新型流速儀檢定系統(tǒng)改進方案設計.docx

1、新型流速儀檢定系統(tǒng)改進方案設計MeliorationDesignfortheCurrent-meterCalibrationSystem周琪羽田桂史張文錦（東南大學儀器科學與工程學院，江蘇南京210096）摘要流速儀檢定系統(tǒng)是衡量流速儀測量流速精度的檢定裝置。針對我國東部水文儀器檢測中心的流速儀檢定系統(tǒng)運行中出現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)，對其低速調(diào)速系統(tǒng)、核心控制板抗干擾等部分進行分析研究,提出了改進設計方案，以期達到長期穩(wěn)定可靠的工作。關鍵詞流速儀檢定系統(tǒng)；改進方案；穩(wěn)定可靠中圖分類號TP216文獻標識碼A引言流速儀在水利監(jiān)控中應用普遍，因此其檢定十分重要。流速儀檢定系統(tǒng)是衡量流速儀測量流速精度的檢定裝置

2、。東部水文儀器檢測中心的流速儀檢定系統(tǒng)因多年長期運行，且因工作環(huán)境濕度大而導致設備老化加速，加之干擾源多等原因，系統(tǒng)運行出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此在前期系統(tǒng)設計的基礎上針對目前可靠性差的部分進行改進設計。1低速控制部分的改進1.1改進方案分析系統(tǒng)原有的低速控制部分是通過直流電機和牽引電機來實現(xiàn)的，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。牽引電機用來控制直流電機的嚙合與分離，通過51單片機輸出PWM來控制直流電機運行。PWM是通過模糊PID算法來實現(xiàn)。該算法在一定程度上能夠很好地克服系統(tǒng)參數(shù)變化和非線性等不確定因素。對于0.01-0.09m/s每個速度點，在系統(tǒng)運行初期能夠很好地滿足速度精度要求，但隨著檢定車使用頻率加大

3、，出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象，分析原因如下：1）硬件方面，運行環(huán)境濕度大，易造成控制電路出現(xiàn)虛焊、漏電及短路而引起的功率管失效；檢定車軌道生銹和發(fā)生位移（地基引起）；檢定車本身機械系統(tǒng)磨損。2）軟件方面，預設的控制參數(shù)會隨著環(huán)境變化而需要重新標定，工作旗較大。后嘗試動態(tài)修改，發(fā)現(xiàn)其仍受環(huán)境變化影響，難以在局部找到合適的解決方法，這是算法上的局限性。綜上所述，在本系統(tǒng)中低速控制部分采用直流電動機控制方案，其維護工作量大且復雜，是系統(tǒng)不穩(wěn)定的主要因素?，F(xiàn)在隨著變頻技術，特別是矢量變頻技術的發(fā)展，交流電機的控制得到普及，且變頻器具有成熟的控制算法，基于此,將低速控制部分改為用變頻器控制小功率的交流電機來實現(xiàn)。1

4、.2變頻器的矢控制根據(jù)系統(tǒng)需求，選擇了交流電機6IK180GU,配以日立WJ200電流矢量控制的變頻器，該變頻器具有以下特點：1）無速度傳感器、矢量控制實現(xiàn)0.5Hz,5200%的起動力矩；2) 大幅降低低速運行的波動，可“實時，滯時補償”，實現(xiàn)低速平滑運行；3) RS485接口標準內(nèi)置，標配USB接口，方便編程控制與調(diào)試。小電機主要實現(xiàn)0.01-0.Im/s的車速，電機輸出的扭矩與電動機的轉(zhuǎn)速和功率有關。由=V*M(功率=轉(zhuǎn)速*力矩)可知，當功率一定時，速度越低，所需要輸出的扭矩就越大。變頻器的矢量控制功能能夠通過增加輸出電壓，來使電機的輸出轉(zhuǎn)矩和電壓的平方成正比的關系增加，從而改善電機的輸

5、出轉(zhuǎn)矩，這樣可以使電機在低速，如1Hz(對4極電機，其轉(zhuǎn)速大約為30r/min)時的輸出轉(zhuǎn)矩可以達到電機在50Hz供電輸出的轉(zhuǎn)矩(最大約為額定轉(zhuǎn)矩的150%)o“矢量控制”把電機的電流值進行分配，從而確定產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的電機電流分最和其他電流分信(如勵磁分量)的數(shù)值?！笆噶靠刂啤笨梢酝ㄟ^對電機端的電壓降的響應，進行優(yōu)化補償，在不增加電流的情況下，允許電機產(chǎn)出大的轉(zhuǎn)矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。1.3低速交流電機的閉環(huán)控制方法在變頻器控制面板上設置好電機額定功率、級數(shù)等參數(shù)后，就可以用ARM核心板通過RS232轉(zhuǎn)485發(fā)送頻率命令進行控制，同時測景編碼器返回脈沖的個數(shù)，進彳亍速度的反饋，根據(jù)反

6、饋進行速度的閉環(huán)調(diào)節(jié)。下面重點介紹閉環(huán)調(diào)節(jié)方法。衰1各速度點編碼器脈沖分析車速!0mm/S脈沖周期件S分頻數(shù)標準詠沖數(shù)M$b十進制十六進制17766.6231066795A23883.3431066795A32588.9631066795A41941.7831066795A51553.31031066795A61294.41231066795A71109.51431066795A8970.831631066795A9862.961831066795A10776.672031066795A編碼器每周脈沖數(shù)是3600,可通過上位機監(jiān)測軟件來監(jiān)測。編碼器信號經(jīng)過8254進行相應分頻后，作為另一825

7、4的門控信號，讀取標準時鐘CLK的個數(shù)。表1是對各速度點分頻后的脈沖分析，Msb為讀取的CLK個數(shù)。由表1可知，通過對每一個速度進行分頻，可以得到一個基準脈沖個數(shù)31066,在程序中不管什么速度，只要和31066相比較，就可以知道速度是否準確。Z=7T*J=3.14159*89(1)=279.6mmL二3600(2)=0.077667mmTin=(D(v2)-(M5q.-4)xl06(3)Vt=L*Tm(4)=155334xD"Mm其中，,為檢定車輪子周長；Ms,為實測脈沖數(shù)；D|為各速度相應的分頻數(shù)；。煩為脈沖當量值;匚為每秒的脈沖個數(shù)；V,為當前速度值。低速交流電機控制軟件的流程

8、如圖2所示。<W>圖2低速控制軟件控制流程圖當車速在0.01m/s0.Im/s時，速度值V與變頻器頻率F值之間有一個系數(shù)Ksr,F=KsfxV,Ksf=1367,可以由操作臺上ARM機計算。若實測脈沖數(shù)Mst>Msb，則表示速度低于目標值，應提高K$f值，即提高輸出頻率。若實測脈沖數(shù)Mst<Msb,則表示速度高于目標值，應減少Vf值，即降低輸出頻率。在讀取分頻后的脈沖周期寬度時，可能會出現(xiàn)不準確的現(xiàn)象，即編碼器輸出脈沖可能因為干擾或者振動會增加或減少脈沖。但是這些現(xiàn)象肯定是不確定的，即不可能準確重復出現(xiàn)，因此可以從速度的連續(xù)和平穩(wěn)性出發(fā)來識別讀取的數(shù)據(jù)是否正確。2核心板

9、抗干擾方案改進2.1硬件支持由于工作環(huán)境干擾源多的影響，以及操作員出現(xiàn)的誤操作，檢定車可能會出現(xiàn)運行過程中的意外停車現(xiàn)象。對此采用系統(tǒng)核心處理器LPC2214中自帶的看門狗功能對系統(tǒng)進行異常時的復位，使用核心板擴展的2Mbit的SRAM2LV1024LL對數(shù)據(jù)進行實時保存。當MCU復位后，讀取SRAM的值，從“斷點”處繼續(xù)執(zhí)行相應任務，保證系統(tǒng)運行的連貫性?？撮T狗結(jié)構(gòu)方框圖見圖3。圖3看門狗結(jié)構(gòu)方框圖如圖3所示，首先向WDTC寄存器中設置看門狗定時器的固定裝載值，在WDMOD寄存器中設置模式，并使能看門狗，再通過向WDFEED寄存器順序?qū)懭隣xAA和0x55,啟動看門狗，在看門狗向下溢出之前應

10、再次喂狗防止復位或中斷。當看門狗計數(shù)器向下溢出時會引發(fā)內(nèi)部復位，MCU重啟O2.2非正常復位的識別單片機系統(tǒng)因干擾復位或掉電后復位均屬非正常復位，應進行故障診斷并能自動恢復非正常復位前的狀態(tài)。非正常復位包括軟件故障復位、新型流速儀檢定系統(tǒng)改進方案設計周琪羽，等任務正在執(zhí)行中掉電后來電復位和看門狗超時未喂狗硬件復位三種。在實際操作中要進行硬件復位與軟件復位的識別、正常開機復位與非正常開機復位的識別、開機復位與看門狗故障復位的識別。如第三種的識別需要借助于外部SRAM,設置一可掉電保護的觀測單元。當系統(tǒng)正常運行時，在定時喂狗的中斷服務程序中使該觀測單元保持正常值（設為AAH）,而在主程中將該單元清

11、零，因觀測單元掉電可保護，則開機時通過檢測該單元是否為正常值可判斷是否看門狗復位。2.3非正常復位后系統(tǒng)自恢復的程序設計在檢定車運行過程中，需要不斷地把當前的狀態(tài)、參數(shù)等數(shù)據(jù)及時備份到SRAM中。當在已判別出系統(tǒng)非正常復位的情況下，先要恢復一些必要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，然后恢復檢定系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)、運行參數(shù)等，包括顯示界面、車速、流速儀已測信號等的恢復，最后恢復復位前的任務、參數(shù)、運行時間等，再進入系統(tǒng)運行狀態(tài)。具體自恢復流程如圖4所示。開始圖4系統(tǒng)自恢復程序流程圖圖4中“恢復系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)”是指從SRAM中取出備份的數(shù)據(jù)覆蓋當前的系統(tǒng)數(shù)據(jù)；“系統(tǒng)基本初始化”是指對芯片、顯示、輸入輸出方式等進行初始化，要注

12、意輸入輸出的初始化不應造成誤動作；“復位前任務初始化”是指任務的執(zhí)行狀態(tài)、運行時間等。通過以上改進，就口J以保證檢定車運行流暢，進一步提高其可靠性和作效率。3改進成果圖5是車速為0.01m/s時的檢定車實測速度,縱坐標代表對應的編碼器等效脈沖數(shù)，橫坐標為測量時間，每10s一測。圖5車速為0.01m/s時的檢定車實測速度從圖5中可以看到，經(jīng)過改進，檢定車在0-Olm/s的速度十分平穩(wěn)，最大值為1305,最小值為1294.均值為1299.5,最大誤差不到5知，精度遠高于國家一級標準規(guī)定的1%的設計指標。而且，受環(huán)境影響小，I：作流暢且可靠性高，能夠滿足我國行業(yè)標準百流明槽中轉(zhuǎn)子式流速儀的檢定方法規(guī)

13、定的要求。作為整個檢定系統(tǒng)的重要組成部分，已成功地用于東部水文儀器檢測中心使用的檢定車中。參考文獻1張殖.流速儀檢定系統(tǒng)的設計與研究I）.南京：東南大學.20102潘賴.流速儀檢定車的拖動系統(tǒng)研制D.南京：東南大學.20083周立功.ARM散入式系統(tǒng)基礎教程M.北京：北京航空航天大學出版社，2005.4中華人民共和國水利部.GB/T21699-2008f線明槽中的轉(zhuǎn)子式流速儀檢定/校準方法S.北京：中國標腐出版社，20085王幸之.單片機應用系統(tǒng)抗干擾技術M.北京：北京航空航天大學.2001歡迎訂閱儀器儀表與分析監(jiān)測儀器儀表與分析監(jiān)測是經(jīng)國家新聞出版總署期刊出版許可批準的儀器儀表類科技專業(yè)期刊。自1985年創(chuàng)刊以來.一直受到廣大讀者朋友的喜愛與支持。本刊以刊登實用性研究成果和創(chuàng)新性理論研究專著等文章為主，內(nèi)容涵蓋儀器儀表技術、自動控制技術、虛擬儀器技術、仿技術、數(shù)據(jù)采集技術、信號姓理技術、圖像采集技術、傳感器技術等。為進一步提高辦刊質(zhì)量