电动执行机构角度测量方法的改进

    按照JB/T8219-1999要求进行角行程电动执行机构的测试中，多个指标与实测输出轴行程有关。用全圆仪来测量有一定的局限性，一些情况下是不能满足测试要求的。运用编码器在精密定位、速度、长度、加速度、振动等方面得到广泛的应用，且具有结构简单、计量精度高、寿命长等优点，完全可以设计出满足测试要求的方案。

    1 改进的依据及改进方法

    按JB/T8219-1999《工业过程测量和控制系统用电动执行机构》标准中的5.2.4条款中对试验用仪器的精度要求是“其基本误差应小于或等于被测量产品基本误差限的1/3，其量程范围与被测值的范围相适应。”

    本标准的5.4.1比例式执行机构的基本误差计算公式：

              (1)

    δ：基本误差

    L₁：输出轴行程实测值（°）

    _L0：输出轴行程约定真值（°）

    L：输出轴额定行程（°）

    本标准的4.2.1基本误差要求1级的误差是±1％。

    执行器额定角行程值有50°、70°、90°120°、270°这5种。下面计算这5种额定角行程的允许最大值误差。

    设：L₀：＝0°；L＝分别代入50°、70°、90°120°、270°；δ＝1％代入（1）式，解方程求出L₁的允许最大值解得：L₁＝0.5°、0.7°、0.9°、1.2°、2.7°

    按测量仪器的精度应为被测量产品基本误差限的1/3，得到测量仪器的精度为0.17°、0.23°、0.30°、0.40°、0.90°。

    另外全圆仪安装在执行机构的输出轴上会有安装偏心现象。安装偏心就是指全圆仪的圆心与输出轴的轴心不重合，如图一所示。设全圆仪半径为R，O为全圆仪的圆心，O'为输出轴的轴心，O与O'之间的距离为d，假设起始点（零位）在X轴上，当输出轴转动角度为α’时，全圆仪相对输出轴转动的角度为α。由图得出几何关系式：

图1 安装偏心示意图

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    △α＝α'-α即为输出轴和全圆仪转角的误差值，把式（1）代入tg△α＝tg（α'-α）并整理得到：

                   (2)

    对式（2）的两边求导得：

             (3)

    当式（3）等于0时，式（2）取最大值即：Rdcosα-d²=0得出

                             (4)

    把式（4）代入式（2）得：

          (5)

    所以△α_max=d/R。所用全圆仪半径R已知为100mm，当d=1mm时，△α_max≈0.6°，这样误差就比较大了。再加上读数时人的视差，用全圆仪来测量就比较粗糙了。

    2 编码器的种类及选择

    根据检测原理，编码器可分为光学式、磁式、感应式和电容式。根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式编码器和绝对式编码器。

    在电动执行机构的测试试验中，要求电动执行机构经受环境温度-25℃～70℃；机械振动频率10～150Hz，位移幅值0.15mm，加速度幅值20m/s²等严酷条件，对于编码器的选用，必须同样能够经受住同样的条件，并且测量精度不受其影响。

    多种编码器都可满足上述要求，综合考虑成本因素，选用了磁编码器。磁编码器和其他类型编码器相比，具有高频特性好，响应速度快；无接触位置传感可以完美应用于气温变化大等恶劣环境下；耗电少、使用寿命长；结构简单、抗冲击力强，可靠性高。

图2 常用磁编码器

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图3 联轴器

    采用目前较为常用的AS5040芯片磁编码器来设计所需测试系统。首先，通过联轴器把输出轴和磁编码器联接，磁编码器所输出的脉冲通过采集卡采集，再通过如Labview虚拟仪器程序的处理并把测量结果显示出来。

    3 结语

    通过上述改进，在电动执行机构的测试中遇到的问题就得以解决，尤其是在振动状态下的测量有了可靠的保证，满足了标准的要求。