CN103353732B - 模态宽频振动消除应力设备控制电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种模态宽频振动消除应力设备控制电路，包括宽频激振器直线电机的控制电路，还包括由位置传感器模块、实时驱动控制模块和集成显示处理模块组成的控制电路，位置传感器模块，用于采集宽频激振器工况时运动部件的状态信号，调理采集的状态信号；实时驱动控制模块，用于依据存储的时效处理模型和待处理工件的初始化数据，进行振动数据计算，生成宽频激振器的控制数据，转换为驱动信号输出至宽频激振器的直线电机控制电路；集成显示处理模块，用于提供系统间的数据通信端口和人机交互界面，接收并存储实时驱动控制模块发送的宽频激振器的工况数据，生成并发送振动数据计算过程的控制参数。本发明能够实现激振力的精确控制。还包括一种控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种控制电路，特别是涉及一种用于高速振动设备的控制电路。
背景技术
如图1所示，作为模态宽频振动消除应力设备的宽频激振器，包括底座、直线电机、工件夹紧装置和导轨，所述直线电机固定安装在底座上，所述工件夹紧装置通过导轨安装在底座上，所述直线电机的输出轴固定连接在工件夹紧装置上，所述直线电机的输出轴的轴线与导轨平行。工作时首先将工件8固定安装在工件夹紧装置3上，然后控制直线电机2的输出轴以设定的频率来回运动，从而带动固定安装在工件夹紧装置3上的工件振动，实现工件8的振动时效处理。
宽频激振器是一种宽频高速振动的机电装置，在消除时效的振动过程中，存在振动过程中电机连续变频时的过峰问题，以及在不同频点的多振型振动模拟精度等具体技术问题。对于以直线电机为激振源的宽频激振器，需要一套行之有效的控制电路控制宽频激振器输出激振力的宽频特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种模态宽频振动消除应力设备控制电路，完成宽频激振器工况时对激振源输出激振力的精确控制。
本发明的另一个目的是利用上述控制电路实现对激振力的精确控制。
本发明的模态宽频振动消除应力设备控制电路，包括宽频激振器直线电机的控制电路，其特征在于：还包括由位置传感器模块、实时驱动控制模块和集成显示处理模块组成的控制电路，
位置传感器模块，用于采集宽频激振器工况时运动部件的状态信号，调理采集的状态信号；
实时驱动控制模块，用于依据存储的时效处理模型和待处理工件的初始化数据，进行振动数据计算，生成宽频激振器的控制数据，转换为驱动信号输出至宽频激振器的直线电机控制电路；
接收传感器采集的宽频激振器的工况数据，参与振动数据的计算，形成修正的控制数据；
传送宽频激振器的工况数据至集成显示处理模块；
接收集成显示处理模块传送的振动数据计算过程的控制参数；
集成显示处理模块，用于提供系统间的数据通信端口和人机交互界面，接收并存储实时驱动控制模块发送的宽频激振器的工况数据，生成并发送模态宽频振动消除应力控制参数。
所述实时驱动控制模块包括数字信号处理器、可编程门阵列，数字信号处理器和可编程门阵列间通过数据总线连接；所述集成显示处理模块包括嵌入式处理器，
数字信号处理器，用于完成模态分析实时计算过程，生成振动数据传送至可编程门阵列；接收可编程门阵列传送的宽频激振器的工况数据，完成对宽频激振器的实时控制；
可编程门阵列，用于将生成的宽频激振器的驱动数据转换为宽频激振器直线电机的驱动信号，将宽频激振器的工况信号转换为工况数据，将驱动数据和工况数据按相应通信协议封装，发送相应通信端口；
嵌入式处理器，用于将宽频激振器的工况参数与不同系统进行数据交换，生成人机交互数据。
所述位置传感器模块包括光栅尺位移传感器和激光位移传感器，
光栅尺位移传感器，用于采集宽频激振器的直线电机工况时的位移信号；
激光位移传感器，用于采集宽频激振器的直线电机工况时夹紧装置固定的工件的位移信号。
所述实时驱动控制模块还包括与数字信号处理器通过数据总线连接的第一运算存储器和第一静态存储器，还包括与可编程门阵列通过数据总线连接的第二运算存储器、第二静态存储器，还包括串行输入电压输出数模转换器、第一光电耦合输入输出端口，
第一运算存储器，用于存储完成振动数据计算过程中的中间数据；
第一静态存储器，用于存储时效处理模型和待处理工件的初始化数据；
第二运算存储器，用于存储数据转换的中间数据；
第二静态存储器，用于存储数据转换模型和协议转换模型；
串行输入电压输出数模转换器，用于接收光栅尺位移传感器采集的位移信号，发送宽频激振器直线电机的驱动信号；
第一光电耦合输入输出端口，用于接收激光位移传感器采集的位移信号。
所述集成显示处理模块还包括与嵌入式处理器通过数据总线连接的内联以太网端口，所述实时驱动控制模块还包括与可编程门阵列通过数据总线连接的第一以太网端口，第一以太网端口与内联以太网端口相连接。
所述集成显示处理模块还包括与嵌入式处理器通过数据总线连接的视频数模转换器、USB端口、第三运算存储器和第三静态存储器，
视频数模转换器，用于将人机交互界面中显示数据转换为视频信号；
USB端口，用于接收人机交互界面中的输入信号；
第三运算存储器，用于存储数据交换过程中的中间数据；
第三静态存储器，用于存储数据交换的标准协议和基准数据。
所述集成显示处理模块还包括与嵌入式处理器通过数据总线连接的第一串行端口、第二串行端口、第二光电耦合输入输出端口、第二模数转换器、外联以太网端口，
第一串行端口，用于提供RS232通信端口；
第二串行端口，用于提供RS485通信端口；
第二光电耦合输入输出端口，用于完成电信号的隔离接收和发送；
第二模数转换器，用于接收控制电路外围的模拟参量；
外联以太网端口，用于连接其他系统的相应以太网端口，完成控制电路与其他系统的数据通信；
所述实时驱动控制模块还包括与可编程门阵列通过数据总线连接的第一模数转换器，用于接收宽频激振器工况时的相应状态模拟参量。
所述状态信号包括位移信号、频率信号和振幅信号中的一种或几种；所述采集宽频激振器工况时运动部件的状态信号，包括以差分传输线路采集所述状态信号。
所述转换为驱动信号输出至宽频激振器的直线电机控制电路，包括以差分传输线路向直线电机控制电路输出差分驱动信号。
利用上述宽频激振器控制电路进行时效振动的控制方法，其包括以下步骤：
初始化控制电路，通过集成显示处理模块的人机交互界面输入针对工件的初始化数据，调整时效处理模型工作参数，通过嵌入式处理器形成控制数据；
实时驱动控制模块中的数字信号处理器接收控制数据进行振动数据计算生成驱动数据，可编程门阵列将驱动数据转换为驱动信号输出，宽频激振器进行相应振动；
光栅尺位移传感器采集振动过程中直线电机工况时的位移信号，激光位移传感器采集宽频激振器的直线电机工况时夹紧装置固定的工件的位移信号，实时驱动控制模块通过可编程门阵列实时接收位移信号，传送至数字信号处理器修正振动计算生成过程；
生成振动数据；可编程门阵列220将驱动数据转换为驱动信号输出，宽频激振器50进行相应振动。
本发明的宽频激振器控制电路中，将激振源振动的控制信号生成计算过程、对激振源进行驱动的控制过程，从系统控制电路中分离出来，形成并列的用于数据处理、信号控制的实时驱动控制模块，用于人机交互和数据通信的集成显示处理模块。实时驱动控制模块满足较宽频率范围内需要实时响应的大数据量振动数据的生成，同时完成宽频激振器工况参数的实时采集，实时修正振动数据的计算修正过程，集成显示处理模块将采集的工况参数进行进一步处理，完成与不同系统间的数据交换，同时提供丰富的人机交互界面，图形化直观显示实时驱动控制模块生成的底层数据和复杂的时效处理模型调整参数。既可以满足振动时效多振型振动数据的实时性，又满足了与其他系统间的数据交换效率。
下面结合附图对本发明的实施例作进一步说明。
附图说明
图1为采用直线电机的宽频激振器的物理结构示意图；
图2为本发明宽频激振器控制电路的结构示意图；
图3为本发明宽频激振器控制电路实施例中位置传感器模块的结构示意图；
图4为本发明宽频激振器控制电路实施例中实时驱动控制模块的结构示意图；
图5为本发明宽频激振器控制电路实施例中集成显示处理模块的结构示意图；
图6为本发明宽频激振器控制电路实施例中实时驱动控制模块与直线电机控制电路的连接示意图。
具体实施方式
宽频激振器直线电机的现有控制电路是实现宽频激振器控制的必要组成部分。
如图2所示，本发明的模态宽频振动消除应力设备控制电路由位置传感器模块100、实时驱动控制模块200、集成显示处理模块300和宽频激振器50直线电机的控制电路组成，
位置传感器模块100，用于采集宽频激振器50工况时运动部件的状态信号，调理采集的状态信号；
实时驱动控制模块200，用于依据存储的时效处理模型和待处理工件的初始化数据，进行振动数据计算，生成宽频激振器50的控制数据，转换为驱动信号输出至宽频激振器50的直线电机控制电路；
接收传感器采集的宽频激振器50的工况数据，参与振动数据的计算，形成修正的控制数据；
传送宽频激振器50的工况数据至集成显示处理模块300；
接收集成显示处理模块300传送的振动数据计算过程的控制参数；
集成显示处理模块300，用于提供系统间的数据通信端口和人机交互界面，接收并存储实时驱动控制模块200发送的宽频激振器50的工况数据，生成并发送模态宽频振动消除应力控制参数。
本发明的宽频激振器控制电路还包括电源60，用于为宽频激振器50的直线电机提供150V工作电源，为实时驱动控制模块200提供24V工作电源，为集成显示处理模块300提供220V工作电源。
如图3所示，位置传感器模块100包括光栅尺位移传感器110和激光位移传感器120，
光栅尺位移传感器110，用于采集宽频激振器50的直线电机工况时的位移信号；
激光位移传感器120，用于采集宽频激振器50的直线电机工况时夹紧装置固定的工件的位移信号；
如图4所示，实时驱动控制模块200包括数字信号处理器（DSP）210、可编程门阵列（FPGA）220，数字信号处理器210和可编程门阵列220间通过数据总线连接，还包括与数字信号处理器210通过数据总线连接的第一运算存储器211和第一静态存储器212，还包括与可编程门阵列220通过数据总线连接的第二运算存储器221、第二静态存储器222、第一以太网端口223、串行输入电压输出数模转换器224、第一光电耦合输入输出端口225和第一模数转换器226，
数字信号处理器210，用于完成模态分析实时计算过程，生成振动数据传送至可编程门阵列220；接收可编程门阵列220传送的宽频激振器50的工况数据，完成对宽频激振器50的实时控制；
第一运算存储器211，用于存储完成振动数据计算过程中的中间数据；
第一静态存储器212，用于存储时效处理模型和待处理工件的初始化数据；
可编程门阵列220，用于将生成的宽频激振器50的驱动数据转换为宽频激振器50直线电机的驱动信号，将宽频激振器50的工况信号转换为工况数据，将驱动数据和工况数据按相应通信协议封装，发送相应通信端口；
第二运算存储器221，用于存储数据转换的中间数据；
第二静态存储器222，用于存储数据转换模型和协议转换模型；
第一以太网端口223，用于连接集成显示处理模块300的内联以太网端口317，完成控制电路内的数据通信；
串行输入电压输出数模转换器224，用于接收光栅尺位移传感器110采集的位移信号，发送宽频激振器50直线电机的驱动信号；
第一光电耦合输入输出端口225，用于接收激光位移传感器120采集的位移信号；
第一模数转换器226，用于接收宽频激振器50工况时的相应状态模拟参量；
利用可编程门阵列可以高速完成工况数据的采集，提高单位时间内的信号采集效率，降低数字信号处理器的性能要求，使数字信号处理器可以充分发挥高速数据处理的特长，专注于模态宽频振动数据处理过程，形成精确的宽频激振器驱动数据，在与可编程门阵列完成数据实时处理与同步的同时，与人机交互界面完成异步通讯，完成数据交互。
如图5所示，集成显示处理模块300包括嵌入式处理器310，和与嵌入式处理器310通过数据总线连接的第一串行端口311、第二串行端口312、视频数模转换器313、第二光电耦合输入输出端口314、第二模数转换器315、USB端口316、内联以太网端口317、外联以太网端口318、第三运算存储器319和第三静态存储器320，
嵌入式处理器310，用于将宽频激振器50的工况参数与不同系统进行数据交换，生成人机交互数据；
第一串行端口311，用于提供RS232通信端口；
第二串行端口312，用于提供RS485通信端口；
视频数模转换器313，用于将人机交互界面中显示数据转换为视频信号；
第二光电耦合输入输出端口314，用于完成电信号的隔离接收和发送；
第二模数转换器315，用于接收控制电路外围的模拟参量；
USB端口316，用于接收人机交互界面中的输入信号；
内联以太网端口317，用于连接实时驱动控制模块200的第一以太网端口223，完成控制电路内的数据通信；
外联以太网端口318，用于连接其他系统的相应以太网端口，完成控制电路与其他系统的数据通信；
第三运算存储器319，用于存储数据交换过程中的中间数据；
第三静态存储器320，用于存储数据交换的标准协议和基准数据；
利用嵌入式处理器的通用型，将人机交互过程与模态宽频振动数据处理过程分离开，可以使控制电路的接口数量和类型丰富，有利于控制电路与上位系统的衔接，使得模态宽频振动数据处理过程可以受到上位系统的实时监控，利用上位系统的数据分析能力，可以将数据处理修正参数及时反馈回模态宽频振动数据处理过程，提高时效振动处理效果。集成显示处理模块300通过预制的流程控制模型，或模态分析处理模型结合实时驱动控制模块200传送的工况数据，可以形成对数字信号处理器210有效控制参数，使得数字信号处理器210与可编程门阵列220间的处理过程在闭环控制告一段落时可以及时修正。
本实施例中嵌入式处理器310采用LPC3250系列芯片，第三运算存储器319采用IS42S16160系列芯片，第三静态存储器320采用K9F2G08系列芯片，内联以太网端口317和外联以太网端口318采用KSZ8041系列芯片，数字信号处理器210采用ADSP-BF518F系列芯片，可编程门阵列220采用赛灵思斯巴达六系列芯片，第一运算存储器211采用MT48LC32M16A2TG系列芯片，第一静态存储器212采用M29W320Eb70N系列芯片系列芯片，第二运算存储器221采用MT46H32M16LFBF系列芯片，第二静态存储器222采用N25Q128A13BSF40F系列芯片，第一以太网端口223采用DP83848K系列芯片，第一串行端口311和第二串行端口312采用MAX3232ID系列芯片，视频数模转换器313采用ADV7125KSTZ140系列芯片，第一光电耦合输入输出端口225和第二光电耦合输入输出端口314采用HCPL181系列芯片，第一模数转换器226和第二模数转换器315采用AD7606系列芯片或AM26LS系列芯片，USB端口316采用TUSB2046BIVF系列芯片，串行输入电压输出数模转换器224采用AD8279系列芯片。
如图6所示，利用上述硬件结构与直线电机的现有控制电路进行通信控制和数据采集，通过串行输入电压输出数模转换器224的第一模拟信号输出管脚和第二模拟信号输出管脚分别连接直线电机控制电路的两个控制信号输入端，输出差分控制信号，控制直线电机的工作频率和工作电流。采用差分信号传输可以有效克服直线电机处于高频工作状态时产生的机电信号，对同步传输的控制信号的共模干扰，提高控制信号的抗干扰能力，将控制信号的误差大幅降低。
第一光电耦合输入输出端口225的使能信号输出端连接直线电机控制电路使能输入端，隔离实时驱动控制模块200中高速处理芯片和外围电路工作时产生的微弱高频电信号，保证使能信号精确可靠，使得直线电机的工作状态同时受到差分控制信号和使能信号的控制，而两路信号的传输都避免相邻接电路的干扰。这样在工作状态时直线电机的各种工作参数才具有高度的可靠性，采集的状态数据质量才有保证。
第一模数转换器226通过三组管脚分别采集直线电机工况时的位移信号、频率信号和振幅信号，每组管脚包括接收一种类型工况信号的差分信号的两个管脚。第一模数转换器226将差分信号转换为相应的单端信号形成采集数据传送至可编程门阵列220。通过以上电路结构保证了直线电机可以精确执行控制信号，实时驱动控制模块200可以精确采集工况信号。
利用本发明的宽频激振器控制电路对宽频激振器激振力进行控制的方法，包括以下步骤：
初始化控制电路，通过集成显示处理模块300的人机交互界面输入针对工件的初始化数据，调整时效处理模型工作参数，通过嵌入式处理器310形成控制数据；
实时驱动控制模块200中的数字信号处理器210接收控制数据进行振动数据计算生成驱动数据，可编程门阵列220将驱动数据转换为驱动信号输出，宽频激振器50进行相应振动；
光栅尺位移传感器110采集振动过程中直线电机工况时的位移信号、频率信号和振幅信号，激光位移传感器120采集宽频激振器50的直线电机工况时夹紧装置固定的工件的位移信号，实时驱动控制模块200通过可编程门阵列220实时接收各工况信号，传送至数字信号处理器210，修正振动计算生成过程，生成振动数据；
可编程门阵列220将驱动数据转换为驱动信号输出，宽频激振器50进行相应振动。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (9)
1.一种模态宽频振动消除应力设备控制电路，包括宽频激振器(50)直线电机的控制电路，其特征在于：还包括由位置传感器模块(100)、实时驱动控制模块(200)和集成显示处理模块(300)组成的控制电路，
位置传感器模块(100)，用于采集宽频激振器(50)工况时运动部件的状态信号，调理采集的状态信号；
实时驱动控制模块(200)，用于依据存储的时效处理模型和待处理工件的初始化数据，进行振动数据计算，生成宽频激振器(50)的控制数据，转换为驱动信号输出至宽频激振器(50)的直线电机控制电路；
接收传感器采集的宽频激振器(50)的工况数据，参与振动数据的计算，形成修正的控制数据；
传送宽频激振器(50)的工况数据至集成显示处理模块(300)；
接收集成显示处理模块(300)传送的振动数据计算过程的控制参数；
集成显示处理模块(300)，用于提供系统间的数据通信端口和人机交互界面，接收并存储实时驱动控制模块(200)发送的宽频激振器(50)的工况数据，生成并发送模态宽频振动消除应力控制参数；
所述实时驱动控制模块(200)包括数字信号处理器(210)、可编程门阵列(220)，数字信号处理器(210)和可编程门阵列(220)间通过数据总线连接；所述集成显示处理模块(300)包括嵌入式处理器(310)，
数字信号处理器(210)，用于完成模态分析实时计算过程，生成振动数据传送至可编程门阵列(220)；接收可编程门阵列(220)传送的宽频激振器(50)的工况数据，完成对宽频激振器(50)的实时控制；
可编程门阵列(220)，用于将生成的宽频激振器(50)的驱动数据转换为宽频激振器(50)直线电机的驱动信号，将宽频激振器(50)的工况信号转换为工况数据，将驱动数据和工况数据按相应通信协议封装，发送相应通信端口；
嵌入式处理器(310)，用于将宽频激振器(50)的工况参数与不同系统进行数据交换，生成人机交互数据。
2.根据权利要求1所述的模态宽频振动消除应力设备控制电路，其特征在于：所述位置传感器模块(100)包括光栅尺位移传感器(110)和激光位移传感器(120)，
光栅尺位移传感器(110)，用于采集宽频激振器(50)的直线电机工况时的位移信号；
激光位移传感器(120)，用于采集宽频激振器(50)的直线电机工况时夹紧装置固定的工件的位移信号。
3.根据权利要求2所述的模态宽频振动消除应力设备控制电路，其特征在于：所述实时驱动控制模块(200)还包括与数字信号处理器(210)通过数据总线连接的第一运算存储器(211)和第一静态存储器(212)，还包括与可编程门阵列(220)通过数据总线连接的第二运算存储器(221)、第二静态存储器(222)，还包括串行输入电压输出数模转换器(224)、第一光电耦合输入输出端口(225)，
第一运算存储器(211)，用于存储完成振动数据计算过程中的中间数据；
第一静态存储器(212)，用于存储时效处理模型和待处理工件的初始化数据；
第二运算存储器(221)，用于存储数据转换的中间数据；
第二静态存储器(222)，用于存储数据转换模型和协议转换模型；
串行输入电压输出数模转换器(224)，用于接收光栅尺位移传感器(110)采集的位移信号，发送宽频激振器(50)直线电机的驱动信号；
第一光电耦合输入输出端口(225)，用于接收激光位移传感器(120)采集的位移信号。
4.根据权利要求3所述的模态宽频振动消除应力设备控制电路，其特征在于：所述集成显示处理模块(300)还包括与嵌入式处理器(310)通过数据总线连接的内联以太网端口(317)，所述实时驱动控制模块(200)还包括与可编程门阵列(220)通过数据总线连接的第一以太网端口(223)，第一以太网端口(223)与内联以太网端口(317)相连接。
5.根据权利要求4所述的模态宽频振动消除应力设备控制电路，其特征在于：所述集成显示处理模块(300)还包括与嵌入式处理器(310)通过数据总线连接的视频数模转换器(313)、USB端口(316)、第三运算存储器(319)和第三静态存储器(320)，
视频数模转换器(313)，用于将人机交互界面中显示数据转换为视频信号；
USB端口(316)，用于接收人机交互界面中的输入信号；
第三运算存储器(319)，用于存储数据交换过程中的中间数据；
第三静态存储器(320)，用于存储数据交换的标准协议和基准数据。
6.根据权利要求5所述的模态宽频振动消除应力设备控制电路，其特征在于：所述集成显示处理模块(300)还包括与嵌入式处理器(310)通过数据总线连接的第一串行端口(311)、第二串行端口(312)、第二光电耦合输入输出端口(314)、第二模数转换器(315)、外联以太网端口(318)，
第一串行端口(311)，用于提供RS232通信端口；
第二串行端口(312)，用于提供RS485通信端口；
第二光电耦合输入输出端口(314)，用于完成电信号的隔离接收和发送；
第二模数转换器(315)，用于接收控制电路外围的模拟参量；
外联以太网端口(318)，用于连接其他系统的相应以太网端口，完成控制电路与其他系统的数据通信；
所述实时驱动控制模块(200)还包括与可编程门阵列(220)通过数据总线连接的第一模数转换器(226)，用于接收宽频激振器(50)工况时的相应状态模拟参量。
7.根据权利要求1所述的模态宽频振动消除应力设备控制电路，其特征在于：所述状态信号包括位移信号、频率信号和振幅信号中的一种或几种；所述采集宽频激振器(50)工况时运动部件的状态信号，包括以差分传输线路采集所述状态信号。
8.根据权利要求1所述的模态宽频振动消除应力设备控制电路，其特征在于：所述转换为驱动信号输出至宽频激振器(50)的直线电机控制电路，包括以差分传输线路向直线电机控制电路输出差分驱动信号。
9.利用权利要求1至8其中任一项所述的模态宽频振动消除应力设备控制电路进行时效振动的控制方法，其特征在于包括以下步骤：
初始化控制电路，通过集成显示处理模块(300)的人机交互界面输入针对工件的初始化数据，调整时效处理模型工作参数，通过嵌入式处理器(310)形成控制数据；
实时驱动控制模块(200)中的数字信号处理器(210)接收控制数据进行振动数据计算生成驱动数据，可编程门阵列(220)将驱动数据转换为驱动信号输出，宽频激振器(50)进行相应振动；
光栅尺位移传感器(110)采集振动过程中直线电机工况时的位移信号，激光位移传感器(120)采集宽频激振器(50)的直线电机工况时夹紧装置固定的工件的位移信号，实时驱动控制模块(200)通过可编程门阵列(220)实时接收位移信号，传送至数字信号处理器(210)修正振动计算生成过程；
生成振动数据；可编程门阵列(220)将驱动数据转换为驱动信号输出，宽频激振器(50)进行相应振动。
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