CN101281087B - 电动振动台励磁电压自动调整方法 - Google Patents

Abstract

一种电动振动台励磁电压自动调整方法，涉及环境力学电动振动试验领域。本发明利用功率放大器输出电流与振动台推力成正比原理，通过预试验测量功率放大器的输出电流最大值，间接测量了振动台的推力。然后通过控制电路计算励磁输出电压调整的目标值V₁，并采用闭环方式将励磁输出电压调整到该目标值，最终达到控制流经励磁线圈电流的目的。本方法根据振动台实际输出功率量级的大小自动检测和调整励磁电压，减少了励磁线圈的发热量，节约了能源，延长了系统的使用寿命，解决了现有手动操作励磁线圈分档供电调整所存在的问题。

Description

电动振动台励磁电压自动调整方法

技术领域

本发明涉及环境力学电动振动试验领域，具体涉及电动振动台系统中励磁电压的自动调整方法。这种方法根据振动台实际输出功率的大小自动检测和调整励磁电压，从而减少了励磁线圈的发热量，节约了能源，延长了系统的使用寿命。

背景技术

电动振动台系统是一种模拟振动力学环境的试验设备，如图1所示由振动台体和控制及驱动系统组成，其中台体1主要由励磁线圈2、动圈3(驱动线圈)和工作台4组成，励磁线圈2相对台体1固定，动圈3浮动支撑在励磁线圈在环形空隙5(工作气隙)中，工作台4固定在动圈3顶部。工作时，励磁线圈2中通入直流电流——励磁电流，在环形空隙5中产生很强的恒定磁场，当动圈3中通以交变电流时恒定磁场与交变磁场相互作用产生电动力-激振力，推动工作台4产生振动。

以往，电动振动台系统中，是由电源电压经励磁变压器变压、整流单元整流后直接提供定值的励磁电压给励磁线圈，该励磁电压值大小是依电动振动台满推力、磁场处在饱和状态的要求设计，即在工作中，不管具体工作时的推力大小，电动振动台的励磁电流一直处在额定值，磁场始终处于饱和状态。而实际使用中，电动振动台往往不需要在满推力下工作，磁场始终处于饱和状态就白白消耗了热功率(Q_热＝I_励磁 ²×R×t)，特别是大推力振动台中励磁线圈消耗的热功率在几十千瓦以上，很不节能；并且，由于励磁电流很大也给励磁线圈的可靠性和使用周期带来影响，从而影响系统的使用寿命。因此，在振动台不需要满推力工作时，如何降低励磁线圈的发热量成为一项很值得研究的问题。

在此之前，本申请人也针对上述问题进行过研究，开发出一种名称为“电动振动台励磁切换装置”，并申请了实用新型专利，专利申请号：200820030704.3。该装置是将振动台励磁线圈采取分档供电的方式，将励磁变压器绕组分为多级抽头进行输出，试验时使用者根据试验推力大小进行手动选择。这种结构虽然能降低励磁线圈电压，但给使用者提出了非常严格的要求，使用者往往不能根据使用要求正确计算输出功率，无法做出准确选择。因而，在试验初始阶段，能否根据试验量级自动调整励磁电压，降低励磁线圈的发热量，提高系统的可靠性值得探讨。

发明内容

本发明提供了一种电动振动台励磁电压自动调整方法，其目的是要解决现有手动操作电动振台励磁线圈分档供电调整方式所存在的问题，可以根据试验量级大小实现自动调整励磁电压，从而降低励磁电流，减少励磁线圈的发热量，提高系统工作稳定性和可靠性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电动振动台励磁电压自动调整方法，包括如下内容：

(1)在被测试验设备或部件安装到电动振动台后，利用电动振动台开机预试验过程，并在满足正式振动试验参数的前提下通过电流检测电路检测电动振动台的功率放大器输出到动圈的预试验动圈最大电流值I1；

(2)预试验结束后，根据动圈电流与电动振动台推力成正比的关系，利用检测到的预试验动圈最大电流值I₁，在一控制电路中通过以下计算公式自动计算出调整励磁输出电压目标值V₁：

V₁＝(I₁/I₂+δ)×V₂

式中：

V₁为调整励磁输出电压目标值；

I₁为预试验动圈最大电流值；

I₂为满推力运行时动圈额定电流值，或者为动圈保护电流值；

δ为调整系数，取值范围在0～0.2之间，包括两个端点值；

V₂为额定励磁输出电压值；

(3)利用控制电路，通过调节可控硅励磁整流模块的导通角的方式，或者通过调制开关电源的脉冲宽度占空比的方式，闭环调整励磁输出电压至目标值；

(4)在励磁输出电压调整到目标值之后，维持该励磁输出电压至重新选择调整或功率放大器重新启动。

上述技术方案中的有关内容解释如下：

1、上述方案中，所述“预试验”是振动试验正式开始前所进行的一种预备试验过程，其目的主要是查看试验系统是否正常，是否做好准备，可以进行正式试验。原来的预试验一般检查控制系统，比如振动加速度检测传感器是否正常工作，系统的工作状态是否正常，动圈驱动电压是否正常，振动加速度是否能够达到等等。通常情况下，原来的预试验只要开到正式试验的30％即可检查试验系统是否处于正常状态。而本发明中的预试验，为了能够检测到预试验动圈最大电流值I₁则要求开到100％，这也是所谓“在满足正式振动试验参数的前提下”的含义所在。否则无法检测到动圈最大电流值I₁，给接下来的自动调整带来问题。

2、上述方案中，所述“预试验动圈最大电流值I₁”是指预试验过程中，电动振动台在满足正式振动试验参数的前提下检测到的功率放大器输出到动圈的最大电流值。由于预试验过程中动圈电流通常处于波动状态，因此检测最大电流值作为励磁输出电压的调整依据是合适的。为了获得最大电流值可以采用比较和寄存相结合的方法来实现，比如将第一取样值保存在寄存器中，将接下来的第二取样值与保存的第一取样值进行比较，当第二取样值大于第一取样值时，替换第一取样值，反之，不替换，以此类推寄存器中始终保存的是最大值。

3、上述方案中，所述“动圈额定电流值”是指满推力条件下动圈所需的最大电流，即电动振动台设计时的额定电流值。所述“动圈保护电流值”是指电动振动台动圈所能承受的极限电流值，当动圈电流超过此保护电流值时系统自动发生保护。一般情况下，“动圈保护电流值”大于“动圈额定电流值”。本发明选择上述两者之一的电流值作为I₂均可。

4、上述方案中，励磁电压自动调整是在预试验结束后，正式试验前一次性进行，为了保证系统连续稳定的运行，正式试验过程中不再进行新的调整，以免影响振动台的试验精度。当振动试验系统进行新的振动试验时，再根据新的被测设备或部件进行新的调整。

5、上述方案中，所述“根据动圈电流与电动振动台推力成正比的关系”是依据以下原理：

电动振动台的推力

F＝k_A×B×L_A×I_A    (1)

式中：F是电动振动台推力

k_A是系统的系数，当系统确定后该系数为常量

B是直流励磁线圈及磁钢所提供的恒定磁感应强度

L_A是动圈导线长度

I_A是通过动圈导线的电流

B＝k_B×N×I_B    (2)

式中：B是直流励磁线圈及磁钢所提供的恒定磁感应强度

k_B是导磁介质系数，与导磁介质(磁钢)有关

N是励磁线圈的匝数

I_B是通过励磁线圈的电流

将(2)式代入(1)式可以看出，电动振动台推力F正比于I_A与I_B的乘积，当通过励磁线圈的电流I_B确定后，如果通过动圈导线的电流I_A减小，说明电动振动台推力F也相应减少；如果减小励磁线圈的电流I_B可以通过增加通过动圈导线的电流I_A来保持电动振动台推力F不变。本发明正是利用这一原理，根据试验量级大小的需要，通过降低励磁电流，来减少励磁线圈的发热量，一方面可以节约能源，另一方面可以延长系统的使用寿命。当励磁线圈的电流I_B减小后，系统控制仪自动增加通过动圈导线的电流I_A来保持电动振动台推力F不变。由于励磁线圈的额定励磁输出电压值是在系统能够产生最大推力的前提下设计的，当这样的系统开始工作后，无论振动试验处于什么试验量级大小励磁线圈的电流都是恒定的，发热量很大，也浪费了很多电能。而减小励磁线圈的电流I_B后，与增加的动圈导线的电流I_A相比，具有明显的节能效果。

6、上述方案中，在控制电路中，闭环调整励磁输出电压，包含有一励磁输出电压检测电路，该检测电路的输出值通过与目标值进行比较来控制励磁输出电压的调整。

7、上述方案中，所述“维持该励磁输出电压至重新选择调整或功率放大器重新启动”有以下两种方式：

(1)在励磁输出电压调整到目标值之后，利用闭环调整控制的自身特性来维持励磁输出电压的稳定。

(2)在励磁输出电压调整到目标值之后，直接保持导通角或脉冲宽度占空比大小不变来维持励磁输出电压的稳定。

本发明工作原理是：利用功率放大器输出的电流与振动台推力成正比的原理，通过预试验过程测量功率放大器的输出电流，从而间接的测量了振动台的推力。然后通过控制电路计算得到调整励磁输出电压目标值V₁，并采用闭环控制调整的方式将励磁输出电压调整到该目标值，最终达到控制流经励磁线圈电流的目的。调整励磁输出电压目标值V₁与功率放大器输出电流I₁间的关系根据不同的电动振动系统预先设置在控制电路中，保证了励磁电压在调整后能满足试验要求，而且励磁输出电压可以无级连续调整，调整范围为100％-50％，50％以下无实际应用可能。励磁电压在预试验调整后，正式试验过程中不再进行新的调整，以免影响振动台的试验精度。由于励磁线圈的发热量与励磁电流的平方成正比即Q_热＝I_励磁 ²×R×t，大的励磁电流会使励磁线圈产生很大的热量，线圈长期工作于最大发热量将影响整个试验系统的可靠性和使用寿命。在励磁电流I_励磁降低时，磁感应强度B也相应降低，由公式F＝k_A×B×I_动圈×L_动圈可知，提高动圈电流I_动圈就可以提高系统推力，只要保证动圈电流I_动圈低于动圈最大允许电流就可使得系统的发热量大大降低，可靠性得到保障。振动试验系统本身是闭环控制系统，在磁感应强度B降低时，控制仪自动加大输出到功率放大器的信号使得动圈电流I_动圈自动增加，而这个自动增加过程是由控制仪与振动加速度测量传感器构成的闭环控制系统来实现。

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、本发明提供了电动振动台根据实际输出推力的大小自动检测调整励磁输出电压的方法，在使用中根据预试验的量级，自动调制励磁电源输出电压，通过降低励磁电压降低线圈的发热量提高系统的可靠性，延长振动台的使用寿命。

2、本发明在励磁功率降低时，保证了动圈不会工作于大电流的状态，从而使得系统的可靠性得到保障。

3、本发明是根据功率放大器输出电流自动调整励磁电压输出，不但使用简单方便，还节约了能源。

附图说明

附图1为电动振动台工作原理图；

附图2为电动振动台励磁电压自动调整原理图；

附图3为三相可控硅励磁整流输出调压原理图；

附图4为励磁输出脉宽调制(PWM)调压原理图。

以上附图中：1、台体；2、励磁线圈；3、动圈；4、工作台；5、环形空隙。

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：一种电动振动台励磁电压自动调整方法

假设系统满推力运行时动圈额定电流值I₂是1000A；额定励磁输出电压值V₂是100V；调整系数δ选择0.1。

如图2所示，电动振动台励磁电压自动调整系统主要由电流检测电路、控制电路和励磁电压调整电路组成，其中，控制电路与励磁电压调整电路构成闭环控制调整。另外，加速度测量传感器、控制仪以及功率放大器构成一个自动增加动圈电流的闭环控制系统。

本发明励磁电压自动调整方法如下：

(1)在被测试验设备或部件安装到电动振动台后，利用电动振动台开机预试验过程，并在满足正式振动试验参数的前提下通过电流检测电路检测功率放大器输出到动圈的预试验动圈最大电流值I₁为600A。

(2)预试验结束后，根据动圈电流与电动振动台推力成正比的关系，利用检测到的预试验动圈最大电流值I₁，在控制电路中通过以下计算公式自动计算出调整励磁输出电压目标值V₁：

V₁＝(I₁/I₂+δ)×V₂＝(600A/1000A+0.1)×100V＝70V

(3)利用控制电路，通过调节可控硅励磁整流模块的导通角的方式，或者通过调制开关电源的脉冲宽度占空比的方式，闭环调整励磁输出电压至目标值。

(4)在励磁输出电压调整到目标值之后，维持该励磁输出电压至重新选择调整或功率放大器重新启动。

在控制电路中，闭环调整励磁整流模块的输出电压，包含有一励磁输出电压检测电路，该检测电路的输出值通过与目标值进行比较来控制励磁输出电压的调整。一般来说，励磁调压电路有两种形式，第一种是采用可控硅励磁调压整流模块，第二种是采用开关电源励磁调压模块。对于第一种形式可以通过调节可控硅的导通角的方式来调整励磁输出电压，见图3所示。可在控制电路的控制下实现输出直流电压的无级调整。G1至G6端是控制端，在控制电路的控制下，控制可控硅的导通相位。采用可控硅整流模块作为整流单元，可使输出电压进行平滑调节，满足了在预试验运行结束后，励磁电压可连续调整的要求。对于第二种形式可以通过调制脉冲宽度占空比的方式来调整励磁输出电压，见图4所示。其基本电路结构和调制原理如下：PWM调压电路主要由三角波发生器、PWM电路、信号分配器和驱动电路组成。PWM发生电路是采用三角波发生器产生的三角波放大后与一路可调直流电压进行比较，电压比较器输出的是一系列方波信号。如果控制信号大小改变，那么方波脉冲宽度将会改变，从而达到输出电压调整的目的。

本发明中，为了保证系统连续稳定的运行，预试验后将励磁输出电压一次调整到位，并维持励磁输出电压至重新选择调整或功率放大器重新启动。维持励磁输出电压的方式有以下两种：

(1)在励磁输出电压调整到目标值之后，利用闭环调整控制的自身特性来维持励磁输出电压的稳定。

(2)在励磁输出电压调整到目标值之后，直接保持导通角或脉冲宽度占空比大小不变来维持励磁输出电压的稳定。

自动调整励磁输出电压过程说明如下：

(1)控制仪设置好振动试验程序，准备振动试验。

(2)启动功率放大器。

(3)选择励磁输出电压自动调整(也可以不调整)。

(4)运行预试验，预试验进行时，控制电路始终检测功率放大器的输出电流(即输入动圈线圈的电流)，并取样最大值。

(5)控制电路把取样记录下的最大电流值，代入计算公式计算产生励磁输出电压的目标值。

(6)通过比较控制电路产生控制信号至励磁电压调整电路，直至励磁电压达到目标值。因为控制器件和执行器件都是电子元器件，所以调整时间是短暂的。调整结束后，系统除重新选择自动调整外，不再进行励磁电压调整，但系统重新启动时自动恢复额定励磁输出电压。

本发明自动调整励磁输出电压适用范围如下：

(1)本试验所需振动台最大推力与振动台额定推力相比较小，有较大差距，比如20％以上。

(2)适用于做长时间的振动试验，比如2小时。而短时间振动试验意义不大。

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 (4)

1.一种电动振动台励磁电压自动调整方法，其特征在于包括如下内容：

(1)在被测试验设备或部件安装到电动振动台后，利用电动振动台开机预试验过程，并在满足正式振动试验参数的前提下通过电流检测电路检测电动振动台的功率放大器输出到动圈的预试验动圈最大电流值I₁；

(2)预试验结束后，根据动圈电流与电动振动台推力成正比的关系，利用检测到的预试验动圈最大电流值I₁，在一控制电路中通过以下计算公式自动计算出调整励磁输出电压目标值V₁：

V₁＝(I₁/I₂+δ)×V₂

式中：

V₁为调整励磁输出电压目标值；

I₁为预试验动圈最大电流值；

I₂为满推力运行时动圈额定电流值，或者为动圈保护电流值；

δ为调整系数，取值范围在0～0.2之间，包括两个端点值；

V₂为额定励磁输出电压值；

(3)利用控制电路，通过调节可控硅励磁整流模块的导通角的方式，或者通过调制开关电源的脉冲宽度占空比的方式，闭环调整励磁输出电压至目标值；

(4)在励磁输出电压调整到目标值之后，维持该励磁输出电压至重新选择调整或功率放大器重新启动。

2.根据权利要求1所述的电动振动台励磁电压自动调整方法，其特征在于：在控制电路中，闭环调整励磁输出电压，包含有一励磁输出电压检测电路，该检测电路的输出值通过与目标值进行比较来控制励磁输出电压的调整。

3.根据权利要求2所述的电动振动台励磁电压自动调整方法，其特征在于：在励磁输出电压调整到目标值之后，利用闭环调整控制的自身特性来维持励磁输出电压的稳定。

4.根据权利要求2所述的电动振动台励磁电压自动调整方法，其特征在于：在励磁输出电压调整到目标值之后，直接保持导通角或脉冲宽度占空比大小不变来维持励磁输出电压的稳定。

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