（机械电子工程专业论文）基于交流伺服的探针定位系统的研究.pdf

哈尔滨一l ：群人学硕+ 学付论文 摘要 在新锅炉投入运行前的调试阶段，以及锅炉大修后的冷态试验中，要使 用七孔探针对其内部风场进行风速、风量和风压等特性的测量，以此检测锅 炉内配风装置的配风效果。针对某研究所的实际需求，本文设计了一套在进 行风速场特性测量时能够实现七孔探针精确定位的探针定位系统。 本文在分析了风速场测量系统工作原理的基础上，确定了系统的总体结 构方案；对探针定位机构的轴向、回转和径向三个进给系统进行了详细的结 构设计，进行了关键元件的选型；最后提出了基于分级控制、交流伺服驱动 的总体控制方案。 建立了永磁同步电机的数学模型，介绍了p m s m 矢量控制原理，设计了 交流伺服系统的电流环、速度环和位置环控制器；利用m a t l a b 7 0 仿真软 件构建了交流伺服系统的仿真模型，并进行了速度闭环和位置闭环仿真分析。 设计了探针定位系统的硬件系统和软件系统。介绍了硬件系统的组成和 工作原理，分析了位置伺服系统的实现方法，设计了电磁制动器控制电路和 控制柜电源电路。根据系统控制目标，对探针定位系统主程序、初始化标定 程序、定点测量程序和自动测量程序流程进行了设计。由于回转机构在测量 过程中对风矢量结果的影响，对风矢量结果进行了分析修正。 研制了探针定位系统的样机，利用m v i e w 软件，开发了探针定位系统 的人机交互界面，对探针定位交流伺服系统进行了部分实验。实验结果表明 径向进给伺服系统工作性能稳定，控制精度高，为下一步整个系统的调试运 行打下良好的基础。 关键词：探针定位；风速场测量；交流伺服控制；样机实验 哈尔滨下稗大学硕+ 学位论文 a b s t r a c t t h ew i n dd i s t r i b u t i o ne f f e c to fw i n dd i s t r i b u t i o nd e v i c ef o rb o i l e rs h o u l db e d e t e c t e db yt e s t i n gw i n ds p e e d ，w i n df l o wa n dw i n dp r e s s u r eo fi n n e rw i n df i e l d w i t h7 - h o l ep r o b eb e f o r en e wb o i l e rw a sp u ti n t ou s eo rc o l di n s p e c t i o nf o r o v e r h a u l t h e7 - h o l ep r o b el o c a t i n gs y s t e mu s e db yt e s t i n gw i n ds p e e df i e l d c h a r a c t e r i s t i ca c c u r a t e l yw a sd e s c r i b e di nt h ep a p e ra c c o r d i n gt h ea c t u a ln e e d t h eo v e r a l ls t r u c t u r es c h e m ew e r ep r o p o s e da f t e ra n a l y z i n gt h eo p e r a t i n g p r i n c i p l eo fp r o b el o c a t i n gs y s t e mi nt h ep a p e r t h es t r u c t u r eo fa x i a lf e e d i n g s y s t e m ，r o t a r yf e e d i n gs y s t e ma n dr a d i a lf e e d i n gs y s t e mw e r ed e s i g n e do nd e t a i l s a n dt h ep i v o t a lc o m p o n e n t sw e r ec h o s e n t h eo v e r a l l c o n t r o ls c h e m eb a s e do n h i b e r a r c h yc o n t r o la n da c s e r v od r i v ew e r ep r e s e n t e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ep m s mw a se s t a b l i s h e d ，a n dv e c t o rc o n t r o l w a si n t r o d u c e di nt h ep a p e r , a n dt h ec o n t r o l l e ro fc u r r e n tl o o p 、s p e e dl o o pa n d p o s i t i o nl o o pw e r ed e s i g n e d u n d e rt h em a t l a b 7 0s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h e s i m u l a t i o nm o d e lo fp e r m a n e n tm a g n e ta cs e r v os y s t e mi se s t a b l i s h e d ，a n dt h e n t h es p e e dl o o pa n dp o s i t i o nl o o pe x p e r i m e n t sw e r ea l s oe x e c u t e da n da n a l y z e d t h eh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t s y s t e m f o rp r o b el o c a t i n gs y s t e mw a s d e s i g n e d ，a n dc o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l e f o rh a r d w a r es y s t e mw a s i n t r o d u c e dt o o t h ea c h i e v e m e n tm e t h o df o rp o s i t i o ns e r v os y s t e mw a sa n a l y z e d ， a n dt h ec o n t r o lc i r c u i t r yf o re l e c t r o m a g n e t i cb r a k ea n dp o w e rc i r c u i t r yf o rc o n s o l e w e r ed e s i g n e dt o o a c c o r d i n gt oc o n t r o la i mo fs y s t e m ，t h em a i np r o g r a mo f l o c a t i n gs y s t e m ，i n i t i a l i z a t i o n c a l i b r a t i o np r o g r a m ，l o c a t i n gm e a s u r e m e n ta n d a u t o m e a s u r e m e n tf l o ww e r ed e s i g n e d b e c a u s et h er o t a r yb o d yh a da ni m p a c to n t h ew i n dv e c t o ri nt h ep r o c e s so fm e a s u r i n g ，t h er e s u l t so ft h ew i n dv e c t o rw e r e a n a l y z e da n da m e n d e dt h r o u g ht h ec o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o n t h e p r o t o t y p e f o r p r o b el o c a t i n gs y s t e m w a s s t u d i e d ，a n d t h e 哈尔滨i - 仟f 1 大学硕十学位论文 h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i n gi n t e r f a c ei sd e v e l o p e db yl a b v i e ws o f t w a r e ，a n d l o c a t i n ge x p e r i m e n tf o ra cs e r v os y s t e mo fp r o b ew a sc a r r i e do u t t h e e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w e dt h a tt h es c r v os y s t e mh a sag o o ds t a b i l i t ya n dah i g h c o n t r o l l i n ga c c u r a c y , w h i c hp u tt h ef o u n d a t i o nf o rt h ew h o l es y s t e m sd e b u g g i n g i nt h en e x ts t e p k e yw o r d s ：p r o b el o c a t i n g ；w i n df i e l dd e t e c t i n g ；a cs e r v oc o n t r o l ；p r o t o t y p e e x p e r i m e n t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：谍i 蜀 日期：洲年3 月毕日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：粢目 导师( 签字) ：爿够彤卸 j 日期：力斫年月斗日加年弓月争日 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的目的及研究意义 1 1 1 课题的工程背景 本课题来源于中船重工某研究所科研项目基于交流伺服的探针定位 系统的研究。 在新锅炉投入运行前的调试阶段，以及锅炉大修后的冷态试验中，现场 要进行大量的风速、风量、和风压的测试工作。为了提高锅炉内煤粉的燃烧 效率和避免出现结焦现象，锅炉一般都安装有配风装置，通过风把煤粉吹进 锅炉燃烧室内，被风吹散的煤粉就可以在锅炉内得到充分燃烧。风速的大小 及其在锅炉空间内的分布特性决定了煤粉在锅炉内分布浓度是否合理，浓度 分布均匀的煤粉可以改善锅炉的燃烧工况并提高锅炉的燃烧效率。浓度分布 不均的煤粉不仅会导致锅炉内煤粉燃烧不完全，降低锅炉的燃烧效率，造成 锅炉内出现结焦和炉壁局部过热等不安全现象，还可能造成锅炉熄火甚至放 炮而诱发事故。 为了检测锅炉上的配风装置安装是否合理，配风效果是否良好，需要对 吹进锅炉内风的分布特性进行测量，目前主要通过热线风速仪、五孔探针或 七孔探针等仪器进行风速分布特性的测量卜1 。在进行锅炉配风效果测试时， 首先通过风速仪器测得锅炉内风速场分布的特性数据，然后将数据记录整理 汇总，最后对这些数据进行分析处理，就可获得配风装置的配风效果。获取 的风速场的数据相对于风速场的实际数据，其精确度对判断锅炉配风性能的 高低有重要影响，并决定着下一步是否需要采取措施和采取何种措施来改善 锅炉配风装置的配风效果。 1 1 2 课题的研究目的和意义 为了准确快捷的测量出锅炉内风速场的分布特性，需要一种探针定位机 构，它能使探针在风速场内实现高精度定位，实现对锅炉内某点风速场的测 量，通过对测得数据的处理和分析，获知锅炉配风效果的优劣。高精度的探 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 针定位系统不仅需要有一套高精度的定位传动机构，并且需要有一个高性能 的伺服控制系统，只有两者的紧密配合，才能使探针依照指令到达目标位置， 实现对风速场特性的精确测量。目前交流伺服技术已经发展的相当成熟，应 用日益广泛，交流伺服定位技术为探针定位系统的成功研制提供了重要保障。 针对中船重工某研究所锅炉内风速场测量的实际需求，本文设计了一套基于 交流伺服的探针定位系统，通过高精度的传动机构和高性能的伺服控制，实 现探针精确的定位，以完成对锅炉内风速场分布特性的测量，从而为改善锅 炉配风效果提供参考。 1 2 定位检测技术国内外发展现状 锅炉内风速场特性的测量涉及空气动力学、机械工程学和控制工程等众 多领域。要实现对锅炉内风速场特性的测量，一套测量装置是必不可少的， 多年来锅炉内风速场的探针定位问题一直没有得到有效的解决，其都是采用 机械式手动探针定位。这种定位方式的主要缺点是定位精度低，无法保证试 验结果的可靠性；耗时长，浪费了大量的人力、物力和财力，同时在检测过 程中，人不能远离锅炉，导致实验过程中产生的噪音容易对人体产生伤害。 同锅炉风速场的测量一样，对蒸汽发生器的的定位检测也是一个对精度 要求很高的工作。蒸汽发生器是核动力装置中一二回路的连接枢纽，也是最 易出故障的部件r “。由于蒸汽发生器里面存在放射性且空间狭窄，维修人员 不能进去维修，因此通常采用多功能遥控机械手来完成维修任务。机械手安 装在蒸汽发生器炉壁上，机械手末端夹持维修工具，通过远程控制机械手就 可以完成对蒸汽发生器的检修，这对提高维修质量和降低辐照剂量具有明显 效果。由于检修机械手是一个伺服定位机构，它必须根据操作人员的指令， 精确的到达某个位置，完成检测和修复任务。国外一些国家己研制出用于蒸 汽发生器检修的机械手产品，并且在实际的蒸汽发生器检修工作中投入使用。 如图1 1 所示为印度核动力公司2 0 0 3 年研制的蒸汽发生器检测机械手 i n s i s e c ，机械手一端固定在蒸汽发生器入口的法兰盘上，机械手另一端伸 进发生器内进行检修作业。机械手的控制系统安装在蒸汽发生器旁边的控制 柜内，机械手末端安装有摄像机，通过实时监控，把机械手的工作情况传给 远处的控制站。该机械手属于s c a r a 型机器人，质量较轻，其中两个自由 度由c n c 控制器实现完全数字控制，属于位置全闭环系统。 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( a ) ( b ) 图11 印度核动力公司的i n s i s - e c 蒸汽发生器检修机械手 如图1 2 所示为法国f r a m a t o m e ( 法马通) 公司研制的在蒸汽发生器中进 行检测维修的h r m i $ r o b o t 机械臂，a r m i s 机械臂可以有6 种工作模式：( 1 ) 直接可视主从模式，用鼠标控制；( 2 ) 直接可视人工模式，逐个关节控制； ( 3 ) 步进模式，利用管板的行列号；( 4 ) 半自动参照模式；( 5 ) 自动模式， 按照预定位置动作；( 6 ) 轨迹模式。 ( a ) ( b ) 图12 法马通公司研制的a r m i sr o b o t 检修机械臂 图1 3 所示为美国西屋公司研制的r o s a i i i 蒸汽发生器检修机械手，主 要功能是对蒸汽发生器一侧进行各种检查、维护和修理，是r o s a 机械手的 第三代产品，具有先进的自动操作装置和程序控制终端操纵器，具有很高的 位置定位精度。 图1 4 哈尔滨工程大学研制的蒸汽发生器检修机械手 哈尔滨工程大学设计开发出一种锅炉两自由度探针定位系统，用于检测 锅炉管道内风速场分布特性。，如图1 5 所示。首先将探针固定于机械手上， 然后机械手通过锅炉壁上的开口伸入到锅炉内部，实现对锅炉内风速场特性 的检测。通过分析可以发现，此机械手体积较小，只有伸缩和转动两个自由 度，单个机械手测量的范围有限。如果要测得整个锅炉内的风速场分布特性， 就需要在炉壁上安装很多机械手，在此种情况下，每个机械手负责一定空间 的风速场测量范围，将多个机械手的测量数据拟合成为整个空间内的风速场 哈尔滨工程大学硕士学位论文 分布特性时，每两个机械手检测范围的过渡地带可能会出现误差；同时管道 内大量的机械手，势必会改变管道内的风速场分布特性，影响实际的检测效 果。 图1 5 哈尔滨工程大学研制的两自由度探针定位系统 1 3 交流位置伺服相关技术 无论是蒸汽友生器检测维修还是锅炉风速场的测量，都对机械手的位置 精度要求较高，若机械手末端没有很高的定位精度，是不可能圆满的完成维 修及测量任务的。伺服定位技术是位置伺服系统的核心技术，在位置伺服定 位系统中，控制系统接受来自上位机的指令信号，驱动被控对象跟随指令信 号运动，被控对象的速度和位置输出量通过编码器检测反馈给控制系统，组 成速度和位置闭环系统，则被控对象的位置输出量以一定准确度跟随输入量 的变化而变化，完成伺服定位。由于伺服系统中的输入指令是一个随机变量， 要求输出量准确跟随给定量的变化，输出响应的快速性、稳定性、准确性成 了伺服系统的主要特征。 过去的位置控制通常由变频器和马达来完成，现在被控制精度高的交流 伺服控制系统取代。随着交流伺服技术的发展，交流伺服定位技术现己广泛 应用于工业生产的各个方面，比如数控机床即是以高质量的伺服定位技术为 前提，控制系统通过控制机床移动部件的位置和速度，实现对零部件的高精 度加工。另外，交流伺服定位技术在导航系统、雷达天线、加工中心、焊接 机器人，物料输送、复印机等领域也得到广泛应用。 位置伺服技术随着现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控 制技术和计算机技术等支撑技术进步而得到快速的发展，交流伺服运动控制 哈尔滨t 稃大学硕十学位论文 技术日趋成熟，应用日益广泛。以交流伺服电动机为驱动元件的交流伺服驱 动控制系统由于其种种突出优点，逐渐替代了直流伺服控制系统。特别是永 磁同步交流伺服控制系统，国内外学者从不同角度着手进行了大量的研究和 实践，并取得了丰硕的成果，已成为一门相当成熟的技术。为了满足现代工 业发展对高性能交流伺服控制系统的进一步要求，国内外的相关研究工作正 围绕以下几个方面展开一“。： ( 1 ) 矢量控制技术及现代控制理论广泛应用于交流伺服控制系统。由于 交流伺服电机具有强耦合、非线性和多变量的特点，传统的控制方法很难获 得较好的控制性能。矢量控制理论的提出，实现了对交流电机的解耦，获得 了像控制直流电机一样的控制效果。采用了基于现代控制理论的具有较强鲁 棒性的自适应控制、人工智能、模糊控制、变结构控制、神经元网络等高性 能控制策略，从而使控制系统具有很好自适应能力和抗干扰能力。 ( 2 ) 采用新型电力电子器件和脉宽调制控制技术。随着i g b t 新型大功 率电力电子器件和p w m 脉宽调制技术的出现，集驱动、保护和功率变换于 一体的智能功率模块i p m 得到了广泛的应用，使得高性能的交流伺服控制系 统有了物质保证。 ( 3 ) 计算机技术和微电子技术的应用。随着半导体技术的迅猛发展和超 大规模集成电路的出现，数字控制芯片的运算能力和可靠性大大提高，使得 在控制系统中采取复杂的控制算法成为现实。 ( 4 ) 开发新型电机和无机械传感器技术。新型永磁材料的出现，大大提 高了永磁同步电机的性能，由于其体积小，运行效率高，动态性能好，运行 可靠等优点，应用越来越广泛。为了提高控制性能，采用“卡尔曼滤波法” 估计转子转速和位置的“无机械传感器技术”，由于无机械传感技术使伺服系 统变得易于维护，低成本，强适应性，因此必将成为今后几年的研究热点。 随着伺服技术的发展，运动控制技术作为其关键组成部分也得到了前所 未有的发展，而运动控制技术的进步又为伺服定位提供了有力保障。国内外 各研究所及厂家相继开发出了运动控制新技术、新产品，主要包括【1 4 j ： ( 1 ) 全闭环交流伺服驱动技术； ( 2 ) 直线电机驱动技术； ( 3 ) 可编程计算机控制器技术； ( 4 ) 运动控制卡技术； ( 5 ) 网际开放式结构高性能d s p 多轴运动控制技术； 6 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 ( 6 ) 基于c a n 总线伺服电机运动控制技术； ( 7 ) 智能数控系统技术。 由于采用数字化控制具有抗干扰能力强、易于实现复杂的控制策略等诸 多优点，伺服系统全数字化也成为近年来国内外学者和厂商主要研究内容之 一。美国的a m c 和c m c 等公司，日本的安川和松下等公司，德国的西门子 和b e r g e r 等公司在推动交流伺服系统实现全数字化方面取得了突出的成 果，他们在控制系统中采用了1 6 位或3 2 位高速信号处理器或者运算速度更 快的r i s c 芯片，使得高性能交流伺服系统几乎全都实现了全数字化控制。 在国外公司的影响下，我国交流伺服系统开发也处于向全数字化方向发展的 征程中，并取得一些研究成果。高原数控的g y - 2 0 0 0 ，甫科的a c 3 0 0 ，华兴 数控的s p m 2 0 0 0 等采用d s p 作为控制核心，实现了交流伺服驱动控制系统 全数字化。但是国内全数字交流伺服系统的发展并不成熟。转子磁场定向控 制技术，电流环、速度环和位置环全数字控制技术，实时位置和速度计算技 术，交流伺服系统自适应控制技术，w i n d o w s 环境下参数设定、监控和显示 技术，各类诊断和保护技术等技术还有待进一步的完善。 1 4 交流伺服控制系统的发展趋势 随着生产力的不断提高，要求交流伺服运动控制系统向数字化、高精度、 高速度、高性能化和智能化方向发展，具体来说有以下几点【l 孓1 9 】： ( 1 ) 数字化：充分利用迅速发展的计算机和电子技术，采用数字式伺服 系统，利用微机实现调节控制，增强软件控制功能，排除模拟电路的非线性 误差和调整误差以及温度漂移等因素的影响，大大提高伺服系统的性能，为 实现最优控制、自适应控制创造条件。 ( 2 ) 高性能化：被控对象精确的数学模型是传统控制器的设计的基础， 而交流电机是一个非线性多变量系统，很难得到精确的数学模型。按照近似 模型得到的最优控制在实际应用中并不能实现真正的最优，受非线性及其他 一些不可预见参数变化的影响，系统的鲁棒性得不到保证。通过现代控制理 论，应用专家p i d 、自适应、滑模变结构、状态反馈等先进控制算法使系统 的性能大大提高，使得交流伺服的高性能化成为现实。 ( 3 ) 微型化：随着电力电子技术的发展，i g b t 等新型功率集成模块和 超大规模、高速和低功耗的现场可编程逻辑器件f p g a 已广泛应用于伺服驱 动控制系统，不仅大大提高了驱动系统的性能，而且减少了元器件的使用， 7 哈尔滨工程大学硕十学何论文 缩小了驱动器的体积，为实现交流伺服驱动控制系统的微型化提供了硬件支 持。另外，电机永磁材料由铁氧体向铷铁硼永磁材料发展，使电机的体积减 小，使整个交流伺服系统不断的向高密度、微型化发展。 ( 4 ) 智能化：控制理论在伺服运动控制系统中的实现和应用，寻求更优 的控制策略来提高伺服系统的性能，使得智能化控制成为国内外近几年研究 的热点。智能控制就是将人工智能与控制理论结合起来，形成智能化的控制 策略，实现对伺服系统的高性能控制。由于专家系统、模糊控制及神经网络 等理论的相继出现，使伺服系统具有逻辑判断、模糊推理，并能模仿人的思 维方式进行一定的人工智能控制，极大的提高了伺服系统的控制性能，因此 智能化必将成为以后伺服系统发展的主流方向。 通过对伺服定位相关技术的介绍和分析，从中可以看出，交流伺服技术 随着控制理论、电力电子技术、微电子技术和计算机等相关技术的进步得到 了长足的发展，为开发高性能的伺服定位技术奠定了基础，更是为本课题基 于交流伺服的探针定位系统的成功研制打下了坚实的物质基础。 1 5 本文主要研究内容 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 分析了风速场测量系统的工作原理，确定了系统的总体结构方案和 总体控制方案，并进行了关键元件的选型和校核。 ( 2 ) 建立了永磁同步电机的数学模型，介绍了p m s m 矢量控制原理， 设计了交流伺服系统的电流环、速度环和位置环控制器；利用m a t l a b 7 0 仿真软件构建了交流伺服系统的仿真模型，并进行了速度闭环和位置闭环仿 真分析。 ( 3 ) 设计了探针定位系统的硬件系统和软件系统。 ( 4 ) 研制了探针定位系统的样机，利用l a b v i e w 软件，开发了探针定 位系统上位机的控制界面，并对探针定位交流伺服系统进行部分实验。 8 哈尔滨t 稃大学硕+ 学伊论文 2 1 引言 第2 章总体方案设计 探针定位系统是锅炉配风效果实验中风速场特性测量的重要组成部分， 控制探针作高精度定位运动，实现对风速场分布特性的测量，是检验锅炉配 风性能优劣的重要手段，也是改善锅炉配风效果的重要依据。本章首先阐述 了风速场测量系统的组成及工作原理，对总体结构方案进行了详细的设计， 同时进行了关键元件的选型；接着进行了风矢量结果的修正并进行了工作空 间的分析，最后对探针定位系统的总体控制方案进行了简单的介绍。 2 2 风速场测量系统的组成及工作原理 七孔探针可以测量大角度范围( 一8 0 。8 0 ) 三维流场的速度、方向和压 力，因此七孔探针被广泛用于流体场特性测量仪器卜。要对锅炉内风速场 进行测量，必须先通过机械机构使测量仪器运动到所要测量位置，然后才能 对其风速特性进行测量，探针采集到的风速特性值还需要经过计算机处理。 风速场检测系统主要由工控p c 机、运动控制卡、伺服驱动、伺服电机、反 馈单元、探针定位机构、七孔探针、多通道压力传感器、数据采集卡、i o 接口卡等组成，风速测量系统原理如图2 1 所示。 测量系统工作原理如下：( 1 ) p c 机通过伺服控制系统( 运动控制卡、伺 服驱动器) 控制伺服电机运行，探针定位机构在电机带动下到达指定位置停 止，待系统稳定后启动七孔探针，开始风速特性的测量。( 2 ) 七孔探针各孔 测得的压力值通过多通道压力传感器，经过信号放大滤波后，由数据采集卡 采入计算机。( 3 ) 经过数据处理，即可得到测量点风速的压力和速度的大小 及方向，并在屏幕上显示出风速场的矢量、静压力等特性曲线。至此，此测 点的测量完毕，探针便可移到下一个测量位置继续测量，重复步骤( 1 ) ( 3 ) ， 直到最后一个测量点测量完毕为止。在整个测量过程中，操作人员要做的工 作是进行所需测量点位置坐标的设置和测量结果最后的保存，其余的测量工 作都由自动控制系统来完成。 9 压力传感器 圉 数据采集卡 p c i f 总线 运行到指 定位置 限位信号 七孔撵针安装 在定位机构上 竺! 吲竺：h 篓 蝉 l 外韶，o 点l 码盘 反馈 _ _ 伺服 电机 圈2 i 风速场测量系统原理图 2 3 总体结构方案设计 231 定位机构坐标类型分析 定位机构 在本课题中，实验所用锅炉内直径为22 n n 、长度5 m ，放置状态为平放， 即锅炉中心轴线与地面平行。七孔探针要完成对以锅炉轴线为中，t l , ，直径为 1 8 m 、轴向长度为3 6 m 的柱形空间内所有点风速场特性的测量。在测量过程 中，不仅要保证定位机构迎风面不会对风速场分布特性产生较大的影响，还 要求定位机构具有一定的剐度，尽量保证在风力作用下不会发生振动，因此 定位机构的设计是整个测试系统设计过程中的关键部分，同时也是保证测量 系统测量结果精确性的基础。 七孔探针在测量过程中，要求探针轴线和锅炉轴线平行，以使得探针头 始终正对迎风面，在测量不同点的风速场时，探针只发生位置上的平移，而 姿态并不能改变，否则将影响风速的矢量性。理论上探针定位机构具有三个 自由度即可实现探针在三维空间的位置定位，三自由度机构通常有直角坐标 式、圆柱坐标式、球坐标式、关节坐标式和$ c a i 。, a 等叫。根据七孔探针的 测量要求，可供选择的只有直角坐标式和圆柱坐标式三自由度机构。 哈尔滨丁稃大学硕十学位论文 从保证七孔探针在测量过程中位姿关系考虑，采用直角坐标式的三自由 度机构是最佳选择，三个关节都是移动关节，不会对探针的姿态产生影响， 但是直角坐标式机构工作空间较小，且工作空间是一个长方体，而锅炉是一 个圆柱体，如果采用直角坐标型机构，由于本身结构原因，并不能实现对直 径为1 8 m 、长度为3 6 m 圆柱空间内所有点的测量任务。从保证实现对圆柱 体空间内所有点的测量考虑，圆柱坐标式机构是几种方案中最好的，圆柱坐 标式机构含有一个转动关节和两个移动关节，该结构占地空间较小，定位精 度较高，运动直观性强，能完成圆柱体空间内所有点的测量任务，但是由于 回转关节的存在，在回转过程中，对探针姿态会产生一定的影响，不过通过 坐标变换修正可以消除探针姿态变化对测量结果造成的影响。 综合考虑，本文采用柱坐标型进行探针定位机构的设计，探针定位机构 结构原理如图2 2 所示，包括三个进给系统：轴向进给系统、回转进给系统 和径向进给系统。柱坐标系主要有三个参数口、z 和尺，探针末端参考点p 的 位置可表示为p = f ( 0 ，z ，r ) 。轴向进给系统：图中所示沿锅炉水平轴向的 位移，对应于柱坐标系中沿中心轴上的高度z 回转进给系统：图中所示绕 锅炉水平轴线转过的角度，对应于柱坐标系中的臼；径向进给系统：图中所 示沿径向移动的位移，对应于柱坐标系中的灵。当探针定位系统进行测量时， 风从左侧入口吹进锅炉，探针正面迎风；当需要测得空间某点风速场特性时， 通过对控制系统设置目标位置参数，控制定位机构带动探针到达指定的位置； 当系统稳定后，就可以通过七孔探针进行风速场特性的测量。 图2 2 探针定位系统的结构原理图 2 3 2 驱动元件的分析 系统驱动方式的选择是设计整个探针定位系统的重要环节，根据实际情 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 况选择合适的驱动方式是快速准确完成预期动作的自订提。当前驱动系统正朝 着标准化、系列化和智能化方向发展”“。通常要求驱动元件响应速度要快， 动态性能要好，动作灵敏度要高，便于集中控制，并且应具备效率高、体积 小、质量轻、自控性强、可靠性高等技术特点。 驱动方式一般可以分为气压驱动、液压驱动和电气驱动等。 ( 1 ) 气压驱动气压驱动的工作介质为可压缩性气体，气动的特点是因 其具有可压缩性，通常用于机器人手爪的驱动，但不适合精度要求高的驱动 控制 2 4 】o ( 2 ) 液压驱动对于高速重载的系统，采用液压驱动比较合理，不仅负 载能力大，而且运动平稳，可以实现大范围的无级调速。但是液压传动效率 偏低，传动比不稳定。液压油泄露容易对环境产生污染，液压传动性能对温 度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油及液压油作传动介质时还需注意 r 1 防火问题卜“。 ( 3 ) 电气驱动电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方 便，信号的监测、传递和处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境等 诸多优点。永磁交流同步电机因具有体积小、运行可靠、能量转换效率高、 调速范围广、动静态特性好等优点，因而被广泛应用于各种伺服控制系统中。 探针定位系统的定位精度要求较高，因此对各个进给系统都采用位置伺 服控制，电气伺服控制恰能够获得较高的定位精度。机械系统在锅炉内受风 荷载作用，要求机械系统在保证刚度的情况下体积尽量小一些，气压和液压 驱动都不能满足这个要求，而电气伺服却能使机械系统简单化。通过以上分 析，决定在定位系统中采用电气驱动的方式，电机采用永磁同步交流电机。 但是伺服电机是高转速、低扭矩的驱动元件，而定位机构在运行过程中速度 较慢，因此电机的输出要经过减速机进行减速，才能得到合适的转矩和转速。 2 3 3 机械结构的设计 探针定位系统要在风速高达3 0 m s 的环境下进行定位测量，结构设计主 要有两个难点：其一，测量空间较大，定位精度要求较高；其二，在风速场 测量过程中，定位机构不能发生振动。这就要求机械系统不仅具有较高的传 动精度，而且要求整个机械系统具有较高的刚度。要获得高的定位精度，可 以通过采用高精度传动方案来解决，但是要保证定位机构在风速场内不发生 较的的振动，只有增大机构的刚度，增大刚度势必会增加机械结构的尺寸， 1 2 啥尔滨工程大学硕士学位论文 而尺寸过大又会反过来影响锅炉空间内的风速场分布，造成测量误差的产生。 通过以上分析可知，机械结构的正确设计是保证最后风速场测量精度的 关键。在上一节中，本文已初步确定探针定位机构主要包括轴向进给、回转 进给和径向进给三个自由度，接下来借助于p r o e 三维建模软件和c a d 软件 对探针定位机构各部分进行具体的设计。经过不断的改进，最后确定探针定 位机构总体结构如图2 - 3 所示。 l l 图23 探针定位机构三维模型图 1 轴向进给机构的设计 轴向进给系统是通过传动机构驱动整个定位机构，沿锅炉轴线方向做往 复直线运动，要求有效行程为z = 3 6 0 0 m m ，定位精度为a z 。幔i m m 。由图 2 3 可以看出，要使整个传动机构能够在锅炉内运动，必须在平放的锅炉内壁 铺设长行程传动机构，可供选择的传动方案有同步齿形带传动、丝杠传动和 齿轮齿条传动等。 ( a ) 同步齿形带传动：齿形带传动无滑动，能保证准确的传动比；初拉 力较小；质量轻，允许的线速度较高。主要应用于要求传动比准确的中、小 功率传动中。由于行程过长，而且系统工作在高风速环境下，齿形带安装时 需要对中心距进行严格的控制，还需要对齿形带采取张紧、防护等措施，可 能无法保证传动精度。 ( b ) 丝杠传动：丝杠的应用是将旋转运动通过丝杠和螺母转变为直线运 动。丝杠传动刚性较好，可以传递较大扭矩，定位准确，如果采用滚珠丝杠 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传动，可以获得更高的定位精度。丝杠传动多应用在行程较短的传动机构中， 如果行程较长。过长的丝杠会增加其制造难度并降低其传动刚性。 ( c ) 齿轮齿条传动：承载能力高，传动效率和精度高，使用寿命长，可 靠性高，瞬时传动比恒定，可用多段齿条拼接成长齿条，适合于长距离传动， 性价比高。齿轮和齿条的组合不仅使体积减小，结构更紧凑，工作可靠。 1 锅炉底座2 导轨3 ，支架4 _ 齿条5 一齿轮6 减速机7 电机8 槽道9 电缆拖链图 2 4 轴向进给系统三维模型图 综合比较以上三种传动方案的优缺点，考虑到探针定位系统要在锅炉内 运行较长的距离，定位精度和可靠性要求较高，且考虑到经济成本，最后决 定采用性价比较高的齿轮齿条传动作为轴向进给系统的传动方案。无论采用 齿轮齿条、齿形带或者丝杠传动，要想定位机构完成轴向运动，必须由导轨 为机构提供移动的轨道。轴向进给机构详细结构如三维模型图2 4 所示。 导轨和齿条通过联接件固定在锅炉基座上，支架、减速机和电机固定在 一起后安装在导轨滑块上，齿轮直接安装在减速机输出轴上。在导轨和齿条 的安装过程中，只有保证齿条和导轨之间的平行度，才能实现在运行过程中 齿轮和齿条的正确啮合，从而保证传动精度。电机经过减速机减速后，带动 齿轮在齿条上滚动，整个支架以上机构都在齿轮齿条的传动下沿着导轨移动。 整个系统的电缆都集中在电缆拖链内，当探针定位系统移动时，电缆就在电 缆拖链的带动下跟随整个系统在槽道内自由移动。通过轴向进给运动，就可 以完成探针定位系统的沿锅炉轴线方向的定位任务。 对于本课题选用台湾上银直线导轨，型号为h g w 4 5 c a ，长度为 4 0 0 0 m m ，每个滑块长度1 4 0 m m ，滑块在三个方向的最大额定抗扭力矩分别 为m x = 3 0 1 k nm ，m y = 2 3 5 k n r n ，m z = 3 0 1 k nm ，如图2 5 所示。导轨上滑 哈尔滨工程大学硕士学位论文 块是承载回转系统和径向进给系统的载体，在运行过程中可能受到三个方向 上的力矩负载，为了保证安全，选用双滑块以增大抗扭能力。使用双滑块后， 导轨有效行程减为z = 3 7 2 0 m m ，可以满足测量系统轴向测量行程z = 3 6 0 0 m m 的测量要求。 圈2 5 滑块三个方向扭矩示意圈 2 回转和径向进给机构的设计 回转进给系统主要是通过伺服电机驱动径向进给机构，使径向进给机构 在垂直于锅炉轴线的平面内绕锅炉中心轴回转，完成回转进给任务，径向进 给系统主要是由电机驱动探针在径向传动机构上做往复运动，完成进行进给 任务。通过回转和径向进给系统的组合运动，就可以完成对整个圆面内各点 的测量。 1 七孔探针2 精感器盒3 联接法兰轴4 轴承座5 l 形架6 支架7 减速机 8 电机9 一电磁制动器1 0 直线单元1 1 联轴器1 2 电机 图2 6 回转和径向进给系统三维模型图 回转进给系统的行程为0 = 3 6 0 。，回转一周的时间要不小于3 0 s ，探针处 于径向最大半径处产生的弧长误差a = + _ 2 m m 。径向进给行程为r = 9 0 0 m m ， 哈尔滨t 稃大学硕十学伊论文 定位误差为欲= 0 1 m m ，因此要求传动部件传动精度高，传动平稳。对于径 向进给机构，如果体积和质量偏大，会加重回转进给系统的负荷，还会使锅 炉内风速场产生畸变，影响测量准确性。丝杠传动的直线单元在结构采用铝 合金设计，重量较轻，横截面积较小，但是却能保证刚度要求，加上传动机 构采用滚珠丝杠传动，定位精度高达0 0 5 m m ，探针可以方便的固定在直线单 元的滑块上，直线单元通过自身配件安装夹与回转机构的联接法兰轴固定， 即可在回转电机驱动下进行回转，在这里选择丹那赫w b 4 0 s 0 0 5 型滚珠丝杠 型直线运动单元，参数如表2 1 所示其中直线单元滑块三个方向的最大额定 扭矩m x 、m y 和m z 如图2 5 所示。回转和径向迸给机构三维模型如图2 6 所示。 表2 1 直线单元性能参数表 规格( w h )行程丝杠导程m 。 m 。 m z 传动轴 重量 ( m n l )( m m )( n u n ) m )( n m )m m )扭矩州m ) ( k g ) 4 0 x 3 71 0 0 0561 51 014 回转进给机构结构设计如图2 7 所示，主要包括电磁制动器，联接法兰 轴、轴承座、托架、减速机、电机( 图中未画图) 。电机经减速机减速后驱动 联接法兰轴转动，法兰轴带动径向进给系统转动，完成回转进给任务。 1 径向进给机构2 电磁制动器3 联接法兰轴4 轴承座5 l 型架6 减速机7 大支架 图2 7 回转机构结构图 回转机构的回转误差a 0 会对径向机构末端的定位精度产生很大的影 响，由式a = h o r 可知，在相同回转误差口情况下，当心 墨时， 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 _i i ii i 世， 厶，说明回转误差臼在径向机构末端的产生的误差叫和探针所处的半 径r 成正比。为了保证测量精度，在进行回转机构的设计时，要尽量减小回 转误差。 回转机构回转进给较慢，本文选择德国n c u g a r t 精密行星齿轮减速机作为 回转系统的减速装置，型号为p l s 9 0 ，减速比i = 1 0 0 ，回程间隙小于5 弧分。 在回转系统中使用到电磁制动器，使电磁制动器的定子与轴承座固定在一起， 转子与法兰轴固定在一起，转子在回转电机的带动下转动，当电机回转到某 一位置停下后，进行风速场特性测量时，为了保证径向机构在风力和自身重 力作用下不发生周向的位置错动，控制系统通过继电器控制电磁制动器电枢 上电，制动器转子就在电磁力的作用下吸在定子上，起到止动效果。在这里 选用日本三木公司的1 1 1 0 8 型号电磁制动器，额定电压为直流2 4 v ，额定功 率为1 5 w ，制动扭矩为3 n m 。 2 3 4 关键元件的选型 1 驱动电机的选择 驱动电机的选择直接影响整个控制系统性能的发挥，选择合适的驱动电 机，不仅可以保证系统的正常运行，而且可以降低系统的成本。探针定位系 统有3 个自由度，都采用永磁同步交流伺服电机控制，根据各个关节承受负 载和运行速度的不同，选择不同的电机和减速机。由于篇幅有限，下面仅介 绍回转机构电机的选择过程。 图2 8 回转机构受力示意图 图2 8 为回转机构受力示意图，以o 点为回转中心，当径向进给机构处 于水平位置，并且径向进给机构的滑块移动到最大半径处时，回转机构电机 1 7 哈尔滨t 稗大学硕十学伊论文 所需的输出扭矩最大。直线单元长度为l = 1 2 0 0 m m ，质量均匀分布，嘲= 4 k g ， 质心g 和回转轴间距离，l = 3 3 0 m m ；为了计算方便，将径向进给电机看成一质 点，质心c 2 和回转轴距离l = = 3 s 0 m m ，质量m ：= 1 1 k g ；将探针、直线单元滑 块和传感器也看做一质点，质心g 和回转轴距离厶= 9 5 0 m m ，质量大约为脚，= 4 埏。 根据转动惯量的平行轴定理卜叫，可得直线单元对轴d 的转动惯量 厂，、2，1 j o l - - 棚t 3 吉郦2 + 去m i 2 ( 2 1 ) 将参数m l 、，和代入上式可得j 0 1