基于伺服電機(jī)控制的三維皮托管測速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊俊1,翁國華1,岳堅(jiān)2,范志宏2

(1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,上海200093;2.上海工業(yè)自動化儀表研究院,上海200233)

摘要為了改進(jìn)現(xiàn)有皮托管的測速方法,介紹了一種三維皮托管測速系統(tǒng)方案。該方案采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動部件,磁柵編碼器作為位置檢測器,其控制系統(tǒng)的框架采用LabVIEW+PLC的兩極控制結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)過程表明,該系統(tǒng)能有效避免煙道中氣體紊流等因素帶來的干擾,從而準(zhǔn)確地測量煙道尾氣的流速;可視化的人機(jī)界面為測速操作、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等帶來便利。文中的重點(diǎn)在于測速原理的改進(jìn)、伺服電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)與人機(jī)界面LabVIEW的編程算法的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞皮托管;伺服電機(jī);磁柵編碼器;LabVIEW;PLC

收稿日期:2015-01-19

基金項(xiàng)目:上海市科委科研計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(12DZ0512600)

作者簡介:楊俊(1988—),男,碩士研究生。研究方向:精密測量與智能控制。E-mail:854057207@qq.com。翁國華(1963—),女,副教授。研究方向:工程應(yīng)用。岳堅(jiān)(1962—),男,高級工程師。研究方向:流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研發(fā)。范志宏(1986—),男,工程師。研究方向:流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研發(fā)。

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.039

中圖分類號TP274+.5

Design of the Three-dimensional Pitot Speed Measuring System Based on Servo Motor

YANG Jun1,WENG Guohua1,YUE Jian2,FAN Zhihong2

(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;

2.Shanghai Automation Instrumentation Industry Research Institute,Shanghai 200233,China)

AbstractIn order to improve the speed measuring method of pitot tube,the paper presents a three-dimensional pitot speed measuring system with the servo motor as the drive parts and the magnetic grid encoder as the position sensor.The framework of the control system adopts LabVIEW+PLC control structure.Experiment shows that the system effectively avoids interference factors such as flue gas in the turbulent,thus accurate measurement of flue gas velocity;the visual man-machine interface facilitates speed operation,data acquisition and data processing.The emphasis is put on the improvement of speed measuring principle,and the LabVIEW programming algorithm for the servo motor drive control system and human-machine interface.

Keywordspitot;servo motor;magnetic grid encoder;LabVIEW,PLC

工業(yè)上,在大口徑的煙道氣測速中,現(xiàn)在一般采用S型的皮托管進(jìn)行煙氣流量測定[1]。由于缺乏必要的自動化設(shè)備,完成該操作只能是操作者借助一些簡單的夾具裝置,劃線比對位置的方法安置皮托管。該方法不僅勞動強(qiáng)度大,且存在安裝誤差、夾持的穩(wěn)定性對數(shù)據(jù)測量的精度有較大的影響。將自動控制、微操作、計(jì)算機(jī)、傳感器檢測、伺服電機(jī)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合,研制了基于伺服電機(jī)控制的三維皮托管自動測速裝置系統(tǒng)。伺服電機(jī)控制系統(tǒng)是三維皮托管測速的重要組成部分,用于實(shí)現(xiàn)對三維皮托管的驅(qū)動和精確的位置控制。

1皮托管簡介

皮托管又稱畢托管,是一種測量氣體總壓和靜壓以確定氣體流速的裝置。該儀器是1730年由亨利·畢托首創(chuàng),后經(jīng)多方面的改進(jìn),目前已有幾十種型式[2]。其工作原理主要是測得管道內(nèi)的總壓Pt和靜壓Ps,然后根據(jù)伯努利方程,在理想情況下可求出氣體流速V。理想情況下伯努利方程為[3]

(1)

式中,V為流速;Pt為總壓;Ps為靜壓;ρ 為流體密度;K為流速校正系數(shù)。

2三維皮托管測速原理

式(1)中的煙道氣測速公式是在理想狀態(tài)下得到的,但在實(shí)際工業(yè)環(huán)境下,管道中的煙道氣存在紊流及放入的皮托管干擾流場等現(xiàn)象,煙氣流動方向不能總是垂直地迎著皮托管全壓孔。本文提出的三維皮托管測速方法可有效地避免這種情況,測速原理如圖1所示。

圖1　三維皮托管測速原理

測速原理:具體控制要求,在煙道管的每個(gè)測速點(diǎn)測速時(shí),保持全壓孔這一點(diǎn)的位置不動(控制精度在1 μm范圍內(nèi)),并實(shí)現(xiàn)相對于全壓孔的皮托管在-60°～60°的范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動、畢托管相對于自身的軸心線自轉(zhuǎn)的兩個(gè)運(yùn)動過程。這樣就能實(shí)現(xiàn)畢托管在空間定點(diǎn)處各個(gè)方向的流速檢定,從而避免流場方向變化帶來的影響。皮托管的控制軌跡方程如下

(2)

式中,x為皮托管X方向上的位置;y為皮托管Y方向上的位置;為皮托管擺動角度;L為皮托管夾持長度。

3伺服電機(jī)控制系統(tǒng)

3.1　硬件系統(tǒng)

三維皮托管硬件系統(tǒng),主要由皮托管控制裝置、驅(qū)動裝置、傳動裝置、檢測裝置、夾持裝置組成。控制裝置主要采用Siemens型號為 S7-224XP CN的PLC和EM253定位模塊。驅(qū)動裝置采用松下MINA A5系列的交流伺服電機(jī)和驅(qū)動器。通過細(xì)分后,可達(dá)到最高每周10 000個(gè)脈沖的細(xì)分級數(shù),且此細(xì)分級數(shù)可調(diào)動。三維皮托管的傳動裝置選用螺距為5 mm的高精度絲桿。經(jīng)細(xì)分后,伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)動一個(gè)脈沖,皮托管運(yùn)動0.5 μm,可滿足三維皮托管的精度要求。檢測裝置采用磁柵編碼器,安裝時(shí)注意可移動磁頭與固定磁柵尺的距離保持在約1 mm距離為宜[4]。夾持裝置由兩個(gè)半圓卡盤及可調(diào)節(jié)螺柱組成,能實(shí)現(xiàn)不同口徑,長度的皮托管穩(wěn)定安裝。

要控制一套伺服電機(jī),需要兩路數(shù)字量輸入來檢測軸的運(yùn)動極限位置,兩路數(shù)字量輸出來控制伺服電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)動,一路脈沖輸出來驅(qū)動伺服電機(jī)系[5]。因此,托管選用了1臺 224XP型PLC控制器。圖2是驅(qū)動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖,當(dāng)CPU224XP CN單元以20 kHz的最高頻率輸出脈沖時(shí),三維皮托管運(yùn)動軸的直線速度可達(dá)到 5 mm/s以上,能滿足皮托管測速過程的要求。

圖2　驅(qū)動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖

3.2　軟件系統(tǒng)

三維皮托管測速工藝如下:首先在上位機(jī)LabVIEW中輸入皮托管擺動角度,根據(jù)公式計(jì)算出X、Y方向上的位移量,將此位移量對應(yīng)的脈沖數(shù)由西門子的STEP7-MicroWin V4.0發(fā)送到伺服電機(jī)驅(qū)動器中,從而控制伺服電機(jī)帶動絲桿推動相應(yīng)的位移量。再由磁柵編碼器檢測該位移量,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后反饋到上位機(jī)中與實(shí)際脈沖量進(jìn)行比對,計(jì)算出偏差,最終實(shí)現(xiàn)了三維皮托管的閉環(huán)控制[6]。圖3為基于伺服電機(jī)控制的三維皮托管控制系統(tǒng)框圖。

圖3　三維皮托管控制系統(tǒng)框圖

3.2.1下位機(jī)PLC控制程序

三維皮托管驅(qū)動控制系統(tǒng)程序分為上位機(jī)控制程序和下位機(jī)控制程序兩部分。下位機(jī)控制程序采用西門子STEP7-MicroWin V4.0編程軟件編制,PLC采用的是一種不斷循環(huán)的順序掃描工作方式,CPU在完成上電的基本系統(tǒng)程序后就開始按逐條地執(zhí)行用戶程序,直到用戶程序結(jié)束,然后返回第一條指令開始新一輪的掃描。程序設(shè)計(jì)采用自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)思路,即整體功能由多個(gè)功能相對獨(dú)立的子功能組合實(shí)現(xiàn),每個(gè)子功能由若干個(gè)任務(wù)單一的子程序構(gòu)成,PLC的控制程序包括主程序、子程序和中斷程序。主程序模塊是控制系統(tǒng)的主干部分,實(shí)現(xiàn)整個(gè)三維皮托管正常運(yùn)動控制功能。子程序模塊包括4個(gè)伺服電機(jī)的控制程序及高速脈沖計(jì)數(shù)HSC。中斷程序模塊包括通信中斷程序和限位開關(guān)中斷程序,前者接收上位機(jī)的中斷控制指令和控制參數(shù);后者用于三維皮托管執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動保護(hù)。

本文研究的三維皮托管按特定曲線軌跡擺動和旋轉(zhuǎn),4個(gè)受控制的伺服電機(jī)主要以定位電機(jī)為主,其中兩個(gè)屬于直線定位,另外兩個(gè)屬于圓周定位。PLC的旋轉(zhuǎn)編碼器與高速計(jì)數(shù)器的聯(lián)合運(yùn)用能有效進(jìn)行長度測量和精確定位控制。其中,高速計(jì)數(shù)器在不增加特殊功能的情況下,就能準(zhǔn)確計(jì)算出小于PLC掃描周期脈寬的高速脈沖,而PLC的旋轉(zhuǎn)編碼器則可將電機(jī)軸上的角位移有效轉(zhuǎn)換成脈沖值。在此種控制系統(tǒng)中,其原理是光電旋轉(zhuǎn)編碼器將電機(jī)角位移轉(zhuǎn)換成脈沖值后,高速計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù),達(dá)到定位控制的目的[3]。

在編制PLC的控制程序時(shí),如何設(shè)置每次控制量的脈沖數(shù)為定位工作的關(guān)鍵,其中脈沖數(shù)量受脈沖當(dāng)量、脈沖頻率、伺服電機(jī)驅(qū)動器的細(xì)分?jǐn)?shù)、機(jī)構(gòu)傳動比的直接影響。該系統(tǒng)采用的PLC的CPU包含兩個(gè)脈沖發(fā)生器(Q0.0、Q0.1),均可實(shí)現(xiàn)輸出脈沖頻率高達(dá)20 kHz的高速脈沖信號。采用EM253定位模塊的最高脈沖頻率可達(dá)200 kHz。系統(tǒng)根據(jù)控制要求需采用高速脈沖串輸出PTO功能。PTO功能可滿足多個(gè)脈沖串進(jìn)行排隊(duì)輸出,從而形成單段和多段兩種流水線。為了實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的定位精度和速度要求,在PLC位置控制程序組態(tài)的過程中,可指定電機(jī)的速度。一個(gè)是在電機(jī)的能力范圍內(nèi)出入一個(gè)數(shù)值,以低速啟動負(fù)載;另一個(gè)是在電機(jī)扭矩能力范圍內(nèi)輸入應(yīng)用的最佳工作速度,并設(shè)置加減速時(shí)間和定義每個(gè)已配置的輪廓。從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟動加速,恒定速度運(yùn)行,接近控制終點(diǎn)時(shí)減速運(yùn)行這3個(gè)過程。

三維皮托管位置控制系統(tǒng)中,夾持皮托管長度L=700 mm。根據(jù)控制軌跡方程,在Matlab實(shí)現(xiàn)編程得出部分控制點(diǎn)的位置坐標(biāo),如表1所示。控制最小擺動角精度為0.5°,能滿足系統(tǒng)的精度要求。具體控制過程如下,當(dāng)系統(tǒng)輸入θn+1(xn+1,yn+1)時(shí),計(jì)算與上次三維皮托管到達(dá)的位置θn+1(xn,yn)之差,Δθ(Δx,Δy)=(xn+1-xn,yn+1-yn)。Δx和Δy即為本次控制脈沖量所對應(yīng)的位移量。

表1　部分控制點(diǎn)位置坐標(biāo)

3.2.2下位機(jī)LabVIEW程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)的程序編制采用可視化的虛擬儀器LabVIEW編寫,其是一種圖形化的編程軟件,其界面和功能與真實(shí)的儀器相似[7]。本文研究的測速系統(tǒng)主要包括上位機(jī)和下位機(jī)的通訊、PLC控制任務(wù)的分解與決策、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控和顯示等[8]。系統(tǒng)的前端VI界面如圖4所示,主要有所控制的4個(gè)伺服電機(jī)運(yùn)行頻率、所對應(yīng)的運(yùn)動位移量、運(yùn)行后的停止位置以及各種顯示、急停開關(guān)等。

圖4　前端VI界面

系統(tǒng)的部分框圖程序如圖5所示,主要是關(guān)于各個(gè)電機(jī)的頻率計(jì)算?？刂坪诵氖钱?dāng)系統(tǒng)輸入一個(gè)偏轉(zhuǎn)角度后,根據(jù)曲線式(2)直接算出每次電機(jī)所要驅(qū)動的位移量,再計(jì)算出每個(gè)電機(jī)的頻率,從而達(dá)到4個(gè)控制電機(jī)的同步開始和結(jié)束。具體的程序框圖步驟如下:(1)每次開機(jī)自動回零。(2)每次偏角所對應(yīng)位移量的計(jì)算。(3)位置量控制。(4)開環(huán)控制,需反饋。(5)速度、頻率計(jì)算。(6)移動過程中的報(bào)錯(cuò)處理及緊急斷電。

圖5　LabVIEW程序框圖

4實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果分析

在三維皮托管的測速方案中,夾持皮托管端在伺服電機(jī)的驅(qū)動下,按預(yù)定的軌跡曲線運(yùn)動是測速系統(tǒng)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)調(diào)試中,可編程邏輯控制器所控制的脈沖當(dāng)量為10 000,X、Y運(yùn)動軸方向的絲桿螺距為5 mm,即一個(gè)脈沖量控制0.5 μm的位移量。圖6為伺服電機(jī)驅(qū)動下的皮托管端的實(shí)際運(yùn)動軌跡曲線和理論運(yùn)動軌跡曲線。測試結(jié)果表明,基于伺服電機(jī)的位置控制精度高、穩(wěn)定性好、動態(tài)實(shí)時(shí)響應(yīng)快,從而較為準(zhǔn)確地測量煙道尾氣速度。

圖6　理論運(yùn)動軌跡和實(shí)際運(yùn)動軌跡比較

5結(jié)束語

基于伺服電機(jī)控制的三維皮托管煙道尾氣測速系統(tǒng),較好地利用了伺服電機(jī)在位置控制精確度高、易于PLC控制等特點(diǎn),再加上可視化的人機(jī)界面LabVIEW[9-11],使得工業(yè)上煙道尾氣流量的精度得以提高,并能實(shí)時(shí)在線測量與監(jiān)控,具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。該測速系統(tǒng)的機(jī)械實(shí)物,如圖7所示。

圖7　測速系統(tǒng)的機(jī)械實(shí)物

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