CN109639143B - 电磁力激振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于动力学控制实验领域，为给各种一维振子实验台提供非接触式且误差足够低的中低频正弦激振力，从而有效观察在不同的外界条件和激励形式的情况下一维振子的动力学行为和特性。本发明，电磁力激振装置，包括高压Buck电路、低压Buck电路、模拟信号脉冲宽度调制电路和电磁激振线圈，高压Buck电路的输入端接入经整流滤波和功率因数补偿的220V交流电，低压Buck电路的输入端与高压Buck电路的输出端相连，脉冲宽度调制电路的输入端与低压Buck电路的输出端相连，脉冲宽度调制电路的输出端与电磁激振线圈相连。本发明主要应用于动力学控制、振子实验场合。

Description

电磁力激振装置
技术领域
本发明属于动力学于控制实验领域，涉及一种电磁力激振装置，尤其适用于非接触条件下，不同外界条件和激励形式对弹簧质量动力系统动力学行为的影响。
背景技术
在工程振动测试领域，为了研究一维非线性系统的动力学行为和特性，一般采用计算机模拟技术进行研究，原因在于现有的工程振动实验设备难以提供非接触式且误差足够低的中低频正弦激振力，因此实验结果不足以提供足够精确的测试结果。实验用激振器只有提供正弦的激振力才能保证实验结果的准确性。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种电磁力激振的振动实验装置，以为各种一维振子实验台提供非接触式且误差足够低的中低频正弦激振力，从而有效观察在不同的外界条件和激励形式的情况下一维振子的动力学行为和特性。为此，本发明采取的技术方案是，电磁力激振装置，包括高压Buck电路、低压Buck电路、模拟信号脉冲宽度调制电路和电磁激振线圈，高压Buck电路的输入端接入经整流滤波和功率因数补偿的220V交流电，低压Buck电路的输入端与高压Buck电路的输出端相连，脉冲宽度调制电路的输入端与低压Buck电路的输出端相连，脉冲宽度调制电路的输出端与电磁激振线圈相连；脉冲宽度调制电路最后根据输入的原始模拟信号和三角波载波调制出定频的脉冲方波形式的电力输出给电磁激振线圈，同时设置有半导体器件对电磁激振线圈进行同步整流或续流，电磁激振线圈便在轴向产生强度随模拟信号变化而变化的磁场，从而对铁磁性振子产生激振磁力。
由电压滞环控制器和栅极驱动器对两个Buck电路的输出分别进行控制。
控制Buck电路的电压滞环控制器由输出反馈电压取样电路、误差放大器和迟滞比较器构成，Buck电路的输出反馈电压VFB经两电阻分压取样后，输入误差放大器，误差放大器将取样电压放大后送入迟滞比较器，迟滞比较器将误差信号与参考电压比较后输出控制信号，在电压滞环控制器的控制下，Buck电路的输出反馈电压有效值
Figure BDA0001885984830000011
脉冲宽度调制模块最后根据输入的原始模拟信号和三角波载波调制出定频的脉冲方波形式的电力输出给电磁激振线圈，同时采用半导体器件对电磁激振线圈进行同步整流或续流。
脉冲宽度调制模块中，原始模拟信号和三角波载波分别输入比较器的两个输入端，在比较器的输出端采用半导体器件对电磁激振线圈进行同步整流或续流，具体是采用串接的肖基特二极管和MOS管实现。
本发明的特点及有益效果是：
本发明采用设备可以从供电电压和模拟信号两个方面调节参数，便于调整实验条件，并获得相应实验数据。
本发明可提供较大的输出电流，且输出电压精度较高，同时拥有较快速的动态响应。
本发明除参数可调节外，制造成本低廉，实现条件要求低。
本发明提供低误差的非接触式正弦激振力，也可提供用户所需的其他形式的激振力，并且同样保持低误差。
此外使用安装场合广泛，同时还具备小型、轻便、稳定性高等特点。
本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明：
图1为本发明的整体电路原理图；
图2为本发明的电压滞环控制器原理图；
图3为本发明的脉冲宽度调制器原理图。
具体实施方式
本发明所要解决的问题在于，提供一种电磁力激振的振动实验装置，以为各种一维振子实验台提供非接触式且误差足够低的中低频正弦激振力，从而有效观察在不同的外界条件和激励形式的情况下一维振子的动力学行为和特性。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
依据本发明提供的一种电磁力激振装置，包括1组高压Buck电路、1组低压Buck电路、1组模拟信号脉冲宽度调制电路和1组电磁激振线圈。
如图1所示，高压Buck电路的输入端接入经整流滤波和功率因数补偿的220V交流电，低压Buck电路的输入端与高压Buck电路的输出端相连，脉冲宽度调制电路的输入端与低压Buck电路的输出端相连，脉冲宽度调制电路的输出端与电磁激振线圈相连。高压Buck电路将AC220V交流电整流降压至DC40V-DC120V后输入到后级的低压Buck电路，低压Buck电路在将输入的直流电再次降压至DC12V-DC24V后输入至脉冲宽度调制电路。两组Buck电路均使用同步整流技术，由电压滞环控制器和栅极驱动器对两个Buck电路的输出分别进行控制。
如图2所示，控制Buck电路的电压滞环控制器由输出反馈电压取样电路、误差放大器和迟滞比较器构成。Buck电路的输出反馈电压VFB经两电阻分压取样后，输入误差放大器，误差放大器将取样电压放大后送入迟滞比较器，迟滞比较器将误差信号与参考电压比较后输出控制信号。在电压滞环控制器的控制下，Buck电路的输出反馈电压有效值
Figure BDA0001885984830000021
如图3所示，脉冲宽度调制模块最后根据输入的原始模拟信号和三角波载波调制出定频的脉冲方波形式的电力输出给电磁激振线圈，同时采用半导体器件对感性线圈进行同步整流或续流，电磁激振线圈便在轴向产生强度随模拟信号变化而变化的磁场，从而对铁磁性振子产生激振磁力。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案进一步实现：
前述的高压Buck电路将高压电能降压至DC40V-DC120V后输入到后级的低压Buck电路，低压Buck电路在将输入的直流电再次降压至DC12V-DC24V后输入至脉冲宽度调制电路。脉冲宽度调制电路最后根据输入的原始模拟信号调制出定频脉冲方波电力输出给电磁激振线圈，电磁激振线圈便在轴向产生强度随模拟信号变化而变化的磁场，从而对铁磁性振子产生激振磁力。
前述的高压Buck电路、低压Buck电路均可根据实验条件和采用的线圈特性在一定范围内调节其输出电压，调节方式为改变各自电压滞环控制器的取样电路的电阻比值。
前述的高压Buck电路、低压Buck电路和脉冲宽度调制电路均可在一定范围内调节电路工作频率，Buck电路调频方式为改变电压滞环控制器中误差放大器的放大倍率，而脉冲宽度调制电路调节工作频率的方式为改变输入脉冲信号的频率。
前述的电磁激振线圈可以根据实验台参数自行定制。
前述的电磁激振力的频率、幅值和形式可以根据实验台参数自行设计，通过设置相应的模拟信号和前述其他所有可变参数即可完成调节。
本发明具有如下功能：
(1)改变分压电阻比值以改变输出电压
通过改变两个控制器的取样电路分压电阻比值，可以改变输入至误差放大器的电压和两个环节各自输出电压的比值，进而实现对输出电压的控制。
(2)提供精确的低频正弦激励
由于参与脉冲宽度调制的三角波或锯齿波频率较高，因此在信号调制后并输入至电磁力激振线圈中混叠的高频分量的频率极高，远离一维振子的共振频率，且经线圈自身电感的滤波，能量极小，故对一维振子几乎不产生影响。
(3)实现多种形式的激励形式
通过对输入模拟信号的设计，可以实现不同形式的激励，不仅可以改变激励的幅值和频率，还可以定义满足一定规则的非线性激励。

Claims (2)

1.一种电磁力激振装置，其特征是，包括高压Buck电路、低压Buck电路、模拟信号脉冲宽度调制电路和电磁激振线圈，高压Buck电路的输入端接入经整流滤波和功率因数补偿的220V交流电，低压Buck电路的输入端与高压Buck电路的输出端相连，脉冲宽度调制电路的输入端与低压Buck电路的输出端相连，脉冲宽度调制电路的输出端与电磁激振线圈相连；脉冲宽度调制电路最后根据输入的原始模拟信号和三角波载波调制出定频的脉冲方波形式的电力输出给电磁激振线圈，同时设置有半导体器件对电磁激振线圈进行同步整流或续流，电磁激振线圈便在轴向产生强度随模拟信号变化而变化的磁场，从而对铁磁性振子产生激振磁力；由电压滞环控制器和栅极驱动器对两个Buck电路的输出分别进行控制；脉冲宽度调制电路中，原始模拟信号和三角波载波分别输入比较器的两个输入端，在比较器的输出端采用半导体器件对电磁激振线圈进行同步整流或续流。
2.如权利要求1所述的电磁力激振装置，其特征是，控制Buck电路的电压滞环控制器由输出反馈电压取样电路、误差放大器和迟滞比较器构成，Buck电路的输出反馈电压VFB经两电阻分压取样后，输入误差放大器，误差放大器将取样电压放大后送入迟滞比较器，迟滞比较器将误差信号与参考电压比较后输出控制信号，在电压滞环控制器的控制下，Buck电路的输出反馈电压有效值：
Figure FDA0002627626890000011
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