CN103901789A - 一种振动输出力跟随控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种振动输出力跟随控制装置，包括机械本体模块、交流伺服电机驱动模块和控制模块；本发明还公开了一种振动输出力跟随控制装置的控制方法，包括如下步骤：步骤1、控制器设定需要跟踪的振动输出力信号，并设定控制系统采样周期；步骤2、控制器由模拟量输入模块获得工作台的加速度信号，由增量编码器接口端子模块获得工作台的位移信号；步骤3、控制器对上述采集的信号进行处理产生控制输出信号；步骤4、控制器产生的输出信号经模拟量输出端子模块D/A变换后，产生大小为-10～+10V的电压信号以控制交流伺服电机运动。本发明具有减少了输出力信号的相位误差和降低输出力信号畸变等优点。

Description

一种振动输出力跟随控制装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种机械振动与控制技术，特别涉及一种振动输出力跟随控制装置及其控制方法。

背景技术

模拟振动平台已经被广泛地应用在航空航天，武器船舶、车辆交通，建筑结构和地质勘探等工程领域。常见的电液式振动台可用来测试零部件或装配体对振动环境的适应性、疲劳强度和共振频率等；地震模拟振动台可以用来模拟房屋等结构在地震波环境下的反应情况，进而提出抗震性措施；可控震源振动台可用来向地下发射地震波进行地质勘探等。模拟振动平台其原理是对期望输入信号(如：力信号)的高精度跟随复现来实现某种特定形式的振动。机械式振动台造价低，维护方便，但其噪声大，波形不易控制。气动式振动台由于气体的可压缩性不易控制，所以使用范围受到限制。电液式振动台能够产生很大的激振力和位移，但高频性能差，不适用于中小型工件和结构的测试。电动式振动台因其工作频段宽，承载范围广，波形好，易控制等诸多优点而备受青睐，成为应用最广泛的一种激振设备。但目前国内的电动振动台主要依靠进口，价格高而且控制系统开放程度低。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种振动输出力跟随控制装置，该控制装置可以进行电动振动系统的模型辨识、控制技术和滤波器设计。

本发明的另一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种控制振动输出力跟随控制装置的控制方法，该控制方法能够减少输出力信号的相位误差和降低输出力信号畸变。

本发明的首要目的通过下述技术方案实现：一种振动输出力跟随控制装置，该装置包括机械本体模块，交流伺服电机驱动模块和控制模块；

所述机械本体模块包括：

支撑台架7采用60×60铝型材构建，整体尺寸为600×320×200mm。直线运动模组6底座直接与支撑台架7由螺栓连接，交流伺服电机端悬空布置于支撑台架外，支撑台架对交流伺服电机不起支撑作用；交流伺服电机1通过联轴器2驱动直线运动模组6的工作台运动。

质量块5固定在工作台上，单向电荷输出型压电加速度传感器4和质量块5固定连接，可用于检测工作台和质量块5在振动方向上的加速度信号。

三个PNP型接近传感器3通过连接块固定于直线运动模组6一侧，分别作为原点、左极限和右极限传感器。

交流伺服电机1的输出力矩驱动工作台和质量块5高速往复运动产生振动，振动输出力由固定在质量块5上的单向电荷输出型压电加速度传感器4输出。

所述交流伺服电机驱动模块包括：

交流伺服电机驱动器8工作在力矩模式，按照获得模拟量电压信号(-10-+10V)控制交流伺服电机1的输出力矩，并输出交流伺服电机1的光电编码器当前值。

所述控制模块包括：

控制模块主要用于对检测到的振动输出力跟随控制装置的位移和振动信号做出相应的处理。控制模块的硬件构成如下：

控制器11为安装有德国倍福的实时控制软件TwinCAT的PC机，通过耦合器12控制增量编码器接口端子模块13、数字量输入模块14、模拟量输入模块15、和模拟量输出模块16，最小采样周期为50微秒。

控制模块用于对检测到的振动输出力跟随控制装置的位移和振动信号做出相应的处理；处理的所述位移和振动信号包括：输入加速度传感器信号、输入增量式编码器信号、输入数字量信号和输出交流伺服电机输出力矩控制信号；

所述的输入加速度传感器信号，单通道电荷放大器9将压电式加速度传感器4输出的电荷信号转换为与之对应的±10v模拟量电压信号，由模拟量输入模块15A/D转换后输入主控计算机。

所述的输入增量式编码器信号，交流伺服电机的增量编码器信号经过交流伺服电机驱动器8处理后，输出A+/A-，B+/B-，Z+/Z-三相差动脉冲信号，由增量编码器接口端子模块13计数后输入主控计算机。

所述的输入数字量信号，作为直线运动模组的原点、左极限、和右极限信号的三个PNP型接近传感器3信号，由数字量输入模块14输入主控计算机。

所述的输出交流伺服电机输出力矩控制信号，模拟量输出模块16D/A转换后产生-10-+10V控制电压信号，控制交流伺服电机1的输出力矩。

控制模块的软件包括非实时模块和实时模块构成如下：

非实时模块采用Microsoft Visual Studio2010平台开发。主要完成人机交互功能。包括设置输出力跟随曲线、显示和监控加速度传感器信号、设置采样周期，启动和停止控制系统运行。

实时模块运行于德国倍福TwinCAT软件的实时核上，采用可编程序控制器编程语言的国际标准IEC61131-3开发，主要完成控制系统中输入信号采集，包括加速度传感器信号输入、增量式编码器信号输入和数字量输入信号获得；运行控制算法和输出交流伺服电机输出力矩控制信号。

非实时模块和实时模块通过ADS(Automation Device specification)自动化设备规范通讯协议交互。

本发明的另一目的通过以下技术方案实现：一种控制振动输出力跟随控制装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步：控制器设定需要跟踪的振动输出力信号，并设定控制系统采样周期；

第二步：控制器由模拟量输入模块获得工作台的加速度信号，和增量编码器接口端子模块获得工作台的位移信号；

第三步：控制器对上述采集的信号进行处理产生输出信号，经模拟量输出端子模块D/A变换后，产生大小为[-10V，+10V]电压信号控制交流伺服电机运动，实现振动输出力控制。

本发明的工作原理：本发明的一种振动输出力跟随控制装置及其控制方法中，振动输出力跟随控制装置包括机械本体模块，交流伺服电机驱动模块和控制模块。机械本体模块包括：交流伺服电机通过联轴器驱动直线运动模组的工作台运动，直线运动模组固定在铝合金支撑台架上。质量块固定在工作台上，单向电荷输出型压电加速度传感器和质量块固定连接，可用于检测工作台和质量块在振动方向上的加速度信号。三个PNP型接近传感器通过连接块固定于直线运动模组一侧，分别作为原点、左极限和右极限传感器。交流伺服电机驱动模块包括：交流伺服电机驱动器工作在力矩模式，按照获得模拟量电压信号控制交流伺服电机的输出力矩，并输出交流伺服电机的光电编码器当前值。控制模块用于对检测到的振动输出力跟随控制装置的位移和振动信号做出相应的处理。采用此装置可进行电动振动输出力控制方法的研究，包括电动振动系统的模型辨识、控制技术、和滤波器设计，从而达到减少输出力信号的相位误差、降低输出力信号畸变的目的。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)本装置采用交流伺服电机驱动直线运动模组，作为电动振动平台驱动模块，具有结构简单和控制模型容易辨识等优点。

(2)本装置采用加速度传感器和增量式光电编码器作为振动输出力控制的反馈信号，构建双闭环输出力控制系统，使得系统具有高控制精度，频宽和稳定性。

(3)本装置的实时模块运行于德国倍福TwinCAT软件的实时核上，结合高速工业以太网总线EtherCAT通讯系统，控制系统采样周期最小可达到50微秒。

附图说明

图1是本发明的软件结构图。

图2是本发明振动输出力跟随控制装置和方法的人机交互界面。

图3是本发明振动输出力跟随控制装置和方法的总体结构示意图；图中，1为交流伺服电机，2为联轴器，3为接近传感器，4为加速度传感器，5为质量块，6v直线运动模组，7为支撑台架，8为交流伺服电机驱动器，9为电荷放大器，10为开关电源，11为控制器，12为耦合器，13为增量编码器接口端子模块，14为数字量输入模块，15为模拟量输入模块，16为模拟量输出模块，17为空气开关，18为排插，19为环氧板。

图4是本发明振动输出力跟随控制装置和方法的电气原理示意图；图中，排插18为整个系统提供220v，50Hz交流电；空气开关17起到对交流伺服电机驱动器8和交流伺服电机1过载及短路的保护；开关电源10为耦合器12和三个接近传感器3提供24vDC电源；交流伺服电机1光电编码器通过CN2端子与交流伺服电机驱动器8连接，CN1A端子输出的A+/A-，B+/B-，Z+/Z-三相差动脉冲信号分别接入增量编码器接口端子模块13对应位置；伺服驱动器CN1B的力矩指令信号接入模拟量输出模块16的第二通道。电荷放大器9输出的模拟量电压信号由模拟量输入模块15的第二通道采集；左极限，原点及右极限接近传感器3分别接入数字量输入模块14的第二、四、六通道。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1和图2所示，一种振动输出力跟随控制装置，该装置包括机械本体模块，交流伺服电机驱动模块和控制模块：

机械本体模块包括：

支撑台架7采用60×60铝型材构建，整体尺寸为600×320×200mm。直线运动模组6底座直接与支撑台架7由螺栓连接，交流伺服电机端悬空于支撑台架外。交流伺服电机1通过联轴器2驱动直线运动模组6的工作台运动。

质量块5固定在工作台上，单向电荷输出型压电加速度传感器4和质量块5固定连接，可用于检测工作台和质量块5在振动方向上的加速度信号。

三个PNP型接近传感器3通过连接块固定于直线运动模组6一侧，分别作为原点、左极限、和右极限传感器。

交流伺服电机1的输出力矩驱动工作台和质量块5高速往复运动产生振动，振动输出力由固定在质量块5上的单向电荷输出型压电加速度传感器4输出。

交流伺服电机驱动模块包括：

交流伺服电机驱动器8工作在力矩模式，按照获得模拟量电压信号(-10-+10V)控制交流伺服电机1的输出力矩，并输出交流伺服电机1的光电编码器当前值。

控制模块包括：

控制模块主要用于对检测到的振动输出力跟随控制装置的位移和振动信号做出相应的处理。控制模块的硬件构成如下：

控制器11为安装有德国倍福的实时控制软件TwinCAT的PC机，通过耦合器12控制增量编码器接口端子模块13、数字量输入模块14、模拟量输入模块15和模拟量输出模块16，最小采样周期为50微秒。

加速度传感器信号输入，单通道电荷放大器9将压电式加速度传感器4输出的电荷信号转换为与之对应的+10v模拟量电压信号，由模拟量输入模块15A/D转换后输入主控计算机。

增量式编码器信号输入，交流伺服电机的增量编码器信号经过交流伺服电机驱动器8处理后，输出A+/A-，B+/B-，Z+/Z-三相差动脉冲信号，由增量编码器接口端子模块13计数后输入主控计算机。

数字量信号输入，作为直线运动模组的原点、左极限、和右极限信号的三个PNP型接近传感器3信号，由数字量输入模块14输入主控计算机。

交流伺服电机输出力矩控制信号输出，模拟量输出模块16D/A转换后产生-10-+10V控制电压信号，控制交流伺服电机1的输出力矩。

控制模块的软件包括非实时模块和实时模块构成如下：

非实时模块采用Microsoft Visual Studio2010平台开发。主要完成人机交互功能。包括设置输出力跟随曲线、显示和监控加速度传感器信号、设置采样周期，启动和停止控制系统运行。

实时模块运行于德国倍福TwinCAT软件的实时核上。采用可编程序控制器编程语言的国际标准IEC61131-3开发。主要完成控制系统中输入信号采集，包括加速度传感器信号输入、增量式编码器信号输入和数字量输入信号获得；运行控制算法和输出交流伺服电机输出力矩控制信号。

非实时模块和实时模块通过ADS(Automation Device specification)自动化设备规范通讯协议交互。

如图4所示，振动输出力跟随控制装置的控制方法包括如下步骤：

第一步：控制器设定需要跟踪的振动输出力信号，并设定控制系统采样周期；

第二步：控制器由模拟量输入模块获得工作台的加速度信号，和增量编码器接口端子模块获得工作台的位移信号；

第三步：控制器对上述采集的信号进行处理产生输出信号，经模拟量输出端子模块D/A变换后，产生大小为[-10V，+10V]电压信号控制交流伺服电机运动，实现振动输出力控制。

在本实施例中，如图3所示，交流伺服电机1选用的是日本三菱公司生产的HC-KFS23型交流伺服电机，其额定功率为200W，额定转速为3000r/min，额定转矩为0.64N.m，最大转矩为1.9N.m，不带电磁制动器。相应的交流伺服电机驱动器8型号为MR-J2S-20A，额定输出200W；联轴器2可选绕线式弹性联轴器；直线运动模组6选用日本THK公司生产的KR系列结构紧凑型，行程为500mm的LM滚动导轨智能组合单元；支撑台架7选用的是上海璐琥铝型材公司生产的6060W型工业铝型材及4590连接角件，长宽高分别为600×320×200的5mm厚铝板；环氧板支撑可选用上海璐琥铝型材公司生产的M8.100.500型万向尼龙蹄脚。

三个接近传感器3可选广州富唯电子科技有限公司生产的PNP型FSN18-05P接近传感器，其最大感应距离为5mm；接近传感器3与直线运动模组6的连接块可做成长宽高为50×6×14mm的铝合金块；接近传感器3顶面与长宽高为60×50×20mm的铝合金质量块5的感应距离选为1.5mm。

加速度传感器4选用的是江苏联能电子技术有限公司生产的CA-YD-127电荷输出型压电加速度计，其频率响应为0.3-5000Hz，轴向灵敏度为150Pc/g，冲击极限600g，顶端L5输出方式；电荷放大器9可选江苏联能电子技术有限公司生产的YE5852型单通道电荷放大器，其输出模拟量电压为+10v，增益分档有0.01、0.1、1、10、100、1000mV/pc，供电电压220v，50Hz交流电，外形尺寸为70×132.5×200mm。

控制器11选用的是安装有TwinCAT实时控制软件的PC电脑，其通过以太网线与耦合器12通讯，耦合器由24v开关电源供电，并通过模块触点给增量编码器接口端子模块13，数字量输入模块14，模拟量输入模块15和模拟量输出模块16供电。耦合器12和I/O端子模块与正泰公司生产的1P，额定电流为10A的DZ47-60C10空气开关17一起安装在DIN卡条上。

耦合器12的型号为EK1100，其额定电压为24vDC，最大负载电流10A，外形尺寸为44×100×68mm，带LED信号显示灯。EL1008为8通道数字量输入模块14，带3ms输入滤波，E-bus电流消耗典型值为90mA。EL3002为2通道模拟量输入模块15，处理0-10v范围信号，12位分辨率，E-bus电流消耗典型值为180mA。EL4134为4通道模拟量输出模块16，输出-10v-+10v电压信号，16位分辨率，E-bus电流消耗典型值为180mA。EL5101为增量编码器接口端子模块13，具有四倍频正交解码器的16位计数器和16位零脉冲锁存器，E-bus电流消耗典型值为150mA。所有I/O模块电源额定电压均为24vDC，防护等级均为IP20，均带有LED信号显示灯，宽度单模为12mm，双模24mm。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种振动输出力跟随控制装置，其特征在于，包括机械本体模块、交流伺服电机驱动模块和控制模块；

所述的机械本体模块包括：直线运动模组、联轴器、加速度传感器、接近传感器和电荷放大器；所述的联轴器和接近传感器均与直线运动模组相连接，所述的加速度传感器和直线运动模组的工作台相连接，所述的电荷放大器和加速度传感器相连接；

交流伺服电机驱动模块包括：交流伺服电机和交流伺服电机驱动器；所述的交流伺服电机驱动器用于驱动交流伺服电机；

控制模块包括：控制器、耦合器、增量编码器接口端子模块、数字量输入模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块；所述的控制器、耦合器、增量编码器接口端子模块、数字量输入模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块依次相连接；

所述电荷放大器和交流伺服电机驱动模块均与控制模块相连接，所述的联轴器和直线运动模组均与交流伺服电机驱动模块相连接；

所述交流伺服电机驱动器驱动交流伺服电机旋转，所述交流伺服电机通过联轴器带动直线运动模组的工作台运动，振动信号由加速度传感器测得；所述电荷放大器将加速度传感器测得的振动信号转换为模拟量电压信号，由模拟量输入模块采集后输送至控制器；所述控制器运行控制算法得到控制量，由模拟量输出模块输出，并控制交流伺服电机驱动模块，进而实现直线运动模组工作台的期望运动；

所述的交流伺服电机的位置信号由交流伺服电机自带的编码器反馈，反馈信号被增量编码器接口端子模块采集后输送至控制器；所述的数字量输入模块采集接近传感器的限位信号并输送至控制器。

2.根据权利要求1所述的振动输出力跟随控制装置，其特征在于，所述机械本体模块还包括支撑台架，所述支撑台架的制作材料为60×60的铝型材，所述支撑台架的尺寸为600×320×200mm；所述直线运动模组的底座与支撑台架由螺栓连接；

交流伺服电机通过联轴器来驱动直线运动模组的工作台运动，直线运动模组固定连接在支撑台架上；

质量块固定在工作台上，加速度传感器和质量块固定连接，所述加速度传感器用于检测工作台和质量块在振动方向上的加速度信号；

所述接近传感器具有第一PNP型接近传感器、第二PNP型接近传感器和第三PNP型接近传感器，第一PNP型接近传感器通过连接块固定于直线运动模组的左侧，第二PNP型接近传感器通过连接块固定于直线运动模组的左侧，第三PNP型接近传感器通过连接块固定于直线运动模组的左侧，第一PNP型接近传感器作为原点传感器，第二PNP型接近传感器作为左极限传感器，第三PNP型接近传感器作为右极限传感器。

3.根据权利要求1所述的振动输出力跟随控制装置，其特征在于，所述交流伺服电机驱动模块还包括，交流伺服电机驱动器工作在力矩模式，按照获得模拟量电压信号控制交流伺服电机的输出力矩，并输出交流伺服电机的光电编码器当前值；所述的控制器为安装有德国倍福的实时控制软件TwinCAT的PC机，通过耦合器控制增量编码器接口端子模块、数字量输入模块、模拟量输入模块和模拟量输出模块，最小采样周期为50微秒。

4.根据权利要求1所述的振动输出力跟随控制装置，其特征在于，所述控制模块用于对检测到的振动输出力跟随控制装置的位移和振动信号做出相应的处理；处理的所述位移和振动信号包括：输入加速度传感器信号、输入增量式编码器信号、输入数字量信号和输出交流伺服电机输出力矩控制信号；

所述的输入加速度传感器信号：单通道电荷放大器将压电式加速度传感器输出的电荷信号转换为与之对应的±10v模拟量电压信号，由模拟量输入模块A/D转换后输入主控计算机；

所述的输入增量式编码器信号：交流伺服电机的增量编码器信号经过伺服驱动器处理后，输出A+/A-、B+/B-和Z+/Z-三相差动脉冲信号，由增量编码器接口端子模块计数后输入主控计算机；

所述的数字量信号输入：作为直线运动模组的原点、左极限、和右极限信号的三个PNP型接近传感器信号，由数字量输入模块输入主控计算机；

所述的输出交流伺服电机输出力矩控制信号：模拟量输出模块D/A转换后产生-10～+10V的控制电压信号，控制交流伺服电机的输出力矩。

5.一种控制权利要求1所述的振动输出力跟随控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、控制器设定需要跟踪的振动输出力信号，并设定控制系统采样周期；

步骤2、控制器由模拟量输入模块获得工作台的加速度信号，由增量编码器接口端子模块获得工作台的位移信号；

步骤3、控制器对上述采集的信号进行处理产生控制输出信号；

步骤4、控制器产生的输出信号经模拟量输出端子模块D/A变换后，产生大小为-10～+10V的电压信号以控制交流伺服电机运动，从而控制振动输出力。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1包括：在Microsoft Visual Studio2010开发平台上，设计控制界面，编写期望的正弦振动输出力信号，并将此信号传给TwinCAT PLC；所述的控制界面设定控制系统采样周期，实现不同频率的正弦振动输出力信号。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述步骤3包括：控制器将采集到的加速度信号和位移信号分别与设定的期望的加速度信号和位移信号进行比较，得到加速度误差信号和位移误差信号，并将这加速度误差信号和位移误差信号相加，经PD控制算法后得到控制输出信号；所述的PD控制算法指对输入信号进行比例和微分运算得到控制信号，通过所述控制信号来控制系统运行，以控制系统的动态性能。

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