陸 犇

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)文明程度的提高、環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，讓人類更加注重自身的健康和生存環(huán)境的清潔，用水溶性漆替代有機(jī)溶劑漆作為定子沖片絕緣涂層，已成為了各大發(fā)電機(jī)制造企業(yè)的共識(shí)[1]。公司從環(huán)保角度出發(fā)，采用水溶性環(huán)保C-6涂層，并引進(jìn)了一臺(tái)德國(guó)惠門全自動(dòng)水溶漆涂漆流水線，如圖1所示，該涂漆機(jī)用在百萬(wàn)級(jí)汽輪發(fā)電機(jī)定子鐵心沖片的表面上涂絕緣漆，其步序?yàn)樯狭?、去毛刺、涂漆、烘干、冷卻和下料[2]。

圖1 德國(guó)惠門全自動(dòng)水溶漆涂漆流水線

在調(diào)試工藝參數(shù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，涂漆后沖片上有不規(guī)則的穿透點(diǎn)和拖曳痕跡，如圖2所示，影響沖片漆面的絕緣性能和表觀質(zhì)量。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)勘察，主要原因是各步序間傳輸沖片的速度不一致，在油漆完全固化前產(chǎn)生了滑動(dòng)，導(dǎo)致沖片上有不規(guī)則的穿透點(diǎn)和拖曳痕跡。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，微小的速度差就會(huì)在沖片上產(chǎn)生較大的痕跡，僅憑經(jīng)驗(yàn)控制起來(lái)十分困難，需要精密的儀器提供數(shù)據(jù)來(lái)支持參數(shù)調(diào)節(jié)。

圖2 涂漆后穿透點(diǎn)和拖曳痕跡

公司現(xiàn)有的丹麥B&K測(cè)速儀在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)遇到布置困難和精度不足的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，目前主流的測(cè)速儀器有離心式轉(zhuǎn)速表、定時(shí)式轉(zhuǎn)速表、磁感應(yīng)式轉(zhuǎn)速表、電動(dòng)式轉(zhuǎn)速表、頻閃式轉(zhuǎn)速表和電子計(jì)數(shù)式轉(zhuǎn)速表等，使用硬件計(jì)數(shù)法、軟件計(jì)數(shù)法和頻譜分析法等方法進(jìn)行線速度測(cè)量[3]。但是無(wú)論哪種測(cè)量工具和方法，要滿足精度等級(jí)達(dá)到微秒控制要求的測(cè)速儀價(jià)格都十分昂貴，公司亟待更為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法，為此本文中采用了一種全新的測(cè)量方法，利用步進(jìn)電機(jī)反向發(fā)電時(shí)產(chǎn)生的頻譜反饋，接入到示波器中測(cè)量其頻率，作為調(diào)節(jié)線速度的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)方案的多次優(yōu)化，最終以較小的成本，測(cè)量出了高精度的線速數(shù)值，為公司涂漆機(jī)的順利調(diào)試提供了支持，同時(shí)節(jié)省了費(fèi)用支出。

1 步進(jìn)電機(jī)工作原理

步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移的常見(jiàn)的執(zhí)行部件。給步進(jìn)電機(jī)輸入脈沖電流，輸出相應(yīng)的增量位移或步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。在正常運(yùn)動(dòng)情況下(無(wú)堵轉(zhuǎn)或者卡死)，它每轉(zhuǎn)一周具有固定的步數(shù)，比如40步或者48步的電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)一周就是40或48個(gè)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在做連續(xù)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。如圖3所示，永磁的轉(zhuǎn)子在定子磁場(chǎng)的激勵(lì)下作角位移運(yùn)動(dòng)，線圈從L1-L4逐漸通電，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子則跟隨磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)而步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

圖3 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

2 步進(jìn)電機(jī)頻譜反饋測(cè)速原理

根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作原理可知，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響。雖然一般情況下，步進(jìn)電機(jī)由于結(jié)構(gòu)特性，不能被拖動(dòng)發(fā)電輸出電流，但是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的這一頻率對(duì)應(yīng)特性，從逆向思維角度，開始研究永磁式步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子被機(jī)械旋轉(zhuǎn)后，產(chǎn)生的電壓頻率反饋特性。

首先對(duì)復(fù)雜的電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子可簡(jiǎn)化為一塊永磁鐵，在電機(jī)內(nèi)部空間產(chǎn)生磁力線，磁場(chǎng)跟隨機(jī)械旋轉(zhuǎn)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，切割定子上的線圈，在其線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，即電壓信號(hào)，其原理如圖4所示。

圖4 步進(jìn)電機(jī)頻率反饋原理圖

當(dāng)轉(zhuǎn)子不斷旋轉(zhuǎn)時(shí)，定轉(zhuǎn)子磁極之間不斷的接近和遠(yuǎn)離，產(chǎn)生了交變磁場(chǎng)，使得電壓信號(hào)呈現(xiàn)正弦波的特性。但是與傳統(tǒng)的讀取電壓幅值不同，試驗(yàn)中對(duì)比發(fā)現(xiàn)，讀取頻率的精度更高，當(dāng)外部機(jī)械旋轉(zhuǎn)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，可從時(shí)域波形中讀取信號(hào)的周期時(shí)間T，如圖5所示。

圖5 電壓時(shí)域波形周期圖

根據(jù)時(shí)域波形的周期T，可計(jì)算出信號(hào)的頻率f，且轉(zhuǎn)速n與頻率f為正線性相關(guān)，即如公式(1)所示：

n=kf

(1)

其中，對(duì)于同一套測(cè)量系統(tǒng)，k為常數(shù)，代表線性相關(guān)比率系數(shù)，主要由系統(tǒng)的傳動(dòng)比a和步進(jìn)電機(jī)的極對(duì)數(shù)p決定。

根據(jù)線速度公式，線速度v與轉(zhuǎn)速n有公式(2)所示的關(guān)系：

v=2π·r·n

(2)

其中，對(duì)于同一套測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)滾裝置半徑r為常數(shù)。

因此，公式(1)和公式(2)可聯(lián)寫成：

v=2π·r·a·p·f

(3)

由此定義了線速度和步進(jìn)電機(jī)反饋頻率之間的關(guān)系，顯然是線性正相關(guān)，因此用步進(jìn)電機(jī)反饋的電壓頻率來(lái)測(cè)定線速度具有一定的理論可行性和重復(fù)可靠性。

3 線速度測(cè)量方案設(shè)計(jì)

根據(jù)以上的理論分析，初步證明了用步進(jìn)電機(jī)反饋的電壓頻率來(lái)測(cè)定線速度具有可行性，但是對(duì)于實(shí)際的調(diào)速需求來(lái)說(shuō)，10 m/min左右的慢線速度和微秒級(jí)高精度的測(cè)量，僅憑步進(jìn)電機(jī)反饋的信號(hào)來(lái)測(cè)定，無(wú)論是40步的電機(jī)還是48步的電機(jī)，精度都還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏低，不能達(dá)到微秒級(jí)的控制要求。在直接測(cè)量失敗的情況下，我們調(diào)整了方案的設(shè)計(jì)，在步進(jìn)電機(jī)前設(shè)計(jì)加入了增速齒輪，以提高步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，根據(jù)測(cè)量精度數(shù)量級(jí)的測(cè)算，增速比暫定為10。

優(yōu)化后的測(cè)量方案如圖6所示，被測(cè)圓周運(yùn)動(dòng)物體1代表設(shè)備上的旋轉(zhuǎn)工作部件，測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)對(duì)滾裝置2與被測(cè)圓周運(yùn)動(dòng)物體1一同反向轉(zhuǎn)動(dòng)，其摩擦力足夠大，能保持兩者線速度一致，不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)摩擦的情況。對(duì)滾裝置2同軸連接增速齒輪的大齒輪，與小齒輪嚙合，提高轉(zhuǎn)速輸出到步進(jìn)電機(jī)4，根據(jù)之前的分析，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子被拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，定子線圈內(nèi)產(chǎn)生電壓信號(hào)的正弦波時(shí)域波形，但是并不讀取電壓幅值，傳統(tǒng)上的電機(jī)測(cè)速，一般是讀取電壓幅值信號(hào)，根據(jù)電壓幅值的大小來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速的大小，但是電壓信號(hào)的幅值與轉(zhuǎn)速不是線性相關(guān)的關(guān)系，電機(jī)的非線性特性十分明顯，因此導(dǎo)致測(cè)量精度偏低，而信號(hào)的頻率則與轉(zhuǎn)速嚴(yán)格的線性相關(guān)，因此使用頻率反饋來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)速更加精準(zhǔn)，為此對(duì)信號(hào)采用數(shù)字示波器讀取電壓信號(hào)的頻率，即可通過(guò)計(jì)算找到對(duì)應(yīng)的精準(zhǔn)線速度值。

1.被測(cè)圓周運(yùn)動(dòng)物體；2.對(duì)滾裝置；3.增速齒輪；4.步進(jìn)電機(jī)；5.連接軸；6.連接軸；7.不同頻率的電磁波圖6 線速度測(cè)量方案原理圖

4 測(cè)量試驗(yàn)及分析

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，制作了線速度測(cè)量裝置，由于增速比為10，對(duì)于手持式設(shè)備來(lái)說(shuō)，大齒輪的尺寸過(guò)大，因此優(yōu)化成兩級(jí)齒輪減速，將步進(jìn)電機(jī)本體固定在手柄上，方便測(cè)量使用，如圖7左側(cè)所示。步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的電壓信號(hào)通過(guò)屏蔽電纜接入到示波器KENWOOD CS-4025中，如圖7右側(cè)所示，可見(jiàn)產(chǎn)生的電壓信號(hào)時(shí)域波形為正弦波，與理論分析一致。

圖7 線速度測(cè)量裝置實(shí)物圖

為了提高現(xiàn)場(chǎng)使用的便攜性，我們對(duì)示波器進(jìn)行了優(yōu)化，自制了一臺(tái)基于ARM Cortex-M3為處理核心的袖珍式數(shù)字示波器DSO138，并使用鋰電池供電，進(jìn)一步提高便攜性。優(yōu)化后的線速度測(cè)量裝置如圖8所示，尺寸和重量上得到了明顯改善。

由于設(shè)備上唯一采用了閉環(huán)速度控制的是傳送鏈，因此以傳送鏈的速度作為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)其他部件的轉(zhuǎn)速具有可行性。使用優(yōu)化后的線速度測(cè)量裝置對(duì)設(shè)備傳送鏈速度反饋盤測(cè)速，標(biāo)定測(cè)量的初始頻率，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，當(dāng)傳送鏈調(diào)整為11 m/min的工藝窗口時(shí)，其頻率顯示為353.535 Hz，如圖9所示。

圖8 優(yōu)化后的線速度測(cè)量裝置實(shí)物圖

圖9 標(biāo)定線速度測(cè)量裝置

然后，以此頻率為基準(zhǔn)，對(duì)設(shè)備涂漆段上的7個(gè)運(yùn)動(dòng)部位，包括橡膠錕、鐵錕、齒盤和皮帶等逐個(gè)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)頻率不同的，就直接在線進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，直到每個(gè)部位都為353.535 Hz，如圖10所示，是工人正在使用測(cè)量裝置調(diào)整橡膠錕線速度。

對(duì)設(shè)備各部位調(diào)整參數(shù)后，其線速度已全部接近同步，試驗(yàn)生產(chǎn)一小批沖片后發(fā)現(xiàn)，原來(lái)沖片上不規(guī)則的穿透點(diǎn)和拖曳痕跡已幾乎全部消除，如圖11所示，可見(jiàn)本文中研發(fā)的這套線速度測(cè)量裝置對(duì)設(shè)備線速度的同步調(diào)整，有十分明顯的效果。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)使用測(cè)量裝置調(diào)整參數(shù)

圖11 改進(jìn)后沖片表觀質(zhì)量

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)際使用，本文中研發(fā)的基于步進(jìn)電機(jī)頻譜反饋的線速度測(cè)量裝置效果良好，實(shí)現(xiàn)了低成本的線速度高精度測(cè)量，解決了涂漆機(jī)因線速度不同步，產(chǎn)生不規(guī)則的穿透點(diǎn)和拖曳痕跡，并且在后續(xù)解決水溶性沖片邊緣增厚的問(wèn)題中起到了關(guān)鍵作用。

裝置的優(yōu)良效果進(jìn)一步印證了使用步進(jìn)電機(jī)電壓信號(hào)頻譜反饋測(cè)量線速度的可行性，為線速度測(cè)量以及轉(zhuǎn)速測(cè)量提供了新的手段，與傳統(tǒng)的光電、磁性或者機(jī)械式測(cè)速儀相比，使用步進(jìn)電機(jī)測(cè)量精度更高、成本更低，具有工程推廣價(jià)值。

[1] 楊洲，張曉漫.發(fā)電機(jī)定子鐵心沖片水溶性漆一次涂漆工藝的研究[J].大電機(jī)技術(shù)，2017(4)：38-41.

[2] 楊洲，石霄峰，張曉漫.核電定子鐵心沖片絕緣工藝的研究[J].大電機(jī)技術(shù)，2016(3)：24-26.

[3] 葉菁.多功能轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的研制[D].天津：天津大學(xué)，2012.