CN103645346A - 检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置及校准方法，安装在工作台上的伺服电机带动小皮带轮，通过传动带带动大带轮，进而带动曲柄回转运动，从而通过连杆带动滑块进行往复直线运动。滑块通过联轴节和光栅尺连接，对低速时滑块的行程和速度进行测量。通过光电编码器得到低速时曲柄的行程和速度数据。将上述两种测量数据通过双通道采集卡进行采集，并通过对比分析，得出高精度的光电编码器所测曲柄的角位移及角速度和滑块的行程和线速度的换算对应关系，从而利用伺服电机设置固定高转速，利用光电编码器对安装在滑块上的各种精度较低的测速器进行速度和行程的检测和校准。

Description

检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置及校准方法

技术领域

本发明涉及一种用于近似模拟高压开关机械特性的装置，特别涉及一种检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置及校准方法。

背景技术

高压开关在电力系统中担负着控制和保护的双重任务，其性能的优劣直接关系到电力系统的安全运行。而高压开关的机械特性参数是判断其性能的重要参数，对机械特性参数的测量是一项重要的试验项目，主要包括动作时间、速度参量、开关行程等测试项目。测速器作为一种测量元器件，广泛应用于高压开关机械特性参数测量领域，用来对高压开关的机械特性参数进行采集。因此，测速器及其测量方法的好坏与精确与否，直接影响到对高压开关的性能能否满足相关标准要求所作出的判断。

传统的电位器式和转鼓式测速器虽然测量精度较高，但较为笨重，功能单一；而线性传感测速器虽然能采集到完整的s-t曲线，测量精度也较高，但受振动及冲击影响较大，特别是在高速情况下，测量精度和抗干扰程度有所下降。因此，在高电压等级的开关较高的开断速度要求及大操作功的机构动作所引起的较大的振动和冲击的工况下，需要一种更高精度和抗干扰的位移传感设备及一种新的测量方法，对高压开关的机械特性参数进行数据采集。于此同时，此种位移传感设备及其测量方法作为一套更高速和更精确的测量体系，可以订制为一套标准体系，用来对其他较低速度和较低精度的测速器进行检测和校准。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置及校准方法，以对开关用测速器的机械特性进行校准。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置，该装置主要包括驱动机构、被驱动机构驱动而运动的曲柄连杆机构，以及滑动机构，所述曲柄连杆机构包括曲柄和连杆，所述曲柄的一端与驱动机构相连，另一端与连杆铰接；所述滑动机构包括与连杆固定连接的滑块，该滑块在直线导轨上做往复运动，所述滑块上连接有光栅尺；所述检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置进一步包括有对曲柄的角位移和角速度进行测量的光电编码器。

作为本发明的优选实施例，所述驱动机构包括被电机驱动的小皮带轮，该小皮带轮通过传动带连接有大带轮，所述大带轮穿在轴上，所述曲柄连杆机构在大带轮的带动下做回转运动。

作为本发明的优选实施例，所述曲柄、连杆，以及直线导轨形成三角形结构。

作为本发明的优选实施例，所述大带轮通过轴上的键带动联接头转动，所述滑动机构连接在该联接头上。

作为本发明的优选实施例，所述轴和联接头通过螺栓连接方便曲柄更换。

作为本发明的优选实施例，所述滑块通过弹簧联轴节带动光栅尺滑线触头在直线导轨上做往复运动。

作为本发明的优选实施例，所述直线导轨采用LM滚珠式自润滑结构，以承受较大的运动载荷。

作为本发明的优选实施例，所述电机的动力线上缠绕有消磁环。

一种利用所述的检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置对测速器进行校准的方法，包括以下步骤：（1）使电机以较低的恒定转速运转，采集光栅尺和光电编码器所采集的位移曲线，然后建立滑块的直线速度和曲柄的角速度之间的关系；（2）拆除光栅尺，将待检测的测速器与滑块连接；（3）根据测速器的速度要求，利用步骤（1）中滑块的直线速度和曲柄的角速度之间的关系对待测的测速器进行校准。

作为本发明的优选实施例，所述滑块的直线速度v_C与曲柄的角速度ω之间的换算关系为：

${\mathrm{\ν}}_C=\frac{-l_1\mathrm{\ω}\sin (\mathrm{\β}-\arcsin (-\frac{l_1\sin \mathrm{\β}}{l_2}))}{\cos \left(\arcsin (-\frac{l_1\sin \mathrm{\β}}{l_2})\right)}$

其中，l₁为曲柄的长度，β为曲柄与直线导轨之间的夹角，l₂为连杆的长度。

与现有技术相比，本发明检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置及校准方法至少具有以下有益效果：本发明装置至少包括被驱动装置驱动的曲柄连杆机构以及与曲柄连杆机构相连的滑动机构，所述曲柄连杆机构包括曲柄和连杆，滑动机构包括滑块，所述滑块在直线导轨上做往复运动，本发明装置进一步包括有测量曲柄角速度的光电编码器，在低速运转时，于同一时域内建立曲柄的角速度和滑块的直线速度之间的转换关系，然后将待测的测速器与滑块连接，在测速器的速度要求下，利用曲柄的角速度和滑块的直线速度的转换关系对测速器进行校准。

附图说明

图1是本发明装置所基于的机械原理图。

图2是本发明装置的机械结构图一。

图3是本发明装置的机械结构图二。

图4是本发明装置的电气原理框图。

图5是本发明装置实现其功能的另一个电气原理框图。

具体实施方式

现参照图1，设计本发明装置的机械运动原理，反映在机构上即相关部件的位移、速度及加速度等参数。首先根据所测传统直线测速器的测量要求，确定驱动测速器的滑块的C的位移和速度要求，从而确定决定该装置的基本尺寸的关键参数l₁。该装置采用曲柄—滑块的基本机械原理结构，所以可确定l₂>l₁，即满足要求。

在确定了装置的基本尺寸后，需要确定该装置的关键运动参数，即杆l₁的角速度ω，进而求出杆l₁的角速度ω和水平速度v_C的关系。具体求解过程如下：

设杆l₁的角速度为ω，则B点的速度为

ν_B＝ωl₁

方向垂直于杆l₁，与l₁转向一致。

C点的速度，由运动合成原理可知，杆l₂上的C点的运动可认为是随基点B作平动于基点B作相对转动的合成，因此可得出

${\stackrel{\→}{\mathrm{\ν}}}_C={\stackrel{\→}{\mathrm{\ν}}}_B+{\stackrel{\→}{\mathrm{\ν}}}_{\mathrm{CB}}---\left(1\right)$

为C点相对于B点的相对速度，

ν_CB＝ω₁l₂

方向与BC垂直，指向与ω₁一致。

在封闭的矢量多边形ABCA中，各矢量之和必等于零。即

$\stackrel{\→}{A}B+\stackrel{\→}{B}C-\stackrel{\→}{A}C=0---\left(2\right)$

将封闭矢量方程式（2）改写并表示为复数矢量形式：

l₁e^iβ+l₂e^iα＝l₃  （3）

由欧拉公式展开得：

l₁(cosβ+isinβ)+l₂(cosα+isinα)＝l₃  （4）

将方程（4）实部和虚部分离，得

$\left\{\begin{array}{c}{l}_1\sin \mathrm{\β}+l_2\sin \mathrm{\α}=0\\ l_1\cos \mathrm{\β}+l_2\cos \mathrm{\α}=l_3\end{array}---\left(5\right)\right.$

消项，得出：

$\mathrm{\α}=\arcsin (-\frac{l_1\sin \mathrm{\β}}{l_2})---\left(6\right)$

将式（3）对时间求导，可得

l₁ωie^iβ+l₁ω₁ie^iα＝ν_C  （7）

将式（7）展开得

l₁ωi(cosβ+isinβ)+l₁ω₁i(cosα+isinα)＝ν_C  （8）

式（7）两边乘以e^-iα，得

l₁ω₁ie^i(β-α)+l₁ω₂i＝ν_Ce^-iα  （9）

将（9）展开，取实部，得

${\mathrm{\ν}}_C=\frac{-l_1\mathrm{\ω}\sin (\mathrm{\β}-\mathrm{\α})}{\cos \mathrm{\α}}---\left(10\right)$

在△ABC中，由余弦定理得

$\mathrm{\α}=\arcsin (-\frac{l_1\sin \mathrm{\β}}{l_2})---\left(11\right)$

所以得

${\mathrm{\ν}}_C=\frac{-l_1\mathrm{\ω}\sin (\mathrm{\β}-\arcsin (-\frac{l_1\sin \mathrm{\β}}{l_2}))}{\cos \left(\arcsin (-\frac{l_1\sin \mathrm{\β}}{l_2})\right)}---\left(12\right)$

而l₁和l₂根据设计要求已知，杆l₁的角速度ω和其转过的角度β可由旋转编码器测得，因此建立了滑块18的直线速度和曲柄15的角速度ω的换算关系。

根据上述所述的机械运动原理，设计了如图2所示的该装置的具体机械结构。该装置主要包括一个安装在安装架3上用于对联接头11和曲柄15的角位移和角速度进行测量的高精度的光电编码器5，一个转换接头4，一个安装在工作平台14上的较低精度的光栅尺16及其配套的弹簧联轴节19，一块双通道基于RS-232-C通讯协议的采集卡及配套软件，以及一台笔记本电脑。伺服电机2恒定转速旋转带动滑块18直线运动时，通过弹簧联轴节19带动光栅尺16滑线触头运动，所测量的数据与光电编码器测量的数据同时通过双通道数据采集卡采集到电脑中。

在已知滑块18运动行程要求，确定曲柄5及连杆17长度的基础上，利用复数矢量法，得出同一时域内曲柄15的角位移运动曲线和滑块18的直线位移运动曲线的对应换算关系，将其编为计算程序录入软件。

由于光栅尺16的可测速度范围较小，因此利用软件中的换算程序，将低速转时光电编码器5采集的角位移行程曲线换算成滑块18的直线位移行程曲线，并将此曲线同一时域内光栅尺16所采集的直线位移行程曲线进行比较及分析，进而对换算程序进行修正，实现系统装置的自身校准。

利用已校准的数据采集系统及换算分析程序，根据不同的测量行程和速度要求，输入不同的曲柄15和连杆17长度，并通过时间继电器控制动作时间，将传统的较低精度的测速器通过弹簧联轴节19和滑块18联接，即可实现用高速、高精度的光电编码器5对直线测速器进行检测和校准。

安装在安装架3上的转换接头4，可利用高速、高精度的光电编码器5对传统旋转测速器进行检测和校准。

该装置主要由安装在工作台1上的永磁同步伺服电机2提供动力源，其带动小皮带轮8转动，通过三根V型传动带9驱动大带轮7，并通过轴10上的键带动联接头11转动，所述联接头11安装在轴10上并被大带轮带动而转动，所述联接轴11上连接有曲柄-连杆机构，所述曲柄-连杆机构包括曲柄15和连杆17，所述曲柄15的一端与联接轴11相连，另一端与连杆17铰接，所述连杆17的另一端连接有滑动机构，所述滑动机构包括与连杆17固定连接的滑块18，该滑块18在直线导轨13上做往复运动，所述滑块18上连接有光栅尺16。这样，大带轮7通过联接头11进而带动曲柄15作回转运动，从而通过连杆17带动滑块18在安装在底座12上的直线导轨13上进行往复直线运动。所述滑块18通过弹簧联轴节19和光栅尺16连接，从而对低速时滑块18的行程和速度进行测量。所述轴10通过安装架3固定在工作台1上，所述安装架3上安装有检测曲柄角速度和角位移的光电编码器5，通过安装在安装架3上的更高精度的海德汉光电编码器5（精度达到25bits，测速范围达12000r/min），可对曲柄的旋转角速度和角位移进行测量。

在如图2和图3所示的机械结构中，考虑到运动惯性的影响，在保证强度的前提下，各运动部件的质量应尽量小，因此，曲柄15、连杆17及滑块18均采用铝合金材料。考虑到不同的测量行程可变，因此，采用联接头11和轴10花键联接，不同长度的曲柄15和联接头11通过螺栓联接，方便曲柄15的更换。于此同时，考虑到滑块18较高的直线运动速度，直线导轨13采用LM滚珠式自润滑结构，以承受较大的运动载荷。此外，考虑到永磁伺服电机2磁场对光栅尺16等测量仪器的影响，电机2动力线上必须缠绕消磁环。

本发明装置的电气原理图如图4和图5所示，根据被检测的测速器的行程和速度要求，可换算得出伺服电机2的恒定转速。由于光栅尺16可测速范围较低，不能直接作为检测测速器的原件，但可以在低速时，实现与光电编码器5的“闭环”反馈，从而实现本装置的自身校准。首先，用伺服控制器使电机2保持较低的恒定转速，同时利用时间继电器控制动作时间，采集卡双通道同时采集，得到同一时域内光栅尺16和光电编码器5所采集的位移曲线。将编码器5所采集的数据，通过软件进行必要的转换、分析，进而对换算程序进行修正，实现系统装置的自身校准。

接着，将光栅尺16拆下，把被测的测速器通过联轴节19与滑块18联接，并将其接入测试系统中。根据测速器的行程和最高速度要求，设置伺服控制器和测量软件的相关参数，调整时间继电器，从而可实现利用高精度、高速光电编码器5对传统测速器进行检测和校准的功能。

在本发明中，实现了对高压开关和断路器机械特性的近似模拟，更提出了一套用高精度、高速光电编码器对传统较低精度、速度较低直线测速器检测和校核的方法和系统。由于本系统可自身校准，测量精度较高。又由于曲柄可换，本装置还可实现对多种大行程、高速度的测速器的检测和校准的复合功能。同时，通过转换头，本装置还可对旋转测速器进行检测和校准。

本发明采用如下技术方案：

1.模拟开关机械特性的机械运动结构；

2.利用旋转编码器来进行直线测速的换算方法；

3.在低速下，采用高精度光电编码器和光栅尺互相校对的方式，证明了用旋转速度换算直线速度的正确性；

4.在高速情况下，光电编码器和传统直线测速器形成“闭环”系统，从而可对传统直线测速器进行检验和校准。

Claims (10)

1.一种检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置装置，其特征在于：该装置主要包括驱动机构、被驱动机构驱动而运动的曲柄连杆机构，以及滑动机构，所述曲柄连杆机构包括曲柄（15）和连杆（17），所述曲柄（15）的一端与驱动机构相连，另一端与连杆（17）铰接；所述滑动机构包括与连杆（17）固定连接的滑块（18），该滑块（18）在直线导轨（13）上做往复运动，所述滑块（18）上连接有光栅尺（16）；所述检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置进一步包括有对曲柄（15）的角位移和角速度进行测量的光电编码器（5）。

2.如权利要求1所述的检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置，其特征在于，所述驱动机构包括被电机（2）驱动的小皮带轮（8），该小皮带轮（8）通过传动带（9）连接有大带轮（7），所述大带轮（7）穿在轴（10）上，所述曲柄连杆机构在大带轮（7）的带动下做回转运动。

3.如权利要求2所述的检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置，其特征在于：所述曲柄（15）、连杆（17），以及直线导轨（13）形成三角形结构。

4.如权利要求2所述的检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置，其特征在于：所述大带轮（7）通过轴（10）上的键带动联接头（11）转动，所述滑动机构连接在该联接头（11）上。

5.如权利要求4所述的检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置，其特征在于：所述轴（10）和联接头（11）通过螺栓连接方便曲柄更换。

6.如权利要求1至5中任意一项所述的检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置，其特征在于：所述滑块（18）通过弹簧联轴节（19）带动光栅尺滑线触头在直线导轨（13）上做往复运动。

7.如权利要求1至5中任意一项所述的检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置，其特征在于：所述直线导轨（13）采用LM滚珠式自润滑结构，以承受较大的运动载荷。

8.如权利要求2至5中任意一项所述的检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置，其特征在于：所述电机的动力线上缠绕有消磁环。

9.一种利用权利要求1所述的检测和校准开关用测速器的机械特性模拟装置对测速器进行校准的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）使电机（2）以较低的恒定转速运转，采集光栅尺和光电编码器所采集的位移曲线，然后建立滑块的直线速度和曲柄的角速度之间的关系；

（2）拆除光栅尺，将待检测的测速器与滑块连接；

（3）根据测速器的速度要求，利用步骤（1）中滑块的直线速度和曲柄的角速度之间的关系对待测的测速器进行校准。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：所述滑块的直线速度v_C与曲柄的角速度ω之间的换算关系为：

${\mathrm{\ν}}_C=\frac{-l_1\mathrm{\ω}\sin (\mathrm{\β}-\arcsin \left(\frac{l_1\sin \mathrm{\β}}{l_2}\right))}{\cos \left(\arcsin (-\frac{l_1\sin \mathrm{\β}}{l_2})\right)}$

其中，l₁为曲柄的长度，β为曲柄与直线导轨之间的夹角，l₂为连杆的长度。

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