CN1032079A - 多功能数控标准转速计量检定装置 - Google Patents

Abstract

一种多功能数控标准转速计量检定装置，是由标 准频率源1、数控调速系统2、计数测量显示系统3、 驱动电源4、步进电机5、齿轮变速箱6组成。数控调 速系统2是装置的核心部件。它由数控扫描变频调 速器9、运转控制器10、旋转加速度控制器11、定时 控制器12、车速——转速比例系数给定器13等组 成。它可控制步进电机及齿轮箱转轴以给定的旋转 加速度升降转速，以给定的转速稳速运转或定时定速 运转，分别用于检定各种旋转加速度计、转速表、车速 里程表和里程计价表等。

Description

本发明涉及标准的旋转速度和加速度计量检定装置的设计制造及各种转速计量仪表（包括转速表、旋转加速度计、车速里程表和里程计价表等）的计量检定技术领域。

对各种转速计量仪表进行检定，需要采用具有相应功能、量程和精度的标准装置。例如：检定转速表的标准转速装置，具有调速稳速功能，其转轴的转速应能在1～10⁵r/min上下的量程内定点或连续可调，转速的稳定度和准确度达±5×10^-3～2×10^-5;检定旋转加速度计的标准旋转加速度装置，具有按匀加速度和匀减速度调节转轴转速的功能，其最高转速为几百至几万r/min，旋转加速度在1～10⁴r/min²量程内定点或连续可调，旋转加速度的准确度达±1×10^-2～1×10^-4;检定车速里程表和里程计价表有通用的标准转速装置、专用的检定装置及载车拖动车轮旋转的检定装置，要求的转速范围为几十至几千r/min，转速的准确度和稳定度为±1～5×10^-3，具有累计转数或定时控制功能。对于电子式转速计量仪表的检定，还要求标准装置或配套的仪表具有测量转速、频率及输出频标信号等功能，使之能对被检定仪表的频率源和转速传感器等的性能作综合性检定测试。所有这些装置都要采用电机拖动。因此，测速技术、电机拖动和调速技术就成为设计制造装置的关键。由于转速测量和电机的调速稳速技术应用广泛，历史较长，基础较好，为标准转速装置的发展提供了有利条件。苏、美、英、瑞士等国家，自五十年代以来，进行了许多研究工作。其中，全苏计量科学研究院进行了广泛持久的研究工作，试制并建立了多种标准转速装置。七十年代中期以来，中国计量科学研究院、天津电气传动研究所、湖北省计量局、人民解放军空军第一研究所等单位，先后合作或单独研制了3种类型的标准转速装置。已有的各种标准转速装置。先后采用了以工频电源驱动的交流感应电动机和机械式摩擦调速盘;以音叉振荡器开环控制的微型同步电机;以标准点频率的电脉冲开环控制的二相滞后同步电机;以直流调速电机驱动、标准点频率开环控制的同步稳速器;以闭环控制、标准点频率调速和差频稳速的直流电机;以闭环控制、标准点频率调速和数字锁相稳速的无刷直流电机。这些装置仅能配套单个拖动电机。电机直接拖动被检表的装置转速为200～5000r/min;由电机经过齿轮变速箱扩展转速后间接拖动被检仪表的装置，转速量程最大为1～150000r/min。它们的转速稳定度和准确度自±5×10^-3～2×10^-5。电机转速的调节细分度（间隔）最小为2r/min。准确度较低的装置，如瑞士JAQUET700型和上转BZ-4型，采用离心式标准转速表指示标准转速值。精度较高的装置，采用频闪测速仪或电子计数式测速仪，或两种相结合。这些装置既不能以可调的旋转加速度升降转速，也不能定速定时控制。其中准确度较高的宽量程标准转速装置，结构复杂，由多台仪器设备组合而成，投资较大，不易推广普及，基本停留在科研样机或单台生产阶段，未能进行批量生产。与标准转速装置相比，标准旋转加速度装置的研究发展较为缓慢。尤其是高速宽量程旋转加速度装置种类更少，水平更低。在我国，旋转加速度的计量标准尚未建立，是一个空白的研究领域。

本发明的目的就是要提供一类新型的多功能数控标准转速计量检定装置，它克服了以往的高准确度标准转速装置功能单一、结构复杂，加工调试困难、制造成本较高等缺点，具有三种运转控制功能，在很宽的量程内以很小的间隔（近似连续地）调节转速、以匀加速或匀减速方式升降转速、稳速运转和定速定时运转，可作检定各种转速计量仪表的标准装置。它的主机还兼有测频、测周、测速和计时等功能，可以进行量值传递过程中多种综合性检定测试。它的结构较简单紧凑，加工调试方便，易于开发系列化产品，且造价较低，适合于普及推广。

本发明技术解决方案是：它以步进电机作装置的主拖动电机。用特殊设计的数控调速系统按开环方式控制步进电机的旋转。在数控调速系统以连续的扫描变频方式输出频率并线性地连续升高或降低调速脉冲时，步进电机作匀加速或匀减速旋转;在调速脉冲的频率锁定时，步进电机作连续的稳速旋转;在对调速脉冲作定时控制时，步进电机作定速定时运转。由于步进电机的转子的转角位移量与调速脉冲数量和频率成严格的正比关系，且其转角位置具有独特的“自锁”功能，在额定的转矩和转速范围内正常旋转时，其旋转速度和加速度不受干扰力矩的影响。采用频率的准确度和稳定度达10^-5～10^-7的标准频率源向数控调速系统提供单一频率的电脉冲，通过数控扫描变频、锁定及定时控制，输出频率与给定的旋转速度和加速度相当的调速电脉冲，就可以开环方式控制步进电机的旋转速度和加速度达到10^-4～10^-6的准确度，从而由标准频率值直接复现旋转速度和加速度两种量值。这种装置既保持了开环控制系统的简单性，同时又具有闭环控制系统的可靠性。特别是它可以用输出线性扫描的调速脉冲这种简单可靠的方法控制步进电机作匀加速度或匀减速度旋转，是其它类型的拖动电机难以实现的。本装置在结构方面采用了功能单元积木化组合设计的方案。它的主机包括标准频率源、数控调速系统及具有测频、测周、测速和计时等功能的计数测量显示系统。它可配套能以同一主机控制，并由同一驱动电源供电的二种或更多规格的步进电机。其中一种是最高转速近20000r/min的高速步进电机，它可以直接拖动被检定的各种转速仪表，在10000r/min以内作接触式仪表的检定，在20000r/min以内作非接触式仪表的检定，它尤其适用于现场流动检定和对车装的车速里程表及里程计价表作原位检定;其中另一种是大力矩中速步进电机，力矩为40～80kg·cm、转速1000r/min以上，由它拖动齿轮变速箱扩展转速，自几十至几万r/min，甚至更高的范围，再由各齿轮轴拖动相应量程的各种转速计量仪表进行检定测试。

下面结合附图详细描述。

图1是本发明装置的总体结构方框图。

图2是本装置中的数控调速系统方框图。

图3、图4是两种类型数控调速系统电路结构原理图。

图5是数控调速系统中的运转控制器电路结构原理图。

图6是数控调速系统中的旋转加速度控制器电路结构原理图。

图7是数控调速系统中的定时控制器电路结构原理图。

图8是数控调速系统中的车速-转速比例系数给定器电路结构原理图。

如图1所示，本发明装置由标准频率源1、数控调速系统2、计数测量显示系统3、驱动电源4、步进电机5和齿轮变速箱6组成。标准频率源1的标称频率fo可为0.1、1、2、4或10MHz，频率的准确度和稳定度应比装置的转速准确度和稳定度高10倍以上。如后者为10^-4～10^-6，则前者应为10^-5～10^-7。标准频率源1分别向数控调速系统2和计数测量显示系统3提供单一的标准频率f_o的电脉冲。数控调速系统2按给定的旋转加速度Ng，把单一的标准频率f_o的电脉冲转换成为以扫频方式连续升高或降低频率的调速电脉冲，并在给定的旋转速度N相当的频率上锁定。又可按被检定的车速里程表和里程计价表的车速与转速的比例系数给定值，在被检定的车速示值所对应的转速N_z相当的频率上锁定，并对调速电脉冲自开始输出、频率的上升、锁定和下降至0，作定时控制。数控调速系统2分别以这样三种方式输出的调速电脉冲f_n供给驱动电源4，通过驱动电源4中的脉冲分配器控制其对步进电机5各相绕组的供电分配次序及变换速度，从而使步进电机5的转子以给定的旋转加速度N_g升降速至给定旋转速度N稳速运转，或在定时控制时间内以给定车速相当的旋转速度进行旋转。由步进电机5的转子轴伸直接地或经齿轮变速箱6间接地拖动被检定的各种转速计量仪表8，以相应的速度和时间旋转。步进电机5和驱动电源4均在已有系列化产品中选择配套。齿轮变速箱6采用传统的标准转速装置所配套的那些类型的齿轮变速箱的设计方案和制造工艺。计数测量显示系统3采用了通用的电子计数器的基本模式，进一步扩展了功能。它测量频率的计数采样时间有0.1、1、10、60和100S。测量周期的倍乘率有1、10、10²、10³、10⁴、10⁵。它的输入脉冲整形放大器具有较高的灵敏度和波形适应能力。这就可使该系统不仅能作通常的频率和周期的测量，还可配套多种传感器作转速测量，或对被检定的电子式转速仪表的传感器性能进行测试。计数测量显示系统3不仅可测量这些参数或仪表8，还具有计时功能，既可作为电子计时器，还勺魑氐魉傧低?的定时控制器的组成部分。此外，该系统还可通过测量数控调速系统2的数控扫描变频调速器输出电脉冲频率的方法，辅助显示齿轮变速箱各转轴的转速。此时，测频计数的采样时间应按此频率与相应转轴转速的比例关系来确定。装置的标准频率源1、数控调速系统2和计数测量显示系统3等功能单元，按积木化组合设计成既可整体使用的主机，又可分解使用的独立部件。

如图2所示的数控调速系统2，是本发明装置的核心部分。它由数控扫描变频调速器9、运转控制器10、旋转加速度控制器11、定时控制器12、车速-转速比例系数给定器13等部分组成。数控扫描变频调速器9是该系统的中心环节。它以数控扫描方式进行连续的频率变换，它在运转控制器10和旋转加速度控制器11的联动控制下，把标准频率源1输入的单一标准频率f_o的电脉冲变换成频率的升降速率与给定的旋转加速度值相当的调速脉冲f_n，并在给定的旋转速度值相当频率时锁定。在定时控制器12的配合控制下，精确地控制调速电脉冲的输出、升频、锁频、降频、直至终止的时间。为了在检定车速里程表和里程计价表时，数控扫描变频调速器9直接给定车速值，无须按车速值计算给定的转速值。此时，由车速-转速比例系数给定器13先对标准频率源1输出电脉冲的频率f_o作相应的比例分频后，输出频率与车速-转速比例系数相当的电脉冲，再输入数控扫描变频调速器9。数控调速系统2既可采用全部数字逻辑器件和开关构成的电路，也可采用微机控制及数字逻辑电路。图3和图4提供了两种性能可靠、结构简单、装配调试和使用维护方便的、全部由数字逻辑器件和开关构成的数控调速系统2的电路结构原理图。

图3所提供的数控调速系统2，是由运转控制器10、旋转加速度控制器11、定时控制器12、车速-转速比例系数给定器13，以及由其余部分组成的数控扫描变频调速器9等5个单元构成。数控扫描变频调速器9是1-1至1-n的n位加模式级联的BCD系数乘法器、2-1至2-n的n位级联的BCD可逆计数器、3-1至3-n的n位级联的数据比较器、K₁至K_n的n个BCD码拨盘开关，以及比例分频器14等部分组成。其中的n位的数值，是把装置所用的步进电机5的实际上限转速N_上及调速细分度ΔN两项技术参数的小数点前和后的位数相加的数值。如果N_上＝10000r/min，则可减1后计位数，即作为9999的4位计算。若ΔN＝0.01r/min，则n＝4+2＝6，其余类推。比例分频器14的分频系数N_分的数值，先由标准频率f_o和n的位数，求得由K_n编码控制的系数乘法器1-n输出脉冲的频率最小调节量Δf＝f_o·10^-n，再由ΔN、Δf及步进电机步距角及调速脉冲的当量频率F_k计算N_分：

N_分＝ (Δf)/(ΔN·FK)

式中的调速脉冲的当量频率F_k＝ (360°)/(步距角×60°)

图3所提供的数控调速系统2的电路工作原理是这样的：在控制步进电机按旋转加速度控制器11给定的旋转加速度N_g升速或降速，并在数控扫描变频调速器的BCD编码拨盘开关K₁至K_n（此时通过开关K_b选通N接高电平V_DD）给定的旋转速度N稳速运转时，标准频率源1的标准频率f_o电脉冲，通过开关K_c的选通N，直接输入系数乘法器1-1至1-n的时钟脉冲输入端。n位加模式级联的系数乘法器1-1至1-n以乘小于1的系数方式，对频率为f_o的电脉冲作分频。如f_o＝1MHz，系数为0.99999时，1-n输出的电脉冲频率为999.99KHz;系数为0.00001时，1-n输出的电脉冲频率为10Hz。系数由可逆数器2-1至2-n输入1-1至1-n的BCD代码编程控制。可逆计数器2-1至2-n以加法或减法方式对输入2-n的CP₊或CP_-端的频率准确稳定的CP脉冲进行计数，它们就能以线性扫描的方式输出连续变化的BCD代码，对1-1至1-n进行编程控制，使1-n输出脉冲的频率线性地上升或下降。可逆计数器2-1至2-n所输出的BCD代码，同时输入数据比较器3-1至3-n的数据比较端B，与由BCD编码拨盘开关K₁至K_n输入数据比较端A、相当于给定旋转速度的代码作比较，当A＞B时，3-1的A＞B端为高电平、A＝B端为低电平，通过运转控制器10控制由旋转加速度控制器11输出的CP脉冲进入2-n的CP₊端，作加法计数。当数据比较端A＝B时，3-1的A＝B端为高电平，阻止CP脉冲通过运转控制器，可逆计数器停止计数，输出BCD代码不变、1-n输出脉冲的频率被锁定。当数据比较端A＜B时，3-1的A＝B端为低电平，A＞B端为低电平，通过俗刂破?0控制CP脉冲进入2-n的CP_-端，可逆计数器作减法计数，使系数乘法器的编程系数逐渐减小，1-n所输出的电脉冲频率线性地下降。旋转加速度控制器11所输出的CP脉冲的频率是连续可调且与给定的旋转加速度N_g是严格相当的。运转控制器10的开关K_a，控制CP脉冲的通断和可逆计数器的清零复位。K_a接低电平，CP脉冲不能通过，可逆计数器被清零，编程系数为0，系数乘法器1-n无脉冲输出，步进电机在停止转动状态。在K_a接高电平后，则由给定的旋转速度和加速度代码，按上述方式控制1-n输出脉冲的频率的升降或锁定，经比例分频器14分频后，输出调速脉冲f_n，通过驱动电源4去控制步进电机5按要求的状态旋转。在升速或降速运转时，装置用于检定旋转加速度计。在稳速运转时，装置用于检定转速表。当装置用于检定车速里程表和里程计价表时，还需由定时控制器12和车速-转速比例系数给定器13配套控制。此时标准频率源1输出的电脉冲经开关K_c选通D，经车速-转速比例系数给定器13进行比例分频后产生的电脉冲，输入系数乘法器1-1至1-n的时钟脉冲输入端。同时，开关K_b接通D端，拨盘开关K₁至K_n置入数据比较端A的代码有无，受定时控制器12的V_D端的电平控制。在启动升速时，定时控制器V_D端为高电平，K₁至K_n代表车速值的BCD代码被置入数据比较输入端A，数据比较器3-1的A＝B端为低电平，A＞B端为高电平。通过运转控制器10控制CP脉冲进入可逆计数器2-n的CP₊端，作加法计数，使数控扫描变频调速器9输出调速脉冲，控制步进电机升速运转。当2-1至2-n输出BCD代码与K₁至K_n置入数据比较器3-1至3-n的代码相等时，3-1的A＝B端为高电平，阻止CP脉冲通过，计数停止，数控扫描变频调速器9输出脉冲的频率被锁定，控制步进电机的转速升至与给定车速里程表的车速值相当的转速后稳速运转，此时，可根据车速里程表的车速示值相对给定标准车速值的误差，进行车速表部分的检定。当达到给定的终点时，定时控制器的V_D端变为低电平，使K₁至K_n的BCD代码全为0。此时，两个数据比较端A＜B，3-1的A＝B端和A＞B端都变为低电平，通过运转控制器10控制CP脉冲进入2-n的CP_-端，进行减法计数，使1-n输出脉冲的频率下降，步进电机减速。当减法计数到2-1至2-n输出BCD代码全为0时，3-1的A＝B端变为高电平，通过运转控制器10阻止CP脉冲进入2-n，可逆计数器停止计数，数控扫描变频调速器9无脉冲输出，步进电机5停止转动。从启动升速到停止转动的全过程中，步进电机5累计旋转的总转数精确地等于标准累计里程所相当的总转数。根据给定车速和定时控制的时间，即可确定被检车速里程表和里程计价表的累计里程示值的误差。

如图4所示的另一种数控调速系统的电路与图3所示电路相比，它采用了锁相环15（如CD4046或5G4046）与n位可编程BCD分频器4-1至4-n构成的频率合成器，代替了图3中的n位加模式级联的BCD系数乘法器，进行连续的频率变换。锁相环15的标准频率输入端联接分频器16的输出端。在检定转速表和旋转加速度计时，输入由标准频率源1输出的电脉冲f_o，经过分频器16分频后产生低频脉冲（f＝10H_Z）。在检定车速里程表和里程计价表时，标准频率源1输出电脉冲f_o通过车速-转速比例系数给定器13分频后，再经分频器16作比例分频。通过开关K_c分别选通“N”和“D”，进行功能选择。n位可编程BCD分频器4-1至4-n串联在锁相环的压控振荡器与相位比较器之间。它们的编程代码仍采用BCD可逆计数器2-1至2-n所输出的代码，按线性扫描方式进行编程控制，4-1至4-n的分频系数可以在÷1至÷n位9之间，由转速给定拨盘开关K₁至K_n的BCD代码控制，若n＝5，即为÷1至÷99999。若低频信号的频率f＝10Hz，锁相环15的压控振荡器的输出端可以在1至99999×10H_Z范围内获得间隔为10H_Z的连续可调频率的电脉冲。此电脉冲再经比例分频器14的比例分频后，即可获得所需的调速电脉冲f_n，输给驱动电源。除上述区别外，图3所示的两种电路均相同。关于它们的结构和工作原理，已结合图3作了介绍，在此不再重复。

图5提供了一种数控调速系统2中的运转控制器10的具体电路。它由M₁至M₁₀共10个双输入端与非门及开关K_a组成。开关K_a即是图3和图4中的K_a，手动控制CP脉冲的通断和可逆计数器的清零复位。当K_a在“T”的位置，与非门M₁的2个输入端接低电平，其输出端为高电平，使可逆计数器2-1至2-n的清零端R全部为高电平而被复位置零;同时经与非门M₂反相输出低电平，使与非门M₄的一个输入端变为低电平而阻止输入另一个输入端的CP脉冲通过M₄。此时，数控调速系统2无调速电脉冲供给驱动电源，步进电机不转动。当开关K_a接在“Z”档，与非门M₁的两个输入端全为高电平，输出端为低电平，使可逆计数器处于计数状态，并让由旋转加速度控制器11输入的CP脉冲通过与非门M₄。此时数据比较器3-1的A＞B端输出高电平，A＝B端输出低电平，使CP脉冲通过与非门M₅、M₆、M₇及M₉后，进入可逆计数器2-n的CP₊端，作加法计数。当计数至2-1至2-n所输出的BCD代码与拨盘开关K₁至K_n置入数据比较器3-1至3-n的代码相等时，3-1的A＝B输出端为高电平，通过与非门M₅反相输出的低电平关闭M₆，阻止CP脉冲通过，计数停止。当升高拨盘开关K₁至K_n置入数据比较端A的代码，使A＞B，3-1的A＞B端输出高电平，A＝B端输出低电平，再次允许CP脉冲通过M₆、M₇和M₉，并进入3-n的CP₊端作加法计数;当降低K₁至K_n置入3-1至3-n的A端代码，使A＜B时，3-1的A＞B端输出低电平，A＝B端为低电平，则允许CP脉冲通过M₆、M₇和M₁₀，并进入3-n的CP_-端，作减法计数，直至数据比较端A＝B，阻止CP脉冲通过M₆，使可逆计数器停止计数。在开关K_a接“Z”档时，与非门M₁输出的低电平经M₂反相后，输出高电平使M₃导通，时标信号脉冲CP_t就能通过，输入定时控制器的CP_t端，并由开关K_a同时控制定时控制器12进行同步计时控制。

图6是数控调速系统中的旋转加速度控制器11的电路结构原理图，它是由n位BCD编码拨盘开关K_g1至K_gn加模式级联的BCD系数乘法器5-1至5-n和比例分频器17组成。拨盘开关K_g1至K_gn指示旋转加速度数值，并向系数乘法器5-1至5-n输入BCD编码，控制其分频系数。它把标准频率源1输入的单一标准频率f_o的电脉冲进行连续可调的十进制分频和比例分频后，输出频率f_CP与被控制的步进电机旋转加速度N_g相当的CP脉冲。f_CP与被控制的步进电机旋转加速度N_g及转速调节细分度ΔN的定量关系如下式所示：

f_CP= (Ng)/(△N) ÷60

如N_g＝6000r/min²，ΔN＝0.01r/min，则f_CP＝10000H_Z。拨盘开关和系数乘法器的位数n的值，根据装置所确定的步进电机旋转加速度的上限值N_g上和最小调节量ΔN_g决定。如果N_g上＝9999.9r/min²，ΔN_g＝0.1r/min²，则n＝5，然后计算出CP脉冲的最小调节量Δf_CP：

△f_CP= (△N_g)/(△N) ÷60

根据第n位系数乘法器5-n输出电脉冲的最小调节量Δf＝f_o·10^-n，即可计算出比例分频器17的分频系数N_分

N_分＝ (Δf)/(ΔF_CP)

按上述假设的ΔN_g＝0.1r/min²，ΔN＝0.01r/min，n＝5，f_o＝1MHz，则分频系数N_分＝60。

图7是数控调速系统中的定时控制器12的电路结构原理图。它由n位BCD编码拨盘开关K_t1至K_tn级联的数据比较器6-1至6-n，2-10进制计数器7-1至7-n，与非门M₁₁至M₁₅等组成。在定时控制开始前，运转控制器10的开关K_a接“T”的低电平，同时使与非门M₁₁和M₁₂的一个输入端为低电平。M₁₁输出高电平使计数器7-1至7-n被“清零”。M₁₂被“关闭”而使时标脉冲CP_t不能通过。用拨盘开关K_t1至K_tn对数据比较器6-1至6-n的数据比较端A置入给定的控制时间BCD代码。数据比较器6-1的A＝B端输出低电平，经与非门M₁₄、M₁₅反相后在V_D端输出高电平，通过开关K_b选通“D”使拨盘开关K₁至K_n对数据比较器3-1至3-n的比较端A置入给定车速的BCD代码。6-1的A＞B端输出高电平，使与非门M₁₃允许时标脉冲CP_t通过。当定时控制开始时，运转控制器10的开关K_a接“Z”端高电平，在数控扫描变频调速器9开始输出调速脉冲，使步进电机旋转，同时使与非门M₁₁输出低电平，与非门M₁₂导通，允许时标脉冲CP_t通过与非门M₃、M₁₃、M₁₂，进入计数器7-1至7-n，立即进行同步计时。当到达给定的控制时间时，计数器7-1至7-n输入数据比较器6-1至6-n的比较端B的代码与比较端A的代码相等，6-1的A＝B端立即输出高电平，经与非门M₁₄、M₁₅反相后，使V_D端为低电平，从而使拨盘开关K₁至K_n对数据比较器3-1至3-n的比较端A所置入的代码全变为0，使数控扫描变频调速器9输出调速脉冲的频率逐渐下降至0，即使步进电机停止转动。另外6-1的A＞B端输出低电平，使与非门M₁₃关闭，时钟脉冲CP_t不能通过。一次定时运转控制结束后，运转控制器10的开关K_a应转接“T”档，作好下一次的定时控制的准备。为了节省元器件，定时控制器12的计时计数器7-1至7-n亦可由计数测量显示系统3的计数电路替代，并能显示计数时间的数值。此时，数字比较器6-1至6-n的比较端B的BCD代码接线应与计数测量显示系统3的计数电路BCD代码输出端相联。时标脉冲CP_t则由计数测量显示系统3供给0.1S或0.01S的时标信号，经运转控制器10的与非门3输入。

图8是数控调速系统中的车速-转速比例系数给定器13的电路结构原理图。它由BCD编码拨盘开关K_L1至K_L4、4位加模式级联的BCD系数乘法器8-1至8-4等组成。它把标准频率源1所输入的单一标准频率的电脉冲按被检定的车速里程表及里程计价表的车速-转速比例系数进行分频后，经开关K_c选通“D”后，输入图3的数控扫描变频调速器9的系数乘法器1-1至1-n的时钟脉冲输入端或图4的比例分频器16。由于在定速定时运转时加入了这一分频器，拨盘开关K₁-K_n就能直接指示与步进电机稳定转速相当的车速值（但其小数点应向左前移1位），因而能使检定操作更为方便。因为各种机动车辆的车轮圆周长及软轴传动比有多种规格，配套的车速里程表及里程计价表每Km里程所对应的转数S分为624、625、637、960、1000及1500等多种规格。把S的相应数值÷60，换算成与转速单位（r/min）相对应的车速-转速比例系数L，由开关K_L1至K_L4置入相应代码。例如S＝1000，L＝ 1000/60 ，L＝16.67，则可调节K_L1指示1、K_L2和K_L3指示6、K_L4指示7。这样，由标准频率源1所输入的标准频率电脉冲f_o，经过f_o×0.1667的比例分频后，输入数控扫描变频调速器9，就能使K₁-K_n给定的BCD代码与检定所需的车速值Z_S直接对应，避免了逐个计算不同车速时相应转速值的麻烦，使读数直观、操作更为方便。此时，数控扫描变频调速器9的开关K₁-K_n所指示数值的小数点位置应比转速值左移一位后，作为给定的车速值Z_S。

与已有的高精度标准转速计量检定装置相比，本发明装置不仅在转速的量程、准确度、稳定度等方面达到了先进水平，而且具有多种测量和运转控制功能，以及最小的调速细分度。特别是它除了能以很高稳定度长时间连续运转外，还能以匀加速或匀减速方式和定时定速方式运转，首先在一个计量检定装置上复现旋转速度和加速度二种标准量值，对转速表、旋转加速度计、车速里程表和里程计价表等三类转速计量仪表进行检定。这是以往任何装置未能实现的。在结构方面，本装置较为简单紧凑，且可灵活地组合成整体或分解成可单独使用的功能单元，比传统的一机多用装置有较大发展。其次，本装置可以用一套控制系统和驱动电源，配套二种或更多规格步进电机，以适应多种转速范围、拖动力矩和被检对象的要求，既可固定安装于实验室工作，又可携带至现场作原位检定或流动场所工作，这也是以往的装置不能兼有的。在生产和造价方面，本发明在保持上述优点的同时，还具有易于开发系列化产品、易于加工制造和低价格、高效益等优势。已试制的转速准确度优于±2×10^-5的标准转速装置，与以往的同等准确度的装置相比，其成本和价格下降了5至10倍。此外，本发明的技术，还可推广应用于对老设备的技术改造。

以下通过典型实施例，进一步地说明本发明是如何实施的。

标准频率源1，采用标称频率为1MHz、频率准确度±2×10^-6、稳定度5×10^-7的温度补偿型石英晶体振荡器。

步进电机5，选择二种型号规格配套，即110BF003型反应式步进电机、步距角0.75°，最大静转矩80kg·cm，实用最高转速1000r/min;75BF004型反应式步进电机，步距角1.5°，最大静转矩5kg·cm，实用最高转速18000r/min。

驱动电源4，采用可与上述二种电机配套的BQH₁-001型驱动电源，三相六拍方式供电驱动。

齿轮变速箱6，采用5个转轴的齿轮变速箱，由110BF003型反应式步进电机拖动。升速拖动时，以第1轴为主轴;减速拖动时，以第5轴为主轴。各轴的传动比i、转速N及旋转加速度N_g范围、调速细分度ΔN设定如下：

升速拖动：

减速拖动：

齿轮轴号    1    2    3    4    5

i    0.01    0.03    0.1    0.3    1

N（r/min）    1-10    3-30    10-100    30-300    100-1000

N_g（r/min²） 1-10 3-30 10-100 30-300 100-1000

ΔN（r/min）    0.0001    0.0003    0.001    0.003    0.01

数控调速系统2，采用图3提供的基本电路。其中数控扫描变频调速器9的系数乘法器、可逆计数器及拨盘开关均为5位（即1-1至1-5、2-1至2-5、K₁至K₅），比例分频器14采用一级×0.8的BCD系数乘法器和二级÷10的分频器构成，具有÷125、÷25、÷12.5共三个分频输出端。在与110BF003步进电机配套时，采用÷125分频输出端，输出调速脉冲最高频率为7999.92H_Z，控制转速为999.99r/min，调速细分度为0.01r/min;在与75BF004型步进电机配套时，采用÷25和12.5二个分频输出端，输出调速脉冲最高频率分别为39999.6H_Z和79999.2H_Z，控制转速分别为9999.9r/min和19999.8r/min，调速细分度分别为0.1和0.2r/min。运转控制器10采用图5所供线路。旋转加速度控制器11采用图6所供线路，其中的系数乘法器和拨盘开关均为5位，比例分频器16的分频系数N_分＝600，对110BF003型步进电机的旋转加速度调节范围为0.01至999.99r/min²，对75BF004型步进电机为0.1至9999.9r/min²和0.2至19999.8r/min²。定时控制器12采用图7提供的电路，其中2-10进制计数器、数据比较器和拨盘开关均为6位（n＝6）、计时时标为0.01S、最大计时容量为9999.99S。车速-转速比例系数给定器采用图8提供的电路。

计数测量显示系统3采用多功能的7位频率计数器，其测频范围1Hz-1MHz，采样时间为0.1、1、10、60、100S;测量周期的倍乘率为1、10、10²、10³、10⁴、10⁵;计时时标有1、0.1、0.01、0.001S;输出频标有1、10、100、1000KHz。当它用于辅助显示齿轮箱各轴的转速时，通过测量数控扫描变频调速器9的系数乘法器1-5（n＝5）所输出电脉冲的频率，在1S的采样时间内计数显示1、3、5轴的转速;在3S的采样时间内计数显示2、4轴的转速。自第1轴至第5轴转速的最小显示值，在升速拖动时依次为0.001、0.001、0.01、0.01、0.1r/min;在减速拖动时依次为0.00001、0.00001、0.0001、0.0001、0.001r/min。各轴转速显示值按此最小显示值确定小数点的位置。

检定旋转加速度计

根据被检定的旋转加速度计的测量范围，选择若干个均匀分布的示值刻度作为检定点。按检定点的旋转加速度刻度示值N_g1至N_gn，确定步进电机与齿轮变速箱联接的主轴，对于N_g＜1000r/min²的检定点，步进电机与第5轴相联作减速拖动;对于N_g＞1000r/min²的检定点，步进电机与第1轴相联，作升速拖动。根据被检定点刻度示值及齿轮变速箱各轴的旋转加速度调节范围，把被检定的旋转加速度计的转轴或传感器，按其规定的要求，与相应的齿轮轴联接，并安装稳妥。在升速拖动时，数控扫描变频调速器9的K₁-K₅给定转速调节在700.00r/min;在减速拖动时，K₁-K₅给定转速调节在999.99r/min上限转速。根据被检旋转加速度计检定点刻度示值和所联接的齿轮轴与主轴的传动比，调节旋转加速度控制器11的K_g1-K_g5给定的加速度值。例如：刻度示值为1500r/min²，以第1轴为主轴升速拖动，被检仪器与第2轴相联，传动比i＝3，K_g1-K_g5给定步进电机及齿轮变速箱主轴的旋转加速度为500r/min²，第2轴的旋转加速度则为3×500＝1500r/min²;刻度示值为3000r/min²，被检仪器与第3轴相联，传动比i＝10，K_g1-K_g5给定第1轴旋转加速度为300r/min²，第3轴的旋转加速度为10×300＝3000r/min²，其余类推。又如：刻度示值为900r/min²，以第5轴为主轴减速拖动，被检仪器与第5轴相联，传动比i＝1，K_g1-K_g5给定第5轴旋转加速度为900r/min²;刻度示值为8r/min²，被检仪器与第1轴相联，传动比i＝0.01，K_g1-K_g5给定第5轴旋转加速度为800r/min²，第1轴旋转加速度为0.01×800＝8r/min²，其余类推。开始检定时，调节K_b、K_c在“N”档，并启动装置，将K_a由“T”转向“Z”，此时，旋转加速度控制器11输出CP脉冲，经运转控制器10输入可逆计数器2-5的CP₊端，可逆计数器2-1至2-5作连续的加法计数，并输出BCD代码，进行数据比较和对系数乘法器1-1至1-5进行连续的扫描编程，使数控扫描变频调速器9输出连续扫频速率与旋转加速度控制器11的CP脉冲频率相当的线性升频的调速电脉冲f_n，通过驱动电源4控制步进电机5，并拖动齿轮变速箱6各轴，以相应的旋转加速度线性升速，直至可逆计数器2-1至2-5输入数据比较器3-1至3-5的数据比较端B的BCD代码与由K₁-K₅输入数据比较端A的BCD代码相等，数据比较器3-1的A＝B端由低电平变成高电平，A＞B端由高电平变为低电平，通过运转控制器10，阻止CP脉冲通过，可逆计数器停止计数，输出BCD代码不变，数控扫描变频调速器9输出调速脉冲f_n的频率被锁定，步进电机及齿轮变速箱各轴在其上限转速作稳速运转。从启动运转至稳速运转的升速过程中，连续观察并记录被检的旋转加速度计的示值N_g（此时N_g为正值），根据示值与给定旋转加速度标准值之差，即可确定被检仪器相应刻度示值的误差。调节K₁-K₅给定的上限转速变为接近下限的低转速，此时数据比较器3-1的A＝B端由高电平变为低电平，通过运转控制器10使CP脉冲进入可逆计数器2-5的CP_-端作减法计数，使数控扫描变频调速器9输出的调速脉冲f_n的频率以线性扫频方式连续下降，通过驱动电源4控制步进电机5，并拖动齿轮变速箱6的各轴线性地下降转速，直至给定的接近下限的低转速时作稳速运转。在此下降转速的过程中，连续观察记录旋转加速度计的刻度示值-N_g（此时N_g为负值），其绝对值应与前一过程相一致。调节K_g1-K_g5给定的旋转加速度为其它各检定点相当的标准值，按上述方法分别重复检定旋转加速度计相应刻度的示值误差。

检定转速表

根据被检定的转速表的测量范围，选择若干个均匀分布的示值刻度作为检定点。按检定点示值，确定步进电机5与齿轮变速箱6联接的主轴。对于转速在100r/min以上的检定点，以第1轴为主轴，进行升速拖动，转速在100r/min以下的检定点，以第5轴为主轴，进行减速拖动。根据检定点刻度示值及齿轮变速箱各轴的转速范围，把被检转速表的转轴或传感器，按其规定的要求，与相应的齿轮转轴联接安装稳妥。调节旋转加速度控制器11的K_g1至K_g5给定步进电机的旋转加速度为500r/min²或1000r/min²，使之有一个适当的加速度。按被检转速表的各个量程的检定点刻度示值、所连接的齿轮轴与主轴的传动比及其转速范围，依次调节数控扫描变频调速器9的K₁至K₅，给定相应的标准转速值，分别进行检定。例如：转速表的量程为450至1800r/min，所选择检定点标称示值为450?00，1000，1200，1500及1800r/min，转速表转轴与齿轮变速箱6的第2轴相联，升速传动比i＝3，K₁至K₅给定主轴（第1轴）的标准转速值分别为150，200，333.33，400，500，600r/min（此时，可借助计数测量显示系统3，用3秒的采样时间进行计数测量，辅助显示第二轴各检定点的标准转速值）;量程为1000至5000r/min，转速表转轴与齿轮变速箱6的第3轴相联，升速传动比i＝10，K₁至K₅给定的标准转速分别为100，200，300，400及500r/min，第3轴相应的标准转速分别为1000，2000，3000，4000及5000r/min;转速量程为10至100r/min，以第5轴为主轴，作减速拖动，转速表的转轴与第3轴相联，传动比i＝0.1，K₁至K₅给定主轴的标准转速分别为100，300，500，700及900r/min，第3轴相应的标准转速分别为10，30，50，70及90r/min。其余类推。开始检定时，调节开关K_b及K_c在“N”档，并启动装置，将K_a由“T”转向“Z”，此时，旋转加速度控制器11输出的相当于500r/min²或1000r/min²的CP脉冲，经运转控制器10输入可逆计数器2-5的CP₊端，可逆计数器2-1至2-5作加法计数，并输出BCD代码，供数据比较器3-1至3-5，并与K₁至K₅给定转速代码作比较，并对系数乘法器1-1至1-5进行连续的扫描编程，使数控扫描变频调速器9输出连续升频的调速电脉冲f_n，当可逆计数器输出的BCD代码与给定转速代码相等时，数据比较器3-1的A＝B输出端由低电平变为高电平，A＞B输出端由高电平变为低电平，控制运转控制器10阻止CP脉冲通过，使可逆计数器停止计数、输出BCD代码不变、数控扫描变频调速器9输出的调速电脉冲f_n的频率被锁定在与给定主轴标准转速相当的数值上。调速电脉冲频率自零升至锁定值，通过驱动电源4控制步进电机5由静止状态启动升速直至给定标准转速值后，进入稳速状态连续运转。此时，即可观察并记录被检表的转速示值。然后，可以调节K₁至K₅依次给定稍高的标准转速，分别使步进电机5依次升速和稳速运转，观察并记录被检表的转速示值，直至该量程的最高点。完成这一“进程”检定程序后，可以作“回程”检定。即可调节K₁至K₅给定的标准转速值依次下降，使步进电机降速和稳速运转，检定转速表相应的“回程”示值，直至被量程的最低点。必要时，可以按照上述过程，重复进行检定操作。根据被检转速表各检定点示值的平均值与标准值之差，即可计算得相应的示值误差。

检定车速里程表和里程计价表

采用软轴把75BF004型步进电机的轴伸与被检表的轴相联。驱动电源4的调速脉冲输入端与数控扫描变频调速器9的÷25分频输出端相联。开关K_b和K_c调节在“D”档。调节旋转加速度控制器11的K_g1-K_g5给定的旋转加速度为1000r/min²。根据被检表的每Km的转数比计算的车速-转速比例系数L，调节车速-转速比例系数给定器13的K_L1-K_L4指示相当的值。例如每Km的转数比S＝624，比例系数L＝10.40，则K_L1应当为1，K_L2和K_L4应当为0，K_L3应当为4;如每Km的转数比S＝1000，则L＝16.67，K_L1-K_L4依次应为1、6、6、7。在检定车速里程表的车速值时，定时控制器12的给定时间可调节在3600秒以上，在此过程中可以控制步进电机升速、减速和稳速运转，而不必作定速定时控制。通过调节数控扫描变频调速器9的K₁-K₅，给定标准车速值为10或20Km，启动装置，将开关K_a自“T”转向“Z”。此时，旋转加速度控制器11输出的CP脉冲通过运转控制器10，进入可逆计数器2-5的CP₊端，作加法计数，数控扫描变频调速器9开始输出调速脉冲f_n，并逐步升高其频率，通过驱动电源4控制步进电机5启动并升速运转。可逆计数器2-1至2-5连续加法计数，直至其输出的BCD代码与K₁-K₅输入数据比较器3-1至3-5的比较端A的BCD代码相等时，立即停止计数，数控扫描变频调速器9输出的调速脉冲f_n的频率被锁定，使步进电机作连续的稳速运转，此时，即可观察并记录被检的车速里程表的车速示值。然后，每间隔10或20Km，依次调节K₁-K₅给定的标准车速值，逐点升速，分别检定各相应刻度的车速示值，直至上限车速。这一“进程”升速检定完毕后，再依次递减10或20Km，作“回程”减速检定。如此重复检定二次，根据各次进程和回程示值平均值与给定的标准车速值之差，即可计算得各个检定点的车速示值误差。

在检定完车速里程表的车速示值误差后，即可检定其里程累计误差。里程计价表的里程累计误差，也可按此方法检定。此时，需要采用定速定时方式控制步进电机的运转。给定标准车速值Z_S可分别选用高、中、低三种速度，亦可选用每小时60Km的车速。定时控制时间：短者可采用600秒的时间，长者采用1800秒，也可采用其它时间。车速-转速比例系数可按上述相同方法计算和调节。用数控扫描变频调速器9的开关K₁-K₅分别给定相应的车速值Z_S。定时控制器12的开关K_t1-K_t6给定控制时间S为600秒或1800秒。开关K_b和K_c选通“D”档。把运转控制器10的开关K_a由“T”档转向“Z”档，数控扫描变频调速器9立即输出调速脉冲，使步进电机转动;定时控制器12立即同步计时，并在给定时间S内控制数控扫描变频调速器9自输出调速脉冲、扫描升频、锁频，直至到达给定时间，定时控制器12的V_D端由高电平变为低电平，调速脉冲的频率由锁定值按升频时相同的速率扫描下降至0，使步进电机由稳定运转的转速下降，直至停转。在此全过程中，步进电机旋转的总转数精确地与标准的累计里程值所相当的总转数一致。标准的累计里程值L_S为：

L_S= (Z_S·S)/3600

根据被检车速里程表或里程计价表在检定前后增加的里程累计值与标准的累计里程值之差，即可确定其示值误差。对给定不同的车速值和控制时间时被检表的示值误差，都可按此方法进行检定。

用计数测量显示系统3对被检定的电子式转速计量仪表或低一个精度等级的标准转速装置的频率源输出电脉冲频率的准确度和稳定度进行检定测试，是检定或调整过程中的必作项目。对于有频标信号输出的被检仪表或装置，可以采用计数测量显示系统3的测频功能，用1秒或10秒的采样时间时，每隔30或60分钟，定时重复测量其输出电脉冲的频率，按规定的方法计算被检频率源输出电脉冲频率的稳定度和准确度。对于没有频标信号输出的被检仪表，则可由计数测量显示系统3对被检仪表输入频标信号，从被检仪表上定时重复读取示值，并按规定方法计算被检仪表的频率源频率的准确度和稳定度。

对被检定的低一个精度等级的标准转速装置的转速准确度和稳定度进行检定时，用计数测量显示系统3配套一个高分辨率（600个信号/转）转速传感器，用测频法测量被检装置的转速;或配套一个霍尔传感器，用测周法测量被检装置的低转速。如果采用频闪法测量其转速，则可采用计数测量显示系统3的计时功能，测量移动1个频闪象所需的时间。

根据本发明所提供的技术解决方案及实施方法，举一反三，可以开发多种规格参数及品种的系列化产品。

Claims (4)

1、一种由标准频率源1、计数测量显示系统3、齿轮变换箱6等组成的多功能数控标准转速计量检定装置，其特征在于它采用步进电机5作为装置的主拖动电机，并用一个数控调速系统2向驱动电源4输入调速电脉冲，控制步进电机5按给定的旋转加速度匀速升降转速，并在给定的转速程速运转，或定速定时运转，分别用于检定旋转加速度计、转速表、车速里程表和里程计价表。数控调速系统2由数控扫描变频调速器9、动转控制器10、旋转加速度控制器11、定时控制器12、车速-转速比例系数给定器13组成。

2、按权利要求1所述的装置，其特征在于数控调速系统2的数控扫描变频调速器9是由多级加模式级联的系数乘法器1-1至1-n、可逆计数器2-1至2-n，数据比较器3-1至3-n、BCD编码拨盘开关K₁至K_n及比例分频器14所组成。

3、按权利要求1所述的装置，其特征在于数控调速系统2的数控扫描变频调速器9也可由级联的可编程分频器4-1至4-n、可逆计数器2-1至2-n、数据比较器3-1至3-n、BCD编码拨盘开关K₁至K_n，锁相环15、比例分频器14和16等组成。

4、按权利要求1所述的装置，其特征在于一个装置可分别配套二种规格的步进电机作为主拖动电机，由同一驱动电源和数控调速系统控制和驱动。其中一种转矩较大的步进电机与齿轮变速箱主轴联接，扩展转速范围后，间接拖动被检定的转速计量仪表;另一种转矩较小，转速较高、重量较轻的步进电机直接拖动被检仪表，它特别运用于在流动的工作场所对车速里程表和里程计价表作原位检定。

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