CN106959196B - 一种伺服振动台及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种伺服振动台及控制方法，涉及振动台领域。本发明提供的伺服振动台，其通过在原始的主体台架和控制电路的基础上，增加了有源伺服器，并且，有源伺服器中的第二组线圈和第三组线圈均位于磁缝隙中，且均缠绕在动圈架上；第二组线圈、伺服放大器、反馈电阻和第三组线圈顺序电连接，使用过程中可以通过调节私服放大器的放大倍数来调节振动台整体的振动频率，进而实现频率调节。

Description

一种伺服振动台及控制方法

技术领域

本发明涉及振动台领域，具体而言，涉及一种伺服振动台及控制方法。

背景技术

振动台是模拟产品用于制造，组装运输及使用执行阶段中所遭遇的各种环境，用以鉴定产品是否忍受环境振动的能力，适用于电子、机电、光电、汽机车、玩具等各行各业的研究、开发、品管、制造。

目前国内外广泛用于振动试验的振动台一般采用电动式振动台或液压式振动台。电动振动台的频率范围为5～5000Hz,在5Hz≤f≤20Hz频率范围内加速度波形失真度≤25％；液压式振动台的频率范围为0.1～50Hz，加速度波形失真度不大于25％。土木工程的自振频率都在低频或超低频范围内，如江阴长江大桥的自振频率可为0.05Hz,深圳地王大厦的自振频率为0.178Hz，一般民用建筑的自振频率低于5Hz，显然电动式振动台不能满足土木工程的振动试验要求。机械振动一般属于中高频范围，液压式振动台又不能满足机械振动的实验要求。

从更广泛的角度来看，不论是哪种振动台，其自振频率有限，适用范围较小。

发明内容

本发明的目的在于提供伺服振动台，以提高振动台的适用范围。

第一方面，本发明实施例提供了一种伺服振动台，包括：

主体台架、控制电路和有源伺服器；主体台架包括：位于中部的永磁体、设置在永磁体周部的轭铁和位于永磁体上部的动圈架，在永磁体和轭铁之间形成磁缝隙；控制电路包括信号源接收器、功率放大器和第一组线圈；信号源接收器与功率放大器的输入端电连接，功率放大器的两输出端分别与第一组线圈的两端连接；第一组线圈位于磁缝隙中，且第一组线圈缠绕在动圈架上；

有源伺服器包括：第二组线圈、第三组线圈、伺服放大器和反馈电阻；第二组线圈和第三组线圈均位于磁缝隙中，且均缠绕在动圈架上；第二组线圈、伺服放大器、反馈电阻和第三组线圈顺序电连接。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，还包括：无源伺服器，无源伺服器包括并联连接在第一组线圈两端的电容。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，伺服放大器为放大倍数可调节的放大器，和/或反馈电阻为可变电阻。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，无源伺服器还包括第一开关，第一开关与电容串联形成第一电路，第一电路与功率放大器并联，且第一电路与第一组线圈并联。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，有源伺服器还包括第二开关和第三开关，第二开关连接在第二组线圈和伺服放大器之间，第三开关连接在反馈电阻和第三组线圈之间。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，五主体台架还包括：动圈架上部的振动台面；振动台面与动圈架固定连接；

振动台面的下表面靠近边沿的位置通过弹簧与轭铁的上表面连接。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，主体台架还包括：

包围永磁体和轭铁的外壳，以及设置在永磁体和轭铁下部的底座。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，第一组线圈的线径与第二组线圈的线径的比值大于8.5。

第二方面，本发明实施例还提供了一种伺服振动台的控制方法，作用于如第一方面的振动台，方法包括：

获取第一组线圈、第二组线圈、第三组线圈的机电耦合系数，以及振动台的空载自振频率ω₀；

根据第一组线圈、第二组线圈、第三组线圈的机电耦合系数，以及振动台的空载自振频率ω₀计算伺服放大器的参考放大倍数和反馈电阻的参考阻值；

按照参考放大倍数和参考阻值调节伺服放大器和反馈电阻，并驱动振动台工作。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，步骤根据第一组线圈、第二组线圈、第三组线圈的机电耦合系数，以及振动台的空载自振频率ω₀计算伺服放大器的参考放大倍数和反馈电阻的参考阻值包括：

按照如下公式计算伺服放大器的参考放大倍数、反馈电阻的参考阻值和电容的参考电容值，

和/>

其中，ω_c为加入无源伺服器后振动台的自振频率，k为弹簧的刚度，m为振动台运动部分的质量，M₁为振动台运动部分的电子当量质量，D为阻尼比；G₂和G₃分别为第二组线圈、第三组线圈的机电耦合系数，A为私服放大器的放大倍数，R_f为反馈电阻的电阻值，ω_L为增加了有源伺服器和无源伺服器后，振动台整体的低频下限。

本发明实施例提供的伺服振动台，采用增加有源伺服器的方式，与现有技术中的振动台只通过单一的控制电路进行控制，振动频率无法调节相比，其通过在原始的主体台架和控制电路的基础上，增加了有源伺服器，并且，有源伺服器中的第二组线圈和第三组线圈均位于磁缝隙中，且均缠绕在动圈架上；第二组线圈、伺服放大器、反馈电阻和第二组线圈顺序电连接，使用过程中可以通过调节私服放大器的放大倍数来调节振动台整体的振动频率，进而实现频率调节。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了相关技术中振动台的一般结构图；

图2示出了本发明实施例所提供的一种伺服振动台的基本结构图；

图3示出了本发明实施例所提供的一种伺服振动台的简化结构图；

图4示出了本发明实施例所提供的一种伺服振动台的细节放大图；

图5示出了本发明实施例所提供的一种伺服振动台的控制方法的基本流程图。

主要元件符号说明：

101，信号源接收器；102，功率放大器；103，磁缝隙；104，动圈骨架；105，振动台面；106，圆形衔铁；107，轭铁；108，永磁体；109，磁路后盖；110，底座；111，无源伺服器；112，有源伺服器；113，外壳；1121，伺服放大器；G1，第一组线圈；G2，第二组线圈；G3，第三组线圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

相关技术中，已经出现了不同种类的振动台，为了提升振动台的低频特性，出现了使用相对速度反馈技术的振动台。如某个振动台技术中，在超低频标准装置上采用了有源相对速度反馈,有源绝对速度反馈和有源复合速度反馈技术。该技术具有精度高、电路复杂等特点。在另一个技术中，采用了相对速度计反馈技术,在振动台面上另安装一个动圈，在振动台底座上安装一个磁路，台面振动时动圈在磁路的磁缝隙中产生相对运动，其感应电动势经过伺服放大器和激振线圈组成闭环，这两种方案的缺点是需要增加一个相对速度计，在振动台位移加大时，给相对速度计的设计和安装带来不便。

如图1所示，提供了一种相关技术中的一种振动台，该振动台包括：信号源11、功率放大器12、磁路、饶有一组线圈G的动圈骨架14、支撑导向弹簧K和台面15，其中，磁路由圆形轭铁17、圆形衔铁16、圆柱形永磁体18和磁路后盖19组成，其原理都是动圈在设计好的磁缝隙13中运动，切割磁力线产生感应电动势。动圈的机电耦合系数G为磁感应强度B与动圈导线长度l的乘积(Bl＝G)，当信号源11输出正弦电压信号，经功率放大器12后在动圈中输入交变电流i时，动圈产生激振力F＝Gi，带动台面15振动。振动台的自振频率ω₀是由支撑导向弹簧的刚度k和振动台运动部分质量m确定的，即

这种振动台的运动部分质量m和弹簧的刚度k一旦确定,自振频率ω₀也就确定了,且规定振动台的频率下限即是ω₀,这种振动台的动圈骨架上只有一组线圈G,无法进行低频特性扩展，且失真度较大(在15％左右)。

针对该种自振频率无法扩展的振动台，本申请提供了一种改进型的伺服振动台，如图2-4所示该伺服振动台，包括：

主体台架、控制电路和有源伺服器112；主体台架包括：位于中部的永磁体108、设置在永磁体108周部的轭铁107和位于永磁体108上部的动圈架，在永磁体108和轭铁107之间形成磁缝隙103；控制电路包括信号源接收器101、功率放大器102和第一组线圈G1；信号源接收器101与功率放大器102的输入端电连接，功率放大器102的两输出端分别与第一组线圈G1的两端连接；第一组线圈G1位于磁缝隙103中，且第一组线圈G1缠绕在动圈架上；

有源伺服器112包括：第二组线圈G2、第三组线圈G3、伺服放大器1121和反馈电阻R_f；第二组线圈G2和第三组线圈G3均位于磁缝隙103中，且均缠绕在动圈架上；第二组线圈G2、伺服放大器1121、反馈电阻R_f和第三组线圈G3顺序电连接。

作为一种实施方案，第二组线圈G2和可以缠绕在第一组线圈G1的外部，第三组线圈G3可以缠绕在第二组线圈G2的外部。为了提高系统的整体性能，一般情况下，第二组线圈G2的线径和第三组线圈G3的线径要远小于第一组线圈G1的线径。优选的，伺服放大器1121为放大倍数可调节的放大器，和/或反馈电阻R_f为可变电阻。

上述方案中除有源伺服器112以外，其它部分(如主体台架和控制电路)的结构与空间位置关系可以参考现有的其他技术进行设置，因此，主体台架和控制电路的内部结构与空间位置关系不再详细说明。信号源接收器101指的是一种能够接受信号源所发出电信号的一种结构，其具体体现形式可以是附属于功率放大器102的信号接收装置，也可以是独立于功率放大器102的有线/无线信号接收装置。

除了设置有源伺服器112，进行频率调节，还可以同时设置无源伺服器111进行调节，具体而言，无源伺服器111包括并联连接在第一组线圈G1两端的电容。此处所提及的电容优选为可调电容器。

为了使得有源伺服器112和无源伺服器111的控制(主要是针对启动和停止的控制)更为合理，还可以为有源伺服器112和无源伺服器111增加相应的控制开关，具体的，无源伺服器111还包括第一开关K1，第一开关K1与电容串联形成第一电路，第一电路与功率放大器102并联，且第一电路与第一组线圈G1并联。

类似的，有源伺服器112还包括第二开关K2和第三开关K3，第二开关K2连接在第二组线圈G2和伺服放大器1121之间，第三开关K3连接在反馈电阻R_f和第三组线圈G3之间。

优选的，主体台架还包括：动圈架上部的振动台面105；振动台面105与动圈架固定连接；振动台面105的下表面靠近边沿的位置通过弹簧与轭铁107的上表面连接。

主体台架还包括：包围永磁体108和轭铁107的外壳113，以及设置在永磁体108和轭铁107下部的底座110。

其中，外壳113通常呈圆柱形，圆形的底座110和圆形台面105之间形成空腔，空腔中装有磁路。磁路包括圆形的轭铁107、圆形衔铁106、圆柱形永磁体108和磁路后盖109组成，在圆柱形轭铁107的外表面和轭铁107上部凸出部分形成磁缝隙103(磁缝隙103位于永磁体108和轭铁107之间)，磁路坐落在振动台底座110上；在轭铁107上端面和振动台面105的下端面装有支撑导向弹簧k，该弹簧用于振动台面105的支撑导向和产生回复力；圆形三线圈式动圈由动圈架和绕在动圈架上的三组线圈组成，这三组线圈分别为第一组线圈G1、第二组线圈G2和第三组线圈G3，三组线圈的机电耦合系数分别为G₁、G₂、G₃，三线圈式动圈的上端与振动台面105相连，三线圈式动圈的下部分和三组线圈可同步在磁缝隙103中运动，进而切割磁力线，同时产生电动势。当在动圈中输入交变的电流时，动圈在磁缝隙103中上下运动，并带动振动台面105产生振动位移x；三线圈式动圈的第一组线圈G1和无源伺服器111、功率放大器102相连，功率放大器102的输入端和信号发生器的输出端相连。第一组线圈G1和无源伺服器111相连后，起到增大系统电子当量质量从而降低振动台自振频率；第二组线圈G2及第三组线圈G3和有源伺服器112相连，起到增大系统阻尼，从而达到再一次降低振动台低频下限，实现了电动振动台低频特性的扩展。

工作时，第一组线圈G1和无源伺服器111结合，既起到降低自振频率的作用，还要承担激振的作用，所以第一组线圈G1的线径要远大于第二、三组线圈的线径，也就是应尽可能的加大第一组线圈G1的绕线匝数，以便允许较大的电流通过，提供较大的激振力F＝G₁i。

第二、第三组线圈G3和有源伺服器112的主要作用是增大阻尼比，阻尼比的公式为：

公式中，ω_c为加入无源伺服器111后振动台的自振频率，m为振动台运动部分的质量，M₁为振动台运动部分的电子当量质量，D为阻尼比；G₂和G₃分别为第二组线圈G2、第三组线圈G3的机电耦合系数，A为私服放大器的放大倍数，R_f为反馈电阻的电阻值。

由上述公式可以看出，增大有源伺服放大器1121的放大倍数固然可以增大阻尼比，但同时也放大了电路噪声；增加第三组线圈G3的绕线匝数可以提高G₃，同时反馈电阻R_f(本方案中，反馈电阻R_f的含义可以是反馈电路的总电阻)的阻值也增大了；所以实际过程要进行优化设计，为了在有限的绕线空间获得较高的G₂、G₃，第二组线圈G2和第三组线圈G3要用较细线径，尽可能加大第二组线圈G2的绕线匝数，优化第三组线圈G3的匝数，合理的选择伺服放大器1121的放大倍数。进而，第一组线圈G1的线径与第二组线圈G2的线径的比值大于8.5。类似的，第一组线圈G1的线径与第三组线圈G3的线径的比值大于8.2。

需要说明的是，在振动台系统中，在振动台运动部分的质量大于4KG的时候，只使用有源伺服器112(无源伺服器111的电容不接入到电路中)就可以达到较好的拓展低频的目的。在同时增加了有源伺服器112和无源伺服器111之后，整个振动台系统便可以针对不同情况(主要指振动台运动部分的质量不同)进行振动频率的调节。

下面，分别对无源伺服器111和有源伺服器112的工作特性进行说明：

无源伺服器111：无源伺服器111由电容，第一开关K1组成，当第一开关K1闭合时，信号源的输出信号经功率放大器102、无源伺服器111输入给第一组线圈G1，第一组线圈G1在磁缝隙103中上下运动，第一组线圈G1切割磁力线，产生感应电动势

该电动势/>

输入给和第一组线圈G1并联的电容C后，增加了运动部分的电子当量质量/>

将传统振动台(不设置有无源伺服器111和有源伺服器112的振动台)的运动部份质量m变为无源伺服后的运动部分质量m+M₁，振动台的自振频率由传统振动台的自振频率/>

变为增加无源伺服后振动台的自振频率/>

进而达到了降低自振频率的目的。/>

有源伺服器112：有源伺服器112由有源伺服放大器1121、反馈电阻R_f、第二开关K2和第三开关K3组成，当第二开关K2和第三开关K3闭合时，信号源的输出信号经功率放大器102、无源伺服器111输入给第一组线圈G1，线圈在磁缝隙103中上下运动，带动振动台面105振动，绕在同一动圈骨架104上的第二组线圈G2、第三组线圈G3在磁缝隙103中同步运动，第二组线圈G2切割磁力线产生的感应电动势

输入给有源伺服放大器1121的输入端，第三组线圈G3的一端和反馈电阻R_f的下端相连，反馈电阻R_f的上端和有源伺服放大器1121的输出端相连，第二组线圈G2和第三组线圈G3的另一端接地，第二组线圈G2的感应电动势/>

经有源伺服放大器1121放大A倍后，经反馈电阻R_f后输入给第三组线圈G3，在第三组线圈G3的电流为i，产生的阻尼力为G₃i，有源伺服后的阻尼比为/>

混合伺服后的低频下限为/>

进而，采用了三线圈式动圈结构的无源伺服器111和有源伺服器112混合后，只要增大无源伺服器111的电容、增大有源伺服放大器1121的放大倍数A、或减小反馈电阻R_f，就可实现降低自振频率和拓展低频特性的目的。

基于上述公开的伺服振动台，本申请还提供了该种振动台的控制方法，如图5所示，该方法包括如下步骤：

S501，获取第一组线圈、第二组线圈、第三组线圈的机电耦合系数，以及振动台的空载自振频率ω₀；

S502，根据第一组线圈、第二组线圈、第三组线圈的机电耦合系数，以及振动台的空载自振频率ω₀计算伺服放大器的参考放大倍数和反馈电阻的参考阻值；

S503，按照参考放大倍数和参考阻值调节伺服放大器和反馈电阻，并驱动振动台工作。

具体的，在步骤S303之后，当振动台正常工作的过程中，可以通过调节伺服放大器的放大倍数来调节振动台的当前频率。

具体的，步骤S502，根据第一组线圈、第二组线圈、第三组线圈的机电耦合系数，以及振动台的空载自振频率ω₀计算伺服放大器的参考放大倍数和反馈电阻的参考阻值包括：

按照如下公式计算伺服放大器的参考放大倍数、反馈电阻的参考阻值和电容的参考电容值，

和/>

其中，ω_c为加入无源伺服器后振动台的自振频率，k为弹簧的刚度，m为振动台运动部分的质量，M₁为振动台运动部分的电子当量质量，D为阻尼比；G₂和G₃分别为第二组线圈、第三组线圈的机电耦合系数，A为私服放大器的放大倍数，R_f为反馈电阻的电阻值，ω_L为增加了有源伺服器和无源伺服器后，振动台整体的低频下限。

当有源伺服器和无源伺服器完全接入到电路中后，即图中的3个开关(K1、K2、K3)全闭合时，可列出无源和有源混合伺服振动台的微分方程：

式中：m为运动部分质量，k为支承导向弹簧的刚度,b为包括空气阻尼在内的阻尼力系数,x为质量相对于外壳的运动位移。m为运动部分质量，

为电子当量质量,/>

为电子阻尼力系数。G₁、G₂、G₃分别为绕在同一骨架上三组线圈的机电耦合系数，F为振动台的激振力。

振动台的自振频率为：

由公式(2)可以看出，经过无源伺服器后，系统的总质量增加了一项电子当量质量，振动台的自振频率得到了降低。

可求得振动台的阻尼比为：

从公式(3)可以看出，当振动台的机械参数、线圈的匝数确定之后，仅需要提高伺服放大器的放大倍数A，即可增大阻尼比。

转动振动台的低频下限为：

从方程(4)可以看出，阻尼比越大，振动台的低频下限越低。振动台的低频下限在无源伺服降低自振频率后，经过有源伺服增大振动台的阻尼比，低频下限又一次获得了扩展，从而实现了无源和有源混合伺服技术扩展振动台低频特性的目的。当振动台不需要低频扩展时，将3个开关断开即可。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种伺服振动台，其特征在于，包括：

主体台架、控制电路和有源伺服器；所述主体台架包括：位于中部的永磁体、设置在所述永磁体周部的轭铁和位于所述永磁体上部的动圈架，在所述永磁体和所述轭铁之间形成磁缝隙；所述控制电路包括信号源接收器、功率放大器和第一组线圈；所述信号源接收器与所述功率放大器的输入端电连接，功率放大器的两输出端分别与第一组线圈的两端连接；所述第一组线圈位于所述磁缝隙中，且所述第一组线圈缠绕在所述动圈架上；

所述有源伺服器包括：第二组线圈、第三组线圈、伺服放大器和反馈电阻；所述第二组线圈和所述第三组线圈均位于所述磁缝隙中，且均缠绕在所述动圈架上；所述第二组线圈、所述伺服放大器、所述反馈电阻和所述第三组线圈顺序电连接；

所述伺服放大器为放大倍数可调节的放大器，和/或所述反馈电阻为可变电阻；

有源伺服器还包括第二开关和第三开关，所述第二开关连接在所述第二组线圈和所述伺服放大器之间，所述第三开关连接在所述反馈电阻和所述第三组线圈之间。

2.根据权利要求1所述的一种伺服振动台，其特征在于，还包括：无源伺服器，所述无源伺服器包括并联连接在所述第一组线圈两端的电容。

3.根据权利要求2所述的一种伺服振动台，其特征在于，无源伺服器还包括第一开关，所述第一开关与所述电容串联形成第一电路，所述第一电路与所述功率放大器并联，且所述第一电路与所述第一组线圈并联。

4.根据权利要求1所述的一种伺服振动台，其特征在于，所述主体台架还包括：所述动圈架上部的振动台面；所述振动台面与所述动圈架固定连接；

所述振动台面的下表面靠近边沿的位置通过弹簧与所述轭铁的上表面连接。

5.根据权利要求4所述的一种伺服振动台，其特征在于，所述主体台架还包括：

包围所述永磁体和轭铁的外壳，以及设置在所述永磁体和所述轭铁下部的底座。

6.根据权利要求1所述的一种伺服振动台，其特征在于，所述第一组线圈的线径与所述第二组线圈的线径的比值大于8.5。

7.一种伺服振动台的控制方法，其特征在于，作用于如权利要求1-6任一项所述的振动台，所述方法包括：

获取第一组线圈、第二组线圈、第三组线圈的机电耦合系数，以及振动台的空载自振频率ω₀；

根据所述第一组线圈、第二组线圈、第三组线圈的机电耦合系数，以及振动台的空载自振频率ω₀计算所述伺服放大器的参考放大倍数和所述反馈电阻的参考阻值；

按照所述参考放大倍数和参考阻值调节所述伺服放大器和所述反馈电阻，并驱动所述振动台工作。

8.根据权利要求7所述的一种伺服振动台的控制方法，其特征在于，步骤所述根据所述第一组线圈、第二组线圈、第三组线圈的机电耦合系数，以及振动台的空载自振频率ω₀计算所述伺服放大器的参考放大倍数和所述反馈电阻的参考阻值包括：

按照如下公式计算伺服放大器的参考放大倍数、所述反馈电阻的参考阻值和电容的参考电容值，

和/>

其中，ω_c为加入无源伺服器后振动台的自振频率，k为弹簧的刚度，m为振动台运动部分的质量，M₁为振动台运动部分的电子当量质量，D为阻尼比；G₂和G₃分别为第二组线圈、第三组线圈的机电耦合系数，A为私服放大器的放大倍数，R_f为反馈电阻的电阻值，ω_L为增加了有源伺服器和无源伺服器后，振动台整体的低频下限。

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