CN108233922B - 振动台反馈信号分频段移相系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了振动台反馈信号分频段移相系统，包括由两级全通滤波器串联形成的可调移相器，可调移相器的输入信号为当前频率信号，可调移相器内预设有振动台工作范围的频率分段和相位补偿信息，可调移相器将当前频率信号比对到频率分段信息以获取移相值，并将移相值转换为移相控制脉冲，移相控制脉冲调整第一级全通滤波器的可调数字电位计的阻值和第二级全通滤波器的可调数字电位计的阻值，每一个移相控制脉冲使两个可调数字电位计调整一档阻值。本发明不仅能够降低反馈控制器搭建以及参数调整的难度，而且能在振动台输出不同频率段的振动信号时，自适应地对反馈信号进行移相。

Description

振动台反馈信号分频段移相系统

技术领域

本发明涉及一种低频振动台系统中反馈信号的调节方法和装置。

背景技术

电磁振动台具有频率范围宽、可控性好、输出波形精度高等优点，广泛地应用于产品的模拟振动环境试验、测振传感器校准等重要领域。为了能够改善低频情况下振动台输出波形的精度(降低失真度)，通常需构建反馈控制系统。然而，实现反馈控制的前提是通过振动传感器(加速度、速度或者位移传感器)或者其它运动量检测装置检测得到振动台的输出振动信号，然后将此信号作为反馈信号，与系统输入信号求差，偏差信号经过控制器与功率放大器后激励振动台振动，最终完成闭环控制系统的构建，实现对振动台输出波形失真度的负反馈控制。在反馈信号和输入信号不存在相移的理想情况下，负反馈控制能够有效地抑制振动台的非线性失真。进一步，该方法对非线性失真的抑制效果与反馈深度(反馈通道上的放大系数)相关。

由于振动台输出运动量幅值的限制以及系统存在相移，直接将振动传感器或者其它运动量检测装置检测得到运动信号用作反馈信号，会降低负反馈控制对非线性失真的抑制效果，甚至会发生正反馈。为使负反馈控制系统对振动台有较好的输出波形控制作用，通常情况下，需设计结构复杂的PID控制器，并通过对PID控制器参数的反复调整完成对负反馈系统中偏差信号的校正，从而降低输出波形的失真度。然而，PID控制器的引入不可避免地增加了振动台负反馈控制系统的复杂程度及系统参数的调整难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不仅能够降低反馈控制器搭建以及参数调整的难度，而且能在振动台输出不同频率段的振动信号时，自适应地对反馈信号进行移相的系统。

振动台反馈信号分频段移相系统，包括由两级全通滤波器串联形成的可调移相器，可调移相器的输入信号为当前频率信号，可调移相器内预设有振动台工作范围的频率分段和相位补偿信息，可调移相器将当前频率信号比对到频率分段信息以获取移相值，并将移相值转换为移相控制脉冲，移相控制脉冲调整第一级全通滤波器的可调数字电位计的阻值和第二级全通滤波器的可调数字电位计的阻值，每一个移相控制脉冲使两个可调数字电位计调整一档阻值。

进一步，可调移相器在不同频率段的移相值确定步骤如下：

S1：工作频率范围内，对振动台输入不同频率的激励信号，并构建负反馈控制系统。在不同频率下，对反馈信号进行不同相位调整，并检测对应频率、对应反馈信号相位条件下振动台输出信号的精度特性，依据满足振动台精度要求的反馈信号相位可以得到反馈信号在不同频率下所需的移相值。将振动台的工作频率范围分为k-1段，表示为f_n≤f<f_n+1,n＝1,2,3,...k-1，分段的标准为在本分段内的反馈信号的移相值相同；此处的移相值相同指的是该频率分段内、每个频率的移相值之间的差在允许的偏差范围内；

S2：依次对每一个频率分段，取该频率分段中、各频率的移相值的平均值作为该频率分段的移相值以/>作为f_n频率分段的可调移相器的移相值；

S3：对f_n频率分段的移相值表达为：

；其中：R₂为第一级全通滤波器中的数字电位计的电阻值，R₃为第二级全通滤波器中的数字电位计的电阻值；

S4：令R₂＝R₃并结合步骤S2和S3，求得各频率分段所对应的R₂、R₃值，对每一个频率分段、以R₂、R₃值作为参考计算得到需要输入第一级全通滤波器中的可调数字电位计以及第二级全通滤波器中的可调数字电位计的移相控制脉冲个数，控制可调移相器产生的对应频率分段的移相值。

进一步，当前频率信号由频率检测单元输出，频率检测单元包括比较器，计数器和频率控制器；比较器，计数器和频率控制器依次连接；系统输入信号和参考输入信号共同输入比较器，比较器输出由系统输入信号和参考输入信号形成的方波信号，已知频率脉冲信号共同输入计数器，计数器输出系统输入信号周期数N_f和已知频率脉冲信号的周期数N_s，频率控制器计算获得系统输入信号的频率值f_f，其中f_s表示数字时钟脉冲信号的频率值，方波信号的频率对应振动台系统输入信号的频率，也与当前系统的工作频率以及反馈信号的频率相同。

进一步，已知频率脉冲信号为数字时钟脉冲信号。

本发明的优点在于：

1、将振动台的工作频率分段，对每个频率分段分别进行移相，无需对每个频率独立进行移相，降低了反馈控制器的搭建及参数调整的难度，负反馈信号的精度高。

2、利用移相控制脉冲的个数控制第一级全通滤波器中的可调数字电位计的阻值以及第二级全通滤波器中的可调数字电位计的阻值来实现移相，每一个移相控制脉冲使可调数字电位计的阻值调整一档，移相精度高，负反馈信号的精度高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的可调移相器的示意图。

图3是可调移相器连接可调放大器的示意图。

具体实施方式

实施例1

参见图1，振动台反馈信号分频段移相系统，包括频率检测单元和可调移相器。频率检测单元的信号输入端与振动台系统输入信号连接，其输出端分别与可调移相器以及可调放大器的脉冲输入端连接。所述可调移相器的信号输入端与运动量检测装置检测得到的振动台输出运动信号u_i连接，其输出端与可调放大器的信号输入端连接，可调放大器的输出端为幅值调整后的振动台系统反馈信号u_fb。

振动台系统输入信号输入到所述频率检测单元中，频率检测单元根据该信号频率值输出对应个数的移相控制脉冲和调幅控制脉冲给可调移相器以及可调放大器。

振动台负反馈控制系统中运动量检测装置检测得到的振动台输出运动信号u_i输入到所述可调移相器中，可调移相器输出相位得到补偿后的振动台系统反馈信号，该反馈信号再次输入到可调放大器中。

参见图1，所述频率检测单元包括比较器、计数器以及频率控制器，振动台系统输入信号与参考输入信号共同输入到比较器的两个输入端中，该比较器依据现有传统比较器结构设计，比较器输出与振动台系统输入信号同频率的方波信号。该方波信号与数字时钟脉冲信号共同输入计数器中，计数器可以分别对方波信号与数字时钟脉冲信号的上升沿进行触发计数，通过在时间t内记录上升沿个数即可得到方波信号周期数N_f及数字时钟脉冲信号的周期数N_s，输出方波信号周期数N_f及数字时钟脉冲信号的周期数N_s给频率控制器，频率控制器依据方波信号周期数N_f与数字时钟脉冲周期数N_s计算得到方波信号的频率值f_f，即系统输入信号的频率值为：

其中f_s为一固定值，是数字时钟脉冲信号的频率，计数器与频率控制器通过基于FPGA或DSP构建的数字信号处理单元实现。

向比较器输入振动台系统输入信号和给定的参考输入信号，当系统输入信号的幅值高于参考输入信号的幅值时比较器输出高电平，反之比较器输出低电平，由此，比较器输出方波信号，且该方波信号的频率与系统输入信号频率相同。此时方波信号的频率未知，因此，方波信号和数字时钟脉冲信号同时输入计数器中，方波的上升沿或下降沿作为触发计数器的条件，计数器数出方波信号的周期数，而数字时钟的频率已知，在相同时间内，就能根据方波信号的周期数和数字时钟信号的周期数的比例算出方波的频率，从方波的频率得知系统输入信号的频率，从而对应到相应的频率分段。

参见图2，所述可调移相器由两级全通滤波电路串联而成，第一级全通滤波电路中滤波电阻(滤波电阻指起滤波作用的RC电路中的电阻)为第一数字电位计，电阻值表示为R₂；第二级全通滤波电路中滤波电阻为第二数字电位计，电阻值表示为R₃。第一数字电位计以及第二数字电位计均为可调数字电位计，频率检测单元依据检测得到的系统输入信号频率值输出相应个数的移相控制脉冲控制第一数字电位计以及第二数字电位计输出不同的电阻值，可以对输入可调移相器的信号实现0～360°移相。所述可调移相器在不同频率段的移相值确定步骤如下：

(1)、在工作频率范围内，对振动台输入不同频率的激励信号，并构建负反馈控制系统。在不同频率下，对反馈信号进行不同相位调整，并检测对应频率、对应反馈信号相位条件下振动台输出信号的精度特性，依据满足振动台精度要求的反馈信号相位可以得到反馈信号在不同频率下所需的移相值。依据振动台工作频率范围的大小及不同频率下反馈信号的移相值，可以将振动台工作频率范围分为若干段，并保证每一分段具有彼此接近的反馈信号移相值，假设该频率范围被分为(k-1)段，可以表示为：

f_n≤f<f_n+1,n＝1,2,3,...k-1；

(2)、在每个频率段，取各个频率移相值的平均值作为该频段可调移相器的移相值

(3)、以(1)中每个频段频率的平均值作为参考，依据可调移相器的电路特性，对应于每个频段的移相值表示为：

其中R₂是第一级全通滤波器的可调数字电位计的电阻值，R₃是第二级全通滤波器的可调数字电位计的电阻值；

(4)、令R₂＝R₃并结合步骤(2)和(3)可以求得各频段所对应的R₂、R₃值，以此R₂、R₃值作为参考可以计算得到需要输入第一数字电位计以及第二数字电位计的移相控制脉冲个数，从而控制可调移相器产生对应频段的移相值。

本发明的优点在于：

1、将振动台的工作频率分段，对每个频率分段分别进行移相，无需对每个频率独立进行移相，降低了反馈控制器的搭建及参数调整的难度，负反馈信号的精度高。

2、利用移相控制脉冲的个数控制第一级全通滤波器中的可调数字电位计的阻值以及第二级全通滤波器中的可调数字电位计的阻值来实现移相，每一个移相控制脉冲使可调数字电位计的阻值调整一档，移相精度高，负反馈信号的精度高。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：在可调移相器的输出端连接调整信号幅值的可调放大器，如图3所示。其余结构都与实施例1相同。

可调放大器由同相比例放大电路和分压电位计串联形成，可调放大器的不同频率段的放大倍数确定步骤如下：

1)、在工作频率范围内，对振动台输入不同频率的激励信号，并构建负反馈控制系统。在不同频率下，对反馈信号幅值施加不同的增益，并检测对应频率、对应反馈信号增益条件下振动台输出信号的精度特性，依据满足振动台精度要求的反馈信号增益可以得到反馈信号在不同频率下所需的增益。将振动台的工作频率范围分为(k′-1)段，表示为：

f_m≤f<f_m+1,m＝1,2,3,...k′-1；

2)、依次对每一个频率分段，取当前频率分段中、各频率的增益的平均值作为当前频率分段的放大倍数值p_m；

3)、对每个频段的增益表示为：

其中，R₆是同向比例放大电路中的反馈电阻的电阻值，R₇是分压电位计的总电阻值，R_7w是分压电位计的分压阻值；

4)、确定同相比例放大电路的固定电阻的阻值R₅，判断当前频率分段是需要将信号放大还是信号衰减，当需要将信号进行放大时取R_7w＝R₇，求得R₆；以R₆值和R_7w作为参考、计算得到需要输入同向比例放大电路中反馈电阻的调幅控制脉冲个数和分压电位计的调幅控制脉冲个数，从而控制可调放大器实现对应频段的反馈信号幅值的调整；

当需要将信号衰减时取R₆＝0，求得所需的R_7w；以R₆值和R_7w作为参考计算得到需要输入同向比例放大电路中反馈电阻的调幅控制脉冲个数和分压电位计的调幅控制脉冲个数，从而控制可调放大器实现对应频段的反馈信号幅值的调整。

本实施例能分频段对振动台系统反馈信号进行幅值相位自适应调整，使反馈信号具有满足负反馈控制系统需要的幅值和相位。

具体实施例是对本发明进行进一步说明，但本发明并不局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

Claims (3)

1.振动台反馈信号分频段移相系统，其特征在于：包括由两级全通滤波器串联形成的可调移相器，可调移相器的输入信号为当前频率信号，可调移相器内预设有振动台工作范围的频率分段和相位补偿信息，可调移相器将当前频率信号比对到频率分段信息以获取移相值，并将移相值转换为移相控制脉冲，移相控制脉冲调整第一级全通滤波器的可调数字电位计的阻值和第二级全通滤波器的可调数字电位计的阻值，每一个移相控制脉冲使两个可调数字电位计调整一档阻值；

可调移相器在不同频率段的移相值确定步骤如下：

S1：工作频率范围内，对振动台输入不同频率的激励信号，并构建负反馈控制系统；在不同频率下，对反馈信号进行不同相位调整，并检测对应频率、对应反馈信号相位条件下振动台输出信号的精度特性，依据满足振动台精度要求的反馈信号相位可以得到反馈信号在不同频率下所需的移相值；将振动台的工作频率范围分为k-1段，表示为f_n≤f<f_n+1,n＝1,2,3,...k-1，分段的标准为在本分段内的反馈信号的移相值相同；此处的移相值相同指的是该频率分段内、每个频率的移相值之间的差在允许的偏差范围内；

S2：依次对每一个频率分段，取该频率分段中、各频率的移相值的平均值作为该频率分段的移相值以/>作为f_n频率分段的可调移相器的移相值；

S3：对f_n频率分段的移相值表达为：

其中：R₂为第一级全通滤波器中的数字电位计的电阻值，R₃为第二级全通滤波器中的数字电位计的电阻值；

S4：令R₂＝R₃并结合步骤S2和S3，求得各频率分段所对应的R₂、R₃值，对每一个频率分段、以R₂、R₃值作为参考计算得到需要输入第一级全通滤波器中的可调数字电位计以及第二级全通滤波器中的可调数字电位计的移相控制脉冲个数，控制可调移相器产生的对应频率分段的移相值。

2.根据权利要求书1所述的振动台反馈信号分频段移相系统，其特征在于：当前频率信号由频率检测单元输出，频率检测单元包括比较器，计数器和频率控制器；比较器，计数器和频率控制器依次连接；系统输入信号和参考输入信号共同输入比较器，比较器输出由系统输入信号和参考输入信号形成的方波信号，已知频率脉冲信号共同输入计数器，计数器输出系统输入信号周期数N_f和已知频率脉冲信号的周期数N_s，频率控制器计算获得系统输入信号的频率值f_f，其中f_s表示数字时钟脉冲信号的频率值，方波信号的频率对应振动台系统输入信号的频率，也与当前系统的工作频率以及反馈信号的频率相同。

3.根据权利要求书2所述的振动台反馈信号分频段移相系统，其特征在于：已知频率脉冲信号为数字时钟脉冲信号。