CN113328662A - 由一个计量标准装置复现多种动态速度量值的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种由一个计量标准装置复现旋转速度和旋转加速度、线速度与线加速度等多种速度量值的方法，包括采用频率准确度和稳定度较高的石英晶体振荡器输出固定频率的电脉冲作为基准频率，通过智能化的数控连续线性扫描变频器、输出频率值及其升降的斜率(单位时间内的频率增量)与所要复现(发生)的旋转速度及旋转加速度、线速度及线加速度量值相对应的调速电脉冲，控制步进电机调速拖动系统，拖动测速轮盘、齿轮变速箱、标准线速度轮盘或滚筒旋转，复现旋转速度及旋转加速、线速度及线加速度等标准量值、用于检定或校准各种速度测量仪器，包括通用的转速、线速度测量仪表、自动扶梯综合性能测试仪、滑动时间测试仪等的计量性能。
Description
技术领域
本发明涉及复现动态旋转速度和旋转加速度、线速度和线加速度量值的方法，更具体地说，是在一个计量标准装置上同时或分别复现(发生)以匀加(减)速方式连续升(降)的旋转速度和旋转加速度、线速度和线加速度量值的方法。
背景技术
各种动力机械的应用极其广泛。它们的旋转运动速度及升降速时的旋转加速度，以及由其拖动运转的设备所产生的旋转运动速度及加速度、线速度及线加速度，都必需进行计量测试及调节控制。各种速度计量测试仪器在设计制造及使用过程中，都要通过计量检定或校准，以确定其是否达到相关的技术指标要求，是否在合格范围。这就需要建立相应的复现(发生)这些量值的计量标准。我国已经建立的计量标准只能复现(发生)稳速运转状态下的旋转速度或线速度，还未建立可匀加(减)速连续动态升降速、复现(发生)旋转加速度和线加速度量值的计量标准。复现(发生)旋转速度或线速度量值的计量标准装置都要由旋转电机来拖动。已有的装置所采用的拖动电机，包括采用数字锁相调速技术的无刷直流伺服电机、采用变频调速技术的交流伺服电机，都是采用测速传感器進行测速反馈的闭环调速控制的电机拖动系统。由于受到多种因素的制约，它们的调速控制量程和动态性能受到限制，且容易产生失控和堵转，很难实现宽量程、高动态的调速要求，也无法满足复现(发生)高精度连续动态升降转速，作匀加(减)速旋转运动、复现旋转加速度和线加速度量值的要求。
发明内容
本发明的目的是要提供一种能复现(发生)旋转速度和旋转加速度、线速度和线加速度量值的计量标准装置所用拖动电机及其调速控制方法。所述拖动电机是采用开环控制技术的步进电机。步进电机是一种特殊的脉冲电机，其转子的旋转角度(或步数)与输入电机驱动电源的调速电脉冲个数严格成正比，转子的旋转速度与调速电脉冲的频率严格同步，且成正比，旋转加速度与调速电脉冲频率在单位时间内的增量(即频率升降斜率)严格成正比，且无连续累积误差。步进电机已广泛地应用于自动控制、智能制造等领域，主要用作位置控制，而速度控制技术方面尚未得到充分发展，调速量程、细分度、精度及功能尚不能满足能复现多种速度量值的计量标准装置的新要求。为此，需要作创新发展。本发明在传统的步进电机开环控制技术基础上，采用智能化控制技术控制连续线性扫描变频器(类似于扫频信号发生器)或数字频率信号合成器(类似于标准频率信号源)构成的调速脉冲发器，按本发明提供的方法，输出频带宽、精度高、细分度高、频率与旋转速度及加速度直接对应的调速电脉冲供给步进电机驱动器，控制电机复现(发生)旋转速度和旋转加速度标准量值，並由电机通过联轴节联接拖动齿轮变速箱扩展量程，也可拖动标准线速度轮盘或滚筒，复现(发生)相应的标准线速度及线加速度量值，即可实现该计量标准装置的新要求。
本发明的方法原理及技术路线
传统的步进电机调速控制技术所产生的调速电脉冲频率的精度不高，电脉冲频率的带宽及调节细分度不够，是造成其上限转速不够高，不能实现宽量程、匀加(减)速升降旋转速度及加速度，转速的准确度和稳定度不能满足要求的主要原因。本发明以频率准确度和稳定度较高的温度补偿型或恒温控制型石英晶体振荡器输出的电脉冲作为基准频率信号源，采用数控连续线性扫描变频器或频率合成器的智能化控制技术，按本发明提供的方法，把此频率固定的基准频率信号电脉冲转换为频率值与连续升降的旋转速度或线速度量值相对应，频率升降的斜率(或单位时间内的增量)与旋转加速度或线加速度量值相对应的调速电脉冲，输入步进电机驱动电源，控制步进电机的运转。根据所选步进电机的机械角位移(即步距角β)及驱动器的电细分数(N)、求得电机转子旋转360°所需的电脉冲当量数(Cpk)，
选择确定了电机的步距角(β)和驱动电源的微步距细分数后，按(1-1)公式计算所得Cpk即为一个常量。按下式即可计算出电机转速为1r/min时相当的调速脉冲频率当量(Fk)：
此Fk也为常量。根据所选调速细分度(Δn)，即可求得调速电脉冲频率的细分度ΔFn＝Fk×Δn；而各个旋转速度对应的调速电脉冲频率值(Fn)可按(1-3)公式计算：
Fn＝Fk×n (1-3)
在设置了目标旋转速度n后，调速电脉冲频率以n/Δn＝m个ΔFn节拍阶梯式递增至Fn，达到n的旋转速度。调节m在单位时间内的递增量，就可以调节步进电机的旋转加速度α。这也相当于设置电脉冲频率由F＝0升至Fn时的扫频時间长度(t)。启动电机以匀加速方式升至转速为n的旋转加速度na＝n/t。与此对应的调速电脉冲在单位时间内的增量(Δfna)，可按下式計算：
Δfna＝FK/t (1-4)
只要电机的旋转速度及对应的调速电脉冲频率调节细分度足够小，步进电机运转的平滑性越好，上限转速越高(应有消除振荡的必要措施作保证)。在一定的负载惯量下，调速细分度及相应调速电脉冲频率细分度及单位时间内的增量越高，电机可复现的旋转加速度量值也就越高。在上述基础上配套适当的标准线速度轮盘(或滚筒)，由步进电机拖动，在外圆周上即可复现(发生)相应的线速度及线加速度标准量值。旋转速度与外圆周长之乘积，即为其复现(发生)的线速度量值(Vn)。旋转加速度(na)与外圆周长之乘积，即为其复现(发生)的线加速度(Va)。这需根据要复现量值的范围及电机负载惯量的承受力，设计加工适当圆周长及结构尺寸的标准线速度轮盘(或滚筒)，考虑到磨擦传动的需要，轮盘的外圆周应有防打滑的设计(如滚花)。轮盘的同轴度及直径或圆周长的加工精度是制约其所复现(发生)线速度及线加速度量值准确度的关键因素。为了适应不同线速度及线加速度量程的需要，可以设计不同直径或圆周长的几个标准线速度轮盘。按上述方法复现(发生)旋转速度及旋转加速度、线速度与线加速度量值的计量标准装置的结构框图如附图1所示。附图2为智能化开环控制步进电机调速拖动系统扫描变频调速原理示意图。开环控制步进行电机调速拖动系统由上位机和下位机构成。上位机是安装了专用软件的计算机。下位机是受上位机程序指令控制的数控连续线性扫描变频脉冲发生器(类似于扫频信号发生器)或数字频率信号合成器(类似于 10进制标准频率信号源)。上位机与下位机进行双向通信，各检测点的速度标准量值和相关参数设置和存储于上位机中，由专用软件程序控制，向下位机下载指令数据，控制步进电机运转。运转过程中，由上位机的计算机屏幕显示实时运行数据。下位机与上位机构成的智能化步进电机调速拖动系统，按上述发明方法及(1-1)～(1-4)的式所示定量关系，发生若干频率值与速度量值相对应的调速电脉冲，驱动步进电机拖动系统复现(发生)所需的标准旋转速度及旋转加速度、线速度及线加速度量值，用于检定校准相应的速度测量仪器。有关智能化步进电机调速控制技术专利及计算机软件著作权将另行申请，在此不作详述。
附图说明
图1是复现(发生)旋转速度和旋转加速度、线速度和线加速度标准量值的计量标准装置结构示意图。
图2是智能化开环控制步进电机调速拖动系统扫描变频调速原理示意图。
具体实施方式
选择频率为10MHz、准确度和稳定度优于0.0001％的温度补偿型或恒温控制型石英晶体振荡器输出电脉冲作为基准频率信号源。选用步距角为1.8°的混合式步进电机和10细分的驱动电源，与上述智能化调速控制系统构成的开环控制步進电机调速拖动系统。各项相关参数按公式(1-1)～(1-4)计算结果为：电机每转360°的电脉冲当量(CPK)为2000，在1r/min时的调速电脉冲频率当量为33.3333Hz；上限转速达10000r/min时的调电脉冲频率(Fn)为333.333kHz；调速细分度Δn＝0.01r/min，对应调速电脉冲频率细分度ΔFn为0.33333Hz；选择电机的旋转加速度调节细分度Δna＝0.01r/s2，对应调速电脉冲频率的s2增量Δfna＝ 0.33333Hz；当频率值以每秒1个阶递量(为0.33333Hz/s2)递增时，电机将以0.01r/s2的旋转加速度递增旋转速度，达到10000r/min的时间长度为16666.666s；以100个阶梯量(100×0.33333Hz)递增频率时，电机以1r/s2的旋转加速度匀加速升速，达到10000r/min的时间为166.666s(其余类推)。如果对低速量程的分辨力、平滑性及准确度有较高的要求，可以选择电细分度更高的驱动电源，进行分量程调速控制。为了扩展旋转速度及旋转加速度的上限量程，采用5倍增速传动的齿轮变速箱，可以将旋转速度上限扩展至40000r/min以上，旋转加速度上限量程也得到相应扩展。为了复现(发生)所需线速度和线加速度量值，配套设计加工圆周长分别为300mm、200mm、100mm共三种外圆周滚花的304不锈钢材料制造的标准滚轮，轮盘直径的准确度为±0.01mm，在线速度为1mm/s～50m/s的量程范围内，线加速度在1mm/s2～20m/s2量程范围内，可以分段复现(发生)相应的标准量值。按上述方案设计制造的计量标准装置，复现(1～40000)r/min的旋转速度相对扩展不确定度在0.0005％上下；旋转加速度在(0.01～10)r/s2量程内的准确度优于±0.05r/s2；10r/s2以上为±0.05％。在(0.05～ 2)m/s量程内线速度误差不大于±1mm/s，(2～50)m/s内为±0.05％。线加速度在(0.05～1) m/s2内为±2m/s2；在(1～20)m/s2内为±0.2％。由于受测速传感器及测量方法的制约，旋转加速度、线速度及其加速度的测量精度尚难进一步提高)。上述技术路线也可用于设计制造专门用于校准自动扶梯综合性能测试仪及滑行时间测试仪等专用校准装置。
Claims (4)
1.由一个计量标准装置复现多种速度量值的方法，包括驱动装置作旋转运动的拖动电机及变频调速脉冲产生方法，其特征在于，以开环控制的步进电机驱动计量标准装置运转，采用智能化数控连续线性变频调速脉冲发生器，按给定的调速脉冲频率与速度量值的定量计算关系，把基准频率源输出固定频率的电脉冲自动转换为相应的连续线性变化的电脉冲，控制步进电机作匀加(减)速方式升(降)旋转速度，复现(发生)设定的旋转加速度量值，在各个设定点旋转速度作稳速运动，复现(发生)相应的旋转速度量值；当电机拖动标准线速度轮盘或滚筒时，在其外圆周上复现(发生)相应的线速度及线加速度量值。
2.如权利要求1所述智能化数控连续线性变频调速脉冲发生器，可以采用数字频率合成器，其特征在于，根据所选步进电机步距角及驱动电源电细分数计算的1r/min时的调速脉冲频率当量Fk及调速脉冲频率细分度ΔFn，设定校准点旋转速度及旋转加速度，计算对应的m值，以每个单位时间m个ΔFn节拍速率递增(或减)调速脉冲频率至Fn，以连续线性变频方式控制数字频率合成器输出相应频率的调速电脉冲，通过驱动电源控制步進电机的旋转速度和旋转加速度，驱动计量标准装置复现(发生)相应的旋转速度和旋转加速度标准量值。
3.如权利要求1所述智能化数控连续线性变频调速脉冲发生器，也可以采用数控扫描信号发生器(类似于数控扫频仪)，其特征在于，根据步进电机步距角及驱动电源电细分数计算的调速脉冲频率当量Fk及调速脉冲频率细分度ΔFn，设定校准点旋转速度及旋转加速度，计算出升降频的时间长度(t)，以此设定扫描仪在二个频率点之间的扫描时间长度，控制扫描信号发生器连续输出相应频率的调速电脉冲，通过驱动电源控制步进电机的旋转运动，驱动计量标准装置复现(发生)相应的旋转速度及旋转加速度标准量值。
4.如权利要求1所述智能化数控连续线性变频调速脉冲发生器输出调速电脉冲，通过驱动电源控制步进电机作旋转运动，拖动标准线速度轮盘或滚轮同步旋转，在外圆周上复现(发生)相应的线速度及线加速度标准量值，其特征在于，根据其量程的大小，可以配套几种直径或外圆周长的轮盘或滚筒，分段复现(发生)相应量程的线速度和线加速度量程。当被检定(或校准)的速度测量仪的测速传感器需要与步进电机直接联轴拖动而不能使用线速度轮盘或滚筒时，调速脉冲发生器设置软盘或滚筒的虚拟直径或外圆周长度，输出相应的调速电脉冲控制步进电机旋转运动，复现(发生)相应的线速度和线加速度量值，具有相同的效果。
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