檢測系統的測試誤差及對儀器設備的要求（續2）
屈其溱（西安微電機研究所）
2測速發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，在控制系統中應用十分廣泛，其功能都是作為轉速傳感器，即將機械轉速變換為電氣信號輸出．其輸出信號與轉速成嚴格的線性關系，雖然測速機品種繁多，但其質量指標主要是線性誤差和溫度變化時的輸出電壓穩定度。
交流測速機分為同步型和異步型兩種。同步測速機有感應子式(例GGT-250)和數字脈沖式（例CYM系列以及相移兀／2的雙脈沖式CYM-02系列）。感應子式測速機相當于一中頻三相同步發電機，主要指標是三相電壓的平衡性和電壓與轉速的線性度。脈沖測速機是以脈沖頻率數作為其輸出信號，多半作為鎖相穩速系統中反饋元件使用。異步測速機應用****的是非磁性空心杯轉子式異步測速機（例CK系列），它在系統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電機的測試系統及誤差分析。
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果的精確度，但不能用整個測量范圍內相對誤差不是定值，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，用這樣測定結果的相對誤差來評價產品質量，會出現不合理的結論，為更合理地評價產品質量，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。測速機采用的導磁材料在飽和區才會出現非線性，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****工作轉速范圍內，在額定負載運行時實際輸出電壓與理論檢測系統的測試誤差及對儀器設備的要求輸出電壓之差值，對****工作轉速Tmax時理論輸出電壓之比的百分數。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****工作轉速范圍內，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，對該轉速下理論輸出電壓之比的百分數。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條件規定百分之0.5，成為不合格品，這樣的判斷是不合理的；但是這類電機的質量用戶反映相當滿意。
2.2試驗設備
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，其讀數是比較穩定的，另外讀數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。
由于在該儀器內有輸入端濾波器環節，當測量測速機輸出電壓時數字比較穩定、跳動較少，數據也精確得多。
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流源，一般可用YJ63型直流穩壓穩流電源（上海滬光儀器廠出品）0～50V連續可調，輸出電流0—5A，穩流精度百分之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)精密穩壓穩流電源。如果產品批量大，可以自制專用穩流源，例如為感應子測速機設計的一個55—65V電壓，電流范圍0—260mA，穩流精度百分之0,04，其線路如圖4所示。
圖中測速機勵磁繞組，也就是穩流源的負載；當負載電阻為280Ω時，檢測系統的測試誤差及對儀器設備的要求（續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驅動裝置（穩速轉臺）
a．同步電動機驅動
美國IEEE251標準推薦的理想驅動裝置，同步電動機額定轉矩數倍于測速機要求的****轉矩，而且電源電壓變化及測速機轉矩變化對同步電動機輸出轉矩影響甚少。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（轉子材料是釹鐵硼或釤鈷），IFT5系列額定轉速為： 1200，2000，3000，4500, 6000r／min，轉矩范圍為0. 27—115 Nm在完整的各種速度范圍內，電動機均具有持續恒定轉矩及恒定負載能力。
例：115 ST型同步電動機轉速范圍60～6000r／min，極對數3，額定電流19A，轉矩2.4Nm，電源給定頻率3～300Hz
b．直流伺服電動機驅動
目前常用的驅動裝置，采用鎖相(PLL系統)實現直流伺服電動機的穩速控制，也有采用微杌數字鎖相控制速度的系統。在這系統中，反映電動機轉速的頻率與給頻率相同，而fR是由石英振蕩器分頻所得，其頻率穩定度為10-5;系統中反饋元件是脈沖測速機(90CYM300)，性能十分穩定可靠，這樣電動機轉速的穩定精度可達到晶振的精度，限于目前計量儀器的精度，高速轉臺，轉速范圍90～3600r/min中速轉臺，30—1500r/min,兩個轉臺穩速精度均優于百分之0.03。
c．直流力矩電動機驅動
低速范圍為0.01～20r／min，連續無級調速，其中1～20r／mm范圍穩逮精度為±百分之0.3，在0.01—lr／min范圍內要求無爬行現象，能平穩工作就可以。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、校正調節器、模擬量給定器慣量盤等環節組成模擬量閉環控制，立式結構按裝，國外美國公司有0.017—lOOr／min轉臺，穩速精度為百分之0.1。
2. 2.4電阻器
在試驗中作負載用的電阻，可以用溫度系數低的滑線變阻器，如滑線錳銅電阻合金材料，其穩定性和抗氧化性比較好。
2. 2.5安裝支架和聯軸器
要注意三令因素：安裝支架與驅動電機支架的中心以及左右的同軸度不能超過0.03mm．聯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構形式，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速的均勻性，必將加大紋波電壓值和輸出電壓的尾數跳動值，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計，驗證合格后方可投入使用。
2.3直流測速發電機測試誤差分析
根據測試誤差理論，誤差出現的規律分為系統誤差和偶然誤差。系統誤差越小，測量結果越準確，設備誤差是引起系統誤差的主要因素。偶然誤差，（隨機誤差）在多次重復測量時由于偶然因素的影響造成的誤差，用統計法進行計算，偶然誤差決定了測量的精密度。總的誤差是兩者的合成，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系統誤差計算
由于系統誤差主要取決于設備誤差，測試設備的誤差可歸納為
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．驅動裝置3: 百分之0.03
系統誤差計算為
2. 3.3綜合誤差計算及誤差分析結果
測試數據的精確度取決于綜合誤差。根據公式．綜合誤差為
由上述分析結果可看出
(1)所用的設備，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，必須在電機熱穩定狀態下測量；
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，提高數據的精密度。
(3)根據測試系統綜合誤差至少要為被測電機線性誤差的l／3以上的理論，上述系統只能測量測速機線性誤差百分之0.2及以下的產品。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，現有的測試設備是能滿是要求的，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）
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