CN108426635B - 一种高频扭振发生装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高频扭振发生装置及控制方法，伺服电机的输出轴直接与主动轴直接相连，伺服电机的输出轴带动主动轴及主动轴上安装的惯性负载一起旋转；从动轴与主动轴间通过安装扭振减振器连接；安装在从动轴上的激振器对从动轴施加周期性扭矩，激起扭振；激振器两侧各有一个光电编码器采集激振器两侧轴系瞬时转速信号，并传递给工控机中的信号处理分析系统；信号处理分析系统计算得到的扭振振幅及频率作为参考信号，与目标信号相比较，获得转速反馈控制信号和激振器反馈控制信号，分别传递给伺服电机控制器和激振器控制器，使从动轴上激振器两侧产生所需要的扭振信号。从而实现了扭振测量系统从测量传感器到信号分析设备的高频全系统校准。
Description
技术领域
本发明涉及一种测试技术，特别涉及一种高频扭振发生装置及控制方法。
背景技术
扭振测量系统广泛应用于航空、航天、船舶、海洋工程、路面交通等领域的旋转动力机械设备中，其测量准确性对判断轴系及动力系统运行状态、实现设备安全预警具有重要意义。
目前扭振信号发生技术主要有机械式和电子式两种方法。机械式方法主要通过机械结构(如偏心轴、曲柄连杆、十字轴万向节等)为扭振测量系统提供标准扭振信号，可以实现扭振测量系统从传感设备(如转速传感器、应变片等)到信号分析设备的全系统校准。如文献[1]、[2]等涉及的扭振发生装置，利用振动锤、偏心轮等机械方式解决了标准扭振信号的产生问题，为扭振测量系统提供全系统校准信号。然而，由于上述机械方式自身的限制，难以产生高频扭振信号，限制了此类装置在实际扭振校准领域中的推广应用。电子式方法利用标准信号源直接为信号分析设备提供标准电流信号，如文献[3]研制的电子扭振标定器，可模拟发动机轴系及活塞扭振信号，对扭振测量系统的输出结果进行校准。电子式装置的输出扭振信号的频率由电子标定器的标准信号源决定，随着标准信号源技术的发展，目前可以实现kHz级频率范围的标准扭振电信号，实现扭振测量系统信号分析系统部分的高频校准。尽管如此，电子式校准未考虑测量传感器的安装及其频响对测量结果的影响，仅对信号分析系统部分进行校准难以保证扭振测量结果的准确性，并不完全符合实际使用需求。因此研究一种可以提供高频扭振信号的扭振发生装置，对实现扭振测量系统由测量传感器到信号分析设备的全系统校准、确保高频扭振信号的测量准确性具有重要的实际意义。
[1]曲绍毅.一种扭振发生装置.发明专利授权公告号：CN104646264B.
[2]刘伟，胡宾，王慰慈等.扭振测试系统检测校准装置.实用新型专利授权公告号：CN201034789Y.
[3]李玩幽，刘妍，蔡振雄等.多功能电子式扭振标定器的研制.内燃机工程，2003，24(5)：82-84.
发明内容
本发明是针对现有的技术无法对高频扭振进行全系统校准的问题，提出了一种高频扭振发生装置及控制方法，通过对基于电磁力原理的激振器的开关控制和电流控制，结合伺服电机提供稳定转速，获得高频扭振信号，实现扭振测量系统从传感设备到信号分析处理设备全系统的检测校准。
本发明的技术方案为：一种高频扭振发生装置，包括伺服电机、轴支承、扭振减振器、光电编码器、激振器、主动轴、从动轴、激振器控制器、工控机、伺服电机控制器及试验台；伺服电机的输出轴直接与主动轴直接相连，伺服电机的输出轴带动主动轴及主动轴上安装的惯性负载一起旋转；从动轴与主动轴间通过安装扭振减振器连接，主动轴将运动通过扭振减振器传递给从动轴，从动轴的末端安装有惯性负载；安装在从动轴上的激振器对从动轴施加周期性扭矩，激起扭振；激振器两侧各有一个光电编码器采集激振器两侧轴系瞬时转速信号，并传递给工控机中的信号处理分析系统；信号处理分析系统计算得到的扭振振幅及频率作为参考信号，与目标信号相比较，获得转速反馈控制信号和激振器反馈控制信号，分别传递给伺服电机控制器和激振器控制器，使从动轴上激振器两侧产生所需要的扭振信号，伺服电机及主动轴、从动轴的轴支承固定在水平试验台上。
所述激振器激振器包括旋转部件、固定部件、励磁线圈、永磁铁、底座、升降杆及锁紧螺母；底座上固定圆环形结构固定部件，旋转部件由圆环和圆环臂组成，旋转部件的圆环位于固定部件圆心位置，与从动轴固定连接，并随从动轴转动；旋转部件圆环臂末端与永磁铁固定连接；固定部件分为内圆环和外圆环两层；数个励磁线圈固定安装在外圆环层结构内侧，且每个励磁线圈中心线与对应的外圆环层切线均呈α夹角，45°＜α＜90°；数个励磁线圈在外圆环层结构上以固定部件圆心为中心均匀分布；固定部件内圆环层结构中间正对励磁线圈位置为一圈通槽，以便旋转部件带动永磁铁在槽中自由通过；内内圆环层结构与外圆环层结构两侧以挡板固定连接；外圆环层结构与底座固定连接；底座下部布有贯穿螺孔，与试验台间以升降杆连接；调整升降杆使旋转部件的旋转中心与固定部件的内外圆环中心重合，调整后升降杆与试验台并通过锁紧螺母固定。
所述高频扭振发生装置的控制方法，具体包括如下步骤：
1)、输入扭振振幅和频率，工控机将其转换为伺服电机转速控制信号、激振器开关控制信号、激振器电流信号传递给伺服控制器和激振器控制器；
2)伺服电机控制器与激振器开关控制器配合，产生设定的扭振频率，伺服电机转速、励磁线圈接通数量与扭振频率符合方程：
式中，f为扭振频率，Hz；k为励磁线圈接通数量；Z为伺服电机输出转速，r/min；3)励磁线圈通电后，在近距离产生稳定磁场，励磁线圈末端附近的磁场强度与励磁线圈内部接近，符合方程：
B＝μ0nI
式中，μ0是真空中的磁导率，n是励磁线圈匝数，I是励磁线圈通电电流；
当旋转部件的永磁体接近时对其产生作用力，远离时作用力逐渐消失，形成对从动轴的周期性变化扭矩M：
M＝mx VBR sin(α)grad(B)
式中，m为永磁铁质量，kg；x为磁化比，m3/kg；V为永磁铁体积，m3；R为旋转部件圆环中心到永磁体中心距离，m；α为励磁线圈中心线与对应的外圆环切线夹角；B为磁场强度，T；grad(B)为磁场强度梯度，dB/dl；
4)从动轴受到周期性变化扭矩激励后产生转速波动，形成扭振，扭振角位移是激励扭矩和频率的函数：
θ＝Θ(M，f)
5)光电编码器将测得瞬时转速经数据采集卡传递给信号分析处理系统，经谱分析后获得扭振振幅和频率；
6)将信号分析处理系统得到的扭振振幅与频率信息作为参考信号，通过数据拟合的方法，确定伺服电机转速、励磁线圈开关及电流的反馈控制参数，最终得到与目标信号一致的扭振振幅和频率。
所述扭振频率控制：工控机接收到目标扭振频率，按步骤2)公式分解为伺服电机转速控制信号和激振器开关控制信号，给定目标扭振频率后，根据激振器励磁线圈的个数的因数确定，先选定除1外的最小因数作为k的初选值；然后将该值代入步骤2)公式，确定伺服电机转速Z值；判断该Z值是否在伺服电机的稳定转速范围内，如果在，则确定上述k、Z作为扭振频率的控制参数，否则，返回k值选定阶段，选择比上次循环大的因数作为k值，直至该k值匹配的Z值落在伺服电机稳定转速范围内。
所述扭振振幅控制：工控机接收到输入扭振振幅，确定激振器电流控制信号，首先初选通电电流，并将其传递给激振器激起从动轴扭振，利用光电编码器和信号分析处理设备获取扭振振幅，重复上述过程5次，共获得5组电流和振幅；工控机对上述5组数据进行数据拟合，得到通电电流和振幅的函数关系；依据所得函数关系，获取目标扭振振幅对应的通电电流，确定励磁线圈的通电电流信号，传递给激振器，激起从动轴扭振，并通过信号分析处理设备获得该通电电流下的实际扭振振幅；工控机将实际扭振振幅与目标扭振振幅相比较，二者相等或误差小于设定值则终止运算，保持上述通电电流，否则，依据所得函数关系调整通电电流，直至实际扭振振幅与目标扭振振幅一致。
本发明的有益效果在于：本发明高频扭振发生装置及控制方法，采用电磁激励力的方式，设计通电电流和开关可调控的扭振激振器，结合伺服电机输出转速，在从动轴上产生高频扭振信号。通过伺服电机转速和激振器开关控制匹配、数值拟合等方法，确定扭振频率、幅值的反馈控制参数，使得从动轴上的产生的扭振信号与输入信号准确一致，从而实现了扭振测量系统从测量传感器到信号分析设备的高频全系统校准。
附图说明
图1为本发明高频扭振发生装置结构示意图；
图2为本发明激振器结构正视示意图；
图3为本发明激振器结构剖视示意图；
图4为本发明高频扭振发生装置工作流程图；
图5为本发明扭振频率控制流程图；
图6为本发明扭振振幅控制流程图。
具体实施方式
本发明的高频扭振发生装置采用伺服电机驱动电磁激振器的方式产生高频扭振信号。如图1所示高频扭振发生装置结构示意图，伺服电机1的输出轴直接与主动轴7直接相连，连接处用滑动轴承固定，伺服电机1的输出轴带动主动轴7及主动轴7上安装的惯性负载3一起旋转；从动轴8与主动轴间通过安装扭振减振器4连接，主动轴7将运动通过扭振减振器4传递给从动轴8，从动轴8的末端安装有惯性负载3；安装在从动轴8上的激振器6对从动轴8施加周期性扭矩，激起扭振；激振器6两侧各有一个光电编码器5采集激振器6两侧轴系瞬时转速信号，并传递给工控机10中的信号处理分析系统。信号处理分析系统计算得到的扭振振幅及频率作为参考信号，与目标信号相比较，获得转速反馈控制信号和激振器反馈控制信号，分别传递给伺服电机控制器11和激振器控制器9，使从动轴上激振器6两侧产生所需要的扭振信号，伺服电机1及主动轴、从动轴的轴支承2固定在水平试验台12上。
工控机中的信号分析处理系统将目标扭振振幅和频率信号分解为伺服电机和激振器的控制信号。伺服电机控制信号调控伺服电机向从动轴输出稳定转速。激振器的控制信号包括开关和通电电流两路控制信号，分别控制激振器中通电励磁线圈的数量、位置和通电电流。从动轴在伺服电机输出转速的条件下同时承受激振器变化扭矩，在激振器两侧形成扭振。
如图2所示激振器结构正视示意图，激振器包括旋转部件15、固定部件16、励磁线圈13、永磁铁14、底座17、升降杆、锁紧螺母；底座17上固定圆环形结构固定部件16，旋转部件15由圆环和圆环臂组成，旋转部件15的圆环中心位于固定部件16圆心位置，与从动轴固定连接，并随轴转动；旋转部件15圆环臂末端与永磁铁14固定连接；固定部件16分为内圆环和外圆环两层；数个励磁线圈13固定安装在外圆环层结构内侧，且每个励磁线圈13中心线与对应的外圆环层切线均呈α夹角(45°＜α＜90°)；数个励磁线圈在外圆环层结构上以固定部件16圆心为中心均匀分布；如图3所示激振器结构剖视示意图，固定部件16内圆环层结构中间正对励磁线圈位置为一圈通槽，以便旋转部件15带动永磁铁14在槽中自由通过，永磁铁14与励磁线圈13之间靠近但存有电磁间隙；内圆环层结构18与外圆环层结构19两侧以挡板20固定连接；外圆环层结构与底座17固定连接；底座17下部布有贯穿螺孔，与试验台12间以升降杆连接。调整升降杆使旋转部件15的旋转中心与固定部件16的内外圆环中心重合，调整后升降杆与试验台并通过锁紧螺母固定。
数据采集卡与光电编码器相连，并将采集到的信号传输给工控机；伺服电机控制器与工控机连接；激振器控制器与工控机连接；激振器控制器内有开关控制器和电流调节器，与激振器内励磁线圈连接。
整体工作过程：伺服电机为主动轴提供稳定转速，并传递给从动轴。从动轴带动激振器的旋转部件绕轴转动，其末端的永磁铁经过由励磁线圈通电后产生的磁场时，产生与磁场方向平行的作用力，当永磁体远离磁场时，该作用力消失，对从动轴形成周期性扭矩激励，造成从动轴的转速波动和截面应力周期性波动，产生高频扭振信号。
数据采集卡将采集到的光电编码器的瞬时转速信号传递给信号分析处理系统，获得扭振的振幅和频率，并通过反馈控制系统实现对伺服电机转速、激振器开关及电流的控制，使扭振发生装置向被校准扭振测量系统提供稳定振幅和频率的扭振信号。
如图4所示高频扭振发生装置工作流程图，具体步骤如下：
步骤一、输入扭振振幅和频率，工控机将其转换为伺服电机转速控制信号、激振器开关控制信号、激振器电流信号传递给伺服控制器和激振器控制器。
步骤二、伺服电机控制器与激振器开关控制器配合，产生设定的扭振频率。伺服电机转速、励磁线圈接通数量与扭振频率符合方程：
式中，f为扭振频率，Hz；k为励磁线圈接通数量；Z为伺服电机输出转速，r/min。
步骤三、励磁线圈通电后，在近距离产生稳定磁场，励磁线圈末端附近的磁场强度与励磁线圈内部接近，符合方程：
B＝μ0nI (2)
式中，μ0是真空中的磁导率，n是励磁线圈匝数，I是励磁线圈通电电流。
当旋转部件的永磁体接近时对其产生作用力，远离时作用力逐渐消失，形成对从动轴的周期性变化扭矩M：
M＝mx VBR sin(α)grad(B) (3)
式中，m为永磁铁质量，kg；x为磁化比，m3/kg；V为永磁铁体积，m3；R为旋转部件15圆环中心到永磁体14中心距离，m；B为磁场强度，T；α为励磁线圈13中心线与对应的外圆环切线夹角；grad(B)为磁场强度梯度，dB/dl。
步骤四、从动轴受到周期性变化扭矩激励后产生转速波动，形成扭振。扭振角位移是激励扭矩和频率的函数：
θ＝Θ(M，f) (4)
步骤五、光电编码器将测得瞬时转速经数据采集卡传递给信号分析处理系统，经谱分析后获得扭振振幅和频率。
步骤六、将信号分析处理系统得到的扭振振幅与频率信息作为参考信号，通过数据拟合的方法，确定伺服电机转速、励磁线圈开关及电流的反馈控制参数，最终得到与目标信号一致的扭振振幅和频率。
工控机接收到目标扭振频率，按公式(1)分解为伺服电机转速控制信号和激振器开关控制信号。如图5所示扭振频率控制流程图，给定目标扭振频率后，根据激振器励磁线圈的个数的因数确定，先选定除1外的最小因数作为k的初选值。然后将该值代入公式(1)，确定伺服电机转速Z值。判断该Z值是否在伺服电机的稳定转速范围内，如果在，则确定上述k、Z作为扭振频率的控制参数，否则，返回k值选定阶段，选择比上次循环大的因数作为k值，直至该k值匹配的Z值落在伺服电机稳定转速范围内。
伺服电机控制器接收到工控机传来的转速信号Z，将其转换为控制信号，使伺服电机转速稳定在Z点。
工控机接收到输入扭振振幅，确定激振器电流控制信号。如图6所示扭振振幅控制流程图，首先初选通电电流，并将其传递给激振器激起从动轴扭振，利用光电编码器和信号分析处理设备获取扭振振幅。重复上述过程5次，共获得5组电流和振幅。工控机对上述5组数据进行数据拟合，得到通电电流和振幅的函数关系。依据所得函数关系，获取目标扭振振幅对应的通电电流，确定励磁线圈的通电电流信号，传递给激振器，激起从动轴扭振，并通过信号分析处理设备获得该通电电流下的实际扭振振幅。工控机将实际扭振振幅与目标扭振振幅相比较，二者相等(或误差小于一定值)则终止运算，保持上述通电电流，否则，依据所得函数关系调整通电电流，直至实际扭振振幅与目标扭振振幅一致。
激振器接收到通电电流和开关控制信号后，对从动轴产生激励扭矩。激振器根据控制信号确定通电电磁线圈的数量和通电电流。。励磁线圈13在外圆环层结构上以固定部件16圆心为中心均匀分布。激振器的旋转部分15安装在从动轴上，随从动轴转动。底座17以升降杆与试验台12项链，并通过锁紧螺母固定。固定安装在旋转部分顶端的永磁铁14接近通电励磁线圈时，在磁场作用下产生与运动方向相反的作用力，当永磁体远离通电励磁线圈产生的磁场时，作用力逐渐消失。该作用力经旋转部件结构传递到从动轴上，形成随从动轴旋转的变化扭矩。从动轴在上述扭矩的激励作用下，产生与输入扭振信号一致的稳定高频扭振信号。
Claims (4)
1.一种高频扭振发生装置，其特征在于，包括伺服电机、轴支承、扭振减振器、光电编码器、激振器、主动轴、从动轴、激振器控制器、工控机、伺服电机控制器及试验台；伺服电机的输出轴直接与主动轴直接相连，伺服电机的输出轴带动主动轴及主动轴上安装的惯性负载一起旋转；从动轴与主动轴间通过安装扭振减振器连接，主动轴将运动通过扭振减振器传递给从动轴，从动轴的末端安装有惯性负载；安装在从动轴上的激振器对从动轴施加周期性扭矩，激起扭振；激振器两侧各有一个光电编码器采集激振器两侧轴系瞬时转速信号，并传递给工控机中的信号处理分析系统；信号处理分析系统计算得到的扭振振幅及频率作为参考信号，与目标信号相比较，获得转速反馈控制信号和激振器反馈控制信号，分别传递给伺服电机控制器和激振器控制器，使从动轴上激振器两侧产生所需要的扭振信号，伺服电机及主动轴、从动轴的轴支承固定在水平试验台上；
所述激振器包括旋转部件(15)、固定部件(16)、励磁线圈(13)、永磁铁(14)、底座(17)、升降杆及锁紧螺母；底座(17)上固定圆环形结构固定部件(16)，旋转部件(15)由圆环和圆环臂组成，旋转部件(15)的圆环中心与固定部件(16)圆心重合，与从动轴固定连接，并随从动轴转动；旋转部件(15)圆环臂末端与永磁铁(14)固定连接；固定部件(16)分为内圆环和外圆环两层；数个励磁线圈(13)固定安装在外圆环层结构内侧，且每个励磁线圈(13)中心线与对应的外圆环层切线均呈α夹角，45°<α<90°；数个励磁线圈在外圆环层结构上以固定部件(16)圆心为中心均匀分布；固定部件(16)内圆环层结构中间正对励磁线圈位置为一圈通槽，以便旋转部件(15)带动永磁铁(14)在槽中自由通过；内内圆环层结构与外圆环层结构两侧以挡板固定连接；外圆环层结构与底座(17)固定连接；底座(17)下部布有贯穿螺孔，与试验台间以升降杆连接；调整升降杆使旋转部件(15)的旋转中心与固定部件(16)的内外圆环中心重合，调整后升降杆与试验台并通过锁紧螺母固定。
2.一种高频扭振发生装置的控制方法，对权利要求1所述高频扭振发生装置进行控制，其特征在于，具体包括如下步骤：
1)、输入扭振振幅和频率，工控机将其转换为伺服电机转速控制信号、激振器开关控制信号、激振器电流信号传递给伺服控制器和激振器控制器；
2)伺服电机控制器与激振器开关控制器配合，产生设定的扭振频率，伺服电机转速、励磁线圈接通数量与扭振频率符合方程：
式中，f为扭振频率，Hz；k为励磁线圈接通数量；Z为伺服电机输出转速，r/min；
3)励磁线圈通电后，在近距离产生稳定磁场，励磁线圈末端附近的磁场强度与励磁线圈内部接近，符合方程：
B＝μ0nI
式中，μ0是真空中的磁导率，n是励磁线圈匝数，I是励磁线圈通电电流；
当旋转部件的永磁体接近时对其产生作用力，远离时作用力逐渐消失，形成对从动轴的周期性变化扭矩M：
M＝mxVBRsin(α)grad(B)
式中，m为永磁铁质量，kg；x为磁化比，m3/kg；V为永磁铁体积，m3；R为旋转部件圆环中心到永磁体中心距离，m；α为励磁线圈中心线与对应的外圆环切线夹角；B为磁场强度，T；grad(B)为磁场强度梯度，dB/dl；
4)从动轴受到周期性变化扭矩激励后产生转速波动，形成扭振，扭振角位移是激励扭矩和频率的函数：
θ＝Θ(M,f)
5)光电编码器将测得瞬时转速经数据采集卡传递给信号分析处理系统，经谱分析后获得扭振振幅和频率；
6)将信号分析处理系统得到的扭振振幅与频率信息作为参考信号，通过数据拟合的方法，确定伺服电机转速、励磁线圈开关及电流的反馈控制参数，最终得到与目标信号一致的扭振振幅和频率。
3.根据权利要求2所述高频扭振发生装置的控制方法，其特征在于，所述扭振频率控制：工控机接收到目标扭振频率，按步骤2)公式分解为伺服电机转速控制信号和激振器开关控制信号，给定目标扭振频率后，根据激振器励磁线圈的个数的因数确定，先选定除1外的最小因数作为k的初选值；然后将该值代入步骤2)公式，确定伺服电机转速Z值；判断该Z值是否在伺服电机的稳定转速范围内，如果在，则确定上述k、Z作为扭振频率的控制参数，否则，返回k值选定阶段，选择比上次循环大的因数作为k值，直至该k值匹配的Z值落在伺服电机稳定转速范围内。
4.根据权利要求3所述高频扭振发生装置的控制方法，其特征在于，所述扭振振幅控制：工控机接收到输入扭振振幅，确定激振器电流控制信号，首先初选通电电流，并将其传递给激振器激起从动轴扭振，利用光电编码器和信号分析处理设备获取扭振振幅，重复上述过程5次，共获得5组电流和振幅；工控机对上述5组数据进行数据拟合，得到通电电流和振幅的函数关系；依据所得函数关系，获取目标扭振振幅对应的通电电流，确定励磁线圈的通电电流信号，传递给激振器，激起从动轴扭振，并通过信号分析处理设备获得该通电电流下的实际扭振振幅；工控机将实际扭振振幅与目标扭振振幅相比较，二者相等或误差小于设定值则终止运算，保持上述通电电流，否则，依据所得函数关系调整通电电流，直至实际扭振振幅与目标扭振振幅一致。
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