CN101498615B - 电动式道路模拟振动台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动式道路模拟振动台，属于道路振动测试技术领域，其特征在于，含有：依次由电机驱动器、伺服电机、联轴器、固定着被测试部件的工作台以及丝杠组成的执行机构、由数据采集卡和位移传感器串接构成的数据采集装置、以及计算机；由计算机向电机驱动器输出模拟道路垂直位移的、以脉冲电压形式表示的道路运动，使伺服电机产生旋转运动，进而转换成丝杠的直线运动，以驱动被测试部件模拟路面的垂直位移运动，经数据采集装置采集被测试部件的位移后，向所述计算机输入相应的数字信号。本发明具有运行稳定、可控性好、响应快、灵敏度高、线性度好等优点。

Description

电动式道路模拟振动台

技术领域

本发明涉及物理：测量；测试技术领域。以伺服电机、丝杠、传感器组、数据采集卡以及计算机控制系统等组成的道路模拟振动台系统，结构紧凑、激振力大、响应快、波形好、易于控制。

背景技术

道路模拟试验是20世纪60年代发展起来的一种室内试验技术。随着现代控制技术以及计算机技术的发展，道路模拟试验已成为汽车工业的一项主要试验项目。进行道路模拟试验的主要设备有测功机、四柱振动模拟台和振动台，前两种主要用于整车的试验，后一种主要用于汽车零部件的试验。振动台是进行汽车及其零部件的室内道路模拟试验的关键设备。它可以产生各种形式的振动，从而能够在室内再现各种典型的路面激励，模拟汽车在不平路面行驶时整车及其零部件的随机振动工况，达到快速准确地对系统性能进行评价的目的。

目前各汽车厂家的道路模拟试验设备基本上为进口设备，主要为美国MTS和德国Scheck公司的产品，价格比较昂贵，因此高校及其它研究机构很难具有配备振动台的经济实力。而国内自主开发的用于道路模拟试验的振动台还比较少。振动台根据动力源的不同主要分为三种：机械式、电动式和电液式。目前，国内自主开发的振动台主要是电液式和机械式的。机械式振动台虽然价格比较低廉，但其低频波形失真大；电液式振动台虽然波形效果较好，但体积庞大、不易控制且成本较高。而电动式执行机构具有体积小、效应快、易于控制等优点，逐渐成为执行机构未来的发展方向。因此本发明充分发挥电动式执行机构的优点，研制出一种可准确模拟路面波形的电动振动台，以测试车辆行驶时各零部件的运行工况，为研究者们提供一个零部件性能评价的振动平台，从而缩短产品开发的周期并降低开发成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、响应快、易于控制的电动式道路模拟振动台。

本发明的特征在于，含有：计算机、数据采集装置以及执行机构，其中：

执行机构由电机驱动器、伺服电机、联轴器、工作台以及丝杠依次连接构成，其中：

电机驱动器，设有道路波形信号输入端，.所述道路波形信号是模拟路面垂直位移的脉冲电压序列，所述电机驱动器在接收到所述道路波形信号后，驱动所述伺服电机发生相应的旋转运动，所述丝杠把所述伺服电机的旋转运动转换为直线运动，从而驱动所述工作台固定着的被测试部件产生与所述道路波形相对应的位移，

数据采集装置，由数据采集卡和位移传感器串接构成，所述位移传感器连接到所述被测试部件上，把所述被测试部件的水平位移向所述数据采集卡输入位移电压信号，经模/数转换后输入到计算机，

计算机设有所述道路波形信号u(t)的输出端，该输出端与所述数据采集卡的数字信号输入端相连，并通过所述数据采集卡的数字信号输出端送往所述电机驱动器，该计算机同时设有：经过所述数据采集卡模/数变换后再输出的位移信号输入端，所述计算机按下式计算使所述被测试部件模拟所述路面的一次垂直位移运动所需要的向电机驱动器输入的脉冲数N：

$N=\frac{S}{T_s}\·P,$ 其中

P为所述电机驱动器的编码器的分辨率，单位为所述伺服电机转1周时需要向所述电机驱动器输入的脉冲数，

S为所述路面的垂直位移，

T_s为所述丝杠的导程。

上述技术方案具有如下优点：本发明通过以电动式执行机构实现的道路模拟振动台，将脉冲电压序列转换为旋转运动，并将所述旋转运动转换成直线运动，以驱动被测试部件模拟路面的垂直位移运动，所述电动式道路模拟振动台的成本低、体积小、响应快、运行稳定、可控性好、灵敏度高、线性度好。

附图说明

图1是电动式道路模拟振动台的系统框图；

图2是系统的计算机程序流程框图。

具体实施方式

本发明以伺服电机和丝杠构成振动台的执行机构，以高精度传感器和数据采集卡构成振动台的数据采集装置，以计算机及软件部分构成振动台的控制系统，充分发挥电动式执行机构体积小、响应快、易于控制的优点，使得本发明具有结构紧凑、激振力大、响应迅速、波形好、成本低等特点。

(一)硬件部分

电路振动台的硬件组成如附图1所示，它主要由三部分组成：执行机构、数据采集装置和计算机控制系统。下面对这三大部分做详细介绍。

(1)执行机构

该部分主要由电机驱动器、伺服电机、丝杠和工作台组成。配套使用的电机驱动器完成功率放大并实现对电机的初级控制，伺服电机与丝杠之间通过法兰连接，与丝杠相连的工作台用于固定被测试的部件。首先，当接收到脉冲形式的道路波形信号之后，电机驱动器将会驱动伺服电机发生相应的旋转运动；然后，丝杠将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，从而驱动被测试部件产生与所给道路波形相对应的直线振动。

本发明采用的是交流伺服电机，具有运行稳定、可控性好、响应快、灵敏度高和线性度好等优点。而丝杠能够精确地将旋转运动转换成直线运动，具有传动效率高、定位准确等特点，且频繁换向时无需间隙补偿。因此，即使不采用闭环控制，该执行机构也能保证振动台获得较高的精度；同时，电动式执行机构极大地减小了振动台的体积。

(2)数据采集装置

数据采集装置由数据采集卡、位移传感器构成。

数据采集卡采用美国国家仪器公司(National Instruments，NI)的PCI-6221，可以方便地插入到计算机的PCI插槽，同时PCI-6221还可以方便地通过数据线与执行机构相连。该数据采集卡具有16路的16bits的模拟输入，2路16bits的模拟输出，最大输出速率为250kS/s，同时还有24路时钟频率为1MHz的数字I/O。

位移传感器用于测量振动台的实际位移，采用上海天沐自动化仪表公司生产的量程为75cm的NS-WY03位移传感器。该型号传感器具有精度高、误差小、分辨率高、移动舒畅和平滑等优点。传感器与变送器采用一体式结构，信号输出范围为0～10V。

该系统的主要作用是：将振动台的实时状态通过传感器和数据采集卡反馈回计算机，与计算机内的软控制器构成反馈系统，从而进一步提高振动台的精度。

(3)计算机控制系统

该部分主要由一台计算机以及软件系统构成。该部分的主要作用是：与数据采集装置相连，生成道路波形信号、对振动台进行闭环控制并监控振动台的工作状态。

(二)方法

本发明的原理图如附图2所示。

·第一，由计算机生成道路波形(路面垂直位移)，将其与振动台实际位移进行比较之后，经过软件控制器计算得到一个需要补偿给电机驱动器的脉冲信号。其中，脉冲信号的计算方法为如下：

令垂直位移为S，计算机向电机驱动器输入的脉冲数为N，电机驱动器的编码器的分辨率为P(伺服电机转1圈，需要向电机驱动器输入P个脉冲)，丝杠的导程为T_s。于是，若需要振动台产生大小为S的位移，需要给电机驱动器输入的脉冲数N可用下式计算：

$N=\frac{S}{T_s}\·P.$

·第二，该脉冲信号通过数据采集卡PCI-6221的DO口传递给电机驱动器，进而驱动伺服电机产生一定速度的旋转运动。

·第三，丝杠将伺服电机的旋转运动转换成直线运动，从而带动工作台产生与给定道路波形相一致的振动。

·最后，振动台的实际工作状态通过位移传感器和PCI-6221的A/D口返回至计算机，这样就使得本发明所设计的振动台系统成为一个闭环控制系统。同时，该系统还可以通过计算机监控振动台的实时状态。

Claims (1)

1.电动式道路模拟振动台，其特征在于，含有：计算机、数据采集装置以及执行机构，其中：

执行机构由电机驱动器、伺服电机、联轴器、工作台以及丝杠依次连接构成，其中：

电机驱动器，设有道路波形信号输入端，所述道路波形信号u(t)是模拟路面垂直位移的脉冲电压序列，所述电机驱动器在接收到所述道路波形信号u(t)后，驱动所述伺服电机发生相应的旋转运动，所述丝杠把所述伺服电机的旋转运动转换为直线运动，从而驱动所述工作台固定着的被测试部件产生与所述道路波形相对应的位移，

数据采集装置，由数据采集卡和位移传感器串接构成，所述位移传感器连接到所述被测试部件上，把所述被测试部件的水平位移向所述数据采集卡输入位移电压信号，经模/数转换后输入到计算机，

计算机设有所述道路波形信号u(t)的输出端，该输出端与所述数据采集卡的数字信号输入端相连，并通过所述数据采集卡的数字信号输出端送往所述电机驱动器，该计算机同时设有：经过所述数据采集卡模/数变换后再输入的位移信号输入端，所述计算机按下式计算使所述被测试部件模拟所述路面的一次垂直位移运动所需要的向电机驱动器输入的脉冲数N：

$N=\frac{S}{T_s}\·P,$ 其中

P为所述电机驱动器的编码器的分辨率，单位为所述伺服电机转1周时需要向所述电机驱动器输入的脉冲数，

S为所述路面的垂直位移，

T_s为所述丝杠的导程。

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