新型流速儀檢定系統改進方案設計周琪羽田桂良張文錦(東南大學儀器科學與工程學院，江蘇南京210096)流速儀在水利監控中應用普遍，所以其檢定速精度的檢定裝置。東部水文儀器檢測中心的流速儀檢定系統因多年長期運行，且因工作環境濕度大而導致設備老化加速，加之干擾源多等原因，系統運行出現不穩定現象，所以在前期系統設計的基礎上針對當前可靠性差的部分進行改進1低速控制部分的改進系統原有的低速控制部分是通過直流電機和機用來控制直流電機的嚙合與分離，通過51單片機輸出PWM來控制直流電機運行。PWM是通過模糊PID算法來實現[1]。該算法在一定程度上能夠很好地克服系統參數變化和非線性等不確定因素。對于0.01～0.09m/s每個速度點，在系統運行初期能夠很好地滿足速度精度要求，但隨著檢定車使用頻率加大，出現不穩定1)硬件方面，運行環境濕度大，易造成控制電路出現虛焊、漏電及短路而引起的功率管失效；檢定車軌道生銹和發生位移(地基引起);2)軟件方面，預設的控制參數會隨著環境變化而需要重新標定，工作量較大。后嘗試動態修改，發現其仍受環境變化影響，難以在局部找綜上所述，在本系統中低速控制部分采用直流電動機控制方案，其維護工作量大且復雜，是系統不穩定的主要因素。現在隨著變頻技術，特別是矢量變頻技術的發展，交流電機的控制得到普及，且變頻器具有成熟的控制算法，基于此，將低速控制部分改為用變頻器控制小功率的交流根據系統需求，選擇了交流電機6IK180GU,配以日立WJ200電流矢量控制的變頻器，該變頻圖1原有的主輔電機切換示意圖[3]1)無速度傳感器、矢量控制實現0.5Hz,200%的起動力矩；2)大幅降低低速運行的波動，可“實時，滯時補償”,實現低速平滑運行；3)RS485接口標準內置，標配USB接口，方便編程控制與調試。小電機主要實現0.01～0.1m/s的車速，電機輸出的扭矩與電動機的轉速和功率有關。由P=時，速度越低，所需要輸出的扭矩就越大。變頻器的矢量控制功能能夠通過增加輸出電壓，來使電機的輸出轉矩和電壓的平方成正比的關系增加，從而改善電機的輸出轉矩，這樣能夠使電機在低速，如1Hz(對4極電機，其轉速大約為30r/min)時的輸出轉矩能夠達到電機在50Hz供電輸出的轉矩(最大約為額定轉矩的150%)。“矢量控制”把電機的電流值進行分配，從而確定產生轉矩的電機電流分量和其他電流分量(如勵磁分量)的數值。“矢量控制”能夠通過對電機端的電壓降的響應，進行優化補償，在不增加電流的情況下，允許電機產出大的轉矩。此功能對改善電機低速時溫升也有效。1.3低速交流電機的閉環控制方法在變頻器控制面板上設置好電機額定功率、級數等參數后，就能夠用ARM核心板通過RS232轉485發送頻率命令進行控制，同時測量編碼器返回脈沖的個數，進行速度的反饋，根據反饋進行速度的閉環調節。下面重點介紹閉環調節方法]。脈沖周期標準脈沖數Ms十進制十六進制12246485689編碼器每周脈沖數是3600,可通過上位機監測軟件來監測。編碼器信號經過8254進行相對應分頻后，作為另一8254的門控信號，讀取標準時鐘CLK的個數。表1是對各速度點分頻后的脈沖分析，Ms為讀取的CLK個數。由表1可知，通過對每一個速度進行分頻，能夠得到一個基準脈沖個數31066,在程序中不管什么速度，只要和31066相比較，就能夠知道速度其中，l為檢定車輪子周長；Ms為實測脈沖Tm為每秒的脈沖個數；V,為當前速度值。低速交流電機控制軟件的流程如圖2所示。N當車速在0.01m/s~0.1m/s時，速度值V與變頻器頻率F值之間有一個系數Ks,F=Ks×V,Ks=1367,可以由操作臺上ARM機計算。若實測脈沖數Ms>Ms,則表示速度低于目標值，應提高Ks值，即提高輸出頻率。若實測脈沖數Ms<Ms,則表示速度高于目標值，應減少Ks值，即降低輸出頻率。在讀取分頻后的脈沖周期寬度時，可能會出現不準確的現象，即編碼器輸出脈沖可能因為干擾或者振動會增加或減少脈沖。但是這些現象肯定是不確定的，即不可能準確重復出現，所以能夠從速度的連續和平穩性出發來識別讀取的數據2.1硬件支持因為工作環境干擾源多的影響，以及操作員出現的誤操作，檢定車可能會出現運行過程中的意外停車現象。對此采用系統核心處理器LPC2214中自帶的看門狗功能對系統進行異常時的復位，使用核心板擴展的2Mbit的SRAM—62LV1024LL對數據進行實時保存。當MCU復位后，讀取SRAM的值，從“斷點”處繼續執行相對應任務，保證系統運行的連貫性。看門狗結構方框圖見圖3。使能如圖3所示，首先向WDTC寄存器中設置看門狗定時器的固定裝載值，在WDMOD寄存器中設置模式，并使能看門狗，再通過向WDFEED寄存器順序寫入0xAA和0x55,啟動看門狗，在看門狗向下溢出之前應再次喂狗防止復位或中斷。當看門狗計數器向下溢出時會引發內部復位，MCU單片機系統因干擾復位或掉電后復位均屬非正常復位，應進行故障診斷并能自動恢復非正常復位前的狀態。非正常復位包括軟件故障復位、任務正在執行中掉電后來電復位和看門狗超時未在實際操作中要進行硬件復位與軟件復位的識別、正常開機復位與非正常開機復位的識別、開機復位與看門狗故障復位的識別。如第三種的識別需要借助于外部SRAM,設置一可掉電保護的觀測單元。當系統正常運行時，在定時喂狗的中斷服務程序中使該觀測單元保持正常值(設為AAH),而在主程中將該單元清零，因觀測單元掉電可保護，則開機時通過檢測該單元是否為正常在檢定車運行過程中，需要不斷地把當前的狀態、參數等數據及時備份到SRAM中。當在已判別出系統非正常復位的情況下，先要恢復一些必要的系統數據，然后恢復檢定系統的系統狀態、運行參數等，包括顯示界面、車速、流速儀已測信號等的恢復，最后恢復復位前的任務、參數、運行時間等，再進入系統運行狀態。具體自恢復流程如圖4所示。古正常復位古正常復位圖4中“恢復系統基本數據”是指從SRAM基本初始化”是指對芯片、顯示、輸入輸出方式等進行初始化，要注意輸入輸出的初始化不應造成誤動作；“復位前任務初始化”是指任務的執行狀態、運行時間等。通過以上改進，就能夠保證檢定車運行流暢，進一步提高其可靠性和工作圖5是車速為0.01m/s時的檢定車實測速度，縱坐標代表對應的編碼器等效脈沖數，橫坐標為測量時間，每10s一測。timesT(s)從圖5中能夠看到，經過改進，檢定車在0.01m/s的速度十分平穩，最大值為1305,最小值為1294,均