CN102980653A - 基于自主相对速度反馈控制装置的低频电磁振动台系统 - Google Patents

Abstract

基于自主相对速度反馈控制装置的低频电磁振动台系统，包括产生标准低频振动信号的信号发生器，功率放大器和低频电磁振动台以及相对速度提取装置。信号发生器与功率放大器之间设有第一减法器，信号发生器和相对速度提取装置分别连接于第一减法器的被减数输入端和减数输入端，第一减法器的输出信号经功率放大器放大后驱动低频电磁振动台运动；相对速度提取装置包括纯电阻，第二减法器和第二比例放大器，纯电阻与驱动线圈的总压降和经第二比例放大器放大K2倍后的纯电阻两端压降分别作为被减数和减数输入所述的第二减法器，第二减法器的输出信号表征振动台的相对运动速度。本发明具有实现方便，成本低廉，低频电磁振动台输出波形精度较高的优点。

Description

基于自主相对速度反馈控制装置的低频电磁振动台系统

技术领域

本发明涉及一种基于自主相对速度反馈控制装置的低频电磁振动台系统。

技术背景

为保证传感器的检测精度，按国家计量检定规程（JJG 134-2003，JJG 233-2008）的规定，传感器在出厂或使用一段周期后（一般为一年），均需经过计量部门的正式校准。振动传感器一般是用标准振动装置进行校准，它是由标准电磁式振动台产生标准水平向或垂直向正弦振动，用“绝对法”或“相对法”标定传感器的各项性能指标。标准振动台输出波形的精度将决定传感器的校准水平。为改善振动台在低频段（小于5Hz）输出波形的谐波失真度，一般采用各式低频运动量检测传感器（位移传感器、速度传感器或加速度传感器）提取振动台的输出运动量，并构建运动量反馈控制系统。然而，一般情况下，各式低频运动量检测传感器价格昂贵、体积大、安装复杂，限制了它们在低频标准振动台系统中的广泛应用。

发明内容

为克服现有技术中各式低频运动量检测传感器价格昂贵、体积大、安装复杂的缺点，本发明提供了一种能够高精度且方便地提取低频电磁振动台相对运动速度的装置，并基于该相对速度提取装置构建了低频电磁振动台系统。

基于自主相对速度反馈控制装置的低频电磁振动台系统，包括产生标准低频振动信号的信号发生器，功率放大器和低频电磁振动台；

其特征在于：低频电磁振动台的运动部件与能够获取该运动部件相对速度的提取装置连接，信号发生器与功率放大器之间设有反馈用第一减法器，信号发生器连接于第一减法器的被减数输入端，提取装置的输出信号作为控制电磁振动台运动的反馈信号连接于第一减法器的减数输入端，第一减法器输出的偏差信号经功率放大器放大后驱动低频电磁振动台运动；

所述的相对速度提取装置包括纯电阻，第二减法器和第二比例放大器；

纯电阻与振动台的驱动线圈串联连接，纯电阻与驱动线圈的总压降作为被减数输入所述的第二减法器中；

纯电阻两端的压降输入所述的第二比例放大器中，第二比例放大器输出放大后的纯电阻压降，该放大后的纯电阻压降作为减数输入所述的第二减法器中；第二减法器的输出信号表征振动台的相对运动速度；

第二比例放大器的放大倍数

其中R是振动台驱动线圈的等效直流电阻，R₁是纯电阻的阻值。

纯电阻与驱动线圈的总压降为u₁=(R+R₁)i+Li'+Blx'，其中L是振动台驱动线圈的等效电感，B为气隙磁场的磁感应强度，l为驱动线圈绕线长度，i为输入振动台驱动线圈的电流，i'是i对时间的导数，x为振动台驱动线圈相对于振动台安装基座的位移，x'是x对时间的导数，即为振动台的相对速度。

纯电阻两端的压降为u₂=R₁i；因此，第二减法器的输出信号为u_v=u₁-K₂u₂=[R+(1-K₂)R₁]i+Li'+Blx'=Li'+Blx'；由低频电磁振动台驱动方程mx″+cx'+kx=Bil，可得系统的频率特性方程为

进而可得位移x和驱动电流i的幅值比

Li'和Blx'的幅值比可表示为 $\left|\frac{L\·\mathrm{j\ω}\·I\left(\mathrm{j\ω}\right)}{\mathrm{Bl}\·\mathrm{j\ω}\·X\left(\mathrm{j\ω}\right)}\right|=\frac{L}{\mathrm{Bl}}\left|\frac{I\left(\mathrm{j\ω}\right)}{X\left(\mathrm{j\ω}\right)}\right|=\frac{L\sqrt{{(k-{\mathrm{m\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{c\ω}\right)}^2}}{{\left(\mathrm{Bl}\right)}^2}.$ 根据实际系统参数，在低频条件下，

和(Bl)²具有相同的数量级，而L为10^-3亨的数量级，因此可认为Li'的幅值远小于Blx'的幅值，可得，u_v≈Blx'。以上表述中，m为电磁振动台运动部件的质量，c和k为电磁振动台弹性支撑部件的阻尼和刚度，x″为x对时间的两次导数，即为振动台的相对加速度，X(jω)和I(jω)分别为x和i的傅里叶变换，ω为振动角频率。

通过优化气隙形状的技术手段，可使气隙磁感应强度B在振动台整个行程范围内保持恒定，即可认为由u_v=Blx'得到的电压差信号u_v与振动台相对速度x'成正比，电压差信号u_v能够表征低频振动台的相对速度x'。

由于驱动线圈电阻不容易精确测量，因此K₂很难通过计算精确获得，只能通过逐渐调整确定。进一步限定：第二比例放大器的放大倍数K₂的调整方法包括以下步骤：

（1）、断开相对速度提取装置与第一减法器的连接；

（2）、振动台驱动线圈串接一纯电阻后通入恒定电流I；

（3）、获得第二减法器的输出信号u_v，

u_v=u₁-K₂u₂=[R+(1-K₂)R₁]I+LI'+Blx'；

其中，I'为I对时间的导数；

（4）、等待振动台静止，此时振动台的相对速度x'=0，因此Blx'=0；同时，由于所通入电流I为恒定电流，即I'=0，因此LI'=0，从而演算得到u_v=u₁-K₂u₂=[R+(1-K₂)R₁]I；

（5）、调节K₂直到u_v=0，此时调整完成。

（6）、连接相对速度提取装置与第一减法器，构成振动台闭合反馈控制系统。

放大倍数K₂的调整在低频电磁振动台闭合反馈控制试验之前进行，对于指定的振动台和纯电阻，K₂一旦调整完成，不得再次改变。

为了得到纯净、可辨识的相对速度信号，进一步限定：相对速度提取装置与第一减法器之间设有第一比例放大器和低通滤波器，第一比例放大器连接第一减法器，低通滤波器连接相对速度提取装置。

为了对偏差信号进行处理，进一步限定：第一减法器与功率放大器之间设有PID控制器。

为提高K₂的调整精度，进一步限定，相对速度提取装置依次与低通滤波器和第一比例放大器相连，断开第一比例放大器与第一减法器的连接，以第一比例放大器的输出信号作为调整参考信号，第一比例放大器和低通滤波器的放大倍数为K₁（K₁>1），步骤（5）中，调节K₂直到K₁u_v=0。

电磁振动台是典型的机电耦合系统，机械运动量必然在电气环节中有所反应。首先是线圈中通入电流，在电磁感应的作用下，产生安培力，驱动振动台运动，在此过程中，振动台的驱动线圈切割磁感线，在线圈中产生反映振动台相对速度的感应电动势。通过将线圈电压信号提取出来，且考虑到电磁振动台在低频条件下运行时，可忽略或者通过一定方法去除无关分量，即可得到反映振动台相对速度的电压信号，通过对所得的相对速度信号进一步处理，即可用于低频振动台的反馈控制。

本发明具有实现方便，成本低廉，低频电磁振动台输出波形精度较高的优点。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为差动输出功率放大器驱动的低频电磁振动台的相对速度提取装置示意图。

图3为单端输出功率放大器驱动的低频电磁振动台的相对速度提取装置示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例适用于由差动输出功率放大器驱动的低频电磁振动台系统。

基于自主相对速度反馈控制装置的由差动输出功率放大器驱动的低频电磁振动台系统，包括产生标准低频振动信号的信号发生器，差动输出功率放大器和低频电磁振动台；

低频电磁振动台的运动部件与能够获取该运动部件相对速度的提取装置连接，信号发生器与功率放大器之间设有反馈用第一减法器J1，信号发生器连接于第一减法器J1的被减数输入端，提取装置的输出信号作为控制电磁振动台运动的反馈信号连接于第一减法器J1的减数输入端，第一减法器J1输出的偏差信号经功率放大器放大后驱动低频电磁振动台运动，如图1所示；

所述的相对速度提取装置包括纯电阻，第二减法器J2和第二比例放大器F2；

结合图2：纯电阻与振动台的驱动线圈串联连接，纯电阻一端与驱动线圈的一端相连，纯电阻的另一端与差动输出功率放大器的输出端连接，驱动线圈的另一端与差动输出功率放大器的另一个输出端连接；

差动输出功率放大器与驱动线圈的公共端u_A与第三减法器J3的被减数输入端连接，差动输出功率放大器与纯电阻的公共端u_C与第三减法器J3的减数输入端连接，第三减法器J3的输出信号作为纯电阻与驱动线圈的总压降，第三减法器J3的输出端与第二减法器J2的被减数输入端连接，即该纯电阻与驱动线圈的总压降作为被减数输入所述的第二减法器J2中；

差动输出功率放大器与纯电阻的公共端u_C与第四减法器J4的减数输入端连接，驱动线圈与纯电阻的公共端u_B与第四减法器J4的被减数输入端连接，第四减法器J4的输出值作为纯电阻两端的压降，第四减法器J4的输出端与第二比例放大器F2的输入端连接，即该纯电阻两端的压降输入所述的第二比例放大器F2中；

第二比例放大器F2输出放大后的纯电阻压降，该放大后的纯电阻压降作为减数输入所述的第二减法器J2中；第二减法器J2的输出信号表征振动台的相对运动速度；

第二比例放大器F2的放大倍数

其中R是振动台驱动线圈的等效直流电阻，R₁是纯电阻的阻值。

纯电阻与驱动线圈的总压降为u₁=(R+R₁)i+Li'+Blx'，其中L是振动台驱动线圈的等效电感，B为气隙磁场的磁感应强度，l为驱动线圈绕线长度，i为输入振动台驱动线圈的电流，i'是i对时间的导数，x为振动台驱动线圈相对于振动台安装基座的位移，x'是x对时间的导数，即为振动台的相对速度。

纯电阻两端的压降为u₂=R₁i；因此，第二减法器J2的输出信号为u_v=u₁-K₂u₂=[R+(1-K₂)R₁]i+Li'+Blx'=Li'+Blx'；由低频电磁振动台驱动方程mx″+cx'+kx=Bil，可得系统的频率特性方程为

进而可得位移x和驱动电流i的幅值比

Li'和Blx'的幅值比可表示为 $\left|\frac{L\·\mathrm{j\ω}\·I\left(\mathrm{j\ω}\right)}{\mathrm{Bl}\·\mathrm{j\ω}\·X\left(\mathrm{j\ω}\right)}\right|=\frac{L}{\mathrm{Bl}}\left|\frac{I\left(\mathrm{j\ω}\right)}{X\left(\mathrm{j\ω}\right)}\right|=\frac{L\sqrt{{(k-{\mathrm{m\ω}}^2)}^2+{\left(\mathrm{c\ω}\right)}^2}}{{\left(\mathrm{Bl}\right)}^2}.$ 根据实际系统参数，在低频条件下，

和(Bl)²具有相同的数量级，而L为10^-3亨的数量级，因此可认为Li'的幅值远小于Blx'的幅值，可得，u_v≈Blx'。以上表述中，m为电磁振动台运动部件的质量，c和k为电磁振动台弹性支撑部件的阻尼和刚度，x″为x对时间的两次导数，即为振动台的相对加速度，X(jω)和I(jω)分别为x和i的傅里叶变换，

ω为振动角频率。

通过优化气隙形状的技术手段，可使气隙磁感应强度B在振动台整个行程范围内保持恒定，即可认为由u_v=Blx'得到的电压差信号u_v与振动台相对速度x'成正比，电压差信号u_v能够表征振动台的相对速度x'。

由于驱动线圈电阻不容易精确测量，因此K₂很难通过计算精确获得，只能通过逐渐调整确定。第二比例放大器F2的放大倍数K₂的调整方法包括以下步骤：

（1）、断开相对速度提取装置与第一减法器J1的连接；

（2）、振动台驱动线圈串接一纯电阻后通入恒定电流I；

（3）、获得第二减法器J2的输出信号u_v，

u_v=u₁-K₂u₂=[R+(1-K₂)R₁]i+Li'+Blx'；

其中，I'为I对时间的导数；

（4）、等待振动台静止，此时振动台的相对速度x'=0，因此Blx'=0；同时，由于所通入电流I为恒定电流，即I'=0，因此LI'=0，从而演算得到u_v=u₁-K₂u₂=[R+(1-K₂)R₁]I；

（5）、调节K₂直到u_v=0，此时

调整完成。

（6）、连接相对速度提取装置与第一减法器J1，构成振动台闭合反馈控制系统。

放大倍数K₂的调整在低频电磁振动台闭合反馈控制试验之前进行，对于指定的振动台和纯电阻，K₂一旦调整完成，不得再次改变。

为了得到纯净、可辨识的相对速度信号，相对速度提取装置与第一减法器J1之间设有第一比例放大器F1和低通滤波器，第一比例放大器F1连接第一减法器J1，低通滤波器连接相对速度提取装置。

为了对偏差信号进行处理，第一减法器J1与功率放大器之间设有PID控制器。

为提高K₂的调整精度，相对速度提取装置依次与低通滤波器和第一比例放大器F1相连，断开第一比例放大器F1与第一减法器J1的连接，以第一比例放大器F1的输出信号作为调整参考信号，第一比例放大器F1和低通滤波器的放大倍数为K₁（K₁>1），步骤（5）中，调节K₂直到K₁u_v=0。

电磁振动台是典型的机电耦合系统，机械运动量必然在电气环节中有所反应。首先是线圈中通入电流，在电磁感应的作用下，产生安培力，驱动振动台运动，在此过程中，振动台的驱动线圈切割磁感线，在线圈中产生反映振动台相对速度的感应电动势。通过将线圈电压信号提取出来，且考虑到电磁振动台在低频条件下运行时，可忽略或者通过一定方法去除无关分量，即可得到反映振动台相对速度的电压信号，通过对所得的相对速度信号进一步处理，即可用于低频振动台的反馈控制。

本实施例适用于由差动输出功率放大器驱动的电磁振动台系统，且具有实现方便，成本低廉，低频电磁振动台输出波形精度较高的优点。

实施例2

本实施例适用于由单端输出功率放大器驱动的低频电磁振动台系统。

基于自主相对速度反馈控制装置的由单端输出功率放大器驱动的低频电磁振动台系统，包括产生标准低频振动信号的信号发生器，单端输出功率放大器和低频电磁振动台；

低频电磁振动台的运动部件与能够获取该运动部件相对速度的提取装置连接，信号发生器与功率放大器之间设有反馈用第一减法器J1，信号发生器连接于第一减法器J1的被减数输入端，提取装置的输出信号作为控制电磁振动台运动的反馈信号连接于第一减法器J1的减数输入端，第一减法器J1输出的偏差信号经功率放大器放大后驱动电磁振动台运动，如图1所示；

如图3所示，所述的相对速度提取装置包括纯电阻，第二减法器J2和第二比例放大器F2；

纯电阻与振动台的驱动线圈串联连接，单端输出功率放大器的输出端与驱动线圈连接，纯电阻一端接地，单端输出功率放大器与驱动线圈的公共端u_A与第二减法器J2的被减数输入端连接，单端输出功率放大器与驱动线圈的公共端u_A的压降作为振动台驱动线圈和纯电阻的总压降，即纯电阻与驱动线圈的总压降作为被减数输入所述的第二减法器J2中；

驱动线圈与纯电阻的公共端u_B的压降作为纯电阻两端的压降，驱动线圈与纯电阻的公共端u_B与第二比例放大器F2的输入端连接，即纯电阻两端的压降输入所述的第二比例放大器F2中；

第二比例放大器F2输出放大后的纯电阻压降，该放大后的纯电阻压降作为减数输入所述的第二减法器J2中；第二减法器J2的输出信号表征振动台的相对运动速度；

第二比例放大器F2的放大倍数

其中R是振动台驱动线圈的等效直流电阻，R₁是纯电阻的阻值。

第二比例放大器F2的放大倍数设置为

的推理过程及K₂的调整方法均与实施例1相同，此实施例中不再赘述。提取装置与PID控制器、低通滤波器和第一比例放大器F1的连接方式等其他结构也与实施例1相同。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (5)

1.基于自主相对速度反馈控制装置的低频电磁振动台系统，包括产生标准低频振动信号的信号发生器，功率放大器和低频电磁振动台；

其特征在于：低频电磁振动台的运动部件与能够获取该运动部件相对速度的提取装置连接，信号发生器与功率放大器之间设有反馈用第一减法器，信号发生器连接于第一减法器的被减数输入端，提取装置的输出信号作为控制电磁振动台运动的反馈信号连接于第一减法器的减数输入端，第一减法器输出的偏差信号经功率放大器放大后驱动低频电磁振动台运动；

所述的相对速度提取装置包括纯电阻，第二减法器和第二比例放大器；

纯电阻与振动台的驱动线圈串联连接，纯电阻与驱动线圈的总压降作为被减数输入所述的第二减法器中；

纯电阻两端的压降输入所述的第二比例放大器中，第二比例放大器输出放大后的纯电阻压降，该放大后的纯电阻压降作为减数输入所述的第二减法器中；第二减法器的输出信号表征振动台的相对运动速度；

第二比例放大器的放大倍数

其中R是振动台驱动线圈的等效直流电阻，R₁是纯电阻的阻值。

2.如权利要求1所述的基于自主相对速度反馈控制装置的低频电磁振动台系统，其特征在于：第二比例放大器的放大倍数K₂的调整方法包括以下步骤：

（1）、断开相对速度提取装置与第一减法器的连接；

（2）、振动台驱动线圈串接一纯电阻后通入恒定电流I；

（3）、获得第二减法器的输出信号u_v，

u_v=u₁-K₂u₂=[R+(1-K₂)R₁]I+LI'+Blx'；

其中，I'为I对时间的导数；

（4）、等待振动台静止，此时振动台的相对速度x'=0，因此Blx'=0；同时，由于所通入电流I为恒定电流，即I'=0，因此LI'=0，从而演算得到u_v=u₁-K₂u₂=[R+(1-K₂)R₁]I；

（5）、调节K₂直到u_v=0，此时

调整完成；

（6）、连接相对速度提取装置与第一减法器，构成振动台闭合反馈控制系统。

3.如权利要求1所述的基于自主相对速度反馈控制装置的低频电磁振动台系统，其特征在于：相对速度提取装置与第一减法器之间设有第一比例放大器和低通滤波器，第一比例放大器连接第一减法器，低通滤波器连接相对速度提取装置。

4.如权利要求3所述的基于自主相对速度反馈控制装置的低频电磁振动台系统，其特征在于：为提高K₂的调整精度，相对速度提取装置依次与低通滤波器和第一比例放大器相连，断开第一比例放大器与第一减法器的连接，以第一比例放大器的输出信号作为调整参考信号，第一比例放大器的放大倍数为K₁（K₁>1），调节K₂直到K₁u_v=0。

5.如权利要求4所述的基于自主相对速度反馈控制装置的电磁振动台系统，其特征在于：第一减法器与功率放大器之间设有PID控制器。

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