陆 犇

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

随着现代工业技术和社会经济的发展，社会文明程度的提高、环保意识的增强，让人类更加注重自身的健康和生存环境的清洁，用水溶性漆替代有机溶剂漆作为定子冲片绝缘涂层，已成为了各大发电机制造企业的共识[1]。公司从环保角度出发，采用水溶性环保C-6涂层，并引进了一台德国惠门全自动水溶漆涂漆流水线，如图1所示，该涂漆机用在百万级汽轮发电机定子铁心冲片的表面上涂绝缘漆，其步序为上料、去毛刺、涂漆、烘干、冷却和下料[2]。

图1 德国惠门全自动水溶漆涂漆流水线

在调试工艺参数过程中发现，涂漆后冲片上有不规则的穿透点和拖曳痕迹，如图2所示，影响冲片漆面的绝缘性能和表观质量。经过现场仔细勘察，主要原因是各步序间传输冲片的速度不一致，在油漆完全固化前产生了滑动，导致冲片上有不规则的穿透点和拖曳痕迹。试验发现，微小的速度差就会在冲片上产生较大的痕迹，仅凭经验控制起来十分困难，需要精密的仪器提供数据来支持参数调节。

图2 涂漆后穿透点和拖曳痕迹

公司现有的丹麦B&K测速仪在现场使用时遇到布置困难和精度不足的问题。经过市场调研，目前主流的测速仪器有离心式转速表、定时式转速表、磁感应式转速表、电动式转速表、频闪式转速表和电子计数式转速表等，使用硬件计数法、软件计数法和频谱分析法等方法进行线速度测量[3]。但是无论哪种测量工具和方法，要满足精度等级达到微秒控制要求的测速仪价格都十分昂贵，公司亟待更为经济实用的方法，为此本文中采用了一种全新的测量方法，利用步进电机反向发电时产生的频谱反馈，接入到示波器中测量其频率，作为调节线速度的标准。经过方案的多次优化，最终以较小的成本，测量出了高精度的线速数值，为公司涂漆机的顺利调试提供了支持，同时节省了费用支出。

1 步进电机工作原理

步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的常见的执行部件。给步进电机输入脉冲电流，输出相应的增量位移或步进运动。在正常运动情况下(无堵转或者卡死)，它每转一周具有固定的步数，比如40步或者48步的电机，转动一周就是40或48个步进运动。同时，在做连续步进运动时，其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。如图3所示，永磁的转子在定子磁场的激励下作角位移运动，线圈从L1-L4逐渐通电，产生转动的磁场，转子则跟随磁场的转动而步进运动。

图3 步进电机结构示意图

2 步进电机频谱反馈测速原理

根据步进电机的工作原理可知，旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。虽然一般情况下，步进电机由于结构特性，不能被拖动发电输出电流，但是根据步进电机的这一频率对应特性，从逆向思维角度，开始研究永磁式步进电机转子被机械旋转后，产生的电压频率反馈特性。

首先对复杂的电机结构进行简化，步进电机的转子可简化为一块永磁铁，在电机内部空间产生磁力线，磁场跟随机械旋转一起转动，切割定子上的线圈，在其线圈中产生电动势，即电压信号，其原理如图4所示。

图4 步进电机频率反馈原理图

当转子不断旋转时，定转子磁极之间不断的接近和远离，产生了交变磁场，使得电压信号呈现正弦波的特性。但是与传统的读取电压幅值不同，试验中对比发现，读取频率的精度更高，当外部机械旋转相对稳定时，可从时域波形中读取信号的周期时间T，如图5所示。

图5 电压时域波形周期图

根据时域波形的周期T，可计算出信号的频率f，且转速n与频率f为正线性相关，即如公式(1)所示：

n=kf

(1)

其中，对于同一套测量系统，k为常数，代表线性相关比率系数，主要由系统的传动比a和步进电机的极对数p决定。

根据线速度公式，线速度v与转速n有公式(2)所示的关系：

v=2π·r·n

(2)

其中，对于同一套测量系统，对滚装置半径r为常数。

因此，公式(1)和公式(2)可联写成：

v=2π·r·a·p·f

(3)

由此定义了线速度和步进电机反馈频率之间的关系，显然是线性正相关，因此用步进电机反馈的电压频率来测定线速度具有一定的理论可行性和重复可靠性。

3 线速度测量方案设计

根据以上的理论分析，初步证明了用步进电机反馈的电压频率来测定线速度具有可行性，但是对于实际的调速需求来说，10 m/min左右的慢线速度和微秒级高精度的测量，仅凭步进电机反馈的信号来测定，无论是40步的电机还是48步的电机，精度都还是远远偏低，不能达到微秒级的控制要求。在直接测量失败的情况下，我们调整了方案的设计，在步进电机前设计加入了增速齿轮，以提高步进电机转子的转速，根据测量精度数量级的测算，增速比暂定为10。

优化后的测量方案如图6所示，被测圆周运动物体1代表设备上的旋转工作部件，测量系统通过对滚装置2与被测圆周运动物体1一同反向转动，其摩擦力足够大，能保持两者线速度一致，不会出现滑动摩擦的情况。对滚装置2同轴连接增速齿轮的大齿轮，与小齿轮啮合，提高转速输出到步进电机4，根据之前的分析，步进电机转子被拖动旋转，定子线圈内产生电压信号的正弦波时域波形，但是并不读取电压幅值，传统上的电机测速，一般是读取电压幅值信号，根据电压幅值的大小来计算转速的大小，但是电压信号的幅值与转速不是线性相关的关系，电机的非线性特性十分明显，因此导致测量精度偏低，而信号的频率则与转速严格的线性相关，因此使用频率反馈来计算转速更加精准，为此对信号采用数字示波器读取电压信号的频率，即可通过计算找到对应的精准线速度值。

1.被测圆周运动物体；2.对滚装置；3.增速齿轮；4.步进电机；5.连接轴；6.连接轴；7.不同频率的电磁波图6 线速度测量方案原理图

4 测量试验及分析

按照试验设计方案，制作了线速度测量装置，由于增速比为10，对于手持式设备来说，大齿轮的尺寸过大，因此优化成两级齿轮减速，将步进电机本体固定在手柄上，方便测量使用，如图7左侧所示。步进电机产生的电压信号通过屏蔽电缆接入到示波器KENWOOD CS-4025中，如图7右侧所示，可见产生的电压信号时域波形为正弦波，与理论分析一致。

图7 线速度测量装置实物图

为了提高现场使用的便携性，我们对示波器进行了优化，自制了一台基于ARM Cortex-M3为处理核心的袖珍式数字示波器DSO138，并使用锂电池供电，进一步提高便携性。优化后的线速度测量装置如图8所示，尺寸和重量上得到了明显改善。

由于设备上唯一采用了闭环速度控制的是传送链，因此以传送链的速度作为基准，调节其他部件的转速具有可行性。使用优化后的线速度测量装置对设备传送链速度反馈盘测速，标定测量的初始频率，经过多次测量，当传送链调整为11 m/min的工艺窗口时，其频率显示为353.535 Hz，如图9所示。

图8 优化后的线速度测量装置实物图

图9 标定线速度测量装置

然后，以此频率为基准，对设备涂漆段上的7个运动部位，包括橡胶锟、铁锟、齿盘和皮带等逐个进行测量，发现频率不同的，就直接在线进行参数调整，直到每个部位都为353.535 Hz，如图10所示，是工人正在使用测量装置调整橡胶锟线速度。

对设备各部位调整参数后，其线速度已全部接近同步，试验生产一小批冲片后发现，原来冲片上不规则的穿透点和拖曳痕迹已几乎全部消除，如图11所示，可见本文中研发的这套线速度测量装置对设备线速度的同步调整，有十分明显的效果。

图10 现场使用测量装置调整参数

图11 改进后冲片表观质量

5 结语

经过实际使用，本文中研发的基于步进电机频谱反馈的线速度测量装置效果良好，实现了低成本的线速度高精度测量，解决了涂漆机因线速度不同步，产生不规则的穿透点和拖曳痕迹，并且在后续解决水溶性冲片边缘增厚的问题中起到了关键作用。

装置的优良效果进一步印证了使用步进电机电压信号频谱反馈测量线速度的可行性，为线速度测量以及转速测量提供了新的手段，与传统的光电、磁性或者机械式测速仪相比，使用步进电机测量精度更高、成本更低，具有工程推广价值。

[1] 杨洲，张晓漫.发电机定子铁心冲片水溶性漆一次涂漆工艺的研究[J].大电机技术，2017(4)：38-41.

[2] 杨洲，石霄峰，张晓漫.核电定子铁心冲片绝缘工艺的研究[J].大电机技术，2016(3)：24-26.

[3] 叶菁.多功能转速测量仪的研制[D].天津：天津大学，2012.