劉愷，周恩民，2，張文，程松

（1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所，四川 綿陽(yáng) 621000；2.南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016）

連續(xù)式高速風(fēng)洞壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置研制與應(yīng)用

劉愷1，周恩民1，2，張文1，程松1

（1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所，四川 綿陽(yáng) 621000；2.南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016）

為了準(zhǔn)確測(cè)試出0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速控制精度，研制了一套基于編碼器正交輸出4倍頻原理和M/Τ測(cè)速法的高精度轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，進(jìn)行了校準(zhǔn)和標(biāo)定，并實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用，為后續(xù)連續(xù)式風(fēng)洞壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度的評(píng)定積累了經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：裝置安全實(shí)現(xiàn)了高壓變頻調(diào)速閉環(huán)用編碼器信號(hào)的復(fù)制和隔離，運(yùn)行穩(wěn)定；測(cè)量周期20～30 ms可調(diào)；測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、導(dǎo)出方便；測(cè)量精度為0.003 4%，滿足轉(zhuǎn)速控制精度0.03%的檢定需求。

連續(xù)式風(fēng)洞；壓縮機(jī)；轉(zhuǎn)速測(cè)量；轉(zhuǎn)速控制精度

0.6 m×0.6 m連續(xù)式跨聲速風(fēng)洞（簡(jiǎn)稱0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞）是中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心新建的一座連續(xù)式高速風(fēng)洞。該風(fēng)洞采用一套AV90-3軸流壓縮機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)氣流在風(fēng)洞回路內(nèi)連續(xù)、循環(huán)流動(dòng)。在該風(fēng)洞中，風(fēng)洞試驗(yàn)段氣流馬赫數(shù)是通過壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和二喉道型面等參數(shù)的精確控制實(shí)現(xiàn)的，其中壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定、精確控制是流場(chǎng)穩(wěn)定和馬赫數(shù)精確控制的基礎(chǔ)。因此，風(fēng)洞總體設(shè)計(jì)對(duì)壓縮機(jī)配套的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)提出了轉(zhuǎn)速控制精度優(yōu)于0.03%［1-2］的較高要求。

未來，為應(yīng)對(duì)我國(guó)先進(jìn)飛行器的研制急需，還將陸續(xù)建設(shè)多座大型連續(xù)式高速風(fēng)洞，以解決飛行器風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)M能力和精細(xì)化模擬問題［3］。在這些連續(xù)式高速風(fēng)洞的建設(shè)、調(diào)試過程中都要面臨壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度指標(biāo)考核、轉(zhuǎn)速與馬赫數(shù)影響關(guān)系定量研究等問題，而這些問題的解決都要建立在準(zhǔn)確檢測(cè)出壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速及其控制精度的基礎(chǔ)上。

在工業(yè)領(lǐng)域，高壓變頻器主要應(yīng)用于冶金、化工等領(lǐng)域，對(duì)節(jié)能效果更加關(guān)注，而對(duì)轉(zhuǎn)速控制精度通常沒有較高要求［4-6］，可供借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少。在風(fēng)洞領(lǐng)域，國(guó)外連續(xù)式高速風(fēng)洞起步早，數(shù)量多，高壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用成熟，但除轉(zhuǎn)速控制精度指標(biāo)外能夠查到的參考資料很少；國(guó)內(nèi)連續(xù)式高速風(fēng)洞起步晚，已建成投運(yùn)的僅有2座，研制經(jīng)驗(yàn)少，尤其在大功率高精度變頻調(diào)速系統(tǒng)自主研制、轉(zhuǎn)速控制精度測(cè)量方面存在一定差距［2，7］。實(shí)際應(yīng)用中，無論工業(yè)上常規(guī)的用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的測(cè)速裝置，還是外置測(cè)速表（儀），均存在無法兼顧測(cè)量精度、測(cè)量周期及數(shù)據(jù)導(dǎo)出要求等問題［8-9］。特別對(duì)于帶轉(zhuǎn)速閉環(huán)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，由于傳動(dòng)軸系已無空間安裝其它的測(cè)速裝置，只能利用原有編碼器分接測(cè)量轉(zhuǎn)速，但這種不加隔離裝置直接外接測(cè)量的方式，極易引入干擾，導(dǎo)致變頻器及高壓設(shè)備損毀。此外，原有編碼器碼盤分辨率低，還會(huì)導(dǎo)致直接測(cè)量精度不足。

本文針對(duì)連續(xù)式高速風(fēng)洞的檢定需求，研制了一套基于光電編碼器的高精度轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置［10］，并通過設(shè)計(jì)的基于FPGA的PWM波發(fā)生裝置，對(duì)測(cè)速裝置進(jìn)行了校準(zhǔn)和誤差標(biāo)定，并在0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度檢定中成功應(yīng)用。

1 壓縮機(jī)系統(tǒng)

0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞呈水平回字形布置，壓縮機(jī)位于第1和第2拐角段之間，由2臺(tái)6 kV異步電機(jī)（功率2 500 kW×2）雙端同步拖動(dòng)，如圖1所示。電機(jī)又分別由2臺(tái)完全獨(dú)立的高壓變頻器驅(qū)動(dòng)，采用主/從控制和矢量控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)和功率平衡。為滿足風(fēng)洞試驗(yàn)中氣流馬赫數(shù)調(diào)節(jié)范圍和馬赫數(shù)控制精度需要，壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速為1 500～3 600 r/min，轉(zhuǎn)速控制精度要求優(yōu)于0.03%。

圖1 風(fēng)洞輪廓圖Fig.1 Sketch of the wind tunnel

2 測(cè)速原理

由于2臺(tái)電機(jī)與壓縮機(jī)采用聯(lián)軸器直連，三者轉(zhuǎn)速一致。因此對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度的考核，即是對(duì)其中一臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度的考核。

針對(duì)軸系上無空間安裝其它測(cè)速裝置的客觀情況，研制了一套轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，將電機(jī)非傳動(dòng)端原有的EC100P45-L5PR-4096編碼器脈沖信號(hào)（含有正交的A，B兩相脈沖，相位差90°）復(fù)制分接成2路，一路仍用于高壓變頻器的轉(zhuǎn)速控制，對(duì)另一路進(jìn)行光電隔離處理，經(jīng)脈沖采集裝置采集、倍頻后，計(jì)算得到轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，上傳至PC。裝置功能框圖如圖2所示。

圖2 測(cè)速裝置功能框圖Fig.2 Block diagram of speed measurement device

由于電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍較寬，因此基于編碼器輸出脈沖，選擇M/Τ測(cè)速法得到轉(zhuǎn)速［8-9］，原理如圖3所示。

圖3 M/T測(cè)速法原理圖Fig.3 Principle diagram of M/T

轉(zhuǎn)速由下式計(jì)算得到：

式中：fc為高頻時(shí)鐘脈沖；P為編碼器每圈脈沖數(shù)，4 096；m1，m2分別為編碼器脈沖數(shù)和時(shí)鐘脈沖數(shù)，m2代表了m1個(gè)脈沖周期的時(shí)間。

測(cè)量誤差主要來源于采樣周期Td。假設(shè)可通過校準(zhǔn)定時(shí)器，減小誤差至Td內(nèi)m1只有±1個(gè)脈沖，對(duì)于設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速處于高速區(qū)的情況，則可達(dá)到和M法一樣的性能。理論相對(duì)誤差可由下式計(jì)算得到：

由于編碼器分辨率限制（1/P），利用單相脈沖測(cè)量的精度無法滿足檢定要求。為提高測(cè)速精度，對(duì)編碼器輸出的正交A，B脈沖的每個(gè)上升和下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，則單位時(shí)間Td內(nèi)檢測(cè)到的脈沖數(shù)為m1的4倍，相對(duì)誤差為原來的1/4。理論相對(duì)誤差可由下式計(jì)算得到，等效的4倍頻原理如圖4所示。

圖4 4倍頻原理示意圖Fig.4 Principle diagram of quadruple frequency

此外，由于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)與資料并未明確連續(xù)式高速風(fēng)洞壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的采樣周期［2-7］，為了避免遺漏轉(zhuǎn)速脈動(dòng)對(duì)馬赫數(shù)控制以及流場(chǎng)的影響，采樣周期Td應(yīng)在允許范圍內(nèi)盡量的小，取為30 ms，則轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置相對(duì)最高轉(zhuǎn)速Ne（3 600 r/min）的理論測(cè)量精度由式（3）計(jì)算得到，為0.003 4%，滿足測(cè)量要求。

3 系統(tǒng)研制

3.1 硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 總體方案

轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置主要由信號(hào)分接器、信號(hào)隔離器、脈沖采集器3部分組成。信號(hào)分接器具有2個(gè)輸出端，每一個(gè)輸出端的信號(hào)等效于輸入端的轉(zhuǎn)速編碼器輸入信號(hào)，其中一個(gè)輸出端連接到脈沖采集器，脈沖采集器的輸出端連接裝置的一個(gè)USB輸出接口；信號(hào)分接器上的另一個(gè)輸出端連接到系統(tǒng)的另一個(gè)輸出接口，用于變頻器轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。測(cè)速裝置硬件連接如圖5所示。

圖5 測(cè)速裝置硬件連接圖Fig.5 Hardware connection diagram of speed measurement device

3.1.2 脈沖采集裝置

脈沖采集裝置是測(cè)速裝置的核心部件，采用 32位ARM微控制器Cortex-M3內(nèi)核的SΤM32F103平臺(tái)對(duì)輸入的編碼器脈沖信號(hào)進(jìn)行倍頻采樣。為增強(qiáng)抗干擾能力，全部器件封裝于鋁合金制外殼內(nèi)。脈沖采集裝置硬件總體框圖如圖6所示。

圖6 脈沖采集裝置功能框圖Fig.6 Block diagram of pulse acquisition device

電源模塊為內(nèi)部器件提供3.3 V的工作電壓，進(jìn)行了電源轉(zhuǎn)換、電源濾波設(shè)計(jì)，采用LM2576，LM1117兩款電壓轉(zhuǎn)換芯。裝置接口驅(qū)動(dòng)電路用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)通信，采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)控制芯片max232，雙向通訊。

硬件外部通信采用DB9串口，脈沖采集采用4線航空插座接口，電源采用方形USB接口（2個(gè)），其中一個(gè)在系統(tǒng)存儲(chǔ)區(qū)啟動(dòng)模式下，PC可通過該口對(duì)板上的CPU進(jìn)行ISP下載。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括測(cè)速裝置主程序和上位機(jī)軟件。其中，測(cè)速裝置主程序主要是對(duì)脈沖采集裝置進(jìn)行初始化、預(yù)制接口模式、調(diào)用數(shù)據(jù)處理和通訊子程序等，即按照設(shè)定的采樣周期、定時(shí)器時(shí)鐘、測(cè)量時(shí)間等參數(shù)對(duì)輸入的脈沖信號(hào)進(jìn)行雙通道的上升和下降沿檢測(cè)、計(jì)數(shù)和通訊。核心程序流程如圖7所示。

圖7 核心程序流程Fig.7 Main program flow chart

上位機(jī)軟件采用Microsoft Visual Studio 2010開發(fā)平臺(tái)，在window 7環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)。采用標(biāo)準(zhǔn)C語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)與脈沖采集裝置的通訊、數(shù)據(jù)顯示/存儲(chǔ)、采集/校準(zhǔn)參數(shù)設(shè)置等功能。此外，還具有采樣周期20～30 ms可調(diào)，2 min測(cè)量時(shí)間采集完畢后自動(dòng)生成txt文檔的功能。

3.3 校準(zhǔn)與標(biāo)定

單片機(jī)串行執(zhí)行程序，在中斷跳轉(zhuǎn)過程中會(huì)消耗時(shí)間，導(dǎo)致時(shí)間定時(shí)器中斷觸發(fā)到程序執(zhí)行讀取脈沖個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器值的時(shí)間會(huì)大于設(shè)定時(shí)間，所以首先需要對(duì)測(cè)速裝置進(jìn)行校準(zhǔn)。

用FPGA產(chǎn)生2路正交PWM波來模擬編碼器輸出信號(hào)，作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。比較標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的理論脈沖數(shù)和實(shí)測(cè)脈沖數(shù)，調(diào)整定時(shí)器溢出上限直至達(dá)到±1個(gè)脈沖的誤差，完成校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)完成后，利用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源產(chǎn)生102.0～250.0 kHz脈沖信號(hào)（工作轉(zhuǎn)速范圍實(shí)際對(duì)應(yīng)102.1～245.760 kHz），經(jīng)多次驗(yàn)證測(cè)試，測(cè)速裝置的實(shí)際測(cè)量誤差為0.003 4%（即±1個(gè)脈沖），與理論測(cè)量誤差一致，滿足要求。采樣周期30 ms的標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)速裝置標(biāo)定結(jié)果Tab.1 Calibration results of speed measurement device

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用與分析

利用研制的轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置對(duì)壓縮機(jī)（即電機(jī)）的轉(zhuǎn)速控制精度進(jìn)行了考核。測(cè)量系統(tǒng)連接如圖5所示，光電隔離板輸入端、輸出端分別共地，即兩側(cè)地隔離。

對(duì)于某一給定轉(zhuǎn)速N，待電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，每次連續(xù)采集2 min。設(shè)給定轉(zhuǎn)速N下測(cè)得的最高轉(zhuǎn)速為Nmax,最低轉(zhuǎn)速為Nmin,Ne為額定轉(zhuǎn)速，根據(jù)下式計(jì)算得到當(dāng)前轉(zhuǎn)速N時(shí)的轉(zhuǎn)速控制精度：

4.1 測(cè)量結(jié)果

在設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，按標(biāo)準(zhǔn)任選5個(gè)給定轉(zhuǎn)速（必須包含最高、最低工作轉(zhuǎn)速）進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量數(shù)據(jù)見表2。結(jié)果表明，壓縮機(jī)在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速控制精度優(yōu)于0.03%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表2 轉(zhuǎn)速控制精度測(cè)量結(jié)果Tab.2 Measurement results of control precision

同時(shí)對(duì)每一轉(zhuǎn)速測(cè)量5次，對(duì)調(diào)速性能的重復(fù)性進(jìn)行考核。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速控制精度標(biāo)準(zhǔn)差分布良好。3 000 r/min的轉(zhuǎn)速曲線和標(biāo)準(zhǔn)差如圖8所示。

圖8 3 000 r/min轉(zhuǎn)速曲線和標(biāo)準(zhǔn)差Fig.8 Speed curve and standard deviation of 3 000 r/min

4.2 測(cè)量效果分析

實(shí)驗(yàn)過程中，測(cè)速裝置工作位置位于高壓電機(jī)和高壓變頻器附近。在高壓變頻器采集轉(zhuǎn)速受到對(duì)講機(jī)信號(hào)干擾的情況下，采用FLUKE 190-102示波器對(duì)分接器輸出信號(hào)、光電隔離器輸出信號(hào)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，結(jié)果每一個(gè)轉(zhuǎn)速階梯脈沖波形完好、相位差穩(wěn)定，與變頻器輸出電參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)比對(duì)，二者測(cè)量數(shù)據(jù)變化規(guī)律一致。說明測(cè)速裝置穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾性比較好。

5 結(jié)論

研制了一種基于光電編碼器的高精度轉(zhuǎn)速測(cè)量裝置，通過采用FPGA產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源脈沖的方法進(jìn)行了校準(zhǔn)和誤差標(biāo)定，并成功應(yīng)用于0.6 m連續(xù)式風(fēng)洞壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量和轉(zhuǎn)速控制精度考核。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）采用M/Τ測(cè)速法，能夠滿足1500～3600r/min設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速的控制精度測(cè)量要求，同時(shí)具備低轉(zhuǎn)速范圍測(cè)速的擴(kuò)展功能；

2）采用4倍頻的方式，提高了轉(zhuǎn)速測(cè)量精度，測(cè)速裝置的測(cè)量精度為0.003 4%，滿足0.03%的檢定需求；

3）利用FPGA作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源對(duì)測(cè)速裝置進(jìn)行的校準(zhǔn)和標(biāo)定是有效的，標(biāo)定誤差為0.003 4%（即±1個(gè)脈沖）；

4）測(cè)速裝置運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、指標(biāo)可靠，可用于連續(xù)式高速風(fēng)洞壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度的定期檢定；

5）測(cè)速裝置的校準(zhǔn)參數(shù)、測(cè)量周期設(shè)置方便，測(cè)量數(shù)據(jù)能夠在線顯示、自動(dòng)存儲(chǔ)和方便導(dǎo)出。

本文在測(cè)速裝置研制與應(yīng)用方面進(jìn)行的實(shí)踐性探索，為后續(xù)連續(xù)式高速風(fēng)洞壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速控制精度的評(píng)定和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的完善積累了有益經(jīng)驗(yàn)。

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修改稿日期：2016-05-15

3 結(jié)論

西門子產(chǎn)品通信的方式主要包括Ethernet，MPI以及Profibus等。但是在實(shí)際應(yīng)用中，往往需要不同廠家之間的控制器或者智能儀表進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換。本文考慮到用硬件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)MODBUS RΤU通訊的高成本以及靈活性和通用性較低的弊端，以此提出了MODBUS RΤU免驅(qū)動(dòng)通訊的設(shè)計(jì)方案，該方案能夠用軟件編程的方式代替硬件驅(qū)動(dòng)，雖然程序編寫過程較為復(fù)雜，但是卻大大節(jié)省了額外的開銷，而且軟件運(yùn)行的可靠性要高于硬件。

該系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行6個(gè)月，通訊以及傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。由此可見，基于西門子CP341模塊的MODBUS RΤU免授權(quán)通訊的實(shí)現(xiàn)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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［3］邊凌燕.基于CP341模塊的MODBUS協(xié)議免驅(qū)動(dòng)應(yīng)用［J］.電氣傳動(dòng)，2009，39（4）：72-75.

［4］王延年.基于CP341模塊的MODBUS RTU從站協(xié)議免驅(qū)動(dòng)通信［J］.西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，24（6）：786-790.

［5］許焰.免加密狗西門子CP341模塊的MODBUS RTU通信實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2012，28（10）：141-143.

收稿日期：2016-03-31

修改稿日期：2016-05-20

Development and Application of Compressor Speed Measurement Device in Continuous High Speed Wind Tunnel

LIU Kai1，ZHOU Enmin1，2，ZHANG Wen1，CHENG Song1
（1.High Speed Institute of China Aerodynamics Research&Development Center，Mianyang 621000，Sichuan，China；2.College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，Jiangsu，China）

Base on the quadruple frequency principle of quadrature encoder pulse signal and M/T velocimetry，the speed measurement device of high-precision was developed，adjusted and calibrated for measuring the control precision of compressor speed in the 0.6 m continuous transonic wind tunnel successfully.It could provide reference for compressor speed control precision measurement of continuous wind tunnel in the future.Experimental results show that the device can realize the replication and isolation of encoder signal which is used for speed closed loop control in high voltage frequency converter；the measurement period can be adjusted from 20 ms to 30 ms；the measurement data can be recorded automatically and exported easily；the measurement accuracy is 0.003 4%，which meets the test requirement of speed control precision of 0.03%.

continuous wind tunnel；compressor；speed measurement；speed control precision

V211.74

A

10.19457/j.1001-2095.20170213

2015-12-07

劉愷（1984-）男，本科，工程師，Email：wlxjliukai@163.com