动态校准用离心机几个关键部分的设计

　　测量与检修动态校准用离心机几个关键部分的设计董雪明龙祖洪黄晓铮刘克先（中国航空长城计量测试技术研究所，北京市1066信箱力学处，100095）组成部分的实现原理解决途径。着重论述了动态校准实现过程中动态信号的采集与处理方法所谓“动态校准”，就是计算机通过驱动器控制电机，使其以大工作力矩使离心机在规定时间内把转速升高到要求转速，然后以大反向工作力矩，使离心机在规定时间内从某一转速降到停止，以产生一个标准“动态信号”，对加速度计进行输人同时要采集并存储标准加速度计及被测加速度计的输出信号，后进行相应的数据处理要实现这一动态校准功能，必须解决以下问题：①如何在规定的时间内，把离心机的转速升降到给定值；②高速升降过程中多长时间采集一个数据一一数据采集速率；③每一个时间段内采集多少个数据一一数据采集量；④不同的加速度段内由于采集数据所用时间不同，如何保证总的时间和各个分段时间。

　　为能在离心机上测试校准加速度计动态性能，必须就离心机的关键组成部分进行特殊设计下面着重分析几个重要部分：1轴系设计电机PS180行星齿轮减速器、刚性直联联轴器普通平键传动利用36212D级单列向心球轴承背对背支撑，与转盘键联接。

　　转速范围：47.3~670r/m转速变化过程：75s内转速由47. 1s内转速由283.6r/m上升到472 75s内转速由472.根据轴系结构和其运动规律可知：由于急停时转动惯量的作用要在0.75s内停止转动必须有较大的制动矩，故大负载发生在下降时联轴器和减速器的结合部因此，在联轴器和减速器的选择上要保证能承受急停时转动惯量影响，同时应尽可能减小轴系的转动惯量，从而确航空计测技术测量与检修保轴系的安全可靠运转。

　　2控制系统设计2.1控制系统的要求根据预先设置的转速（或加速度），控制轴系、转盘在47~700r/m的范围内转动，转速相对不确定度为0. 1，重复性不低于0.05.根据预先设置的转速（或加速度）变化曲线，控制轴系转盘升速、降速和稳速过程。控制系统要重点解决升速降速、控制方法转速显示方式和计算机通讯等技术关镰2.2有关参数的计算取转盘的工作半径为0.2m，即R=0.2maf=加速度为18g时：离心机工作半径为0. 71rad/s取加速时间为0.取加速时间为0.5s，则X59.取加速时间为0.75s，则X39.上述计算仅考虑加速力矩，假设同时考虑摩擦力矩及风阻力矩，原直流电动机的功率为0.6W时，则有：加速时间为0.5s，则X59. 2. 3控制系统的组成控制系统由驱动电机减速器、电机驱动器、变压器电源电路、安全保护电路等组成根据计算结果可知，要保证离心机的加速度在0.75s内从0g升到18g，必须使作用在离心机轴上的力矩大于60N.m，电机的功率大于1800W数字式交流伺服电机和MHD503A1V智能驱动器以及BaysideControls，Inc.公司的PS180-003-LB减速器组合后，作用于离心机上的参数为额定输出4.6（kW），额定转矩65.69（N°m），大转矩197.06（N.m），额定转速666（r/m），大转速1000（r/m）可以满足技术指标的要求3数控、数采原理3. 1轴系的动态响应时间3.1.1加速度的动态变化曲线1）上升段①转速为47.3~283.6r/m以额定力矩升速时：②转速为283.6~472.6r/m以额定力矩升速时：28测量与检修2）下降段3.1.2转速变化曲线1）上升段度是由工作半径R与转速n决定的所以为了控制离心机达到某一加速度值，可以通过控制转速来实现这里，转盘的驱动是由交流伺服电机通过轴系驱动的，而该电机的控制关系式：根据k若以额定力矩升速：54.92t+5若以大力矩升速：166.62t+5若以额定力矩升速：54.92t+29. 7若以大力矩升速：166.621+29.72）下降段3.1.3在力矩作用下可达到的小上升时间以得出则有其中：n为转速；K为一常数；/n为输入频率由上式可知，电机的转速完全由对电机驱动器输入的频率决定，因此，只要设计产生一控制频率信号，就可实现对电机转速的控制，从而可以实现在量程范围内的加速度给定。

　　由于整个系统不仅有产生频率进行转速控制，而且还有加速度计输出频率信号的采集为达到这些设计目的，并尽可能实现佳设计，我们选用LH-SCI01I/O多功能板这块板卡通过ISA总线与计算机相连，带有2个8254和3个8255，8种地址范围的跳线选择接口芯片当8254处于工作模式3时，使其gate信号置高，一旦给它的计数器置一计数值，它将输出方波脉冲信号。根据此原理即可产生控制转速的频率信号。产生频率与计数值之间的关系式为：以大力矩升速时，同理可得k=164.从上面的分析我们可以清楚地看到，理论上升降速的时间是远远小于系统要求，考虑到其他因素的影响，轴系的动态响应时间也是可以满足系统要求的。

　　3.2电机转速控制根据加速度（a）与角速度（k）的关系a=Rk2，而角速度（k）与转速（n）之间的关系为k=2cn /60，所以有a= 4c2n2R/3600该式表明加速其中：Nc是要输入计数器的计数值限于篇幅，这里不详细介绍频率信号的产生过程3.3加速度计输出信号的采集方法由于本系统中被测加速度计的输出为频率信号，所以要设计电路用以采集频率信号对于频率信号的测试或采集，一般有两种方法：频率法与周期法为达到动态采集频率的目的，我们设计采用先测脉冲频率的周期，再计算频率的方法，即采用周期法因为在离心机上处于动态校准8254不计数时各输出端的时序图当控制程序通过I/O板给DO?个高电平时，加速度计的输出频率信号（F）出现个上升沿，触发器1的Q翻转为高，而触发器2的Q此时也为高，二者相与后仍为高；当遇到F的第二个上升沿时，触发器1的Q翻转为低，由于触发器2的D为高，故触发器2的Q在翻转之前一直为高由于触发器1的Q翻转为高，此时触发器2的Q翻转为低，与触发器1的Q同步，二者相与后为低，把此信号接入8254的gate端，使8254计数器处于模式0，并置给计数器置FFFFH值，使8254在SIGN信号的一个高电平内从高值减计数，此高电平内的计数值即为F的周期，再反算频率即可。因为触发器2的可将其作为判断信号D1读出。一旦D1为低，即可从计数器中读出计数值此过程的时序图见8254计数时各输出端的时序图以上过程是读一个周期值，并计算此频率当要读多个数值时，循环以上过程即可。频率的计算过程由控制软件实现4动态校准时数据采集和处理4.1动态校准时数据采集由于整个实验过程只有短暂的几秒时间，为了能够准确模拟加速度计的适时变化情况，必须尽量减少系统处理其他问题的时间，合理控制系统转速升降的速度，分段给出采样时间和采样个数另外要根据不同转速段不同时间段采集一个数据需要的时间不同，在不影响总时间的情况下应尽可能多采集实验数据为了更加直观地比较和再现被测加速度计30测量与检修准加速度计，并且同时获得标准加速度计与被测加速度计的输出信号。本系统中被测加速度计的输出为三个频率信号。

　　8254计数器可以实现被测加速度计输出信号的采集控制软件的实现流程图见4.2动态校准时采集数据的处理4.2.1实验数据的预处理在实验过程中，为了不影响系统总时间，更为了尽可能多的采集加速度计输出信号，必须把实验数据首先存放到缓冲区内，待实验结束后再进行相应的处理并存储。在这个过程中，一定要保证把采集到的数据全部保存下来，也即缓冲区的选取要合适另外，在不影响总时间和采集速度的情况下，有必要对实验数据进行一定的预处理，从而可以确保实验数据的进一步被测加速度计都有其输出范围，当采集的实验数据超出该范围时应该直接剔除。

　　4.2.2原始数据的处理由于种种因素的影响，预处理过的原始实验数据仍不能客观反映真实的物理过程。因为数据采集系统得到的原始数据，在信号转换、传输、放大和A/D转换过程中，由于受到各种干扰、零点漂移等影响会偏离其真实值。所以，在进行数据处理确定其所反映的物理过程之前，要对原始数据进行一次预处理，以使待处理的真实性。这里主要采取的办法是幅因为每个丨PublishgHuse.AUrightsreser（下转第p39页）cnki航空计测技术误差分析5扩展不确定度取置信概率p=0. 99，查t分布表，得（上接第30页）数据尽可能好地接近客观的物理过程，从而使处理结果更加精密。这里主要采用以下几种方法：剔除奇异项；去除或提取测量数据的趋势项；数据压缩等4.2.3实验数据的输出图中纵坐标为加速度值，横坐标为时间；曲线a为标准加速度计的输出；曲线△/为被测加速度计的输出；曲线/i为被测加速度计的输出；曲线户为被测加速度计的输出为了使曲线更加直观，把标准加速度计输出曲线a整体上移5g通过比较我们知道，利用本实验装置得出的加速度计输出曲线与装载加速度计武器的实际飞行过程得到曲线基本吻合，达到了指标要求在对实验数据的处理过程中，通过软件计算、处理，不仅可以模拟出装载加速度计的武器的飞行曲线，而且可以给出该武器的飞行距离估计值极大地方便了用户使用。

　　5小结通过以上对动态校准用离心机的几个关键部分设计的分析，可以清楚看到，为了能够在离心机上动态校准加速度计，必须考虑加速度计的动态响应问题；重点解决轴系在大转动惯量作用下的承载能力；动态校准时数据采集与处理等问题另外还要考虑干扰带来的影响干扰对系统的稳定性、数据的准确性都有很大的影响，必须引起足够的重视。

　　本文讲述的加速度计动态校准用离心机，只是针对特定要求的小型离心机，而且其精度要求不是很高。如果精度要求比较高，则要考虑许多其他因素，其组成也复杂得多，实现的精度很高目前我们正在进行相关方面技术研究，相信几年内会研制成可实现更高精度的加速度计动态校准用离心机装置。