CN100491948C

CN100491948C - 动圈动态平衡控制方法

Info

Publication number: CN100491948C
Application number: CNB2005100945401A
Authority: CN
Inventors: 陈俊
Original assignee: Suzhou Dongling Vibration Test Instrument Co Ltd
Current assignee: Suzhou Dongling Vibration Test Instrument Co Ltd
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: CN1743824A

Abstract

本发明涉及电动振动试验台的一种动圈平衡控制方法，其特征在于：在台体和动圈两者中，一个作为被测体，另一个上设置位移传感器，通过位移传感器检测动圈相对台体的位移，从而获得一与动圈位移幅度和位置相关的信号，再将该信号经低通滤波器滤除交流信号，得到反映动圈位置的直流信号；该直流信号与来自给定信号源的交变信号相叠加，经调节器校正后送入功率放大器，经功率放大器放大后输入驱动线圈，以此构成位置负反馈控制电路。本发明能对电动振动台动圈的振动中心位置进行动态补偿，解决动圈工作台面的动态中心位置漂移的问题。

Description

动圈动态平衡控制方法

技术领域

本发明涉及电动振动试验设备领域，具体涉及电动振动试验台的动圈平衡控制方法。

背景技术

电动振动试验台(以下简称振动台)是一种可以产生及控制振动，并将能将该种振动加到试件(即待测产品或部件)上，对该试件进行振动模拟试验的设备。通过这样的振动试验可以评定一个产品的抗震性能，为考核该产品质量提供合理依据，因此，广泛用于航天、航海、船舶、汽车、电子、通讯、家电和仪器仪表等行业。

振动台是利用电磁振动原理设计的，从振动台诞生以来到现在已有约百年历史，其组成部分一直没有大的变化，其结构主要由台体(磁缸、磁缸盖、铁芯、磁缸底)、励磁线圈、动圈、机械性悬挂支撑装置、导向装置、冷却装置及驱动电路等几部分组成；其中，动圈主要由工作台面及绕制在工作台面骨架上的驱动线圈构成；驱动电路主要由给定信号源和功率放大器构成，它们给驱动线圈提供电能。振动台工作时，励磁线圈中通入直流电流，则在台体的工作气隙中产生恒定磁场；支撑定位于工作气隙中的驱动线圈中通入驱动电路提供的交变电流，从而产生交变磁场，由于交变磁场与恒定磁场的相互作用，产生出一定的激振力，推动动圈围绕振动中心上下或左右来回振动。

振动台在工作状态下，如何保持动圈处于中心位置是十分重要的。目前国外和国内的电动振动台都采用机械性悬挂支撑装置来支撑动圈及试件的重量，以保持动圈的静态中心位置。机械性悬挂支撑装置一般包括吊住动圈上部的弹性悬挂件和补偿支撑于动圈底部的空气弹簧或增压气室。弹性悬挂件具体有以下两种：弹性摇臂装置和滚臂悬挂装置，如附图1～附图3所示，在动圈周向上安装三个或四个该种装置，既起到了悬挂支撑动圈的作用，又起到了导向作用。

但是，受振动台工作原理的制约，在位移区及速度区，振动台动圈骨架在磁场中运动，产生速度电势(俗称发电效应)，经骨架形成回路，而形成一种阻碍动圈运动的力，该力在振动台动圈运动过程中，其大小表现为动圈骨架进入磁场气隙的数值大于动圈骨架离开气隙磁场的数值，其外在表现为：动圈在速度和位移区，动圈向离开气隙的方向漂移，即出现了动圈动态中心位置的漂移；产生动态偏离造成的直接后果是使动圈有效行程大大减小，比如：行程为51mm峰—峰值的振动台，在连续扫频时，其有效行程仅为38mm。这种动态偏移很难控制，现有机械性悬挂支撑装置不能对这种漂移进行动态补偿，无法保持动圈的动态平衡。

发明内容

本发明目的是提供一种动圈动态平衡控制方法，以该技术对电动振动台动圈的振动中心位置进行动态自控，解决动圈工作台面的动态中心位置漂移的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种动圈动态平衡控制方法，在台体和动圈两者中，一个作为被测体，另一个上设置位移传感器，通过位移传感器检测动圈相对台体的位移，从而获得一与动圈位移幅度和位置相关的信号，再将该信号经低通滤波器滤除交流信号，得到反映动圈位置的直流信号；该直流信号与来自给定信号源的交变信号相叠加，经调节器校正后送入功率放大器，经功率放大器放大后输入驱动线圈，以此构成位置负反馈控制电路。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，被测体和位移传感器的设置位置有以下两方案：a、被测体设于台体上，位移传感器设于动圈上。b、被测体设于动圈上，位移传感器设于台体上。

2、上述方案中，位移传感器检测动圈位移的方式又有以下两种：a、所述位移传感器探头的检测方向平行于动圈的振动方向设置；所述被测体为动圈或台体上的一个端面，该端面正对探头设置；位移传感器直接检测出动圈位移量ΔY。b、所述位移传感器的探头检测方向垂直于动圈的振动方向设置；所述被测体为锲形块，它设置于动圈或台体上，并以其斜面对应朝向位移传感器的探头；以位移传感器检测锲形块斜面至探头间的距离变化量ΔX，再经计算得到动圈位移量ΔY，计算公式为ΔY＝b/aΔX，其中b/a为锲形块斜面的斜率。两方案中，b方案较佳，通过一斜面的转换使小量程的位移传感器也能测量大位移。

上述第1条和第2条的方案相组合，即得出四种具体方案；其中，以下两方案最佳：

a、当应用于大位移振动台时，因位移过大，以位移传感器直接检测动圈的振动方向上的位移不方便时，可采用斜面过渡的办法检测：所述位移传感器设置于台体上，其探头检测方向垂直于动圈的振动方向设置；所述被测体为锲形块，它设置于动圈圆周面上，并以其斜面对应朝向位移传感器的探头；以位移传感器检测锲形块斜面至探头间的距离变化量ΔX，再经计算得到动圈位移量ΔY，计算公式为ΔY＝b/aΔX，其中b/a为锲形块斜面的斜率。如附图5所示，当动圈1上下运动ΔY时，锲形块4也随之运动，其斜面至位移传感器3探头的水平距离也随之变化ΔX，ΔY＝b/aΔX，b和a如图示。

b、当振动台位移并不大时，可采用如下方安案：所述位移传感器设置于台体上，其探头的检测方向平行于动圈的振动方向设置；所述被测体为动圈上的一个端面，该端面正对探头设置；位移传感器直接检测出动圈位移量ΔY。

3、上述方案中，所述“位移传感器的探头”意为位移传感器的检测端。

4、上述方案中，所述调节器具体可采用比例积分调节器，即PI调节器，以此对信号的相位滞后进行校正。

5、上述方案中，所述位移传感器为非接触式位移传感器，具体可采用电涡流式传感器、电感式传感器、红外式传感器、超声波式传感器、激光式传感器等。

本发明的设计原理是：整个负反馈控制电路如附图4所示，其中给定信号源(即给定环节)，它输出的交变信号决定振动台动圈的位置，该位置可与动圈平衡位置重合，也可以不重合。

位移传感器检测到动圈的位移信号，该信号里既含有交流信号又含有直流信号，交流信号的大小反映了动圈的振动位移幅度，可用于指示动圈位移；直流信号的大小反映了动圈的位置，本实用新型负反馈回路的目的是要保持动圈的运动中心，即主要控制的是位置信号也就是直流信号，因此应将振动台幅度信号(交流信号)去除，所以接入低通滤波器(滤波环节)。低通滤波器的作用是：对位移感器输出信号进行滤波，剔除无用的交流信号，保留有用的直流信号。

由于动圈近似一个惯性(机械的、电磁的)环节，它的运动与给定信号存在幅值及相位差(滞后)，为使系统具有最佳的品质，故接入一个调节器(校正环节)，该调节器对动态信号的放大倍数进行限制，而对静态信号进行较大的放大以及所谓“预前”控制，从而使振动台动圈由滞顿变得敏捷。调节器的作用是：动态信号的放大倍数进行限制，而对静态信号进行较大的放大，即进行相位滞后的校正。

由于调节器输出的信号是微弱的，还需进行放大到足够的程度，所以还接入功率放大器(即放大环节)，调调节器输出信号经放大环节放大后，进入振动台动圈激励线圈，在这里完成了电压→电流→力→位移的转变过程，实际上就是完成了电能变成机械能的过程。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、由于本发明采用了位置负反馈控制技术，对动圈的动态漂移进行定量精确的动态补偿；

2、同样由于本发明采用了位置负反馈控制技术，能够自动控制动圈在工作状态下的动态中心位置，精确保证了动圈的动态平衡；经试用于100mm电动振动台，检测后发现：在空载或者加载180kg负载，在扫频工作中，动圈平衡位置变化小于2mm，从控制性能上讲，误差仅为2％；

3、结构简单，工作可靠，控制精度高。

附图说明

附图1为现有一种悬挂支撑装置的示意图；

附图2为附图1的俯视示意图；

附图3为现有另一种悬挂支撑装置的示意图；

附图4为本发明的控制原理框图；

附图5为本发明动圈楔形块与位移传感器相应位置的示意图。

以上附图中：1、动圈；2、台体；3、位移传感器；4、锲形块；5、弹性件。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例：参见附图4及附图5所示，一种动圈动态平衡控制方法，在台体2上设置一位移传感器3，在动圈1圆周面上固定安装有一锲形块4作为被测体，通过该位移传感器3检测动圈1位移，从而获得一与动圈1位移幅度和位置相关的信号，再将该信号经低通滤波器滤除交流信号，得到一反映动圈位置的直流信号；该直流信号与来自给定信号源的交变信号相叠加，经调节器校正后送入功率放大器，经功率放大器放大后输入驱动线圈，以此构成位置负反馈控制电路。上述位移传感器3具体为电涡流式传感器。

位移传感器3设置方式如下：所述位移传感器3的探头检测方向垂直于动圈1的振动方向设置；所述锲形块4设置于动圈1圆周面上，并以其斜面对应朝向位移传感器3的探头；位移传感器3检测锲形块4斜面至探头间的水平距离变化量ΔX，再经计算得到动圈1垂直的位移量ΔY，计算公式为ΔY＝b/aΔX，其中b/a为锲形块斜面的斜率，a和b如图所示。

位置负反馈驱动电路的工作过程为：假定给定信号源输出不变，当振动台动圈1因工作状态、支撑负载等外界因素发生变化导致动圈平衡点发生变化(假定向上漂移)时，锲形块4也随之上漂，位移传感器3检测到锲形块4偏离+ΔX，经电路换算ΔY＝b/aΔX，即得到动圈1偏离+ΔY，该信号再经低通滤波器处理后与给定信号源输出的给定信号求和，使误差为ΔD↓，经功率放大器放大后为U↓，振动台动圈1直流电流↓，动圈1位移ΔY↓，动圈1回到平衡位置；如果动圈1朝下偏离平衡位置，则上述调节过程朝相反方向变化，最终使动圈1向上回升到平衡位置，本控制技术适用于所有电动振动台，在使用中只需对调节器的参数作相应调整即可。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1、一种动圈动态平衡控制方法，其特征在于：在台体和动圈两者中，一个作为被测体，另一个上设置位移传感器，通过位移传感器检测动圈相对台体的位移，从而获得一与动圈位移幅度和位置相关的信号，再将该信号经低通滤波器滤除交流信号，得到反映动圈位置的直流信号；该直流信号与来自给定信号源的交变信号相叠加，经调节器校正后送入功率放大器，经功率放大器放大后输入驱动线圈，以此构成位置负反馈控制电路。

2、根据权利要求1所述的动圈动态平衡控制方法，其特征在于：所述位移传感器设置于台体上，其探头的检测方向垂直于动圈的振动方向设置；所述被测体为锲形块，它设置于动圈圆周面上，并以其斜面对应朝向位移传感器的探头；位移传感器检测锲形块斜面至探头间的距离变化量△X，再经计算得到动圈位移量△Y，计算公式为△Y＝b/a△X，其中b/a为锲形块斜面的斜率。

3、根据权利要求1所述的动圈动态平衡控制方法，其特征在于：所述位移传感器设置于台体上，其探头的检测方向平行于动圈的振动方向设置；所述被测体为动圈上的一个端面，该端面正对探头设置；位移传感器直接检测出动圈位移量△Y。

4、根据权利要求1所述的动圈动态平衡控制方法，其特征在于：所述调节器为比例积分调节器。

5、根据权利要求1所述的动圈动态平衡控制方法，其特征在于：所述位移传感器为非接触式位移传感器。

6、根据权利要求5所述的动圈动态平衡控制方法，其特征在于：所述非接触式位移传感器采用下列之一：电涡流式传感器、电感式传感器、红外式传感器、超声波式传感器、激光式传感器。