摘要:讨论用运转法测量感应式电能表磁力轴承阻力矩的基本原理,对测量电路、单片机的测控软件,以及用VB5.0编制的PC机的测控软件进行了设计与分析,最后给出了实际测量结果并进行了讨论。
本文讨论的阻力矩不包括转盘转动切割永久磁通产生的制动力矩和切割交变磁通产生的自制动力矩。
1 测量原理
我们参考了电度表行业新标准(JB/T5467.2-2XXX)和文献[1],采用了运转法对感应式电能表磁力轴承的阻力矩进行测量。其主要思路是,给定转盘大于2π/s的初始角速度开始自行旋转,当角速度降到小于等于2π/s时,开始测量转盘每转一圈所需的时间(简称旋转周期),直至角速度降到小于等于0.6π/s时结束。转动角速度从2π/s降到小于等于0.6π/s测到的每圈的旋转周期是本仪器的基本测量数据,如图1所示。图中各个窄脉冲是由电度表转盘每旋转一周通过光电转换和整形电路发出的脉冲序列。
下面定义几个参数:
(1)第i个周期Ti
(2)第i个周期的平均角角速度ωi
(3)从ωi到ωi+1的角加速度aj
(4)从ωi到ωi+1的平均角速度
由测得的各周期Ti,计算出角加速度aj,平均角速度
。以。以
为横坐标,aj为纵坐标,绘出各点(ωj,aj),并用一直线拟合这些测量点(称之为趋势线)(图2)。趋势线和纵坐标的交点就是
为横坐标,aj为纵坐标,绘出各点(ωj,aj),并用一直线拟合这些测量点(称之为趋势线)(图2)。趋势线和纵坐标的交点就是
=0的角加速度a0。
=0的角加速度a0。
根据文献[1]中的计算公式计算阻力矩:
根据文献[1]中的计算公式计算阻力矩:
式中mi,di,i=1~5,分别是电能表转盘的圆盘、转轴、浇铅、配重和上磁钢的质量和直径,质量的单位是克(g),直径的单位是厘米(cm)。求转动系统阻力矩的关键是准确测量出电能表转盘的旋转周期。
2 硬件组成
硬件部分由AT89C2051单片机、光电脉冲形成、整形电路和RS232电平转换电路组成(图3)。其主要任务是接收PC机发来的命令,准确地测出转盘的连续旋转周期,并通过串行口实时发送给PC机。
式中mi,di,i=1~5,分别是电能表转盘的圆盘、转轴、浇铅、配重和上磁钢的质量和直径,质量的单位是克(g),直径的单位是厘米(cm)。求转动系统阻力矩的关键是准确测量出电能表转盘的旋转周期。
2 硬件组成
硬件部分由AT89C2051单片机、光电脉冲形成、整形电路和RS232电平转换电路组成(图3)。其主要任务是接收PC机发来的命令,准确地测出转盘的连续旋转周期,并通过串行口实时发送给PC机。
运转法要求将电能表的制动磁钢去掉,并切断电流和电压线路,使电能表转盘以一定的转速自行旋转和自行制动;此外,测量装置不得与转盘接触,故采用光电非接触方法(图4)。图中转盘上涂了一矩形黑漆,其余部分是铝的本色。在转盘上方安置一单光束反射取样式光电传感器,当红外光束射在黑漆部分,反射光很弱,射在没有黑漆的部分反射光很强。用图5所示的电路将上述的两种不同的状态转换成高、低电平。红外光束射到黑漆部分,电路输出高电平;射到无漆部分,电路输出低电平。转盘旋转一周,光电转换电路发一正脉冲;经施密特反相器74HC14整形和反相,作为单片机的外部中断信号供单片机测时用。
运转法要求将电能表的制动磁钢去掉,并切断电流和电压线路,使电能表转盘以一定的转速自行旋转和自行制动;此外,测量装置不得与转盘接触,故采用光电非接触方法(图4)。图中转盘上涂了一矩形黑漆,其余部分是铝的本色。在转盘上方安置一单光束反射取样式光电传感器,当红外光束射在黑漆部分,反射光很弱,射在没有黑漆的部分反射光很强。用图5所示的电路将上述的两种不同的状态转换成高、低电平。红外光束射到黑漆部分,电路输出高电平;射到无漆部分,电路输出低电平。转盘旋转一周,光电转换电路发一正脉冲;经施密特反相器74HC14整形和反相,作为单片机的外部中断信号供单片机测时用。
RS232电平转换电路采用MAX202,将单片机的COMS电平转换为RS232电平。
3 软件组成
3.1 单片机软件
单片机软件主要完成测时及与PC机通信。单片机接收到PC机发来的指令开始测时。利用转盘反射的红外脉冲信号作为外部中断信号启动定时器开始计时,到下一个红外脉冲信号到来时定时器的计时值就是当前的周期,如此周而复始,连续测出各圈的旋转周期,并发给PC机。单片机软件的程序框图见图6。
3.1.1 接收PC机发来的命令和发送旋转周期
RS232电平转换电路采用MAX202,将单片机的COMS电平转换为RS232电平。
3 软件组成
3.1 单片机软件
单片机软件主要完成测时及与PC机通信。单片机接收到PC机发来的指令开始测时。利用转盘反射的红外脉冲信号作为外部中断信号启动定时器开始计时,到下一个红外脉冲信号到来时定时器的计时值就是当前的周期,如此周而复始,连续测出各圈的旋转周期,并发给PC机。单片机软件的程序框图见图6。
3.1.1 接收PC机发来的命令和发送旋转周期
单片机串行口采用中断方式接收命令。接收到的命令码存入工作单元FUNCREG(测量命令码是01H)。串行口发送数据采用查询方式,将测量到的数据实时发送给PC机。
3.1.2 连续旋转周期的测量
如前所述,进入INT0口的是一系列的脉冲串,相邻两脉冲的间隔就是该旋转周期的时间。旋转周期大小在几分之一秒到几秒之间。考虑到串行口波特率的设置,采用11.0592MHz的晶体,一个机器周期为1.085μs,采用16位定时器方式,最大定时间隔约69ms。程序中设定T0的定时间隔为50ms,开了一个工作单元SOFTCONT作为计数器,对50ms进行计数。当转盘旋转一周使单片机产生中断时,读出SOFTCONT,TH0,TL0中的数据就可计算出该周期的具体数值。
单片机串行口采用中断方式接收命令。接收到的命令码存入工作单元FUNCREG(测量命令码是01H)。串行口发送数据采用查询方式,将测量到的数据实时发送给PC机。
3.1.2 连续旋转周期的测量
如前所述,进入INT0口的是一系列的脉冲串,相邻两脉冲的间隔就是该旋转周期的时间。旋转周期大小在几分之一秒到几秒之间。考虑到串行口波特率的设置,采用11.0592MHz的晶体,一个机器周期为1.085μs,采用16位定时器方式,最大定时间隔约69ms。程序中设定T0的定时间隔为50ms,开了一个工作单元SOFTCONT作为计数器,对50ms进行计数。当转盘旋转一周使单片机产生中断时,读出SOFTCONT,TH0,TL0中的数据就可计算出该周期的具体数值。
可以看出,从进入中断处理程序到重新启动定时器需用13T,加上中断响应的3~8T(取3T),共用去16T。这样,一个旋转周期花费时间的计算公式是:
可以看出,从进入中断处理程序到重新启动定时器需用13T,加上中断响应的3~8T(取3T),共用去16T。这样,一个旋转周期花费时间的计算公式是:
式中46082×1.085=50000μs;19154D=4BFEH为定时器初值,需扣除;16是中断信号到INT0口再到重新启动定时器T0所需的机器周期数,需考虑进去。
我们用精密的秒脉冲信号源的信号加到INT0端,按式(6)测出的时间精度达千分之一秒,可以满足测量要求。
3.2 PC机软件
整个系统的控制和计算都由PC机软件完成。该软件采用VB5.0编制。
3.2.1对串行口进行设置
通讯口号也可设COM2,通过下拉式列表框选择。
3.2.2 向单片机发命令
PC机向单片机发01H,启动单片机开始测量。
通讯口号也可设COM2,通过下拉式列表框选择。
3.2.2 向单片机发命令
PC机向单片机发01H,启动单片机开始测量。
3.2.3 接收单片机发来的测量数据
VB利用通讯控件MSComm的OnComm事件接收单片机发来的数据。单片机发来一个数据,Com-mEvent属性的值发生变化,产生OnComm事件。事件OnComm程序逐一接收数据,并存入数组period()中。如前所述,每个旋转周期要发3个字节的数据,根据式(6)计算旋转周期的VB程序为:
3.2.3 接收单片机发来的测量数据
VB利用通讯控件MSComm的OnComm事件接收单片机发来的数据。单片机发来一个数据,Com-mEvent属性的值发生变化,产生OnComm事件。事件OnComm程序逐一接收数据,并存入数组period()中。如前所述,每个旋转周期要发3个字节的数据,根据式(6)计算旋转周期的VB程序为:
3.2.4 计算阻力矩
由上面的语句计算出的周期是ms,整形变量irxd是接收数据次数的计数器。旋转周期测量结束后,用式(1)~(4)计算第i个周期的平均角速度ωi、角加速度aj和平均角速度
。有关的程序片段如下:
。有关的程序片段如下:
同时在屏幕上画出图2所示的图形。以(wj(i),aj(i)),i=0,1,2,…,jcount为计算结果,用直线aj=a×wj+b作回归分析,求出此直线的斜率a和截距b,并在屏幕上画出此直线。此直线和纵坐标的交点坐标值即为a0,代入式(5)即可计算出阻力矩(程序略)。
3.2.5 界面功能
●设置窗体:在此窗体可对转盘参数和报表表头
内容进行设置,如转盘的圆盘、转轴、浇铅、配重和上磁钢的质量和直径,报表上的公司名称、轴承名称、型号、数量等;●测量窗体:这是测量主窗体,点击“开始测量”键,PC机向单片机发测量命令,单片机收到命令后将测到的旋转周期实时发送给PC机。此窗体的On-Comm事件驱动程序计算出相应的角速度,并在图形框中以点的形式画出各圈的角速度(窗体略);●计算窗体:转盘停转后,在测量窗体上点击“计算结果”键进入计算窗体。点击此窗体上的“计算阻力矩”键,在图形框中画出图2所示的拟合直线,并计算出转盘的阻力矩;●报表窗体:表头显示设置窗体设置的内容,报表中显示当前测量的所有转动系统的测量数据;报表可打印、存盘和进行统计分析;●辅助窗体。
4 实验及分析
研制过程中曾发现,同一转动系统重复测量的一致性不是很好,受转轴垂直度影响等。表1是一转盘系统重复测量4次的结果。其中转盘参数为:圆盘直径8.5cm,质量17g;转轴直径0.3cm,质量0.8g;浇铅直径1.2cm,质量1.8g;配重直径0.65cm,质量6g;没有上磁钢,用的是宝石轴承。
同时在屏幕上画出图2所示的图形。以(wj(i),aj(i)),i=0,1,2,…,jcount为计算结果,用直线aj=a×wj+b作回归分析,求出此直线的斜率a和截距b,并在屏幕上画出此直线。此直线和纵坐标的交点坐标值即为a0,代入式(5)即可计算出阻力矩(程序略)。
3.2.5 界面功能
●设置窗体:在此窗体可对转盘参数和报表表头
内容进行设置,如转盘的圆盘、转轴、浇铅、配重和上磁钢的质量和直径,报表上的公司名称、轴承名称、型号、数量等;●测量窗体:这是测量主窗体,点击“开始测量”键,PC机向单片机发测量命令,单片机收到命令后将测到的旋转周期实时发送给PC机。此窗体的On-Comm事件驱动程序计算出相应的角速度,并在图形框中以点的形式画出各圈的角速度(窗体略);●计算窗体:转盘停转后,在测量窗体上点击“计算结果”键进入计算窗体。点击此窗体上的“计算阻力矩”键,在图形框中画出图2所示的拟合直线,并计算出转盘的阻力矩;●报表窗体:表头显示设置窗体设置的内容,报表中显示当前测量的所有转动系统的测量数据;报表可打印、存盘和进行统计分析;●辅助窗体。
4 实验及分析
研制过程中曾发现,同一转动系统重复测量的一致性不是很好,受转轴垂直度影响等。表1是一转盘系统重复测量4次的结果。其中转盘参数为:圆盘直径8.5cm,质量17g;转轴直径0.3cm,质量0.8g;浇铅直径1.2cm,质量1.8g;配重直径0.65cm,质量6g;没有上磁钢,用的是宝石轴承。
为克服它们的影响,我们采取了一些措施,如确保转轴的垂直度,将测量仪的转动系统用有机玻璃罩罩起来。对于重复测量的一致性不是很好的问题则采纳了文献[1]中提出的建议,对同一转盘系统重复测3~4次,取其平均值作为测量结果。如表1中的数据,经平均处理的阻力矩测量结果为0.445μNm。
5 结束语
本阻力矩测试仪为感应式电能表生产厂测量电能表磁力轴承阻力矩提供了一种高效自动的测量手段。从使用单位反馈的情况看,比较满意。我们将进一步听取用户意见,使本仪器更趋完善。
参考文献:
[1]方吉六.感应式电能表转动部分的阻力矩及其测量方法[J].电测与仪表,2002,39(438).
[2]吕丽民.Visual Basic5.0入门与技巧[M].北京:人民邮电出版社,1998.
作者简介:邵佩玲(1965—),女,硕士生(在读),研究控制理论与控制工程;王家鼎(1946—),男,副教授。
（收稿日期:2004-06）
