檢測系統(tǒng)的測試誤差及對儀器設(shè)備的要求（續(xù)2）
屈其溱（西安微電機研究所）
2測速發(fā)電機測試及其誤差分析
無論是交流測速機還是直流測速機，在控制系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛，其功能都是作為轉(zhuǎn)速傳感器，即將機械轉(zhuǎn)速變換為電氣信號輸出．其輸出信號與轉(zhuǎn)速成嚴格的線性關(guān)系，雖然測速機品種繁多，但其質(zhì)量指標主要是線性誤差和溫度變化時的輸出電壓穩(wěn)定度。
交流測速機分為同步型和異步型兩種。同步測速機有感應(yīng)子式(例GGT-250)和數(shù)字脈沖式（例CYM系列以及相移兀／2的雙脈沖式CYM-02系列）。感應(yīng)子式測速機相當于一中頻三相同步發(fā)電機，主要指標是三相電壓的平衡性和電壓與轉(zhuǎn)速的線性度。脈沖測速機是以脈沖頻率數(shù)作為其輸出信號，多半作為鎖相穩(wěn)速系統(tǒng)中反饋元件使用。異步測速機應(yīng)用****的是非磁性空心杯轉(zhuǎn)子式異步測速機（例CK系列），它在系統(tǒng)中用作檢測元件和阻尼元件，用作檢測元件時，要求線性精度高，變溫誤差小，零速輸出電壓低，輸出斜率不是主要指標，而作為阻尼元件時則要求輸出斜率大，但對線性度的要求則次之。
直流測速機按勵磁方式可分為電磋式（或稱他勵式）（例ZCF、ZS系列）和永磁式(CY系列)戶按按裝方式可分為組裝式ZY季系列)和分裝式(CYH系列)，還有低速型(CYD系列)，溫度補償型(CYB系列）和無刷型(CZW系列)等測速機。本文主要敘述直流測速發(fā)電機的測試系統(tǒng)及誤差分析。
2.1線性誤差的定義
目前有兩種誤差公式各自在應(yīng)用，誤差的大小也不一樣，****誤差等于指示值與計量檢定值之差，只說明被測量結(jié)果與真值的接近程度，不能說明不同值的測量精確度，必須用對誤差與真值之比的相對誤差來說明。例如被測物體重量分別為lOOg與lOg，其****誤差均為0.lg，上述兩物體重量的測量誤差分別為百分之0.1和千分之0.1相對誤差可比較兩種測量結(jié)果的精確度，但不能用整個測量范圍內(nèi)相對誤差不是定值，隨著被測量值的減少，相對誤差增大，當被測量值接近于量程的起始點時，相對誤差趨于無限大，用這樣測定結(jié)果的相對誤差來評價產(chǎn)品質(zhì)量，會出現(xiàn)不合理的結(jié)論，為更合理地評價產(chǎn)品質(zhì)量，采用引用誤差的概念（也稱滿量程誤差），電工儀表的精度等級就是按引用誤差大小劃分的。測速機采用的導(dǎo)磁材料在飽和區(qū)才會出現(xiàn)非線性，因此輸出電匪越低，其線性度越好，但按相對誤差公式計算，輸出電壓越低，其線性度越差，是極其不合理的。
2.1.1按引用誤差計算直流測速機線性誤差
定義為：測速機在****工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在額定負載運行時實際輸出電壓與理論檢測系統(tǒng)的測試誤差及對儀器設(shè)備的要求輸出電壓之差值，對****工作轉(zhuǎn)速Tmax時理論輸出電壓之比的百分數(shù)。用公式表示為
2.1.2按相對誤差計算直流測速機線性誤差
定義為：測速機在****工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在額定負載下運行時實際輸出電壓與理論輸出電壓之差值，對該轉(zhuǎn)速下理論輸出電壓之比的百分數(shù)。用公式表示為
日本JEM-1243及美國IEEE251標準采用上式。
21.3舉例
永磁直流測速機（編號90028）試驗記錄如表l所示。
從上述試驗可知，在****轉(zhuǎn)速200r／min時，按相對誤差公式計算線性誤差，顯然已超過電機技術(shù)條件規(guī)定百分之0.5，成為不合格品，這樣的判斷是不合理的；但是這類電機的質(zhì)量用戶反映相當滿意。
2.2試驗設(shè)備
試驗線路如圖3所示。
2. 2.1直流電壓表
選擇的儀表精度至少要為測速機線性誤差的1／3以上，例如電機誤差為百分之0.6，則0.1級精度以及輸入阻抗足夠高的指針式儀表可以使用，由于指針式儀表存在慣量的阻尼作用，其讀數(shù)是比較穩(wěn)定的，另外讀數(shù)檔的選擇盡可能使測量值在儀表滿刻度值的3／4左右。但許多測速機的精度相當高，這樣必然要選擇更****的儀表，輸入阻抗大于10MΩ／150pF的智能型1905多用表，其測量電壓時的精度如表2所示。
由于在該儀器內(nèi)有輸入端濾波器環(huán)節(jié)，當測量測速機輸出電壓時數(shù)字比較穩(wěn)定、跳動較少，數(shù)據(jù)也精確得多。
2. 2.2直流電流表
一般來說，指針式儀表的精度足以測出測速機的負載電沆，例如C41-A型百分之0.2級直流電流表，它有1.5、3、7,5、15、30A五檔量程；電可用C4l型百分之0.5級直流電流表，有0.015、0.03、0.075、0.15、0.3、0.75、1.5、3、7.5、15、30A十一檔量程。
對于他激式測速機的勵磁電流要求穩(wěn)定度高，由于測量過程中勵磁繞組的電阻隨著溫度在變化，故必須采用高精度的穩(wěn)流源，一般可用YJ63型直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源（上海滬光儀器廠出品）0～50V連續(xù)可調(diào)，輸出電流0—5A，穩(wěn)流精度百分之0.01。當勵磁電壓較高時，則用YJ90型(0～60V、O～10A)或YJ91 (0—600V、0～0.5A)精密穩(wěn)壓穩(wěn)流電源。如果產(chǎn)品批量大，可以自制專用穩(wěn)流源，例如為感應(yīng)子測速機設(shè)計的一個55—65V電壓，電流范圍0—260mA，穩(wěn)流精度百分之0,04，其線路如圖4所示。
圖中測速機勵磁繞組，也就是穩(wěn)流源的負載；當負載電阻為280Ω時，檢測系統(tǒng)的測試誤差及對儀器設(shè)備的要求（續(xù)2）R= 400Ω、10W，直流電源電壓75V;當負載電阻為lOOΩ時，R= 230Ω、10W，直流電源電壓50V。
2 2.3驅(qū)動裝置（穩(wěn)速轉(zhuǎn)臺）
a．同步電動機驅(qū)動
美國IEEE251標準推薦的理想驅(qū)動裝置，同步電動機額定轉(zhuǎn)矩數(shù)倍于測速機要求的****轉(zhuǎn)矩，而且電源電壓變化及測速機轉(zhuǎn)矩變化對同步電動機輸出轉(zhuǎn)矩影響甚少。目前對(Dll0磁滯同步電動機(單、二、四對極繞組)，三種電源頻率40，50，60Hz，總共有九檔轉(zhuǎn)速，測試m36以下小機座號的直流測速機來說使用是滿意的。對于較大功率、體積大的測速機則采用三相永磁同步電動機（轉(zhuǎn)子材料是釹鐵硼或釤鈷），IFT5系列額定轉(zhuǎn)速為： 1200，2000，3000，4500, 6000r／min，轉(zhuǎn)矩范圍為0. 27—115 Nm在完整的各種速度范圍內(nèi)，電動機均具有持續(xù)恒定轉(zhuǎn)矩及恒定負載能力。
例：115 ST型同步電動機轉(zhuǎn)速范圍60～6000r／min，極對數(shù)3，額定電流19A，轉(zhuǎn)矩2.4Nm，電源給定頻率3～300Hz
b．直流伺服電動機驅(qū)動
目前常用的驅(qū)動裝置，采用鎖相(PLL系統(tǒng))實現(xiàn)直流伺服電動機的穩(wěn)速控制，也有采用微杌數(shù)字鎖相控制速度的系統(tǒng)。在這系統(tǒng)中，反映電動機轉(zhuǎn)速的頻率與給頻率相同，而fR是由石英振蕩器分頻所得，其頻率穩(wěn)定度為10-5;系統(tǒng)中反饋元件是脈沖測速機(90CYM300)，性能十分穩(wěn)定可靠，這樣電動機轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定精度可達到晶振的精度，限于目前計量儀器的精度，高速轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)速范圍90～3600r/min中速轉(zhuǎn)臺，30—1500r/min,兩個轉(zhuǎn)臺穩(wěn)速精度均優(yōu)于百分之0.03。
c．直流力矩電動機驅(qū)動
低速范圍為0.01～20r／min，連續(xù)無級調(diào)速，其中1～20r／mm范圍穩(wěn)逮精度為±百分之0.3，在0.01—lr／min范圍內(nèi)要求無爬行現(xiàn)象，能平穩(wěn)工作就可以。該裝置是由直流力矩電動機(270ZL3)、直流低速高靈敏度測速機(270CZG20)、還有電壓放大、功率放大、濾波器、衰減器、校正調(diào)節(jié)器、模擬量給定器慣量盤等環(huán)節(jié)組成模擬量閉環(huán)控制，立式結(jié)構(gòu)按裝，國外美國公司有0.017—lOOr／min轉(zhuǎn)臺，穩(wěn)速精度為百分之0.1。
2. 2.4電阻器
在試驗中作負載用的電阻，可以用溫度系數(shù)低的滑線變阻器，如滑線錳銅電阻合金材料，其穩(wěn)定性和抗氧化性比較好。
2. 2.5安裝支架和聯(lián)軸器
要注意三令因素：安裝支架與驅(qū)動電機支架的中心以及左右的同軸度不能超過0.03mm．聯(lián)軸器本身的不同心也不能超過0.03mm，有的采用柔性連接器結(jié)構(gòu)形式，目的是吸收一部分不同心造成的偏差，以上三因素不同程度的影響著轉(zhuǎn)速的均勻性，必將加大紋波電壓值和輸出電壓的尾數(shù)跳動值，更有甚者使合格品誤判為不合格品，這一點，每個試驗員要充分認識到其重要性，對于高精度測速機的試驗工裝要立題并有專人負責設(shè)計，驗證合格后方可投入使用。
2.3直流測速發(fā)電機測試誤差分析
根據(jù)測試誤差理論，誤差出現(xiàn)的規(guī)律分為系統(tǒng)誤差和偶然誤差。系統(tǒng)誤差越小，測量結(jié)果越準確，設(shè)備誤差是引起系統(tǒng)誤差的主要因素。偶然誤差，（隨機誤差）在多次重復(fù)測量時由于偶然因素的影響造成的誤差，用統(tǒng)計法進行計算，偶然誤差決定了測量的精密度�？偟恼`差是兩者的合成，用方和根公式計算。
2. 3.1偶然誤差計算
180CY01永磁直流測速機的線性誤差如表3所示。
加權(quán)均值
電機的安裝偏差，由于每次裝夾的情況都不一樣，隨機性比較大；而柔性連接又吸收了一部分安裝偏差所造成的影響，故納入偶然誤差考慮。
23.2系統(tǒng)誤差計算
由于系統(tǒng)誤差主要取決于設(shè)備誤差，測試設(shè)備的誤差可歸納為
a．電壓表誤差1: 百分之0.025
b．激磁電流誤差2：百分之0.04
c．驅(qū)動裝置3: 百分之0.03
系統(tǒng)誤差計算為
2. 3.3綜合誤差計算及誤差分析結(jié)果
測試數(shù)據(jù)的精確度取決于綜合誤差。根據(jù)公式．綜合誤差為
由上述分析結(jié)果可看出
(1)所用的設(shè)備，其精度是足夠了，這就有了能測試高精度測速機的條件；
(2)主要是偶然誤差使測試系統(tǒng)精度降低，為提高測試精度必須進行如下的工作。
a．裝夾工具的同軸度要精細調(diào)整；
b．電刷與換向器表面的磨合面要保證百分之80以上；
c．從電機到儀器所用的連接線采用屏蔽線，屏蔽層接大地；
d．欲得精確的線性誤差，必須在電機熱穩(wěn)定狀態(tài)下測量；
e．輸出端加電阻( 15kΩ)和電容(O.lVF)濾波器，借以減少高次諧波干擾，提高數(shù)據(jù)的精密度。
(3)根據(jù)測試系統(tǒng)綜合誤差至少要為被測電機線性誤差的l／3以上的理論，上述系統(tǒng)只能測量測速機線性誤差百分之0.2及以下的產(chǎn)品。目前國外的直流測速機大部分線性誤差為百分之0.5，國內(nèi)也是這個水平，個別的如英國FCF37型測速機輸出斜率60～100V／kr／mm，線性誤差百分之0.2 ～0.3；而德國西門子公司生產(chǎn)的與直流伺服機IHU310同軸安裝的測速機線性誤差百分之2，輸出斜率20V+百分之8，電機的要求就不是太高，這主要取決于使用場合的不同要求。
綜上所述，現(xiàn)有的測試設(shè)備是能滿是要求的，但需克服造成偶然誤差的種種因素，這樣百分之0.2以上更高精度的電機也不難測試。
（待續(xù)）
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