CN109238607B - 一种三自由度共振装置的控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种三自由度共振装置的控制系统，包括：加速度传感器、控制器、运算板卡以及伺服电机驱动单元，加速度传感器位于三自由度共振装置的负载端，用于测量三自由度共振装置的负载的加速度；伺服电机驱动单元与伺服电机相连，用于向控制器发送各伺服电机的角度数值，并根据控制器反馈的控制信号控制各伺服电机旋转；控制器将伺服电机的角度数值以及同时刻的加速度数值发送给运算板卡，并根据运算板卡计算得到的加速度以及相位差生成控制信号发送给伺服电机驱动单元。本申请能够克服三自由度共振装置负载重量和状态的变化，自动追踪和控制负载达到并持续工作在共振状态。

Description

一种三自由度共振装置的控制系统

技术领域

本申请涉及振动测试技术和物料混合技术领域，尤其涉及一种三自由度共振装置的控制系统。

背景技术

振动是物体的往复运动，是自然界最普遍的现象之一。十九世纪50年代后，陆续出现了许多利用振动原理工作的生产设备和工艺，包括：振动传输、振动筛选、振动研磨、振动抛光、振动消除内应力等，它们极大地改善了劳动条件，提高了劳动效率。

共振是指物理系统在特定频率下，相比其他频率以更大的振幅做振动的现象，这些特定频率称之为共振频率。

在一般情况下，共振是有害的，是需要尽量避免的，它会引起机械和结构很大的变形和动应力，甚至造成破坏性的事故。

但是，共振也有有益的一面，以机械共振为例，共振时，激励很小，但是输出机械系统的能量很大，振幅也很大。也就是说，如果共振能够应用于机械设备，则能够以最小的能耗获得最大的效率。

目前已知的利用共振原理工作的机械设备主要是共振筛，它的工作原理是筛分机的工作频率接近其自身的共振频率(固定值)时，用较小的激振力驱动较大面积的筛箱。

实际上，共振原理可广泛应用于振动测试和混合领域设备，比如发动机叶片等的破坏性振动试验、高粘度和高附加值物料的高效混合，大分子材料的高效混合等，市场面极广，经济价值极高。但是，这类机械装置的共振频带很窄，且在工作过程中不断变化，共振控制的难度很大，无法控制负载持续稳定在共振状态。

发明内容

本申请实施例提出了一种三自由度共振装置的控制系统，以解决现有技术中振动测试和混合领域设备的共振实现难度很大、负载无法持续稳定工作在共振状态的技术问题。

本申请实施例提供了一种三自由度共振装置的控制系统，包括：加速度传感器、控制器、运算板卡以及伺服电机驱动单元，其中，

所述加速度传感器位于所述三自由度共振装置的负载端，用于测量所述三自由度共振装置的负载的加速度；

所述伺服电机驱动单元与所述三自由度共振装置的伺服电机相连，用于向所述控制器发送各伺服电机的角度数值，并根据所述控制器反馈的控制信号控制各伺服电机转动；

所述控制器将所述三自由度共振装置的伺服电机的角度数值以及同时刻的加速度数值发送给所述运算板卡，并根据所述运算板卡计算得到的加速度a以及激励和负载振动运动之间的相位差θ生成控制信号发送给所述伺服电机驱动单元。

有益效果如下：

由于本申请实施例所提供的控制系统，能够克服负载重量和状态的变化，自动追踪和控制负载达到并持续工作在共振状态，同时自动控制负载共振时的加速度的数值。

附图说明

下面将参照附图描述本申请的具体实施例，其中：

图1示出了本申请实施例中三自由度共振装置的控制系统的结构示意图；

图2示出了本申请实施例中双闭环控制回路的结构示意图；

图3示出了本申请实施例中三自由度共振装置的结构示意图；

图4示出了本申请实施例中激振单元的整体轴侧视图；

图5示出了本申请实施例中激振单元内部安装的伺服电机的剖视图。

具体实施方式

为了使本申请的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本说明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

发明人在发明过程中注意到：

现有技术中振动测试和混合领域设备的共振控制难度较大的主要原因在于，这类机械装置的共振频带一般都非常窄，且共振频率一直在变化，负载重量的稍微不同或者共振的过程中，负载(固体、液体)的翻腾和微小运动都会影响参振质量，进而改变共振频率。

要想将共振原理应用在这些领域，必须首先设计一种具备高度自适应能力和快速实时跟踪控制能力的控制系统。

针对上述不足，本申请实施例提出了一种三自由度共振装置的控制系统，下面进行说明。

图1示出了本申请实施例中三自由度共振装置的控制系统的结构示意图，如图所示，所述控制系统可以包括：加速度传感器、控制器、运算板卡以及伺服电机驱动单元，其中，

所述加速度传感器位于所述三自由度共振装置的负载端，用于测量所述三自由度共振装置的负载的加速度；

所述伺服电机驱动单元与所述三自由度共振装置的伺服电机相连，用于向所述控制器发送各伺服电机的角度数值，并根据所述控制器反馈的控制信号控制各伺服电机转动；

所述控制器将所述三自由度共振装置的伺服电机的角度数值以及同时刻的加速度数值发送给所述运算板卡，并根据所述运算板卡计算得到的加速度a以及激励和负载振动运动之间的相位差θ生成控制信号发送给所述伺服电机驱动单元。

具体实施时，加速度传感器可以放置于三自由度共振装置的负载端，用来测量负载在振动过程中的加速度，伺服电机驱动单元则用来与伺服电机连接，获取各个伺服电机的角度值，控制器获取到加速度值和伺服电机角度值以后，可以发送给运算板卡，由运算板卡计算加速度a以及激励和负载振动运动之间的相位差θ反馈给控制器，控制器据此生成控制信号发送给伺服电机驱动单元，伺服电机驱动单元根据所述控制信号控制各个伺服电机旋转。

由于本申请实施例所提供的控制系统，能够克服三自由度共振装置负载重量和状态的变化，自动追踪和控制负载达到并持续工作在共振状态，同时自动控制负载共振时的加速度的数值。

实施中，所述系统可以进一步包括：

按钮，用于确定用户触发的按键操作；

一端与所述按钮连接、另一端与所述控制器连接的数字量输入DI模块，用于向所述控制器输入所述按键操作对应的按钮信号。

具体实施时，本申请实施例所提供的控制系统可以有多个按钮，每个按钮代表一个或多个不同含义的操作指令，例如：急停、使能、复位、振动等按钮，当用户按下或旋转至某个指令时，数字量输入DI模块向控制器输入该按钮操作对应的按钮信号。

实施中，所述系统可以进一步包括：

一端与所述加速度传感器连接、另一端与所述控制器连接的模拟量输入AI模块，用于向所述控制器输入所述加速度传感器测量的信号以及设定的加速度信号。

具体实施时，在加速度传感器和控制器之间可以设置有模拟量输入AI模块，用来向所述控制器输入所述加速度传感器测量的信号以及设定的加速度信号。当所述加速度传感器配有恒流源模块时，所述模拟量输入AI模块可以一端与所述加速度传感器的恒流源模块连接、另一端与所述控制器连接。

实施中，所述系统可以进一步包括：

一端与控制线圈的回路连接、另一端与所述控制器连接的数字量输出DO模块，用于控制电机继电器吸合。

实施中，所述数字量输出DO模块、数字量输入DI模块、模拟量输入AI模块均可以与所述控制器通过背板总线连接。

具体实施时，所述数字量输出DO模块、数字量输入DI模块、模拟量输入AI模块可以分别与所述控制器通过背板总线连接。

实施中，所述伺服电机驱动单元可以包括多台伺服电机驱动器，所述伺服电机驱动器可以通过动力电缆和编码器反馈电缆分别连接所述三自由度共振装置的对应的伺服电机。

具体实施时，动力电缆可以指给大负荷设备供电的电缆，如各种电机、电热等设备，编码器反馈电缆可以用来连接伺服电机驱动单元和伺服电机以传输信号。

具体实施时，伺服电机驱动单元可以包括一台或多台伺服电机驱动器，伺服电机驱动器的数量可以根据三自由度共振装置的伺服电机数量相同，每个伺服电机驱动器与三自由度共振装置的一个伺服电机对应连接，从而获取该伺服电机的状态、角速度等数据，以及向该伺服电机发送控制信号。

实施中，所述控制器与所述伺服电机驱动单元之间、所述控制器与所述运算板卡之间可以通过ETHERCAT总线相连。

具体实施时，所述控制器与所述伺服电机驱动单元之间、所述控制器与所述运算板卡之间均可以通过ETHERCAT总线相连，ETHERCAT(以太网控制自动化技术，CAT，ControlAutomation Technology)是一个以以太网为基础的开放架构的现场总线系统，采用ETHERCAT总线连接可以使得响应速度更快、性能更加稳定。

实施中，所述加速度传感器可以配有恒流源模块，所述加速度传感器可以通过配套的恒流源模块向所述控制器输出预设范围值得模拟量信号。

所述加速度传感器配套的恒流源模块可以为所述加速度传感器供电，所述加速度传感器可以通过配套的恒流源模块向控制器(或连接控制器的模拟量输入AI模块)实时输出预定范围值的模拟量信号，例如：-10V～+10V。

实施中，所述加速度的范围可以为0～100g。

具体实施时，所述加速度传感器的量程可以为0～500g，安装在三自由度共振装置的负载端，实时测量三自由度共振装置的负载的加速度。

实施中，所述控制器与所述运算板卡可以双向定时交换数据，所述控制器向运算板卡传输预设数量的等时间间隔的伺服电机角度数值以及同时刻的加速度数值，所述运算板卡根据所述预设数量的等时间间隔的伺服电机角度数值和加速度数值计算出加速度a以及激励与负载振动运动之间的相位差θ反馈给所述控制器。

具体实施时，所述控制器与所述运算板卡可以双向定时交换数据，即，所述控制器既可以向所述运算板卡发送数据又可以接收所述运算板卡反馈的数据，在数据传输或交换时可以设定一定的时间，例如多久发送一次数据、多久接收一次数据。

实施中，所述控制器在接收所述运算板卡的数据后，内部同时运行伺服电机旋转速度r和相位差θ的双闭环控制回路，控制所述三自由度共振装置共振时的速度和相位差达到设定值；

图2示出了本申请实施例中双闭环控制回路的结构示意图，如图所示，所述双闭环控制回路为：

根据设定相位差θ和运算板卡计算得到的实际相位差确定伺服电机旋转速度r、以及根据设定加速度a和运算板卡计算得到的实际加速度确定伺服电机角差φ；在所述共振式混合机按照伺服电机旋转速度r和伺服电机角差φ共振预设时间后，所述控制器将预设数量等时间间隔的角度和加速度值发送给所述运算板卡；所述运算板卡分别计算出相位差和加速度值作为下一次的实际相位差和实际加速度。

实施中，所述伺服电机可以为偶数个，在控制信号的控制下两两一组以相同的旋转速度r带动与所述伺服电机连接的偏心块做反向位置同步运动。

具体实施时，所述伺服电机可以为偶数个，例如：4台、6台、8台等。多台伺服电机的旋转速度r相同，一起做速度同步运动，且旋转速度r由控制系统实时调节；偶数个伺服电机两两一组，带动偏心质量块做反向位置同步运动，从而相互抵消横向激振力。

实施中，在速度同步运动和位置同步运动的同时，每两组伺服电机之间保持有预设的角差

所述角差

由所述控制器确定。

图3示出了本申请实施例中三自由度共振装置的结构示意图，如图所示，所述三自由度共振装置可以包括：机架1、激振单元2、反作用单元和负载单元，所述激振单元2上固定有激振装置，所述激振装置可以包括多台带偏心块的伺服电机。

具体实施时，所述机架1可以包括机架下板和与所述机架下板固定连接的机架上板；所述反作用单元3可以包括反作用上板和与所述反作用上板固定连接的反作用下板，所述反作用单元3通过设置在反作用上板上表面的多个第二上弹簧和设置在反作用下板下表面的多个第二下弹簧支撑在机架1的机架上板和机架下板内；

图4示出了本申请实施例中激振单元的整体轴侧视图，如图所示，所述激振单元可以包括固定板9、多台伺服电机(图4中以10a、10b、10c、10d、四台为例示意)，所述固定板通过设置在其上表面的多个第一上弹簧和其下表面的多个第一下弹簧支撑在反作用上板和反作用下板之间；所述负载单元可以包括负载上板和与所述负载上板固定连接的负载下板，所述负载下板设置在反作用单元3的反作用上板和反作用下板之间；所述负载下板通过多个第四上弹簧和多个第四下弹簧支撑在反作用单元3的反作用上板和反作用下板之间。

图5示出了本申请实施例中激振单元内部安装的伺服电机的剖视图，如图所示，所述伺服电机可以包括轴承一11、外壳12、定子线圈13、转子14、转轴15、偏心块16、轴承二17、编码器18，

所述编码器18位于所述转轴15的一端，所述轴承二17位于所述转轴15上且靠近所述编码器的一端，所述轴承一11位于所述转轴15上且远离所述编码器的一端，绕有定子线圈13的转子14、以及所述偏心块14均位于所述轴承一11与轴承二17之间与所述转轴15可旋转连接。

与现有技术相比，本申请实施例具有以下优点：

1)具备高度自适应能力和快速实时跟踪控制能力，能够克服负载重量和状态的变化，自动追踪和控制负载达到并持续工作在共振状态，从而持续以最小的功耗获得最大的效率；

2)能够控制负载共振时的加速度的数值，加速度的控制范围达到0～100g可调。

为了便于本申请的实施，下面以实例进行说明。

本申请实施例所提供的控制系统可以包括一套激振力伺服控制装置、一套IEPE加速度传感器及其配套的恒流源模块、PAC控制器、数字量输入DI模块、数字量输出DO模块、模拟量输入AI模块、伺服电机驱动单元、自制的算法运算板卡CP_1、按钮和仪表等部分组成。

IEPE加速度传感器量程为0～500g，安装在三自由度共振装置的负载端，实时测量三自由度共振装置负载的加速度，IEPE加速度传感器通过配套的恒流源模块向模拟量输入AI模块实时输出-10V到+10V的模拟量信号。

PAC控制器是整个控制系统的核心，内部固化了初始化程序、主程序、同步控制子程序、共振控制子程序、数据记录与通信交换子程序、报警与处理子程序、急停处理子程序等。

数字量输入DI模块与PAC控制器通过背板总线连接，向PAC控制器输入急停、使能、复位、振动等按钮信号。

数字量输出DO模块与PAC控制器通过背板总线连接，PAC控制器通过它输出各个交流接触器的线圈控制信号。

模拟量输入AI模块与PAC控制器通过背板总线连接，向PAC控制器输入加速度传感器测量信号和加速度值设定信号。

伺服电机驱动单元可以由4台伺服电机驱动器组成，通过动力电缆和编码器反馈电缆分别连接激振力伺服控制装置内的四台伺服电机，同时，伺服电机驱动单元与PAC控制器通过ETHERCAT总线相连，接收PAC的控制信号，并向PAC控制器反馈各个伺服电机的状态信号和角度值信号。

自制的算法运算板卡CP_1与PAC控制器通过ETHERCAT总线相连，每6ms完成一次数据收发，PAC控制器向CP_1运算板卡传输512组等时间间隔(1μs)的伺服电机角度数值和同时刻的加速度数值，CP_1运算板卡向PAC控制器传输计算得出的加速度a数值及激励和负载振动运动之间的相位差θ。CP_1板卡的CPU芯片选用DSP芯片，具体型号可以为TMS320F2812等。

按钮和仪表用于人机交互，包括急停、使能、复位、振动等按钮及加速度显示和设定用仪表，加速度的设定范围是0～100g可调。

三自由度共振装置控制系统的控制流程如下：

1)使能伺服电机驱动单元和伺服电机；

2)控制伺服电机回零位；

3)控制伺服电机到初始位，此时角差

为180度，激励力为零；

4)给定伺服电机初始旋转速度r和初始角差

激振力伺服控制装置开始工作；

5)PAC控制器与算法运算板卡CP_1建立通讯，定时相互发送数据；

6)PAC控制器根据算法运算板卡CP_1传输过来的数据，同时运行伺服电机旋转速度r闭环控制回路和相位差θ双闭环控制回路，控制三自由度共振装置逐渐工作到共振状态，同时控制共振时的加速度a到达设定值附近；；

7)需要停止共振时，首先调节角差

到180度，激励力重新回到零；

8)伺服电机减速到50rpm；

9)伺服电机停止旋转。

激振力伺服控制装置可以由四台带偏心质量块的伺服电机10a、10b、10c、10d组装而成。四台伺服电机的旋转速度r相同，一起做速度同步运动，且旋转速度r由控制系统实时调节；四台伺服电机两两一组，带动偏心质量块做反向位置同步运动，即10a、10d一组，10b、10c一组，每组里的两台伺服电机带动偏心质量块做反向位置同步运动，从而相互抵消横向激振力；在速度同步运动和位置同步运动的同时，两组伺服电机之间保持有一定角度的角差

角差由控制系统实时调节，即控制系统实时调节10a、10d与10b、10c之间的角差

根据振动理论，单个质体有阻尼受迫振动方程：ma+cv+kx＝F，得到三自由度系统在外加简谐激振力作用下的强迫振动运动方程为：

式中：

m_i——各单元的质量

c_i——阻尼系数

k_i——各组弹簧的刚度

x_i、v_i、a_i——各单元的位移、速度、加速度

F——系统的激振力

本申请实施例中当混合装置的振动频率到达预设工作频率时，系统产生共振效应，具有一定加速度运动的负载上板把动能传递到混合容器内，容器内混合物料间产生低频声波，打破物料之间的边界层，物料流动自由，产生无数个微混合区，促进物料快速混合。

所述控制系统具备自适应能力，能够自动适应一定范围内的不同重量的负载，并在振动过程中自动克服负载物料运动和状态变化带来的种种影响，控制三自由度共振装置迅速达到并持续工作在共振状态。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

Claims (12)

1.一种三自由度共振装置的控制系统，其特征在于，包括：加速度传感器、控制器、运算板卡以及伺服电机驱动单元，其中，

所述加速度传感器位于所述三自由度共振装置的负载端，用于测量所述三自由度共振装置的负载的加速度；

所述伺服电机驱动单元与所述三自由度共振装置的伺服电机相连，用于向所述控制器发送各伺服电机的角度数值，并根据所述控制器反馈的控制信号控制各伺服电机转动；

所述控制器将所述三自由度共振装置的伺服电机的角度数值以及同时刻的加速度数值发送给所述运算板卡，并根据所述运算板卡计算得到的加速度a以及激励和负载振动运动之间的相位差θ生成控制信号发送给所述伺服电机驱动单元。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：

按钮，用于确定用户触发的按键操作；

一端与所述按钮连接、另一端与所述控制器连接的数字量输入DI模块，用于向所述控制器输入所述按键操作对应的按钮信号。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：

一端与所述加速度传感器连接、另一端与所述控制器连接的模拟量输入AI模块，用于向所述控制器输入所述加速度传感器测量的信号以及设定的加速度信号。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：

一端与控制线圈的回路连接、另一端与所述控制器连接的数字量输出DO模块，用于控制电机继电器吸合。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述伺服电机驱动单元包括多台伺服电机驱动器，所述伺服电机驱动器通过动力电缆和编码器反馈电缆分别连接所述三自由度共振装置的对应的伺服电机。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器与所述伺服电机驱动单元之间、所述控制器与所述运算板卡之间通过ETHERCAT总线相连。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述加速度传感器配有恒流源模块，所述加速度传感器通过配套的恒流源模块向所述控制器输出预设范围值的模拟量信号。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三自由度共振装置的负载的加速度的范围为0～100g。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器与所述运算板卡双向定时交换数据，所述控制器向运算板卡传输预设数量的等时间间隔的伺服电机角度数值以及同时刻的加速度数值，所述运算板卡根据所述预设数量的等时间间隔的伺服电机角度数值和加速度数值计算出加速度a以及激励与负载振动运动之间的相位差θ反馈给所述控制器。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器在接收所述运算板卡的数据后，内部同时运行伺服电机旋转速度r和相位差θ的双闭环控制回路，控制所述三自由度共振装置共振时的速度和相位差达到设定值；

所述双闭环控制回路为：

根据设定相位差θ和运算板卡计算得到的实际相位差确定伺服电机旋转速度r、以及根据设定加速度a和运算板卡计算得到的实际加速度确定伺服电机角差

在三自由度共振装置按照伺服电机旋转速度r和伺服电机角差

共振预设时间后，所述控制器将预设数量等时间间隔的角度和加速度值发送给所述运算板卡；所述运算板卡分别计算出相位差和加速度值作为下一次的实际相位差和实际加速度。

11.如权利要求1或10所述的系统，其特征在于，所述伺服电机为偶数个，在控制信号的控制下两两一组以相同的旋转速度r带动与所述伺服电机连接的偏心块做反向位置同步运动。

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，在速度同步运动和位置同步运动的同时，每两组伺服电机之间保持有预设的角差

所述角差

由所述控制器确定。

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