陸 犇

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和社會經(jīng)濟的發(fā)展，社會文明程度的提高、環(huán)保意識的增強，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溶劑漆作為定子沖片絕緣涂層，已成為了各大發(fā)電機制造企業(yè)的共識[1]。公司從環(huán)保角度出發(fā)，采用水溶性環(huán)保C-6涂層，并引進了一臺德國惠門全自動水溶漆涂漆流水線，如圖1所示，該涂漆機用在百萬級汽輪發(fā)電機定子鐵心沖片的表面上涂絕緣漆，其步序為上料、去毛刺、涂漆、烘干、冷卻和下料[2]。

圖1 德國惠門全自動水溶漆涂漆流水線

在調(diào)試工藝參數(shù)過程中發(fā)現(xiàn)，涂漆后沖片上有不規(guī)則的穿透點和拖曳痕跡，如圖2所示，影響沖片漆面的絕緣性能和表觀質(zhì)量。經(jīng)過現(xiàn)場仔細勘察，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，導(dǎo)致沖片上有不規(guī)則的穿透點和拖曳痕跡。試驗發(fā)現(xiàn)，微小的速度差就會在沖片上產(chǎn)生較大的痕跡，僅憑經(jīng)驗控制起來十分困難，需要精密的儀器提供數(shù)據(jù)來支持參數(shù)調(diào)節(jié)。

圖2 涂漆后穿透點和拖曳痕跡

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

1 步進電機工作原理

步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移的常見的執(zhí)行部件。給步進電機輸入脈沖電流，輸出相應(yīng)的增量位移或步進運動。在正常運動情況下(無堵轉(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，轉(zhuǎn)動一周就是40或48個步進運動。同時，在做連續(xù)步進運動時，其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負載變化的影響。如圖3所示，永磁的轉(zhuǎn)子在定子磁場的激勵下作角位移運動，線圈從L1-L4逐漸通電，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動的磁場，轉(zhuǎn)子則跟隨磁場的轉(zhuǎn)動而步進運動。

圖3 步進電機結(jié)構(gòu)示意圖

2 步進電機頻譜反饋測速原理

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

首先對復(fù)雜的電機結(jié)構(gòu)進行簡化，步進電機的轉(zhuǎn)子可簡化為一塊永磁鐵，在電機內(nèi)部空間產(chǎn)生磁力線，磁場跟隨機械旋轉(zhuǎn)一起轉(zhuǎn)動，切割定子上的線圈，在其線圈中產(chǎn)生電動勢，即電壓信號，其原理如圖4所示。

圖4 步進電機頻率反饋原理圖

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

圖5 電壓時域波形周期圖

根據(jù)時域波形的周期T，可計算出信號的頻率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，對于同一套測量系統(tǒng)，k為常數(shù)，代表線性相關(guān)比率系數(shù)，主要由系統(tǒng)的傳動比a和步進電機的極對數(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，對于同一套測量系統(tǒng)，對滾裝置半徑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電機反饋頻率之間的關(guān)系，顯然是線性正相關(guān)，因此用步進電機反饋的電壓頻率來測定線速度具有一定的理論可行性和重復(fù)可靠性。

3 線速度測量方案設(shè)計

根據(jù)以上的理論分析，初步證明了用步進電機反饋的電壓頻率來測定線速度具有可行性，但是對于實際的調(diào)速需求來說，10 m/min左右的慢線速度和微秒級高精度的測量，僅憑步進電機反饋的信號來測定，無論是40步的電機還是48步的電機，精度都還是遠遠偏低，不能達到微秒級的控制要求。在直接測量失敗的情況下，我們調(diào)整了方案的設(shè)計，在步進電機前設(shè)計加入了增速齒輪，以提高步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，根據(jù)測量精度數(shù)量級的測算，增速比暫定為10。

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

1.被測圓周運動物體；2.對滾裝置；3.增速齒輪；4.步進電機；5.連接軸；6.連接軸；7.不同頻率的電磁波圖6 線速度測量方案原理圖

4 測量試驗及分析

按照試驗設(shè)計方案，制作了線速度測量裝置，由于增速比為10，對于手持式設(shè)備來說，大齒輪的尺寸過大，因此優(yōu)化成兩級齒輪減速，將步進電機本體固定在手柄上，方便測量使用，如圖7左側(cè)所示。步進電機產(chǎn)生的電壓信號通過屏蔽電纜接入到示波器KENWOOD CS-4025中，如圖7右側(cè)所示，可見產(chǎn)生的電壓信號時域波形為正弦波，與理論分析一致。

圖7 線速度測量裝置實物圖

為了提高現(xiàn)場使用的便攜性，我們對示波器進行了優(yōu)化，自制了一臺基于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，進一步提高便攜性。優(yōu)化后的線速度測量裝置如圖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)化后的線速度測量裝置對設(shè)備傳送鏈速度反饋盤測速，標(biāo)定測量的初始頻率，經(jīng)過多次測量，當(dāng)傳送鏈調(diào)整為11 m/min的工藝窗口時，其頻率顯示為353.535 Hz，如圖9所示。

圖8 優(yōu)化后的線速度測量裝置實物圖

圖9 標(biāo)定線速度測量裝置

然后，以此頻率為基準(zhǔn)，對設(shè)備涂漆段上的7個運動部位，包括橡膠錕、鐵錕、齒盤和皮帶等逐個進行測量，發(fā)現(xiàn)頻率不同的，就直接在線進行參數(shù)調(diào)整，直到每個部位都為353.535 Hz，如圖10所示，是工人正在使用測量裝置調(diào)整橡膠錕線速度。

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

圖10 現(xiàn)場使用測量裝置調(diào)整參數(shù)

圖11 改進后沖片表觀質(zhì)量

5 結(jié)語

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

裝置的優(yōu)良效果進一步印證了使用步進電機電壓信號頻譜反饋測量線速度的可行性，為線速度測量以及轉(zhuǎn)速測量提供了新的手段，與傳統(tǒng)的光電、磁性或者機械式測速儀相比，使用步進電機測量精度更高、成本更低，具有工程推廣價值。

[1] 楊洲，張曉漫.發(fā)電機定子鐵心沖片水溶性漆一次涂漆工藝的研究[J].大電機技術(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].大電機技術(shù)，2016(3)：24-26.

[3] 葉菁.多功能轉(zhuǎn)速測量儀的研制[D].天津：天津大學(xué)，2012.