CN102887345A - 基于观测法的压电振动送料器无传感器调速控制器及方法 - Google Patents

Abstract

基于观测法的压电振动送料器无传感器调速控制器及方法，属于机电系统测控技术领域。其特征是将送料速度、物料重量、压电振子电荷振幅采样电压和压电振子驱动电压振幅之间的频域动态模型简化为谐振频带内的静态模型，提供了根据压电振子电荷振幅的变化来调整驱动电压的调速控制算法；提供的无传感器控制器包括整流滤波稳压电路、逆变电路、驱动电压滤波电路、采样电阻、压电振子电荷提取电路、处理器、显示面板和键盘，压电振子电荷提取电路包括线性光电耦合电路、低通滤波器、积分电路和峰值保持电路。本发明的效果和益处是压电振子兼作激振器和传感器，调速控制无需额外振幅传感器，应用于现有压电振动送料器时不需改动本体结构。

Description

基于观测法的压电振动送料器无传感器调速控制器及方法

技术领域

本发明属于机电系统的测控技术领域，涉及到压电振动送料器平稳输送零件的控制技术，特别是采用观测法从压电振子元件本身获取送料器振动速度、在无附加振动传感器的情况下实现闭环速度控制的方法。

背景技术

振动送料器是现代自动化生产装配系统中不可或缺的设备。压电振动送料器的工作原理是逆压电效应，给压电振子施加谐振频率下的交流电压，压电振动臂产生振动从而带动送料器托盘振动，达到排列和输送物料的目的。压电式振动送料器最显著的优点是比传统电磁式振动送料器节省约70%的电能，另外，具有结构简单、构造轻便、占地小、送料速度容易调整、工作时电磁污染小等特点。压电振动送料器在谐振时送料速度快，所以压电振动送料器的驱动电压必须是谐波，一般是有效值200V左右、频率几十～几百Hz的正弦波。

国产压电振动送料器产品一般无闭环控制，存在随着物料减少振动幅度变大、送料不平稳的问题。虽然可以手动调节控制器给出的驱动电压，但是降低了自动化程度。高端压电振动送料器增加了对送料速度的闭环控制，包括有传感器控制和无传感器控制两种技术。有传感器控制技术是使用外部振幅检测传感器或者加速度传感器等获取压电振动臂的振动信息，反馈给控制器实现闭环控制。日本发明人屋木晋和高濑弘人在CN 1389384A中公开了基于外部传感器的压电振动送料器送料速度控制方法，该专利采用一个振幅传感器测量压电振动臂的振幅，处理器根据振幅反馈信号调整驱动电压。无传感器控制技术，或称为自感知执行技术，是利用正、逆压电效应，从送料器中压电振子本身提取振动信号，在不增加额外传感器的前提下仍能实现闭环控制。采用无传感器控制技术，不需在压电振动送料器内部安装其它振动传感器，可直接应用于服役中的压电振动送料器实现闭环调速控制，具有降低成本、节省空间、降低安装与维护难度的优点。

专利ZL200410020496.5公开了将压电振子电极分割出传感区的方法来实现振动信息检测，不适用于压电振子已封装完毕、结构与布线确定的压电振动送料器。专利ZL200710010410.4公开了压电振子在交替的时间分区内分别作激振器和振动传感器的方法，适用于低频振动情况，不适用于谐振频率在几百Hz的压电振动送料器。

发明内容

本发明的目的是提供一种压电振动送料器无传感器调速控制方法和无传感器调速控制器，给出一种谐振状态下送料速度和物料重量的观测方法及调速控制方法，解决现有压电振动送料器送料速度随物料的增减而变化的问题。利用压电振动送料器电学端口的电压和电荷观测机械端口的力和振动，利用压电振子本身提取振动速度信息，不需要使用额外的振幅传感器实现闭环速度控制。

本发明包括两方面：一是压电振动送料器送料速度和物料重量的观测方法及调速控制方法；二是无传感器调速控制器的设计。

本发明采用的压电振动送料器送料速度和物料重量的观测方法，其特征在于利用压电振子驱动电压和压电振子电荷观测送料速度和物料重量，根据压电元件正、逆压电效应，推导得出压电振子驱动电压和压电振子电荷与送料速度和物料重量的关系模型。压电振子10做长度伸缩振动，其应变S、应力T、电位移D与电场强度E之间应符合第一类压电方程：

$S_1=s_{11}^E{T}_1+d_{31}{E}_3---\left(1\right)$

$D_3=d_{31}{T}_1+{\mathrm{\ϵ}}_{33}^T{E}_3---\left(2\right)$

将式（1）和（2）中不直观的力学和电学量转换为直观的振动位移δ(t)、荷载力F(t)、电荷Q(t)和驱动电压V_in(t)。设压电振子10的长、宽、厚分别为l、w、h，简谐振动角频率为ω，式（1）和（2）分别转换为：

$\mathrm{\δ}\left(t\right)=\frac{s_{11}^{E}l}{\mathrm{wh}}F\left(t\right)+\frac{d_{31}l}{h}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)---\left(3\right)$

$Q\left(t\right)=\frac{d_{31}l}{h}F\left(t\right)+\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{33}^T\mathrm{lw}}{h}{V}_{\mathrm{in}}\left(t\right)---\left(4\right)$

压电振动送料器的送料速度υ (t)正比于压电振子10的振动速度，而压电振子10的振动速度是振动位移的导数；压电振子10的驱动电压是正弦波，因此，由式（3）导出压电振动送料器送料速度的频域表达式为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\υ}}\∝\mathrm{j\ω}\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}=\mathrm{j\ω}\frac{s_{11}^{E}l}{\mathrm{wh}}\stackrel{\·}{F}+\mathrm{j\ω}\frac{d_{31}l}{h}{\stackrel{\·}{V}}_{\mathrm{in}}---\left(5\right)$

式（5）表明送料速度υ (t)与荷载力F(t)和驱动电压V_in(t)之间存在相位差，这使模型复杂化。考虑到工程上不关心送料速度的相位、压电振子谐振状态下的振动位移增大，只提取式（5）中各变量振幅之间的关系，将频域动态关系模型简化为谐振频带内的静态关系模型，得到：

$\mathrm{\υ}=\mathrm{\γF}+\mathrm{\η}{V}_{\mathrm{in}}---\left(6\right)$

式中γ、η为比例系数，可用系统辨识方法确定；υ为送料速度，F为荷载力平均值，V_in为压电振子驱动电压的振幅。

要观测送料速度和物料重量两个量，还必须利用压电振子电荷，下面建立送料速度与压电电荷的关系。从式（3）和（4）中消去F(t)，得

$\mathrm{\δ}=\frac{s_{11}^E}{d_{31}w}Q-(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{33}^T{s}_{11}^{E}l}{d_{31}h}-\frac{d_{31}l}{h})V_{\mathrm{in}}---\left(7\right)$

进而送料速度υ (t)的频域表达式为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\υ}}\∝\mathrm{j\ω}\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}=\mathrm{j\ω}\frac{s_{11}^E}{d_{31}w}\stackrel{\·}{Q}-\mathrm{j\ω}(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{33}^T{s}_{11}^{E}l}{d_{31}h}-\frac{d_{31}l}{h}){\stackrel{\·}{V}}_{\mathrm{in}}---\left(8\right)$

电流的积分是电荷，通过与压电振子10串联的采样电阻14将压电振子电流转化为电压，再通过积分电路21和峰值保持电路22转化为压电振子电荷振幅电压，记为V_out。式（8）中变量前面的系数在频率固定时是常数，仍采用频域动态关系模型简化为谐振频带内的静态关系模型的办法，得送料速度的数值υ的观测公式为：

$\mathrm{\υ}=\mathrm{\α}{V}_{\mathrm{out}}-\mathrm{\β}{V}_{\mathrm{in}}---\left(9\right)$

式中V_out为压电振子电荷振幅采样电压，V_in为驱动电压振幅。

固定驱动电压振幅V_in，改变三次物料重量，以千克力为单位记录物料重量，记录相应的送料速度υ和压电振子电荷振幅采样电压V_out的数值，将物料重量作为载荷力F与V_in、υ一起代入式（6），用最小二乘法拟合出系数γ、η；将V_in、υ、V_out一起代入式（9），用最小二乘法拟合出系数α、β。式（6）和（9）即为本发明提出的送料速度和物料重量观测模型方程。

本发明采用的压电振动送料器送料速度调速控制方法，其特征在于，根据送料速度和物料重量的观测模型（6）和（9），在谐振频带内调整压电振子驱动电压的大小。由式（6）和（9）可得:

$\mathrm{\α}{V}_{\mathrm{out}}=\mathrm{\γF}+(\mathrm{\η}+\mathrm{\β})V_{\mathrm{in}}---\left(10\right)$

当物料刚刚增加或减少、驱动电压振幅V_in尚未调整时，式（10）变为：

$\mathrm{\α}(V_{\mathrm{out}}+\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{out}})=\mathrm{\γ}(F+\mathrm{\ΔF})+(\mathrm{\η}+\mathrm{\β})V_{\mathrm{in}}---\left(11\right)$

ΔV_out为压电振子电荷振幅采样电压的变化量，ΔF对应物料重量的变化量，式（11）减去式（10），得

$\mathrm{\ΔF}=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{out}}---\left(12\right)$

式（12）表明压电振子电荷振幅采样电压的增量ΔV_out与物料重量的增量ΔF为线性比例关系。当物料重量变化而速度υ被控制不变时，那么式（6）变为：

$\mathrm{\υ}=\mathrm{\γ}(F+\mathrm{\ΔF})+\mathrm{\η}(V_{\mathrm{in}}+\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{in}})---\left(13\right)$

比较式（6）和（13），要使υ不变，需要γ(ΔF)=-η(ΔV_in)。所以，

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{in}}=-\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\η}}\mathrm{\ΔF}---\left(14\right)$

将式（12）代入式（14），将不可直接测量的ΔF转换为可测变量ΔV_out

${\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{in}}=-\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\η}}{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{out}}---\left(15\right)$

式（15）表明要稳定速度只要提取压电振子电荷振幅信号V_out即可，当V_out变化时只要相应地改变驱动电压振幅V_in即可使送料速度保持平稳。这样，压电振子10作为传感器提供送料速度变化和物料重量变化反馈信息，作为激振器，当其上的驱动电压改变时可调整送料速度，实现了压电振子既作激振器又作传感器，即实现了对压电振动送料器的无传感器调速控制。对不同尺寸型号的压电振动送料器，只要采用辨识方法确定γ、η、α、β等比例系数即可适用，因此具有通用性。

本发明的第二方面是压电振动送料器无传感器调速控制器设计，无传感器调速控制器1的特征是：包括整流滤波稳压电路11、逆变电路12、驱动电压滤波电路13、采样电阻14、压电振子电荷提取电路15、处理器16、显示面板17和键盘18；整流滤波稳压电路11、逆变电路12和驱动电压滤波电路13输出正弦电压驱动压电振子10振动，其中逆变电路12采用全桥逆变，开关器件选用IGBT或功率MOS管，但要注意开关器件驱动电路应采用保护措施充分的专用驱动芯片；采样电阻14和压电振子电荷提取电路15从高压端提取压电振子电荷信号，传送给低压端的处理器16；压电振子电荷提取电路15包括线性光电耦合电路19、低通滤波器20、积分电路21和峰值保持电路22，线性光电耦合电路19的作用是隔离高压和低压电路，并通过线性光电耦合器与反馈放大器的配合使得信号被线性地传输，高压端压电电流经采样电阻14转换为电压，该电压经线性光电耦合电路19隔离后，传送给低通滤波器20；低通滤波器20的作用是滤除驱动电压频率以上的干扰，其输出端连接至积分电路21；积分电路21的作用是把电流转变为电荷，其输出端连接至峰值保持电路22；峰值保持电路22的作用是捕获压电振子电荷的振幅，该振幅作为反馈信号送给处理器16；处理器16 采集压电振子电荷振幅反馈信号，按照式(15) 运行控制算法，给出所需频率和占空比的SPWM波，作为逆变电路12的控制脉冲，进而调整施加于压电振子10上的驱动电压V_in(t)，处理器16可以是数字信号处理器DSP或微型计算机或单片机系统。

本发明的效果和益处是：采用观测模型使压电振子兼作激振器和传感器，无需额外的振幅传感器即可观测压电振动送料器送料速度，节省成本；在控制器中增加压电振子电荷反馈电路和无传感器控制算法，应用于现有压电振动送料器时不需改动本体结构，原有压电振动送料器技术升级方便。

附图说明

图1是压电振动送料器与无传感器调速控制器示意图。(a) 压电振动送料器内部结构简图；(b)无传感器调速控制器示意图。

图2是无传感器调速控制器组成示意图。

图3是压电振子电荷提取电路示意图。

图4是压电振子电荷提取电路的实施例电路图。(a)线性光电耦合电路高压端，(b) 线性光电耦合器；(c) 线性光电耦合电路低压端；(d)低通滤波器20的实施例；(e)积分电路21的实施例；(f) 峰值保持电路22的实施例。

图5是对0.5公斤压电振动送料器采用无传感器调速控制器控制结果示意图。横坐标为时间，单位为分钟。(a)螺钉数量随时间的变化，N为螺钉数量；(b)按算法施加到压电振子上的驱动电压随时间的变化；(c)采样电压随时间的变化；(d)稳定后的送料速度与预期速度误差百分比；(e)送料速度随时间的变化。

图中： 1无传感器调速控制器；2驱动电压正极端；3驱动电压负极端；4地线；5压电电极A；6压电电极B；7送料器底座；8送料器托盘；9市电电源线；10压电振子；11整流滤波稳压电路；12逆变电路；13驱动电压滤波电路；14采样电阻；15压电振子电荷提取电路；16处理器；17显示面板；18键盘；19线性光电耦合电路；20低通滤波器；21积分电路；22峰值保持电路。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。

实施例：本发明的理论基础是压电材料具有机电双向可逆压电效应，利用压电振子既作为激振器产生振动，又作为传感器反馈振动速度信息，从而控制送料速度。压电振动送料器与无传感器调速控制器如附图1所示，压电振动送料器内的四个振动臂上的压电振子是并联的，统称为压电振子10，将驱动电压正极端2与压电电极A 5连接，将驱动电压负极端3与压电电极B 6连接，将地线4与送料器底座7连接，将市电电源线9插入220V/50Hz市电插座，通过键盘18设定送料速度，无传感器调速控制器1依据控制方法产生所需的正弦驱动电压，压电振子10带动振动臂做简谐摆动，激励送料器托盘8振动，显示面板17显示驱动电压有效值和频率。

无传感器调速控制器1的组成如附图2所示，220V/50Hz市电经过整流滤波稳压电路11后成为260V直流电压，在处理器16的管理下，逆变电路12把此直流电压逆变为代表压电振动送料器所需频率和电压的SPWM波，SPWM波中的高次谐波经驱动电压滤波电路13滤除后，得到只含所需频率和电压大小的正弦驱动电压，此电压经过采样电阻14驱动压电振子10，采样电阻14为千分之一精度的100Ω精密电阻，采样电阻14上的分压小于2V，对压电振子驱动电压的影响忽略不计，压电振子电荷提取电路15提取压电电荷信号后传送给处理器16，处理器16按照控制算法计算后，决定输出控制逆变电路12的SPWM波的频率和占空比，从而调整施加到压电振子10的电压幅值和频率。

压电振子电荷提取电路15是无传感器调速控制器设计的关键，如附图3所示，压电振子电流经采样电阻14转换为电压，该电压经线性光电耦合电路19隔离高压端和低压端后，传送给低通滤波器20、积分电路21及峰值保持电路22，最终输出对应压电振子电荷峰值的采样电压V_out，作为反馈信号送给处理器16。

压电振子电荷提取电路15的核心是线性光电耦合电路19，线性光电耦合电路19由图4(a)～(c)组成，具体连接方式及注意事项如下：图4(a)是线性光电耦合电路高压端，由集成运算放大器CA3140、三极管S9012和电阻元件R₁~ R₄、电容元件C₁构成， V_in(t)是压电振子驱动电压，其中R₁是200kΩ精密电阻，输出端子led+、pd1+、pd1-连接至图4(b)的同名端子；图4(b)是线性光电耦合器，型号为HCNR200，由一个发光二极管和一对光敏二极管组成，led+和led –之间的发光二极管与pd1+和pd1-之间的光敏二极管连接在高压端，pd2+和pd2-之间的光敏二极管连接在低压端，两个光敏二极管有极高的耦合度，再配合上图4(a)和图4(c)的运放反馈电路，起到既隔离高压端、低压端信号，又使信号有极高线性度的作用，输出端子pd2-、pd2+连接至图4(c)的相应输入端子；图4(c)是线性光电耦合电路低压端，由集成运算放大器CA3140、电阻R₆和电容C₂组成，R₆是与R₁精度等级相同的200kΩ精密电阻，输出端子filter连接至图4(d)的filter端子。

图4(d)是低通滤波器20的实施例，是以集成运算放大器OP07为核心的三个二阶低通滤波器的级联，输出端子integration连接至图4(e)的integration端子。图4(e)是积分电路21的实施例，运算放大器应为低输入偏置电流、低输入失调电压运算放大器，选用OP07，经过积分运算的信号经输出端子peak连接至图4(f) 的peak端子。图4 (f) 是峰值保持电路22的实施例，其中运算放大器应为高输入阻抗、低输入偏置电流、低输入失调电压运算放大器，选用两个CA3140，其中电容C₁₁应为低漏电流电容，信号最终传递至处理器16。

对0.5公斤某型号压电振动送料器采用无传感器调速控制，物料为螺钉，每个螺钉的质量为6.4克，固定驱动电压振幅V_in为100V，记录螺钉数量分别为40、30和20个时的送料速度υ和压电电荷振幅信号V_out的数值，用最小二乘法拟合出系数γ、η、α、β，证实了式（6）和（9）符合送料器实际工况，并且误差很小。将系数γ、η、α、β烧写入处理器16的程序存储器中，即可对压电振动送料器进行无传感器调速控制了。在送料器托盘8上放置45个螺钉，通过键盘18设定送料速度为1.73cm/s，送料过程的控制结果如附图5所示，在这个过程中螺钉数量不断减少，查看送料速度的变化及与设定送料速度的误差。螺钉数量的变化如图5(a)，压电振子电荷提取电路15获得的采样电压随时间的变化如图5(c)所示，可以看出随着物料减少压电振子电荷采样电压也随之减小，按照式（15）的控制算法计算出当前需要调节的驱动电压，确定逆变电路12的控制脉冲的频率和占空比，实际驱动电压振幅如图5(b)所示，当前送料速度与设定送料速度的误差百分比如图5(d)所示，而送料速度随时间的变化如图5(e)所示，可以看出误差的百分比一直小于8%，表明本发明的压电振动送料器无传感器调速控制器及方法具有切实的工程应用价值。

Claims (2)

1.一种基于观测法的压电振动送料器无传感器调速控制器，其特征是：

该无传感器调速控制器包括整流滤波稳压电路(11)、逆变电路(12)、驱动电压滤波电路(13)、采样电阻(14)、压电振子电荷提取电路(15)、处理器(16)、显示面板(17)和键盘(18)，压电振子电荷提取电路(15)包括线性光电耦合电路(19)、低通滤波器(20)、积分电路(21)和峰值保持电路（22），采样电阻(14)将压电振子电电流转换为电压，通过线性光电耦合电路(19)将压电振动送料器的高驱动电压端与低压的信号采集电路隔离，再传送到低通滤波器(20)滤除驱动电压频率以上的高频干扰，积分电路(21)将压电振子电流转化为电荷，峰值保持电路(22)捕获压电振子电荷振幅，压电振子电荷振幅的采样电压传送给处理器(16)。

2.一种压电振动送料器无传感器调速控制方法，采用权利要求1所述的一种基于观测法的压电振动送料器无传感器调速控制器，其特征在于:

采用压电振动送料器的压电振子(10)既作激振器又作振动传感器，送料速度υ、物料重量F、压电振子电荷振幅采样电压V_out和压电振子驱动电压振幅V_in之间的关系模型为

$\mathrm{\υ}=\mathrm{\γF}+\mathrm{\η}{V}_{\mathrm{in}}---\left(6\right)$

$\mathrm{\υ}=\mathrm{\α}{V}_{\mathrm{out}}-\mathrm{\β}{V}_{\mathrm{in}}---\left(9\right)$

应用于具体型号压电振动送料器之前，首先固定驱动电压振幅V_in，改变三次物料重量，记录相应的送料速度υ和压电振子电荷振幅采样电压V_out的数值，代入式(6)和(9)，用最小二乘法辨识出γ、η、α、β比例系数，烧写入处理器(16)的程序存储器中；然后根据压电振子电荷振幅采样电压V_out和压电振子驱动电压振幅V_in的数值，由式(6)和(9)计算实际工况下的送料速度υ和物料重量F，无需外部振幅传感器实现振动信息的反馈；

给出压电振子电荷振幅采样电压变化ΔV_out与物料重量变化ΔF之间的关系为

$\mathrm{\ΔF}=\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{out}}---\left(12\right)$

根据压电振子电荷振幅采样电压的变化量ΔV_out，确定下一个控制周期施加于压电振子上的驱动电压振幅V_in的调整量ΔV_in

$\mathrm{\Δ}{V}_{i}n=-\frac{\mathrm{\α}}{\mathrm{\η}}{\mathrm{\ΔV}}_{\mathrm{out}}---\left(15\right)$

处理器(16)按照式(15)运行控制算法，给出所需频率和占空比的SPWM波，作为逆变电路(12)的控制脉冲，进而调整施加于压电振子(10)上的驱动电压V_in(t)，最终使压电振动送料器在物料发生增减变化后仍能保持设定送料速度。

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