CN101937198B - 一种振动状态控制装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种振动状态控制装置及其控制方法，装置包括数字处理器、隔离器、数字控制器、振动驱动器、振动装置、加速度传感器、人机界面；数字处理器将振动控制信号送入数字控制器，数字控制器产生驱动信号及其相位信息，并将驱动信号传送到振动驱动器，振动驱动器驱动振动装置振动，隔离器用于数字处理器和数字控制器的强弱电隔离，其中加速度传感器采集振动装置的加速度信号输入数字处理器，数字控制器将驱动信号的相位信息以相位同步信号的形式送入数字处理器；数字处理器对两路输入信号进行鉴相，得到振动装置的振动状态，以及振动装置的工作点在谐振曲线的位置，对振动装置的振动状态及工作点进行调整。本发明特点在于高效快速的控制振动状态。
Description
技术领域
本发明属于自动控制的技术领域，用于振动装置的控制，为一种振动状态控制装置及其控制方法。
背景技术
随着电子技术和检测技术的发展，许多振动控制器在控制过程中加入了反馈环节，通常是采用加速度或位置传感器感知振动装置的振幅和频率信息，送给数字处理器进行处理进而调整振动驱动器的激励信号。这种控制方法可以有效的改善振幅和频率的稳定性，但也存在以下不足：
1、在很多应用场合，振动装置本身的质量、阻尼等机械特性并不稳定，使得振动装置的固有频率发生变化，所以传感器需要采集多组数据才能从中分析出固有频率的变化趋势。
2、传感器采集到的数据是振动装置已经发生变化后的信息，所以并不能实时的进行分析计算，延缓了调整的速度。
3、控制电路的强电部分容易对弱电部分产生干扰，并且整个电路受工作环境如温度等因素的影响，影响传感器采集数据的精度。
发明内容
本发明要解决的问题是：现有对振动装置采用的反馈控制不能有效快速应对振动装置本身及其应用场合带来的影响，振动控制系统的调节控制精度和控制速度不能满足需求。
本发明的技术方案为：一种振动状态控制装置，包括数字处理器、隔离器、数字控制器、振动驱动器、振动装置、加速度传感器、人机界面；其中数字处理器的输出端通过隔离器连接数字控制器的输入端，数字控制器的输出端分两路，一路经隔离器连接数字处理器的输入端，一路连接振动驱动器的输入端，振动驱动器的输出端接振动装置的输入端，振动装置的输出端接加速度传感器的输入端，加速度传感器的输出端接数字处理器的输入端，人机界面与数字处理器相接。
上述振动状态控制装置的控制方法，数字处理器将振动控制信号送入数字控制器，数字控制器接收到信号后，产生驱动信号和驱动信号的相位信息，并将驱动信号传送到振动驱动器，振动驱动器驱动振动装置振动，隔离器将处于装置弱电部分的数字处理器和强电部分的数字控制器隔开，其中
数字处理器接收两路输入信号进行分析处理：
第一路为加速度传感器采集的振动装置的加速度信号，数字处理器从加速度信号中得出振动装置的振动信息，包括振动相位、振幅和振动频率信息；
第二路为驱动信号的相位信息，数字控制器将驱动信号的相位信息以相位同步信号的形式送入数字处理器；
数字处理器对两路输入信号进行鉴相，获得两组信号相位差
通过所述相位差
振动装置的振幅和振动频率信息，数字处理器得到振动装置的振动状态，以及振动装置的工作点在谐振曲线的位置，对振动装置的振动状态及工作点进行调整。
进一步的，数字处理器接收的两路输入信号经混频、滤波后进行鉴相，鉴相时在相位同步信号中加入人为相移，使得振动装置的工作点移动到谐振曲线希望的位置。
本发明为一种快速响应的振动状态控制装置及控制方法，增加了数字控制器和数字处理器之间的反馈环节，使得系统能够准确及时的对振动装置的变化做出反应，以达到更高的振动稳定性。
通常的振动控制装置是将传感器感知的振幅信息作为振动调节的唯一依据。但由于振动装置机械特性并不稳定，使得装置本身的固有频率发生变化，所以从多组振幅数据变化才能分析谐振点的位置进行调节。这样进行调节时间就被延迟，此时频率的偏离量已经比较大，给振动的稳定性带来了不利影响。
本发明通过相位差来调整振动装置的振动状态，相位差的信号来源分别为产生驱动信号的数字控制器和加速度传感器，数字处理器分析振动加速度信号得出振动装置的相位信号，然后与数字控制器传来相位同步信号进行比较来获知两路信号相位差。振动装置机械特性和周围环境的变化，必然造成加速度传感器检测的振动相位信号与数字控制器输出的相位同步信号的相位差
的变化。数字处理器比较
的变化，可以预估振动装置振动频率变化趋势，来决定增大还是减小振动装置的频率。
当采用本发明的两路信号混频后滤波的方法进行鉴相的过程中，如果振动装置的工作点在谐振曲线的某些点，如图2的A点附近，会使得数字处理器难以判断调节方向或调节的效率比较低，因为相频曲线(曲线2)与A点相对应处的斜率较小，
随频率的变化不明显，振动驱动器的工作效率也很低；因此本发明在引入驱动信号的相位信息作为第二路反馈后，进一步在其中人为的加入一段相移，调整振动装置的工作点，使得振动装置的工作点移动在谐振曲线中希望的位置，如B、C点附近，工作点靠近谐振点时，的变化很明显，而且由于此时谐振曲线斜率较大，驱动器的效率被大大提高。此时，数字处理器根据加速度信号中的振幅变化信息调节振动控制信号中的振幅信息，可以提高振动驱动器的工作效率。
通过数字处理器和人机交互设备如键盘、显示器等进行振动状态的设定和当前振动状态的显示。
本发明通过加速度传感器同时检测振动装置的振幅和相位信息，并与数字控制器反馈的相位信息进行综合比较，达到双闭环的效果。对振动的控制，并不单纯根据加速度传感器的信息进行检测，而是通过将其与数字控制器产生的振动驱动信号的相位信息进行比较得到两者相位差值的变化，从而判定振动频率的变化趋势，准确及时的调节振动状态。
有益效果：本发明特点在于高效快速的控制振动状态。
1.数字处理器接收加速度传感器感知的振动信息和数字控制器传送的相位同步信息，并通过两路信号的相位差来直接获得此时工作点在谐振曲线的位置，从而判定此时振动驱动器的工作效率，而传统控制方法不能做到这一点；
2.相位同步信号的反馈输入还能让我们可以调整工作点在谐振曲线的位置，改善振动驱动器的驱动效率；
3.控制电路中加入隔离器隔开了系统强电部分的数字控制器和弱电部分的数字处理器，减小了强电对弱电的干扰，提高了系统稳定安全性。
附图说明
图1是本发明的系统框图。
图2为本发明振动装置的谐振曲线和相位差与工作频率的关系示意图。
具体实施方式
如图1，本发明包括数字处理器1、隔离器2、数字控制器3、振动驱动器4、振动装置5、加速度传感器6、人机界面7；其中数字处理器1的输出端通过隔离器2连接数字控制器3的输入端，数字控制器3的输出端分两路，一路经隔离器2连接数字处理器1的输入端，一路连接振动驱动器4的输入端，振动驱动器4的输出端接振动装置5的输入端，振动装置5的输出端接加速度传感器6的输入端，加速度传感器6的输出端接数字处理器1的输入端，人机界面7与数字处理器1相接。
通过人机界面7设定振动状态，数字处理器1通过输出端口输出振动状态对应的振动控制信号经隔离2到数字控制器3；振动控制信号中包含振动的振幅和频率的调整信息。数字控制器3接收到振动控制信号后，产生驱动信号和驱动信号的相位信息，并将驱动信号传送到振动驱动器4，振动驱动器4将产生振动激励信号，驱动振动装置5振动，振动装置5根据振动激励信号调整振动状态，此振动状态被加速度传感器6感知转换为加速度信号送入数字处理器1，获得相应相位信息。隔离器2将处于装置弱电部分的数字处理器1和强电部分的数字控制器3隔开，其中
数字处理器1接收两路输入信号进行分析处理：
第一路为加速度传感器6采集的振动装置5的加速度信号，数字处理器1从加速度信号中得出振动装置5的振动信息，包括振动相位、振幅和振动频率信息；
第二路为驱动信号的相位信息，数字控制器3将驱动信号的相位信息以相位同步信号的形式送入数字处理器1；
数字处理器1对两路输入信号进行鉴相，获得两组信号相位差通过所述相位差振动装置5的振幅和振动频率信息，数字处理器1得到振动装置5的振动状态，以及振动装置5的工作点在谐振曲线的位置，对振动装置5的振动状态及工作点进行调整。
数字处理器1是非常重要的组成部分，加速度信号和振动激励信号存储、转换，输出振动控制信号的调节以及振幅、相位、频率数据的计算和分析，都是由数字处理器1完成，可以选择单片机、ARM系列处理器或DSP等实现。
数字控制器2主要用于接收数字处理器1的振动控制信息，并产生驱动信号和相位同步信号，可以选择单片机或DSP等来实现。
对于模拟量输出的加速度传感器，要先对信号进行A/D转化。A/D采样的精度影响了相位信号的精度，输出的振动控制信号的调节精度决定了频率和振幅的精度。A/D转换器可以使用数字处理器1内部集成A/D模块或外接A/D芯片实现。
对于直接以数字量输出的加速度传感器，只需将信号直接送入数字处理器1处理即可。
数字处理器1使用锁相环将相位同步信号恢复成同相位或有恒定相位差的正弦信号，然后将其与加速度信号通过乘法器相乘并滤波得到两路信号相位差的分量。
设两路信号分别表示为
和
其中
在乘法器后加一个低通滤波器得到分量
也就得到了相位差
通过改变数字处理器1的锁相环中的移相器的相位来改变
可以调整工作点点在谐振曲线的位置，也就是通过人为相移调整工作点在谐振曲线的位置，改善振动驱动器的驱动效率。
加速度信号通过积分算法可得到振幅信息，数字处理器1根据振幅信息调整振动控制信号。
数字处理器1通过
变化判定出振动装置的振动变化趋势，改变振动控制信号中的频率信息将工作点稳定到谐振点。
数字处理器1利用积分算法将加速度信号转变成振幅信息，工作在谐振点时改变振动控制信号中的振幅信息使得振动幅度稳定在设定值。
本发明的特点之一在于数字控制器3同时产生了驱动信号及其相位同步信号，不需要采用相位检测单元，而是通过数字控制器3直接将驱动信号的相位反馈给数字处理器1。首先它配合加速度传感器6使我们在检测中得到了两路相位信息，直接得到振动状态的变化；
其次，数字处理器1通过调节锁相环中移相器对相位同步信息人为移相，可以将振动装置工作点移到谐振曲线中希望的位置，来提高振动驱动器的工作效率，增加系统的灵敏度。
Claims (2)
1. 一种振动状态控制装置，其特征是包括数字处理器(1)、隔离器(2)、数字控制器（3）、振动驱动器（4）、振动装置（5）、加速度传感器（6）、人机界面（7）；其中数字处理器（1）的输出端通过隔离器（2）连接数字控制器（3）的输入端，数字控制器（3）的输出端分两路，一路经隔离器(2)连接数字处理器（1）的输入端，一路连接振动驱动器（4）的输入端，振动驱动器（4）的输出端接振动装置（5）的输入端，振动装置（5）的输出端接加速度传感器（6）的输入端，加速度传感器（6）的输出端接数字处理器（1）的输入端，人机界面（7）与数字处理器（1）相接；
数字处理器(1)将振动控制信号送入数字控制器（3），数字控制器（3）接收到信号后，产生驱动信号和驱动信号的相位信息，并将驱动信号传送到振动驱动器（4），振动驱动器（4）驱动振动装置（5）振动，隔离器（2）将处于装置弱电部分的数字处理器（1）和强电部分的数字控制器（3）隔开，其中
数字处理器（1）接收两路输入信号进行分析处理：
第一路为加速度传感器(6)采集的振动装置（5）的加速度信号，数字处理器(1)从加速度信号中得出振动装置(5)的振动信息，包括振动相位、振幅和振动频率信息；
第二路为驱动信号的相位信息，数字控制器（3）将驱动信号的相位信息以相位同步信号的形式送入数字处理器（1）；
数字处理器(1)对两路输入信号进行鉴相，获得两组信号相位差 
，通过所述相位差
、振动装置(5)的振幅和振动频率信息，数字处理器（1）得到振动装置（5）的振动状态，以及振动装置（5）的工作点在谐振曲线的位置，对振动装置（5）的振动状态及工作点进行调整。
2.根据权利要求1所述的振动装置控制装置，其特征是数字处理器（1）接收的两路输入信号经混频、滤波后进行鉴相，鉴相时在相位同步信号中加入人为相移，使得振动装置（5）的工作点移动到谐振曲线希望的位置。
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