便携式转速表校准仪的研制

王全龙

(国营长虹机械厂，广西桂林541003)

0 引言

便携式转速表校准仪(以下简称校准仪)，主要用于现场校准某型发动机试车台(以下简称试车台)上安装的某型转速表指示器，通过扩展端口，也可以校准各类电子式或机械软轴驱动式转速表。

由于使用场合为外场环境，因此要求校准仪轻便、易于携带、精度高、稳定性好、使用操作简单。

通过对试车台进行现场调研，发现该设备安装的是某型转速表指示器。由于试车台箱体进行了防拆卸处理，所有螺钉都涂抹了螺纹胶，且尺寸小，因此难以拆下转速表指示器进行校准，需要在尽可能不拆卸被校仪表的情况下完成计量校准工作，基于此本文研制了一种便携式转速表校准仪。

1 设计方案

某型转速表由指示器和传感器两部分组成。要校准该转速表指示器，必须有外力带动传感器旋转，传感器产生交流电驱动指示器指针偏移到相应位置。该转速表指示器刻度范围是1000～15000 r/min，但配套传感器实际转速范围是250～3750 r/min。要满量程校准转速表指示器，带动传感器的动力装置调速范围必须覆盖250～3750 r/min这段区间。

经多方比较，决定采用稀土钕铁硼印制绕组直流伺服电机作为校准仪的动力驱动源。使用1.5 V直流电压驱动其旋转，响应速度快、转动惯量小。

设计校准仪原理框图如图1所示。电机双轴输出。一端带动传感器旋转，用于校准转速表指示器，另一端带动机械软轴或电子式传感器，用于校准其它类型的转速表。

图1 校准仪原理框图

2 校准仪主要技术指标的确定

2.1 准确度的确定

通常测量标准的精度应高于被检表精度的4倍。根据被检表即某型转速表指示器误差为0.6%，那么标准器误差至多是0.6%/4=0.15%。

为便于后续的升级和功能扩展，将标准器(即便携式转速表校准仪)的转速输出端口准确度提高一些，标准器误差由0.15%定为0.1%(即1×10-3)。

2.2 力矩电机转矩的确定

力矩电机用于驱动传感器、机械软轴或其它电子类传感器。将传感器置于平台上，用测力仪测出输出轴从静止到刚刚转动时的力矩为0.015 N·m。机械软轴难以用弹簧秤直接测出，采用估算法，用手直接旋动，力矩与传感器相当，不会超过0.02 N·m。电子类传感器，均为非接触式，力矩很小，可忽略不计。因此，校准仪对力矩电机转矩需求为0.035 N·m。综合考虑，保证裕量，对力矩电机转矩的要求是大于0.2 N·m。

2.3 转速范围的确定

考虑到以后其它类型的转速表的校准，将校准仪转速表上限定为5000 r/min，转速范围定为200～5000 r/min。

3 校准仪部件选型

3.1 力矩电机的选择

对力矩电机的要求是:调速范围宽200～5000 r/min，在转速范围内力矩基本恒定，无启动死角，重量轻，响应速度快，一般电机很难兼顾以上性能。

力矩电机的选择是校准仪制作难点之一(普通电机转速一般只能达到3000 r/min)，一旦选定后，伺服驱动器和控制系统均以它的技术参数为准进行选型和设计，若选择失误，将重头操作。通过多方比较，决定采用110SN-03型印制绕组直流伺服电机(稀土钕铁硼)，该电机具有双轴伸输出，最高转速大于5000 r/min，自带测速机，便于进行反馈控制。

3.2 控制系统的选择

控制系统由电源、伺服驱动器、光电编码盘、控制模块组成。

电源模块考虑到体积和重量，选用台湾明纬公司的开关电源，输入电压180～260VAC，输出为48 V/9.7 A，功率450 W，为伺服驱动器和控制模块供电。

伺服驱动器选用ISF10DA60直流伺服驱动器，用测速机反馈方式，与力矩电机形成内环速度反馈［1］。

光电编码器采用B-BXD-1-250。与力矩电机轴安装简单方便，输出信号到控制模块，形成外环反馈。

控制模块采用新华龙C8051F410单片机。

3.3 输入输出单元的选择

1)键盘输入单元

键盘采用薄膜面板按键。4×4矩阵的键盘能够满足需要，键盘直接与C8051F410的P2口相连，通过单片机进行键盘扫描。

2)显示单元

显示窗口共两行，上行为输出转速显示，有6位，能够显示到小数点后一位;下行为输入转速显示，共有5位，最小显示为1r/min。数码管通过HC595驱动。HC595采用串行接口传送数据，级联方便，PCB布线简洁，占用单片机资源少。

4 控制系统工作原理简述

本系统采用PI控制方式。PI控制以其结构简单、稳定性好、工作可靠而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PI控制技术最为方便［2-4］。

控制系统原理图如图2所示:

图2 控制系统原理框图

由图2可以看出，控制系统共有两条反馈环路，内环为测速机反馈环路，外环为光电编码器反馈环路，两条环路均采用PI控制形式。

测速机反馈环路，输出误差一般只能达到3×10-3，无法达到设计指标1×10-3，于是增加了第二条环路即光电编码器反馈环路，双环路共同作用可以达到设计精度要求。

主程序和中断程序流程图如图3所示。

图3 主程序和中断程序流程图

系统执行主程序过程中，每隔40ms采集一次数据(执行中断程序)，通过PI处理后得到偏差修正量，经控制模块放大后到伺服驱动器，由伺服驱动器调节力矩电机转速。

整机设计完成后，需要对PI控制器参数进行整定，以确定PI控制器的比例系数Kp、积分时间常数Ti的大小。参数整定也是校准仪制作的难点之一，除了需要方法和经验外，还要有耐心。经过多次试验摸索，当比例系数Kp=0.5、积分时间常数Ti=2.5时，具有最佳控制效果:力矩电机反应灵敏，能够快速到达设定转速，且转速输出精度满足要求。

5 整机安装调校

由于力矩电机工作转速较高，为保证其运转平稳，需要将它和传感器安装在一块专用平台上。为减轻重量，采用7 mm厚的硬铝板作为安装平台。

整机安装调校的难点，是力矩电机和传感器的同轴度问题。同轴度误差超过允许值，电机高速运转时就会产生较大的震动，严重时引起电机或其它部件损坏。由于力矩电机与传感器采用胶垫连接，对同轴度要求不是很苛刻，小于0.1 mm就可避免高速时发生震动。

将力矩电机和传感器简单固定，在三坐标测试仪平台上细心调校，调校结果:同轴度误差为0.08 mm。打上定位销，拧紧固定螺丝。

校准仪整体安装完成后，上电测试，力矩电机运转平稳，噪声小，响应速度快，准确度高。使用频率计实测转速输出精度，在200～5000 r/min的量程范围内误差均小于1×10-3，便携式转速表校准仪达到设计要求。

整机重量10 kg左右，满足轻捷便携的设计要求。

6 校准仪试用情况

校准仪制作完成后，首先对某型转速表指示器进行了试校准。校准时，试车台上所有电缆都与发动机不相连，均处于断开状态，也就是说，在无需启动发动机的条件下进行校准。将校准仪输出线与试车台相应端子连接好，接通电源，从1000～15000 r/min逐点检查，试车台上的某型转速表指示器指针偏转平稳、无跳动，误差值均小于允许值，整个校准过程只需5 min左右。

在对软轴驱动式转速表进行试校准时，同样无需启动地面发动机，只需将被校表的软轴拆下，拧上校准仪配装的软轴，逐点校准即可，一个人10 min可完成。而常规校准方法需要地面发动机能够正常启动，用手持标准表对准曲轴进行校准，整个过程至少需要2个人，一人负责校准，另一人负责控制油门改变发动机运转速度。

便携式转速表校准仪的研制成功，极大地提高了工作效率，使得外场对转速类仪表的校准变得简单方便和快捷。

［1］桂林风得控科技有限公司.直流伺服驱动器使用说明书［EB/OL］.http://product.ch.gongchang.com/d33521543.html.

［2］金奇，邓志杰.PID控制原理及参数整定方法［J］.重庆工学院学报(自然科学)，2008，22(5):91-94.

［3］中国人民解放军总装备部.GJB 5109-2004装备计量保障通用要求检测和校准［S］.北京:总装备部军标出版发行部，2004.

［4］马忠梅，籍顺心.单片机的C语言应用程序设计［M］.北京:北京航空航天大学，2003.