CN201221998Y - 带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器，包括静态控制器和动态控制器，其特征在于该控制器还包括一电流补偿控制电路，该电路通过一电流传感器检测动圈中通过的电流，并输出反映动态平衡控制所需电流大小与方向的直流信号，该直流信号被输入到静态控制器。本实用新型的有益效果在于：通过设置电流补偿控制电路解决了动态控制器与静态控制器之间的冲突，增强了系统的安全性和可靠性；采用的过位移保护电路，不但起到系统过位移保护的作用，同时避免了系统运行过程中由于位移转换器脱落、位移传感器损坏而造成的安全事故，大大增强了系统的可靠性；本实用新型结构简单，工作可靠，控制精度高。

Description

带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器

技术领域

本实用新型涉及力学环境试验设备，具体涉及一种带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器。

背景技术

电动振动试验台(以下简称振动台)是一种对试件进行振动模拟试验的试验设备。通过振动试验可以评定一个产品的抗震性能，为考核该产品的质量与设计提供合理的依据。因此，电动振动试验台被广泛应用于航空、航天、航海、船舶、汽车、电子、通讯、家电和仪器仪表等行业。

电动振动试验台是利用电磁振动原理设计的，其结构主要由台体(磁缸、磁缸盖、中心磁极和磁缸底)、励磁线圈、动圈、支撑与导向装置、冷却装置以及驱动电路等几部分组成。其中动圈主要由工作台面与绕制在工作台面骨架上的驱动线圈构成；驱动电路主要由给定信号源(通常为控制仪)和功率放大器构成，驱动电路给驱动线圈提供电能。振动台工作时，向励磁线圈中注入直流电流，在台体的工作气隙中会产生一个恒定的磁场，向位于工作气隙中的驱动线圈注入交变电流。根据电磁感应定律，驱动线圈会围绕某一振动中心带动工作台面做往复振动。

振动台在工作状态下，如何设定与保持动圈振动中心的位置是十分重要的。目前国内外振动台厂商采用较多的是静态控制器与动态控制器。

静态控制器主要是利用机械性的悬挂支撑装置控制台面的振动中心。机械性悬挂支撑装置一般由吊住动圈上部的弹性悬挂件和补偿支撑于动圈底部的空气弹簧或增压气室构成。静态控制器通过位移传感器判断动圈中心位置，并通过对空气弹簧或增压气室的充气与放气控制来控制动圈的中心位置。静态控制器受振动台工作原理制约，仅在试件装载的过程中和振动台高频运行的过程中比较有效，对于振动台低频运行时中心位置的控制无能为力。当振动台工作在位移区及速度区时(低频区域)，动圈骨架(导体)在磁场中运动会产生电动势(发电效应)，该电动势经动圈骨架形成电流回路，该电流在工作气隙中将产生阻碍动圈运动的反作用力，该作用力会造成动圈中心位置动态飘移。实践证明静态控制器对于动圈中心位置的动态飘移是无能为力的。

为了克服动态飘移，振动中心的动态控制器应运而生。它通过位移传感器判断动圈的中心位置，让功率放大器在驱动线圈中额外地注入一个电流，使动圈产生一个额外的控制力来抵消反作用力，从而限制动圈的漂移，使动圈中心位置保持不变。

动态与静态控制器的应用有效控制了振动中心位置，但实际应用存在两大问题，首先动态控制器采用电-磁-力的转换控制方式，过渡过程非常短暂，通常在毫秒级，而静态控制器采用充放气方式控制，其过渡过程较长，通常在秒级，所以动态控制器的作用效果远大于静态控制器，一旦动态控制器进入工状态，静态控制器就失去了作用。若支撑气囊或气室漏气，当关闭功率放大器时(动态控制器通过功率放大器来实现，一旦关闭功率放大器，动态控制器立即失去作用)，会造成动圈下冲，当试件质量很大时会造成动圈与被测试件严重损坏。当前国内大推力振动台多采用气密结构，要保证整个增压气室严格不漏气非常困难，同时大推力振动台的试件质量有时达数千公斤，且一般为昂贵的卫星、导弹等，一旦出现类似事故，后果不堪设想。其次动态控制器采用电-磁-力的转换控制方式，动圈中始终有直流电流(直流电流正比于振动台试验产品的重量)，使动圈发热，冷却恶化，如果动圈被卡，甚至烧坏动圈。

实用新型内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电动振动台振动中心控制器，它将静态控制器与动态控制器合二为一，通过补偿控制电路解决静态控制器与动态控制器之间的冲突，从根本上解决上述问题，实现对振动中心位置进行有效的平衡控制。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

具有电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器，包括静态控制器和动态控制器，其特征在于该振动中心控制器还包括一电流补偿控制电路，该电路通过一电流传感器检测动圈中通过的电流，并输出反映动态平衡控制所需电流大小与方向的直流信号，该直流信号被输入到静态控制器。

所述振动中心控制器通过位移传感器检测与位移转换器之间的距离，输出间接反映动圈位移量的电压信号，并与给定参考电压相减，经低通滤波器滤除交流成分后分为两路，一路输入到动态控制器进行动态平衡控制，另一路输入到静态控制器进行静态平衡控制。

所述位移传感器采用非接触式位移传感器。

所述位移转换器刚性固定在动圈的外侧面，所述位移传感器固定在磁缸盖上，其探头面对位移转换器。

所述动态控制器主要由一与驱动线圈电连接的功率放大器组成。

所述静态控制器包括PI控制器、判断与驱动电路和充、放气阀，判断与驱动电路接收PI控制器的输出信号，判断与驱动电路输出两路驱动信号到充、放气阀，用于控制动圈支撑气囊或气室的充、放气。

所述判断与驱动电路包括接收PI控制器输出信号的两个比较器、一脉冲发生器和两路驱动电路，两个比较器的输出分别与脉冲发生器的输出进行与逻辑后，输入到两路驱动电路，两路驱动电路的输出分别接充、放气阀。

所述振动中心控制器还包括用于向所述动态控制器发送保护信号的过位移保护电路。

所述过位移保护电路包括顺次电连接的整流电路、比较器和光电隔离器。

所述电流传感器采用隔离式电流传感器。本实用新型通过设置电流补偿控制电路，利用电流传感器检测出动圈驱动线圈中流过的电流，输出一个反映驱动线圈中电流大小与方向的电压信号，该电压信号包含两个成分，一个是反映动圈作往复振动的交流信号，另一个是反映动态控制器控制振动中心所需直流电流大小和方向的直流信号。反映驱动线圈中电流大小与方向的电压信号经低通滤波器滤除无用的交流信号后，剩下直流信号，该支流信号被送入静态控制器，通过静态控制作用对动态控制器进行补偿，减小动态控制的负担，实现电流补偿控制。

本实用新型利用位移传感器和位移转换器检测出电动振动台动圈相对于磁缸的位移信号，该信号中包含了动圈的振动位移量和动圈振动中心的偏移量。位移信号被分成两路，一路经过低通滤波器后变成反映振动中心偏移量的直流信号，该直流信号分别作为动、静态控制器的输入；另一路作为过位移保护电路的输入信号。过位移保护电路动作的设定值是根据动圈容许的机械行程进行设定的。当动圈相对位移量超出设定值后，过位移保护电路向功率放大器发出保护信号，功率放大器立即关闭输出。功率放大器是动态控制器的核心部件，功率放大器关闭后，动态控制器便失去作用。另一路信号经过低通滤波器后，滤除无用的交流信号，仅剩下反映动圈振动中心偏移量的直流信号。该直流信号被分成两路，一路输出到功率放大器，对振动中心进行动态控制；一路输出到由PI控制器、判断与驱动电路和充、放气阀组成的静态控制器。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型通过设置电流补偿控制电路解决了动态控制器与静态控制器之间的冲突，增强了系统的安全性和可靠性；

2、本实用新型采用的过位移保护电路，不但起到系统过位移保护的作用，同时避免了系统运行过程中由于位移转换器脱落、位移传感器损坏而造成的安全事故，大大增强了系统的可靠性；

3、本实用新型结构简单，工作可靠，控制精度高。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的阐述。

图1为本实用新型的控制原理图；

图2为位移传感器与位移转换器示意图；

图3(a)为平衡状态下，位移传感器与位移转换器的工作原理图；

图3(b)为当动圈沿Y轴运动偏离振动中心时，位移传感器与位移转换器的工作原理图；

图4为过位移保护电路原理图；

图5为判断与驱动电路原理图；

图6为电流补偿控制力学原理图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器，在振动台的动圈2上刚性安装有位移转换器4，位移传感器1安装在磁缸盖上。位移传感器1通过检测与位移转换器4之间的距离，输出间接反映动圈2的位移量的电压信号，并与一给定参考电压相减，经低通滤波器LF1滤除交流成分后分为两路，一路输入到动态控制器的核心部件功率放大器，功率放大器与动圈连接，用于向驱动线圈输出额外的电流，对振动中心位置进行动态平衡控制；另一路输入到静态控制器进行静态平衡控制。位移传感器1可以采用电涡流传感器、电感式传感器或激光式传感器。

静态控制器包括PI控制器、判断与驱动电路和充、放气阀，PI控制器的输入端作为静态控制器的输入端，PI控制器的输出端连接判断与驱动电路，判断与驱动电路输出两路信号到充气阀和放气阀。充气阀和放气阀均与动圈的支撑气囊或气室3连接，用于控制支撑气囊或气室3的充、放气，实现对振动中心位置进行静态平衡控制。

判断与驱动电路如图5所示，包括接收PI控制器输出信号的两个比较器、脉冲发生器和两路驱动电路，两个比较器的输出分别与脉冲发生器的输出通过与门AND进行与逻辑后，输入到两路驱动电路，两路驱动电路的输出分别接充、放气阀，用于控制支撑气囊或气室3的充、放气。两个比较器综合作用可以判断动圈振动中心是向上偏移还是向下偏移，如果向上偏移量超出设定的误差值，驱动电路控制放气阀动作，使支撑气囊或气室3放气，动圈振动中心位置下降；如果向下偏移量超出设定的误差值，驱动电路控制充气阀动作，使支撑气囊或气室3充气，动圈振动中心位置上升。脉冲发生器为充、放气阀设定了工作频率和占空比，可有效提高静态控制精度，减小稳态振荡。

位移转换器与位移传感器工作原理如图3(a)、3(b)所示，位移转换器4的斜面与Y轴成θ角。平衡状态下，动圈位于振动中心，如图3(a)所示。当动圈沿Y轴运动偏离振动中心时，如图3(b)所示，设此时动圈相对于振动中心的运动量为y，位移转换器4相对于位移传感器1沿X轴方向的变换量为x，则有x＝ytanθ，位移传感器1的输出U＝kx＝kytanθ，其中k和tanθ为常数。因此位移传感器1的输出可以反映动圈沿轴向运动的位移与振动中心的偏移量。

电流补偿控制电路中，电流传感器与动圈2电连接，用于检测驱动线圈中通过的电流，输出一个反映驱动线圈中电流大小与方向的电压信号。该电压信号经低通滤波器LF2滤除无用的交流信号后，剩下直流信号。该直流信号被送入静态控制器的输入端，对动态控制器进行补偿，减小动态控制器的负担，实现电流补偿控制。电流传感器采用霍尔电流传感器或电流互感器。

电动振动台中，动圈的振动位移受到动圈机械行程的制约，一旦动圈的振动位移超出机械行程，动圈就会以较大的速度或加速度撞击磁缸，从而造成动圈损坏。本实施例还包括一过位移保护电路，如图1所示，该电路电连接在低通滤波器LF1的输入端和功率放大器之间。过位移保护电路原理图如图4所示，位移传感器1的输出与一给定参考电压相减，经整流电路整流后，通过比较器与过位移设定值进行比较，一旦超出过位移设定值立即输出保护信号。保护信号通过光电隔离器输送到功率放大器，关闭功率放大器输出，对系统起到保护的作用。

电流补偿控制力学原理如图6所示，图中假设m为动圈、被测试件与其它支撑部件等效质量的总和；G为质量m所受的重力，G＝mg，其中g为重力加速度；f为驱动动圈作往复振动的作用力；f₁为静态控制器的作用力；f₂为动态控制器的作用力；f₃为动圈运动过程中使动圈产生动态漂移的作用力。系统上电以后，由于功率放大器未启动，动态控制器不起作用，仅有静态控制器作用，此时f₂＝0，f₃＝0，f＝0。在静态控制器作用下，质量m受力平衡，此时f₁与G大小相等，方向相反，即f₁＝-G，振动中心无偏移。功率放大器启动后，动态控制器工作，但振动中心处于平衡位置，低通滤波器LF1无输出，功率放大器无输出，即动态控制器无输出，仅静态控制器起作用。当系统开始振动后，f≠0，但f是交变力，平均值为零，它不会破坏振动中心的位置。动圈振动产生f₃≠0，f₃的平均值不为零，假定f₃方向朝下，就造成了振动中心的向下偏移，该偏移被位移传感器检测经滤波后分成两路，一路送到功率放大器，于是动圈有直流电流流动，对动圈施加一个与f₃大小相等，方向相反的作用力f₂，f₃方向朝上，即f₂＝-f₃。使动圈快速回到平衡位置。另外一路输入PI控制器，其输出端连接判断与驱动电路，用于控制支撑气囊或气室3的充气，对振动中心位置进行静态平衡控制。当动圈回到平衡位置后，LF1无输出但此时维持动圈平衡位置的力由功率放大器提供，所以电流传感器有信号输出，使PI控制器及判断与驱动电路继续工作，进行相应的充气使f₁增大，当f₁增大到一定程度时，动圈有向上运动的趋势，由于动态控制器的作用，f₂逐渐减小，f₁继续增大，直到f₂接近零，f₁＝f₃+G，达到新的平衡状态，此时动态控制器的负荷全部转移到静态控制器上，动圈无直流电流。

同样，当系统漏气，必然造成f₁的减小，而f₂＝G-f₃-f₁，则f₂增大。根据f₂＝BlI，其中B为磁感应强度，为定值，l为动圈绕线长度，为定值，I为动圈中动态控制电流，因此I可以反映动态作用力f₂的大小和方向。将电流I通过电流传感器检测出来，并通过低通滤波器LF2后(电流传感器的输出中还包含了反映振动力f的交流信号)输入到静态控制器，通过静态控制作用，驱动充气阀，对支撑气囊或气室3进行充气，增大f₁，减小f₂。设计合理的补偿幅度，可确保f₁始终等于G。此时若没有电流补偿控制，(因为动态控制器对振动中心位置的控制精度比静态控制器高得多，低通滤波器LF1的输出被动态控制器控制在接近于零的范围内，该误差触发不了静态控制器的工作，此时静态控制器不工作，随着漏气f₁继续减小f₂继续增大直到f₂＝G，即所有重量全部由动态控制器的作用力承担)。，一旦关闭功率放大器，系统受力平衡立即被打乱，形成动圈下冲，使动圈撞击磁缸，造成动圈及产品损坏。增加了电流补偿控制后，即使关闭功率放大器，动圈仍可以保持在振动中心位置，不会下冲，确保了系统的安全。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器，包括静态控制器和动态控制器，其特征在于该振动中心控制器还包括一电流补偿控制电路，该电路通过一电流传感器检测动圈中通过的电流，并输出反映动态平衡控制所需电流大小与方向的直流信号，该直流信号被输入到静态控制器。

2.如权利要求1所述的带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器，其特征在于所述振动中心控制器通过一位移传感器检测与一位移转换器之间的距离，输出间接反映动圈位移量的电压信号，并与一给定参考电压相减，经一低通滤波器滤除交流成分后分为两路，一路输入到动态控制器进行动态平衡控制，另一路输入到静态控制器进行静态平衡控制。

3.如权利要求2所述的带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器，其特征在于所述位移传感器采用非接触式位移传感器。

4.如权利要求2所述的带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器，其特征在于所述位移转换器刚性固定在动圈的外侧面，所述位移传感器固定在磁缸盖上，其探头面对位移转换器。

5.如权利要求1所述的带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器，其特征在于所述动态控制器主要由一与驱动线圈电连接的功率放大器组成。

6.如权利要求1所述的带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器，其特征在于所述静态控制器包括PI控制器、判断与驱动电路和充、放气阀，判断与驱动电路接收PI控制器的输出信号，判断与驱动电路输出两路驱动信号到充、放气阀，用于控制动圈支撑气囊或气室的充、放气。

7.如权利要求6所述的带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器，其特征在于所述判断与驱动电路包括接收PI控制器输出信号的两个比较器、一脉冲发生器和两路驱动电路，两个比较器的输出分别与脉冲发生器的输出进行与逻辑后，输入到两路驱动电路，两路驱动电路的输出分别接充、放气阀。

8.如权利要求1所述的带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器，其特征在于所述振动中心控制器还包括用于向所述动态控制器发送保护信号的过位移保护电路。

9.如权利要求8所述的带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器，其特征在于所述过位移保护电路包括顺次电连接的整流电路、比较器和光电隔离器。

10.如权利要求1所述的带电流补偿控制的电动振动台振动中心控制器，其特征在于所述电流传感器采用隔离式电流传感器。

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