精密電位計(jì)獨(dú)立線性度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳偉漢，王春梅，吳云韜，李國(guó)平，于保成

（武漢工程大學(xué)智能機(jī)器人湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430205）

0 引 言

精密電位計(jì)是一種工作狀態(tài)與其移動(dòng)觸點(diǎn)和電阻體的相對(duì)位置有關(guān)的機(jī)電轉(zhuǎn)換元件，它能高精度地輸出電壓，該輸出電壓是外加電壓和轉(zhuǎn)軸位置的某種函數(shù)。當(dāng)前，精密電位計(jì)在控制系統(tǒng)、電子電氣設(shè)備、航空航天等技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，其各項(xiàng)性能都會(huì)影響儀器設(shè)備及控制系統(tǒng)的精度，甚至?xí)绊懰鼈兊恼９ぷ鳌ｋ娢挥?jì)的獨(dú)立線性度是一個(gè)重要參數(shù)，它能夠反應(yīng)電位計(jì)的實(shí)際函數(shù)特性與參考直線的偏差。目前國(guó)內(nèi)研制的測(cè)試儀器多為用于電位計(jì)產(chǎn)品檢驗(yàn)的單項(xiàng)模擬式測(cè)試儀器，大都采用超限指示的方式指示結(jié)果，現(xiàn)有的方法對(duì)該參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量而不能滿足實(shí)際工程應(yīng)用。因此，有必要設(shè)計(jì)一種高精度的電位計(jì)獨(dú)立線性度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

電位計(jì)能夠?qū)俏灰频淖兓M(jìn)行電壓形式的反饋。其獨(dú)立線性度是實(shí)際函數(shù)特性偏離于參考直線的最大偏差，選擇最小化的最大偏差，它是以總外加電壓的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示[1]，并且在規(guī)定的理論電氣行程內(nèi)進(jìn)行測(cè)量?？稍O(shè)計(jì)測(cè)試電路如圖1所示。

圖1 測(cè)試電路

由圖1所示，測(cè)試系統(tǒng)的硬件部分包括滑動(dòng)觸點(diǎn)b和接地觸點(diǎn)c之間的電壓變化、電位計(jì)觸點(diǎn)b的旋轉(zhuǎn)角位移、總的外加電壓Uac。軟件部分包括繪制實(shí)時(shí)曲線、分析測(cè)試數(shù)據(jù)、保存和打印等功能。

由測(cè)試內(nèi)容設(shè)計(jì)出硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方法。硬件部分思路：采用運(yùn)動(dòng)控制卡帶動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)[2]，電機(jī)與電位計(jì)的軸用彈性連軸器連接，電位計(jì)的軸每隔0.1°旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)同時(shí)反饋角度變化，運(yùn)用AD卡采集每一點(diǎn)的電壓，得到角位移與電壓之間變化曲線。軟件部分思路：采用LabVIEW編程進(jìn)行初始化設(shè)備、控制電機(jī)、采集電壓、數(shù)據(jù)分析、保存數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)了圖形化顯示。硬件和軟件密切結(jié)合保證了測(cè)試系統(tǒng)的完整性和準(zhǔn)確性。

1.1 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由工業(yè)計(jì)算機(jī)、高精度伺服電機(jī)、DELTA TAU公司的運(yùn)動(dòng)控制卡、NI公司的采集卡、高精度的5V穩(wěn)壓電源組成。如圖2為測(cè)試系統(tǒng)硬件框架圖。硬件部分主要功能由運(yùn)動(dòng)控制單元和數(shù)據(jù)采集單元實(shí)現(xiàn)。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)硬件框架圖

1.1.1 運(yùn)動(dòng)控制單元

采用美國(guó)DELTA TAU公司的Clipper Controller控制器，它能夠提供至少4軸的伺服或步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，每一軸通道都有脈沖加方向數(shù)字量輸出、3通道差分和單端編碼器輸入、PID/伺服運(yùn)動(dòng)算法[3]。采用日本安川SGMJV旋轉(zhuǎn)型電機(jī)，設(shè)置控制模式為脈沖加方向控制，編碼器規(guī)格20位增量型，設(shè)編碼器反饋分辨率為65 536，測(cè)試精度最高能達(dá)到360°/65536≈0.0055°，誤差為 0.01%，位置環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)精確位置定位，設(shè)置每?jī)牲c(diǎn)之間電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度為50 counts/ms（counts為脈沖計(jì)數(shù)單位），時(shí)間間隔為10ms，縮短了系統(tǒng)的測(cè)試時(shí)間。運(yùn)動(dòng)控制器和伺服電機(jī)形成位置閉環(huán)（如圖2所示），PID調(diào)節(jié)可進(jìn)行誤差補(bǔ)償。為了達(dá)到高精度的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，電機(jī)和控制器的選型就顯得尤為重要，這直接關(guān)系到電位計(jì)的步進(jìn)度數(shù)，如果電位計(jì)的步進(jìn)度數(shù)達(dá)不到規(guī)定的要求，就會(huì)造成位置和電壓信號(hào)對(duì)不上，那么繪制出來(lái)的曲線就會(huì)有很大的誤差。

工作原理是工控機(jī)發(fā)送控制信號(hào)給運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡輸出脈沖加方向信號(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器收到信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)編碼器反饋位置和速度給工控機(jī)。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集單元

采用NI公司6221卡進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集，其具有16路模擬輸入口，采樣率達(dá)到250KS/s，電位計(jì)的軸每當(dāng)旋轉(zhuǎn)0.1°時(shí)，測(cè)量滑動(dòng)觸點(diǎn)與對(duì)地觸點(diǎn)之間的電壓，當(dāng)電位計(jì)旋轉(zhuǎn)360°時(shí)，可測(cè)得電壓點(diǎn)數(shù)3600個(gè)，一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓，得到一條位置電壓曲線。

值得注意的一個(gè)重點(diǎn)是5V線性穩(wěn)壓電源的選用，由于受測(cè)試精度的制約，加在電位計(jì)兩端的5V直流電源也必須有很高的精度和很小的紋波。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件是系統(tǒng)的大腦，它將各個(gè)部分的功能緊密地聯(lián)系在一起，使其相互協(xié)調(diào)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過(guò)LabVIEW強(qiáng)大的圖形化編程功能，設(shè)計(jì)出友好的人機(jī)交互界面[4-5]。

系統(tǒng)分為3大模塊，如圖3測(cè)試系統(tǒng)軟件框架，各個(gè)模塊之間精密聯(lián)系。模塊1，測(cè)量數(shù)據(jù)之前的準(zhǔn)備：初始化運(yùn)動(dòng)控制卡和數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)備正常之后會(huì)顯示正常狀態(tài)，此時(shí)可錄入被測(cè)電位計(jì)的基本信息，以便保存后留用。電機(jī)運(yùn)動(dòng)的最小運(yùn)動(dòng)角度數(shù)可設(shè)，最小度數(shù)達(dá)0.1°。

模塊2，測(cè)試和分析數(shù)據(jù)，自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)軟件開(kāi)始：電機(jī)的運(yùn)動(dòng)主要由LabVIEW調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用運(yùn)動(dòng)到指定位置的同時(shí)采集電壓信號(hào)。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)軟件框架

測(cè)試開(kāi)始，首先電機(jī)找0 V電壓運(yùn)動(dòng)，軟件找0 V電壓的方法：采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，讓電機(jī)回轉(zhuǎn)的同時(shí)采集電壓，直到電壓很接近0V為止，找到約0V電壓之后，電機(jī)可回轉(zhuǎn)20°。因?yàn)橛玫氖窍鄬?duì)編碼，不能確定0 V電壓所對(duì)應(yīng)的精確位置，目的是讓電位計(jì)的軸旋轉(zhuǎn)多于一圈，能更好地觀察電位計(jì)在一圈內(nèi)的電壓變化規(guī)律。

開(kāi)始進(jìn)行獨(dú)立線性度的測(cè)試，電機(jī)按0.1°步進(jìn)，同步進(jìn)行電壓的采集，運(yùn)動(dòng)大于一圈（400°）結(jié)束，得到一系列采樣點(diǎn)，繪制成位置電壓曲線，如圖4所示。

圖4 角位移電壓曲線

數(shù)據(jù)保存是把得到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便打印和備份。

模塊3，狀態(tài)監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)控制卡、數(shù)據(jù)采集卡通信狀態(tài)，監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，以便出現(xiàn)故障時(shí)緊急處理。

2 數(shù)據(jù)分析

采用型號(hào)為WDJ15-3旋轉(zhuǎn)型電位計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖4為得到的角位移電壓曲線，在開(kāi)始獨(dú)立線性度測(cè)試之前涉及到有效電氣行程的測(cè)試，有效電氣行程有嚴(yán)格的規(guī)定，有效電行程的開(kāi)始與結(jié)束端可以根據(jù)電阻-位移的變化率來(lái)判斷。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)型電位計(jì)旋轉(zhuǎn)超過(guò)一圈，電壓會(huì)存在0～5V的跳躍，會(huì)形成一段跳躍噪聲，當(dāng)電位計(jì)的軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于電位計(jì)的電刷存在固有的角度，也會(huì)形成一段電壓幾乎不變的曲線，詳細(xì)請(qǐng)參看圖4。

獨(dú)立線性度的測(cè)量應(yīng)該在5%～95%的有效電行程內(nèi)進(jìn)行，圖5為截取圖4后放大的一段數(shù)據(jù)，電壓范圍0.399～0.42 V，將得到的實(shí)際函數(shù)曲線（f[i]）進(jìn)行最小二乘線性擬合（擬合后為y[i]），擬合采用LabVIEW廣義最小二乘線性擬合控件。最小二乘線性擬合使得到的誤差最小，求出實(shí)際函數(shù)曲線偏離與擬合曲線的最大偏差（設(shè)為Δx），除以總的外加電壓（U）得到的百分?jǐn)?shù)就是要測(cè)的獨(dú)立線性度l，求法如下式：

圖5 放大后的一段數(shù)據(jù)

總外加電壓U通過(guò)采集加在電位計(jì)終端電壓200次，取平均值大約為5.006 V，當(dāng)前結(jié)果為0.0107542/5.006=0.00215，即獨(dú)立線性度為0.215%，達(dá)到了電位計(jì)上標(biāo)出的獨(dú)立線性度0.3%。

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明，與其他測(cè)量方法相比，采用運(yùn)動(dòng)控制卡控制旋轉(zhuǎn)，測(cè)試精度越高，得到的獨(dú)立線性度越好，同時(shí)采用LabVIEW底層模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理流程，圖形化編程使系統(tǒng)自動(dòng)化程度高[6-7]。證明了該測(cè)試系統(tǒng)完全可以運(yùn)用于精密電位計(jì)的獨(dú)立線性度的測(cè)試，體現(xiàn)了該測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)越性。

3 結(jié)束語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種精密電位計(jì)獨(dú)立線性度的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)采用運(yùn)動(dòng)控制卡控制電機(jī)高精度旋轉(zhuǎn)[8-9]，數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集電壓，同時(shí)在LabVIEW下圖形化編程，使用戶(hù)更簡(jiǎn)單明了地操作該測(cè)試系統(tǒng)，體現(xiàn)了該系統(tǒng)測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)用性，能夠滿足實(shí)際工程需求，其實(shí)施有利于高精度電位計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的研制和推廣。但是受到測(cè)試精度和測(cè)試時(shí)間的相互制約，提高測(cè)試精度需要長(zhǎng)的測(cè)試時(shí)間為代價(jià)，隨著機(jī)電一體技術(shù)的不斷提高，測(cè)試系統(tǒng)能夠向更高層次邁進(jìn)。

[1]GJB 1865-1994，非線繞精密電位計(jì)總規(guī)范[S].北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，1994.

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