新型流速仪检定系统改进方案设计.docx

1、新型流速仪检定系统改进方案设计MeliorationDesignfortheCurrent-meterCalibrationSystem周琪羽田桂史张文锦（东南大学仪器科学与工程学院，江苏南京210096）摘要流速仪检定系统是衡量流速仪测量流速精度的检定装置。针对我国东部水文仪器检测中心的流速仪检定系统运行中出现的薄弱环节，对其低速调速系统、核心控制板抗干扰等部分进行分析研究,提出了改进设计方案，以期达到长期稳定可靠的工作。关键词流速仪检定系统；改进方案；稳定可靠中图分类号TP216文献标识码A引言流速仪在水利监控中应用普遍，因此其检定十分重要。流速仪检定系统是衡量流速仪测量流速精度的检定装置

2、。东部水文仪器检测中心的流速仪检定系统因多年长期运行，且因工作环境湿度大而导致设备老化加速，加之干扰源多等原因，系统运行出现不稳定现象，因此在前期系统设计的基础上针对目前可靠性差的部分进行改进设计。1低速控制部分的改进1.1改进方案分析系统原有的低速控制部分是通过直流电机和牵引电机来实现的，具体结构如图1所示。牵引电机用来控制直流电机的啮合与分离，通过51单片机输出PWM来控制直流电机运行。PWM是通过模糊PID算法来实现。该算法在一定程度上能够很好地克服系统参数变化和非线性等不确定因素。对于0.01-0.09m/s每个速度点，在系统运行初期能够很好地满足速度精度要求，但随着检定车使用频率加大

3、，出现不稳定现象，分析原因如下：1）硬件方面，运行环境湿度大，易造成控制电路出现虚焊、漏电及短路而引起的功率管失效；检定车轨道生锈和发生位移（地基引起）；检定车本身机械系统磨损。2）软件方面，预设的控制参数会随着环境变化而需要重新标定，工作旗较大。后尝试动态修改，发现其仍受环境变化影响，难以在局部找到合适的解决方法，这是算法上的局限性。综上所述，在本系统中低速控制部分采用直流电动机控制方案，其维护工作量大且复杂，是系统不稳定的主要因素。现在随着变频技术，特别是矢量变频技术的发展，交流电机的控制得到普及，且变频器具有成熟的控制算法，基于此,将低速控制部分改为用变频器控制小功率的交流电机来实现。1

4、.2变频器的矢控制根据系统需求，选择了交流电机6IK180GU,配以日立WJ200电流矢量控制的变频器，该变频器具有以下特点：1）无速度传感器、矢量控制实现0.5Hz,5200%的起动力矩；2) 大幅降低低速运行的波动，可“实时，滞时补偿”，实现低速平滑运行；3) RS485接口标准内置，标配USB接口，方便编程控制与调试。小电机主要实现0.01-0.Im/s的车速，电机输出的扭矩与电动机的转速和功率有关。由=V*M(功率=转速*力矩)可知，当功率一定时，速度越低，所需要输出的扭矩就越大。变频器的矢量控制功能能够通过增加输出电压，来使电机的输出转矩和电压的平方成正比的关系增加，从而改善电机的输

5、出转矩，这样可以使电机在低速，如1Hz(对4极电机，其转速大约为30r/min)时的输出转矩可以达到电机在50Hz供电输出的转矩(最大约为额定转矩的150%)o“矢量控制”把电机的电流值进行分配，从而确定产生转矩的电机电流分最和其他电流分信(如励磁分量)的数值。“矢量控制”可以通过对电机端的电压降的响应，进行优化补偿，在不增加电流的情况下，允许电机产出大的转矩。此功能对改善电机低速时温升也有效。1.3低速交流电机的闭环控制方法在变频器控制面板上设置好电机额定功率、级数等参数后，就可以用ARM核心板通过RS232转485发送频率命令进行控制，同时测景编码器返回脉冲的个数，进彳亍速度的反馈，根据反

6、馈进行速度的闭环调节。下面重点介绍闭环调节方法。衰1各速度点编码器脉冲分析车速!0mm/S脉冲周期件S分频数标准咏冲数M$b十进制十六进制17766.6231066795A23883.3431066795A32588.9631066795A41941.7831066795A51553.31031066795A61294.41231066795A71109.51431066795A8970.831631066795A9862.961831066795A10776.672031066795A编码器每周脉冲数是3600,可通过上位机监测软件来监测。编码器信号经过8254进行相应分频后，作为另一825

7、4的门控信号，读取标准时钟CLK的个数。表1是对各速度点分频后的脉冲分析，Msb为读取的CLK个数。由表1可知，通过对每一个速度进行分频，可以得到一个基准脉冲个数31066,在程序中不管什么速度，只要和31066相比较，就可以知道速度是否准确。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，,为检定车轮子周长；Ms,为实测脉冲数；D|为各速度相应的分频数；。烦为脉冲当量值;匚为每秒的脉冲个数；V,为当前速度值。低速交流电机控制软件的流程

8、如图2所示。<W>图2低速控制软件控制流程图当车速在0.01m/s0.Im/s时，速度值V与变频器频率F值之间有一个系数Ksr,F=KsfxV,Ksf=1367,可以由操作台上ARM机计算。若实测脉冲数Mst>Msb，则表示速度低于目标值，应提高K$f值，即提高输出频率。若实测脉冲数Mst<Msb,则表示速度高于目标值，应减少Vf值，即降低输出频率。在读取分频后的脉冲周期宽度时，可能会出现不准确的现象，即编码器输出脉冲可能因为干扰或者振动会增加或减少脉冲。但是这些现象肯定是不确定的，即不可能准确重复出现，因此可以从速度的连续和平稳性出发来识别读取的数据是否正确。2核心板

9、抗干扰方案改进2.1硬件支持由于工作环境干扰源多的影响，以及操作员出现的误操作，检定车可能会出现运行过程中的意外停车现象。对此采用系统核心处理器LPC2214中自带的看门狗功能对系统进行异常时的复位，使用核心板扩展的2Mbit的SRAM2LV1024LL对数据进行实时保存。当MCU复位后，读取SRAM的值，从“断点”处继续执行相应任务，保证系统运行的连贯性。看门狗结构方框图见图3。图3看门狗结构方框图如图3所示，首先向WDTC寄存器中设置看门狗定时器的固定装载值，在WDMOD寄存器中设置模式，并使能看门狗，再通过向WDFEED寄存器顺序写入OxAA和0x55,启动看门狗，在看门狗向下溢出之前应

10、再次喂狗防止复位或中断。当看门狗计数器向下溢出时会引发内部复位，MCU重启O2.2非正常复位的识别单片机系统因干扰复位或掉电后复位均属非正常复位，应进行故障诊断并能自动恢复非正常复位前的状态。非正常复位包括软件故障复位、新型流速仪检定系统改进方案设计周琪羽，等任务正在执行中掉电后来电复位和看门狗超时未喂狗硬件复位三种。在实际操作中要进行硬件复位与软件复位的识别、正常开机复位与非正常开机复位的识别、开机复位与看门狗故障复位的识别。如第三种的识别需要借助于外部SRAM,设置一可掉电保护的观测单元。当系统正常运行时，在定时喂狗的中断服务程序中使该观测单元保持正常值（设为AAH）,而在主程中将该单元清

11、零，因观测单元掉电可保护，则开机时通过检测该单元是否为正常值可判断是否看门狗复位。2.3非正常复位后系统自恢复的程序设计在检定车运行过程中，需要不断地把当前的状态、参数等数据及时备份到SRAM中。当在已判别出系统非正常复位的情况下，先要恢复一些必要的系统数据，然后恢复检定系统的系统状态、运行参数等，包括显示界面、车速、流速仪已测信号等的恢复，最后恢复复位前的任务、参数、运行时间等，再进入系统运行状态。具体自恢复流程如图4所示。开始图4系统自恢复程序流程图图4中“恢复系统基本数据”是指从SRAM中取出备份的数据覆盖当前的系统数据；“系统基本初始化”是指对芯片、显示、输入输出方式等进行初始化，要注

12、意输入输出的初始化不应造成误动作；“复位前任务初始化”是指任务的执行状态、运行时间等。通过以上改进，就口J以保证检定车运行流畅，进一步提高其可靠性和作效率。3改进成果图5是车速为0.01m/s时的检定车实测速度,纵坐标代表对应的编码器等效脉冲数，横坐标为测量时间，每10s一测。图5车速为0.01m/s时的检定车实测速度从图5中可以看到，经过改进，检定车在0-Olm/s的速度十分平稳，最大值为1305,最小值为1294.均值为1299.5,最大误差不到5知，精度远高于国家一级标准规定的1%的设计指标。而且，受环境影响小，I：作流畅且可靠性高，能够满足我国行业标准百流明槽中转子式流速仪的检定方法规

13、定的要求。作为整个检定系统的重要组成部分，已成功地用于东部水文仪器检测中心使用的检定车中。参考文献1张殖.流速仪检定系统的设计与研究I）.南京：东南大学.20102潘赖.流速仪检定车的拖动系统研制D.南京：东南大学.20083周立功.ARM散入式系统基础教程M.北京：北京航空航天大学出版社，2005.4中华人民共和国水利部.GB/T21699-2008f线明槽中的转子式流速仪检定/校准方法S.北京：中国标腐出版社，20085王幸之.单片机应用系统抗干扰技术M.北京：北京航空航天大学.2001欢迎订阅仪器仪表与分析监测仪器仪表与分析监测是经国家新闻出版总署期刊出版许可批准的仪器仪表类科技专业期刊。自1985年创刊以来.一直受到广大读者朋友的喜爱与支持。本刊以刊登实用性研究成果和创新性理论研究专著等文章为主，内容涵盖仪器仪表技术、自动控制技术、虚拟仪器技术、仿技术、数据采集技术、信号姓理技术、图像采集技术、传感器技术等。为进一步提高办刊质量