基于伺服控制的流速仪检定车速度控制系统设计

刘 鹏，籍 艳，王 平

LIU Peng,JI Yan,WANG Ping

（山东省海洋环境监测技术重点实验室 山东省科学院海洋仪器仪表研究所，青岛 266001）

0 引言

流速仪检定车是流速仪检定装置的重要组成部分，其速度控制精度是检验检定装置的主要指标。目前，全国有十几家检定中心，由于大多数检定中心建造年代较早，设备陈旧老化，系统故障日益增多，此外，随着计算机科学技术及自动控制技术的发展，检定装置自动化智能控制水平较低的缺点也日渐显露，因此，将新的控制技术应用于检定装置中势在必行[1]。

1 设计思想

根据GB/T21699-2008《直线明槽中的转子式流速仪检定／校准方法》中的规定，检定车可采用拖曳式和自推进式两种驱动方式，检定车上装有电动驱动设备，经传动系统使检定车沿轨道运行，自动调速系统保证车速稳定。检定车速度在测量段运行过程中应保持相对稳定，车速变化率要求分二级，如表1所示。其置信水平为99%[2,3]。

表1 检定车速变化率 %

检定车速变化率(e)用式(2)计算：

式中：vt¢为检定车瞬时速度，单位为米每秒(m／s)。当车速小于等于0.2m/s时，可用10s为测速单位；大于等于0.2m/s时，应用1s为测速单位；vt为检定车在测量段内运行的平均速度，单位为米每秒(m／s)。

本文采用自推进式检定车，车速变化率按照一级精度要求设计。由于传统的变频器控制具有低速阶段车速稳定性差，易出现爬行现象、启动制动距离长和快速响应能力差，在钢轨接缝及电压扰动情况下容易出现车速不稳的现象。基于以上特点，本文将伺服控制技术应用于检定车车速控制系统，实现了车速的高精度控制和快速响应[4,5]。检定车结构示意图如图1所示。

2 控制系统设计

2.1 系统组成及工作原理

图1 检定车结构示意图

检定车经过钢轨接缝、或行车走偏经导向轮调整时，行车负载会发生变化，导致信号快速波动，利用变频控制时会出现响应不及时而出现车速不稳的情况，因此本系统采用伺服控制。该系统由动力驱动电机、伺服放大器、可编程控制器、差速器、半轴及车轮等部分组成。行车的动力控制主要是控制行车的运行速度和运行距离。动力控制单元采用三菱交流电机伺服系统，通过可编程控制器控制伺服放大器，将控制信号传递给电机，动力驱动电机通过差速器和半轴等环节将动力传递给车轮，从而驱动行车运行。伺服系统原理框图如图2所示。

图2 动力电机伺服系统原理框图

2.2 驱动电机参数计算

目前，检定水槽的参数为100m（长）×2.5m（宽）×3m（深），根据需要达到的指标计算所需驱动电机的具体参数。在行车运行过程时，伺服电机以一定的加速度拖动负载克服阻力矩向新的平衡状态运动的。因此，电机应依据负载所需的最大转矩来选型。

2.2.1 运行功率计算

行车运行功率计算公式为：

F运为行车运行时需要的力，N；

F摩为行车运行时车轮滚动受到的阻力，N；

F水为行车运行时受到的水的阻力，N；

P运为行车最高速度运行时需要的功率，kW；

v为行车最高运行速度，m/s；

h为电机效率，取0.85。

由此可以得出：

行车运行时需要的力：F运=1812N。

行车最高速度运行时需要的功率P运=8.53kW

电机转速计算：

式中： n为电机转速，r/min；

i为电机与车轮减速比；

D为车轮直径，m。

因此，电机转速n=1783r/min。

2.2.2 电机启动力矩计算

式中：M起为行车启动所需力矩，Nm；

M运为运行力矩，Nm；

M惯为行车惯性力矩，Nm；

GD12为电机惯性矩，Nm2；

GD22为行车折算到电机轴上的总惯性矩，Nm2；

W为行车重量，kg。

表2 HA-LP11K2伺服电机参数表

由此得出：行车运行力矩M运=46.34Nm。

行车惯性力矩M惯=25.99 Nm。

行车启动所需力矩M起= 72.33 Nm。

2.3 伺服系统选择

根据以上参数计算，选择伺服系统元器件如下。

2.3.1 动力驱动电机

动力驱动电机选用日本三菱公司生产的HALP11K2型交流伺服电机，如图3所示。电机配有18位高分辨率的绝对位置编码器，分辨率为262144脉冲/r，编码器对电机主轴转速信号进行采集，并反馈至可编程控制器，实现行车速度的高精度闭环运动控制。该电机具体技术参数如表2所示。

图3 动力驱动电机外观示意图

2.3.2 伺服放大器

选用日本三菱公司生产的MR-J3-11KB型伺服放大器，与动力驱动电机配套，用于高精度定位及行车速度控制，外观如图4所示。

伺服放大器具有位置控制、速度控制及转矩控制三种模式，并具有光纤通讯功能，可通过连接安装有伺服设置软件的上位计算机进行参数设定、试运行、状态显示和增益调整等操作。伺服放大器具有高水平自整定功能和高级振动抑制控制功能。伺服放大器配有电池组件，具有原点记忆功能，用于构成绝对位置检测系统。

2.3.3 可编程控制器

图4 MR-J3-11KB型伺服放大器示意图

为完成各种不同试验过程对行车速度和行程的控制，在动力驱动系统中设计有可编程控制器。可编程控制器是专为在工业环境中进行数字运算操作而设计的电子系统。选用日本三菱公司生产的可编程控制器，它包含四种组件，分别为L02CPU型CPU组件、LD77MH4型定位组件、LX40C6型输入组件和LY10R2型输出组件。工作时将预先设计的试验控制内容编写成程序并写入到可编程控制器中。可编程控制器通过各部件进行采样、运算、输出实现对行车试验全程的运行控制。

3 结论

经运行测试，结果表明采用该控制系统时，检定车速度稳定，行车启动平稳，可靠性高，制动距离短，制动平滑。实验结果表明：车速≤1m/s时，启动距离小于4m，制动距离小于1m；车速＞1m/s，≤2m/s时，启动距离小于10m，制动距离小于4m；车速＞2m/s，≤4m/s时，启动距离小于28m，制动距离小于16m（以上启动距离均含3s的稳速阶段）。车速变化率达到了国家一级流速仪检定标准。

[1] 李深,张锡永,张均顺,等.潍坊流速仪检定水槽升级技术改造[J].海洋通报,1999,18(1)∶83-87.

[2] 中华人民共和国国家标准,直线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法,北京∶中国水利水电出版社,2008.

[3] 李长连,等.中华人民共和国国家计量检定规程,SLC-9型直读式海流计,北京∶中国计量出版社,1990.

[4] 潘颀,张文锦.基于变频器的流速仪检定车的车速控制系统[J].仪器仪表用户,2008,15(4)∶24-25.

[5] 姜松燕,高伟,张文韬,等.伺服控制放大技术在流速仪检定系统中的应用[J].水利信息化,2010,(2)∶58-60.