2)

單片機采集編碼器反饋脈沖數，通過單片機程序判斷同步觸發點，并發送電平控制信號。初步根據估算水利中心位置與光電觸發點間的角度來計算并調整同步觸發數。在3個流量點下分別進行實驗，可得正向、反向的同步數，根據式(1)計算得到t1，如表1所示。

表1 正、反向下觸發數與時間

為驗證伺服電機在實際換向過程中理論與實際參數的偏差是否滿足同步觸發需求，在同步觸發硬件平臺下進行實驗，實驗結果如表1所示，對于電機1°轉動對應的脈沖數為277.8，實驗中正向、反向實驗與理論的絕對差值分別為1、1.8，均遠小于0.01°，轉動精度證明了設置方法的正確性。

5 實驗及不確定度分析評估

5.1 伺服電機的最佳速度

最佳轉速實驗為確定伺服電機穩定性、重復性好的換向器轉速。

理論要求換向時間不得大于1 s[8]，研究對象設備換向器換向角度為18°，換向速度不得小于3.75 r/min，因此，試驗換向最佳轉速在最小速度的10倍區間內進行。在流量標準裝置常用流量點11 m3/h下進行換向最佳速度試驗，其余條件按照檢定換向器進行配置。在電機轉速理論范圍內選擇37.5，32.5，23.5，12.5，3.75 r/min 5個典型轉速，進行常用流量點下的換向器檢定實驗，換向時間差的A類不確定度(重復性)作為判定依據。37.5，32.5，23.5，12.5，3.75 r/min5個典型轉速下對應的換向時間分別為0.08，0.092，0.13，0.24，0.8 s根據JJG 164-2000《液體流量標準裝置檢定規程》[13]，A類相對標準不確定度s為

(3)

37.5，32.5，23.5，12.5，3.75 r/min 5個典型轉速下對應的換向誤差分別為-0.200007，0.008909，0.089839，-0.026100，0.287304 s。根據式(3)可得A類相對標準不確定度s分別為0.007%，0.005%，0.007%，0.008%，0.006%。

根據實驗結果，擬合得到的不確定度隨流量變化曲線，在轉速區間內的函數為

y=5×10-8x4-3×10-6x3+6×10-5x2-10-4x+0.0058

(4)

通過求取擬合函數的極小值點可以大致確定，伺服電機換向器轉速在32.5 r/min下，換向器換向時間引入的A類不確定度最小為0.005%，說明在該轉速下，伺服電機換向器換向平穩，多次轉動的一致性良好，性能較為穩定。綜上，選取32.5 r/min作為試驗確定的最佳轉動速度，可保證換向器換向運動的完整性，可通過連續調節實現換向器精度的提升。

圖12 不確定度隨流量變化

5.2 換向器的不確定度評估

當伺服電機轉速為32.5 r/min，又編碼器一周對應100000個脈沖，電機脈沖周期為1.85×10-6s。Δti既為檢定得到的時間誤差又為待調整的同步觸發時間，通過Δti可以確定調整的同步觸發脈沖數，其關系為

(5)

式中，N0為待調整的脈沖數；Δti=0，可理解為換向觸發剛好位于水利中心點，Δti>0，說明時機觸發時機晚于設置的觸發時機，需提前開始/終止脈沖數，反之需錯后開始/終止脈沖數。由于不同流量點下出口流場存在差異，會造成不同流量點下的同步觸發位置有所差異，這種方式為不同流量點下進行觸發調整提供了可能，可以提升在不同流量點下的不確定度水平。在換向器轉速為37.5 r/min下進行同步觸發標定實驗。分別在最大流量點30 m3/h、常用流量點11 m3/h、小流量點4m3/h這3種流量點下根據規程對換向器的計時誤差進行檢定實驗。

根據規程，換向過程中的時間差Δti和平均值Δt分別為

(6)

(7)

式中，t1為一次換向時間；t2為10次換向時間；B1為1次換向中經過換算后標準器記錄的換入稱的水流量的標準質量；B2為10次換向中經過換算后標準器記錄的累積換入稱的水流量的標準質量；N1為1次換向中流量積算儀的讀數;N2為10次換向中流量積算儀的累積讀數。對于換向誤差引入的A類和B類不確定度的公式為

(8)

(9)

由式(8)，對3個流量點下的實驗數據進行處理與分析。換向器時間差引入的B類相對標準不確定可通過式(9)得到。根據不確定度合成公式，換向器的綜合不確定度為

(10)

在3個流量點下，時間差、A類不確定度、換向時間差引入的不確定度、換向器引入的不確定度分別對應如表2所示。

表2 3個流量點下時間差及不確定度

根據計算得到的3個流量點下的不確定度指標可以得到，重復性表征的A類相對不確定度最大為0.005%，說明換向器在換向過程中穩定性好，一致性高，伺服電機驅動的換向器能夠保證在流量標準裝置中可靠且穩定地運行。在標定可調脈沖后換向器的不確定度水平有所提高，其B類不確定度達0.001%，證明了連續可調同步觸發方式的有效性，提升了換向器的精度。對檢定實驗得到的不確定度進行綜合分析。綜上，該換向器的不確定度水平為0.005%。目前國內同量級的流量標準裝置的換向器的不確定度普遍在0.01%以上。在伺服電機驅動的換向器配合連續可調觸發的設計下，有效提升了設備性能，使水裝置的換向器不確定度水平達到國內領先水平。

6 結束語

本文在中國計量科學研究院的熱水流量標準裝置上研究了一種基于伺服電機的換向器，利用伺服電機的編碼器改變其計時觸發時間，通過檢定實驗驗證了其在3種不同流量點下具有很小的換向時間差。通過對比A類不確定度確定了32.5 r/min為伺服電機的最佳轉速，在最佳速度基礎上，通過實驗得到了基于伺服電機的換向器不確定度在不同流量下引入的不確定度最大僅為0.005%。驗證了基于伺服電機的換向器同步觸發機制對于提升裝置性能的顯著作用。