CN103595177A - 单向非周期振动装置及非周期振动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单向非周期振动装置，包括在底座上固定有对称的两个电机支架，在两个电机支架上分别固定有左电机和右电机，左电机的电机轴通过平键与左焊接块轴连接；右电机的电机轴通过另一个平键与右焊接块轴传动连接；左焊接块轴一端固定有左焊接件，左焊接件外表面焊接左偏心块；右焊接块轴一端靠内固定有右焊接件，右焊接件外表面套装有右偏心块。本发明还公开了利用上述的单向非周期振动装置实现双电机同步的控制方法。本发明的装置及方法，保证单向振动的鲁棒性，能够产生更好的物料共振，压实效率更高。

Description

单向非周期振动装置及非周期振动控制方法

技术领域

本发明属于电机同步控制技术领域，利用两个电机反相同步产生非周期的振动，具体涉及一种单向非周期振动装置，本发明还涉及一种利用该单向非周期振动装置实现非周期振动的控制方法。

背景技术

压实机械是基础施工的重要设备，传统技术是利用振动器在物体上产生固定频率的高频振动，这种振动将使得被压实物料颗粒间的摩擦减小，小的颗粒充填到大颗粒的孔隙中，材料处于容积尽量小的状态，使得压实度增加。一般而言，被压实物料的固有频率如果与外激振频率一致，可以得到最好的压实效果。由于被压实物料的组分不同，如砾石、沙、土和灰粉之间的自振频率各不相同，而且差别很大，传统的周期振动压实机械，能够产生的共振频率范围有限，无法使各种成分充分共振。混沌具有宽频谱特性，混沌(非周期)振动在更宽的频谱范围内产生振动能量，能够引起不同组分的共振，减小颗粒之间的摩擦力，得到更好的压实效果。

目前，龙运佳、杨勇、王聪玲撰写的《基于混沌振动力学的压路机工程》中，公开了利用三连杆机械结构产生混沌振动，但其结构复杂，机构庞大，设计不够灵活，运行噪音大，可靠性不高，参数也难以在线调整。

发明内容

本发明的目的是提供一种单向非周期振动装置，解决了现有技术中存在传动结构比较复杂，运行噪音大，可靠性不高的问题。

本发明的另一目的是提供一种利用该单向非周期振动装置实现非周期振动的控制方法，解决了现有技术中存在结构复杂，机构庞大，设计不够灵活，参数也难以在线调整的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种单向非周期振动装置，包括底座，在底座上固定有对称的两个电机支架，在两个电机支架上分别固定有左电机和右电机，左电机的电机轴与左焊接块轴传动连接；右电机的电机轴与右焊接块轴传动连接，右焊接块轴伸进左焊接块轴内圆之中并通过内轴承套接；

左焊接块轴朝向右焊接块轴的一端固定有左焊接件，左焊接件外表面固定焊接左偏心块；

右焊接块轴朝向左焊接块轴的一端靠内固定有右焊接件，右焊接件外表面固定套装有右偏心块。

本发明所采用的另一技术方案是，一种利用上述的单向非周期振动装置实现双电机同步的控制方法，其中一个电机采用直接延迟反馈控制方法使其出现混沌运动，作为驱动电机，另一个电机作为响应电机，通过自适应神经网络控制器在未知对象模型和负载情况下实现其与驱动电机的转速同步，两个电机转速的同步会使得分别与两个电机同轴相连的偏心块反向同速转动。

本发明的有益效果是，通过对两个电机的同步实现了两个同轴共重心旋转面的偏心轮的反相同步，从而实现单向振动，与利用单个电机和复杂的传动结构的单向振动产生方法相比，本发明的机械结构简单，可靠性高；无齿轮传动，噪音小；控制方法在响应电机模型和负载未知情况下仍能够有效同步，保证单向振动的鲁棒性；非线性振动的参数可以方便调整，能够产生更好的物料共振，压实效率更高。

附图说明

图1是本发明的单向非周期振动装置的结构示意图；

图2是本发明装置中的左焊接件的结构示意图；

图3是图2中的A-A截面示意图；

图4是本发明装置中的右焊接件的结构示意图；

图5是图4中的B-B截面示意图；

图6是本发明装置中的左偏心块的结构示意图；

图7是本发明装置中的左偏心块的侧视结构示意图；

图8是本发明装置中的右偏心块的结构示意图；

图9是本发明装置中的右偏心块的侧视结构示意图；

图10是本发明装置的单向振动力产生原理示意图；

图11是本发明方法的双电机及其驱动系统框图；

图12是本发明方法的驱动电机转速波形图；

图13是本发明方法的驱动电机转速频谱图；

图14是本发明方法的驱动电机角速度与响应电机角速度同步曲线；

图15是本发明方法的驱动电机角速度与响应电机角速度同步曲线的局部放大图；

图16是本发明方法的压实力的时域波形；

图17是本发明方法的压实力的频谱图。

图中，1.底座，2.电机支架，3.左偏心块，4.右偏心块，5.平键，6.右电机，7.电机轴头压盖，8.左焊接块轴，9.右焊接块轴，10.轴承，11.左焊接件，12.内轴承，13.左电机，14.右焊接件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的单向非周期振动装置(或称为同轴共偏心面的偏心装置)，其结构是，包括底座1，底座1为一方形(或长方形)平板形状，下表面与被压实物(振动对象)接触，为压实机构的工作面；

在底座1上固定有对称的两个电机支架2，在两个电机支架2上分别固定有左电机13和右电机6(图中的左右方位)，左电机13的电机轴通过平键5与左焊接块轴8连接，左焊接块轴8通过轴承10支撑在左侧的电机支架2中；右电机6的电机轴通过另一个平键5与右焊接块轴9传动连接，右焊接块轴9通过另一轴承10支撑在右侧的电机支架2中，右焊接块轴9伸进左焊接块轴8内圆之中并通过内轴承12套接，两个电机均同时选用永磁同步电机，上述结构保证两个电机轴在同一条直线上，实现同轴滚动套接；

每个电机支架2通过弹性的垫圈和螺钉固定、或焊接在底座1上，左电机13和右电机6壳体通过弹性的垫圈和螺钉固定、或焊接在电机支架2上，左电机13和右电机6的电机轴头压盖7分别通过一组压盖螺钉和垫圈固定在各自的电机支架2上；

图2、图4中，在左、右电机的传动轴上分别通过平键连接有左焊接块轴8、右焊接块轴9。

图2、图3中，左焊接块轴8朝向右焊接块轴9的一端固定有左焊接件11，左焊接件11外表面固定焊接左偏心块3，G为焊接加固点；

图4、图5中，右焊接块轴9朝向左焊接块轴8的一端靠内固定有右焊接件14，右焊接件14外表面固定套装有右偏心块4，H为焊接加固点；

图6、图7中，左偏心块3为U型结构的空心偏心块；

图8、图9中，右偏心块4为实心偏心块，并且右偏心块4套装在左偏心块3的U型空间内，能够沿左偏心块3的U型空间中实现不接触的转动，这样能够保证两个电机旋转时，实现两个偏心块的重心所在平面重合。

本发明利用该单向非周期振动装置实现非周期振动的控制方法是，两个电机同轴安装在底座上，两个电机通过导线同时与各自的驱动器相连，驱动器驱动两个电机实现转速同步，由于两个电机相对安放，因此电机转速同步时，两个偏心块旋转方向相反，瞬时转速相同，并且两个偏心块的(重心)轨迹在同一平面内，如图10所示，分析可知两个偏心块的合力为垂直方向，因此就会产生所需要的单向振动，

在同步振动控制过程中，其中一个电机采用直接延迟反馈控制方法使其出现混沌运动，作为驱动电机，另一个电机作为响应电机，通过自适应神经网络控制器在未知对象模型和负载情况下实现其与驱动电机的转速同步，由于两个电机同轴相对安装，两个电机转速的同步会使得分别与两个电机同轴相连的偏心块反向同速转动。

如图10所示，实心圆代表实心偏心块ew2，空心圆代表U型偏心块ew1，设两个偏心块初始状态竖直向下，两偏心块重心处于同一条铅垂线上，即角位置重合，由于角速度相同(相对安放，实际角速度方向相反)，相同时间内转过的角度分别为θ₁和θ₂，于是有θ₁＝θ₂，两个偏心块相向等速转动，能够按照图10中两个偏心块ew1和ew2来分析，偏心块转动时将产生偏心力，偏心力的大小分别如下式(1)：

$\begin{array}{c}{F}_{\mathrm{ew}1}=M_{e1}{r}_1{{\mathrm{\ω}}_1}^2\\ F_{\mathrm{ew}2}=M_{e2}{r}_2{{{\mathrm{\ω}}_2}^2}^{\text{'}}\end{array},---\left(1\right)$

其中F_ewi，i＝1，2为偏心块转动时的离心力，M_e1为U型空心偏心块的质量，M_e2为实心偏心块质量，r₁为U型空心偏心块偏心距，r₂为实心偏心块偏心距，ω_i，i＝1，2表示偏心块角速度，即两个电机角速度；

令M_e1r₁＝M_e2r₂，两个电机采用下述的控制算法实现角速度同步，即ω₁＝ω₂，则F_ew1＝F_ew2，θ₁＝θ₂，可见两偏心轮在x方向的合力为：

F_Σx＝F_ew1x+F_ew2x＝F_ew1cosθ₁+F_ew2cosθ₂，    (2)

在y方向的合力为：

F_Σy＝F_ew1y+F_ew2y＝F_ew1sinθ₁+F_ew2sinθ₂，    (3)

可见F_Σx＝0，y方向的合力为F_Σy＝2F_ew1sinθ₁＝2F_ew2sinω₁t，因而只有单方向的振动。如果两个电机均以固定转速旋转，那么，上述装置就会产生单向周期振动。如果两个电机转速按照以下步骤中的方法产生的转速ω为非周期的，F_Σy＝2F_ew1sinθ₁也为非周期的，这样就能够实现单向非周期的振动。

实施例中，驱动电机和响应电机同时选用ITT606型永磁同步电机，均带有2500脉冲/转的光电码盘作为速度反馈。

如图11所示，驱动电机及其驱动逆变器、驱动电机控制器三个部分一起构成驱动电机系统，驱动逆变器包括三相全桥逆变器(包含功率器件驱动电路)，三相全桥逆变器与不控整流(模块)连接，不控整流(模块)对外与三相工频电源连接，见图11中的上半部分；

驱动电机控制器在数字信号控制器(型号为TMS320F28335)中采用软件算法实现，驱动电机控制器完成如下功能：通过驱动电机轴上连接的码盘和数字信号处理器的正交编码脉冲输入电路(QEP)采集得到驱动电机角位置增量，进而得到角位置作为PARK变换和逆PARK变换的输入，驱动电机的角位置信号同时也被送入响应电机控制器中作为响应电机的角速度参考值；通过两路A/D检测驱动电机的两相电流，将采集到的电流值依次通过CLARK变换及PARK变换得到旋转坐标系反馈量，即直轴电流和交轴电流反馈量，将两个电流反馈量经过延时处理后，与原信号分别相减，再乘以各自的比例系数得到直轴和交轴电流控制量，该控制量通过逆PARK变换和空间矢量控制器(SVPWM)后发送给三相全桥逆变器的6个开关管所需的控制脉冲，使得驱动逆变器给驱动电机供电，适当调节四个参数K_d，K_q，τ_d，τ_q使得驱动电机的转速出现非周期运动；

实施例中当参数K_d＝1，K_q＝-0.1，τ_d＝0.9，τ_q＝0.8时，得到驱动电机转速的波形和频谱波形如图12和13所示，图12为驱动电机非周期(混沌)运动转速的时域图，图13为对应图12中转速的频谱图，可见该转速中含有无穷多个周期分量，实际上为非周期信号。

响应电机的角位置通过与响应电机同轴连接的码盘和数字信号处理器的QEP电路采集到响应电机控制器中，一方面，与驱动电机的转速相减得到速度误差作为响应电机交轴控制器的一个输入，同时其本身也作为反馈信号送入直轴(电流)控制器和交轴(电流)控制器；另一方面，作为响应电机PARK变换和CLARK变换的输入变量。

响应电机的两相电流也通过电流传感器和A/D送入数字信号处理器，再通过PARK变换和CLARK变换得到响应电机的直轴和交轴电流反馈量，这两个反馈变量分别送入直轴(电流)控制器和交轴(电流)控制器作为控制器状态变量使用，直轴(电流)控制器和交轴(电流)控制器输出经过限幅作为直轴电流和交轴电流控制量。

响应电机以驱动电机的实际角速度作为角速度参考值，通过同步控制器实现响应电机与驱动电机的速度同步，具体方法如下：

响应电机在转子磁场定向坐标系(d-q坐标系)中的状态方程如下式：

其中x₁为响应电机的转子角速度，x₂和x₃为响应电机的定子交轴和直轴电流，φ_f是响应电机的转子永磁体产生的与定子交链的磁链，J为响应电机的转动惯量，B为响应电机轴的粘滞摩擦系数，T_L为响应电机的负载转矩，p_n为响应电机的极对数，L_d和L_q分别为响应电机的直轴和交轴电感，u_d和u_q为响应电机的定子直轴和交轴电压，即直轴电流控制量u_d和交轴电流控制量u_q，这两个变量通过逆PARK变换和空间矢量控制器(SVPWM)后发送给响应逆变器的6个开关管所需的控制脉冲，控制响应逆变器给响应电机供电。

设响应电机的模型未知，同时负载(扰动)未知，构建如下RBF自适应神经网络控制器：

其中，e₁＝x₁-y₁，    (9)

e₂＝x₂-x_2d，    (10)

e₃＝x₃-x_3d，    (11)

x_3d＝0，    (13)

y₁为驱动电机角速度，c₁，c₂，c₃为控制器设计参数，

为自适应参数，符号函数 $\mathrm{sgn}\left(v\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& v\&GreaterEqual;0\\ -1& v<0\end{array}\right.,$ ‖v‖表示向量v的2范数，

为神经网络自适应控制器的基函数，表示形式如下

$Z_1=\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& x_3& {\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_1\end{array}\right],---\left(17\right)$

Z₂＝[x₁ x₂ x₃ x_2d u_qα]，    (18)

Z₃＝[x₁ x₂ x₃ x_3d u_dα]，    (19)

$u_{\mathrm{q\&alpha;}}=-c_2{e}_2-e_1-{\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_2\mathrm{sgn}\left(e_2\right),---\left(20\right)$

$u_{\mathrm{d\&alpha;}}=-c_3{e}_3-{\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_3\mathrm{sgn}\left(e_3\right),---\left(21\right)$

其中C_ij为RBF基函数的中心向量，为基函数的宽度，

为x_i状态方程中未知模型神经网络估计的RBF神经网络自适应控制器的基函数。

控制器中的设计参数自适应规律如下：

γ₁，γ₂，m₁，m₂，n₁，n₂为参数自适应增益。

如图11所示，响应电机与响应逆变器、响应电机控制器三个部分一起构成响应电机系统，响应逆变器包括三相全桥逆变器(包含功率器件驱动电路)和不控整流(模块)，三相全桥逆变器通过不控整流(模块)与三相工频电源连接，见图11中的下半部分；

与驱动电机相似地，响应电机控制器也在数字信号控制器(型号为TMS320F28335)中采用软件算法实现，响应电机控制器完成如下功能：通过两路A/D检测响应电机的两相电流，通过PARK变换得到旋转坐标系反馈量，再通过CLARK变换得到等效直轴和交轴电流反馈量，通过正交编码(QEP)电路检测码盘得到响应电机的角速度，并与驱动电机角速度反馈值作差得到公式(9)的速度同步误差，然后将速度同步误差、响应电机速度反馈值、响应电机直轴和交轴电流反馈值一起送入交轴(电流)控制器，完成控制器(7)的运算处理；同时，将响应电机速度反馈值、响应电机直轴和交轴电流反馈值、直轴电流给定值，一起送入直轴(电流)控制器，完成公式(8)的运算处理。通过公式(7)和公式(8)后分别得到交轴和直轴电流控制量，该控制量通过逆PARK变换和空间矢量控制器(SVPWM)给出响应逆变器的6个开关管所需的控制脉冲，控制响应逆变器给响应电机的供电，实现响应电机与驱动电机的速度同步。

实施例中，设置响应电机控制器中的参数c₁＝0.5，c₂＝10，c₃＝5，参数自适应增益γ₁＝5，γ₂＝8，m₁＝10，m₂＝2，n₁＝5，n₂＝2，所有神经网络自适应控制器的基函数个数n＝10，网络的基函数中心C_ij=[50-10j，20-4j，j，-20+4j，-50+10j]，i=1，2，3，j=1，２，...，n，，基函数宽度σ_ij=10，i=1，2，3，j=1，2，...，n，采用上述参数，在响应电机负载T_L＝10sin(πt)的情况下，得到两个电机同步结果如图14和图15所示，其中图15为图14的局部放大图，由图14和图15可见，两个电机能够实现良好的同步。

在两个偏心块的偏心矩都为0.16KNM时，双电机单向非周期振动系统产生的垂直方向合力如图16所示，该振动压实力的频谱如图17所示，可见该振动频率很宽，能够得到更好的压实效果。

Claims (7)

1.一种单向非周期振动装置，其特点在于：包括底座(1)，在底座(1)上固定有对称的两个电机支架(2)，在两个电机支架(2)上分别固定有左电机(13)和右电机(6)，左电机(13)的电机轴与左焊接块轴(8)传动连接；右电机(6)的电机轴与右焊接块轴(9)传动连接，右焊接块轴(9)伸进左焊接块轴(8)内圆之中并通过内轴承(12)套接；

左焊接块轴(8)朝向右焊接块轴(9)的一端固定有左焊接件(11)，左焊接件(11)外表面固定焊接左偏心块(3)；

右焊接块轴(9)朝向左焊接块轴(8)的一端靠内固定有右焊接件(14)，右焊接件(14)外表面固定套装有右偏心块(4)。

2.根据权利要求1所述的单向非周期振动装置，其特点在于：所述的底座(1)为平板形状。

3.根据权利要求1所述的单向非周期振动装置，其特点在于：所述的左偏心块(3)为U型结构的空心偏心块，右偏心块(4)为实心偏心块，并且右偏心块(4)套装在左偏心块(3)的U型空间内。

4.根据权利要求1所述的单向非周期振动装置，其特点在于：所述的每个电机支架(2)通过弹性的垫圈和螺钉固定、或焊接在底座(1)上；所述的左电机(13)和右电机(6)壳体通过弹性的垫圈和螺钉固定、或焊接在电机支架(2)上；所述的左电机(13)和右电机(6)的电机轴头压盖(7)分别通过一组压盖螺钉和垫圈固定在各自的电机支架(2)上。

5.根据权利要求1所述的单向非周期振动装置，其特点在于：所述的左焊接块轴(8)通过轴承(10)支撑在左侧的电机支架(2)中；右焊接块轴(9)通过另一轴承(10)支撑在右侧的电机支架(2)中。

6.一种利用权利要求1、2、3、4或5所述的单向非周期振动装置实现双电机同步的控制方法，其特点在于：其中一个电机采用直接延迟反馈控制方法使其出现混沌运动，作为驱动电机，另一个电机作为响应电机，通过自适应神经网络控制器在未知对象模型和负载情况下实现其与驱动电机的转速同步，两个电机转速的同步会使得分别与两个电机同轴相连的偏心块反向同速转动。

7.根据权利要求6所述的单向非周期振动装置实现双电机同步的控制方法，其特点在于：

所述的驱动电机及其驱动逆变器、驱动电机控制器一起构成驱动电机系统，驱动逆变器包括三相全桥逆变器和不控整流，三相全桥逆变器通过不控整流对外与三相工频电源连接；

所述的响应电机与响应逆变器、响应电机控制器一起构成响应电机系统，响应逆变器包括三相全桥逆变器和不控整流，三相全桥逆变器通过不控整流对外与三相工频电源连接；

所述的驱动电机控制器在数字信号控制器中采用软件算法实现，驱动电机控制器完成如下功能：通过驱动电机轴上连接的码盘和数字信号处理器的正交编码脉冲输入电路QEP采集得到驱动电机角位置增量，进而得到角位置作为PARK变换和逆PARK变换的输入，驱动电机的角位置信号同时也被送入响应电机控制器中作为响应电机的角速度参考值；通过两路A/D检测驱动电机的两相电流，将采集到的电流值依次通过CLARK变换及PARK变换得到旋转坐标系反馈量，即直轴电流和交轴电流反馈量，将两个电流反馈量经过延时处理后，与原信号分别相减，再乘以各自的比例系数得到直轴和交轴电流控制量，该控制量通过逆PARK变换和空间矢量控制器后发送给三相全桥逆变器的6个开关管所需的控制脉冲，使得驱动逆变器给驱动电机供电，适当调节四个参数K_d，K_q，τ_d，τ_q使得驱动电机的转速出现非周期运动；

响应电机以驱动电机的实际角速度作为角速度参考值，通过同步控制器实现响应电机与驱动电机的速度同步，具体方法如下：

设响应电机的模型未知，负载未知，构建如下自适应神经网络控制器：

其中，e₁＝x₁-y₁，    (9)

e₂＝x₂-x_2d，    (10)

e₃＝x₃-x_3d，    (11)

x_3d＝0，    (13)

其中x₁为响应电机的转子角速度，x₂和x₃为响应电机的定子交轴和直轴电流，y₁为驱动电机角速度，c₁，c₂，c₃为控制器设计参数，

为自适应参数，符号函数 $\mathrm{sgn}\left(v\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& v\&GreaterEqual;0\\ -1& v<0\end{array}\right.,$ ‖v‖表示向量v的2范数，为神经网络自适应控制器的基函数，表示形式如下：

$Z_1=\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& x_3& {\stackrel{\&CenterDot;}{y}}_1\end{array}\right],---\left(17\right)$

Z₂＝[x₁ x₂ x₃ x_2d u_qα]，    (18)

Z₃＝[x₁ x₂x₃ x_3d u_dα]，    (19)

$u_{\mathrm{q\&alpha;}}=-c_2{e}_2-e_1-{\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_2\mathrm{sgn}\left(e_2\right),---\left(20\right)$

$u_{\mathrm{d\&alpha;}}=-c_3{e}_3-{\widehat{\mathrm{\&rho;}}}_3\mathrm{sgn}\left(e_3\right),---\left(21\right)$

其中C_ij为RBF基函数的中心向量，

为基函数的宽度，为x_i状态方程中未知模型神经网络估计的RBF神经网络自适应控制器的基函数，设计参数自适应规律如下：

γ₁，γ₂，m₁，m₂，n₁，n₂为参数自适应增益，

与驱动电机相似地，响应电机控制器也在数字信号控制器中采用软件算法实现，响应电机控制器完成如下功能：通过两路A/D检测响应电机的两相电流，通过PARK变换得到旋转坐标系反馈量，再通过CLARK变换得到等效直轴和交轴电流反馈量，通过正交编码QEP电路检测码盘得到响应电机的角速度，并与驱动电机角速度反馈值作差得到公式(9)的速度同步误差，然后将速度同步误差、响应电机速度反馈值、响应电机直轴和交轴电流反馈值一起送入交轴控制器，完成控制器(7)的运算处理；同时，将响应电机速度反馈值、响应电机直轴和交轴电流反馈值、直轴电流给定值，一起送入直轴控制器，完成公式(8)的运算处理；通过公式(7)和公式(8)后分别得到交轴和直轴电流控制量，该控制量通过逆PARK变换和空间矢量控制器给出响应逆变器的6个开关管所需的控制脉冲，控制响应逆变器给响应电机的供电，实现响应电机与驱动电机的速度同步。

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