CN207515991U - 一种振动试验系统及基于振动试验系统的励磁电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种振动试验系统及基于振动试验系统的励磁电源装置，振动试验系统包括：振动台、加速度传感器、人机交互装置、振动控制器、功率放大器、励磁电源装置、冷却装置；加速度传感器设置在所述振动台上，并通过振动控制器与功率放大器电连接；人机交互装置分别通过功率放大器、励磁电源装置、冷却装置与振动台电连接。基于振动试验系统的励磁电源装置包括：励磁控制器，光耦隔离单元、检测处理单元、驱动执行单元；励磁控制器与光耦隔离单元电连接；励磁控制器还分别与检测处理单元以及驱动执行单元电连接。本实用新型通过依据不同工况和需求调整励磁电流，实现降低励磁线圈的电能输出以节约电能的目的。

Description

一种振动试验系统及基于振动试验系统的励磁电源装置

技术领域

本实用新型涉及振动台控制技术领域，尤指一种振动试验系统及基于振动试验系统的励磁电源装置。

背景技术

随着航天航空、电子业、汽车的快速发展，各种用于仪器设备的振动试验系统也日益发展起来。振动试验作为模拟振动环境、检验设备可靠性及部件强度的一种有效手段，己经被广泛应用于设备的性能和强度鉴定中。电动振动试验系统具有波形好、承载范围广、工作频段宽、易控制等诸多优点，成为应用广泛的一种振动试验系统。

直流励磁电源是电动振动试验系统的重要组成部分，为振动台建立强大的直流磁场提供所需要的直流电源。直流励磁电源自身的功率消耗以及对励磁线圈的精度控制直接影响振动台的测试过程及测试结果。

当前大多数电动振动试验系统内励磁线圈的直流电源给定是由整流变压器或晶闸管整流电路实现的。整流变压器结构成本较高，体积较大、笨重不易安装，而且电源的输出是不可调节的，系统在运行时一直保持满励磁的状态，导致功率损耗大、不环保等诸多缺陷。晶闸管整流电路中选用了可控硅元件，实现了可控整流。但是由于晶闸管属于半控器件，只能通过控制其导通角来控制直流输出电压，其输出电压纹波较大，不利于电动振动台中直流励磁电源的精确控制，并且容易引起电网的谐波污染。

针对上述情况，本申请提供了一种解决以上技术问题的技术方案。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种振动试验系统及基于振动试验系统的励磁电源装置，通过依据不同工况和需求调整励磁电流，实现降低励磁线圈的电能输出以节约电能。

本实用新型提供的技术方案如下：

一种振动试验系统，包括：振动台、加速度传感器、人机交互装置、振动控制器、功率放大器、励磁电源装置、冷却装置；所述加速度传感器设置在所述振动台上，并通过所述振动控制器与所述功率放大器电连接；所述人机交互装置分别通过所述功率放大器、所述励磁电源装置、所述冷却装置与所述振动台电连接。

优选的，所述励磁电源装置包括：励磁控制器、光耦隔离单元、检测处理单元、驱动执行单元；所述励磁控制器包括FPGA电路，以及与所述FPGA电路电连接的继电器电路；所述FPGA电路通过所述光耦隔离单元与所述人机交互装置电连接；所述FPGA电路还分别与所述检测处理单元以及所述驱动执行单元电连接。

优选的，所述驱动执行单元包括：驱动电路，以及与所述驱动电路电连接的励磁线圈；所述励磁线圈设置在所述振动台上；所述驱动电路与所述FPGA电路电连接；所述励磁线圈与所述检测处理单元电连接。

优选的，所述检测处理单元包括：电流传感器、电压传感器、信号转换器、AD转换器；所述电流传感器和所述电压传感器设置在所述励磁线圈上；所述电流传感器和所述电压传感器依次通过所述信号转换器以及AD转换器与所述FPGA电路电连接。

本实用新型还提供了一种基于振动试验系统的励磁电源装置，包括：励磁控制器，光耦隔离单元、检测处理单元、驱动执行单元；所述励磁控制器与所述光耦隔离单元电连接；所述励磁控制器还分别与所述检测处理单元以及所述驱动执行单元电连接；所述励磁控制器接收所述光耦隔离单元转换的方波信号以及所述检测处理单元转换的励磁电流当前值后，经过运算得到励磁电流给定值以及励磁电流调整值，并控制所述驱动执行单元输出励磁电流。

优选的，所述励磁控制器包括：FPGA电路、继电器电路；所述FPGA电路与所述继电器电路电连接；所述FPGA电路与所述光耦隔离单元电连接；所述FPGA电路还分别与所述检测处理单元以及所述驱动执行单元电连接；所述FPGA电路接收所述光耦隔离单元转换的方波信号以及所述检测处理单元转换的励磁电流当前值后，经过运算得到励磁电流给定值以及励磁电流调整值；所述FPGA电路将接收的所述检测处理单元转换的励磁电流当前值以及励磁电压当前值与预设报警值进行比较，并将比较结果发送至所述继电器电路进行报警处理。

优选的，所述驱动执行单元包括：驱动电路、励磁线圈；所述驱动电路与所述FPGA电路电连接；所述励磁线圈与所述检测处理单元电连接；所述驱动电路包括由IGBT全控型器件组成的BUCK型DC-DC变换器；所述驱动电路根据所述励磁电流给定值以及励磁电流调整值，控制输出励磁电流至所述励磁线圈。

优选的，所述IGBT全控型器件组成的BUCK型DC-DC变换器包括：功率开关VT、二极管VD、电感L、电容C、负载电阻R；所述功率开关VT的门极与所述FPGA电路电连接；所述功率开关VT的集电极与励磁电源正极电连接；所述功率开关VT的发射极分别与所述二极管VD的阴极端、所述电感L的第一端电连接；所述电感L的第二端分别与所述电容C的第一端、所述负载电阻R的第一端电连接；所述二极管VD的阳极端、所述电容C的第二端、所述负载电阻R的第二端共同与所述励磁电源负极电连接。

优选的，所述检测处理单元包括：电流传感器、电压传感器、信号转换器、AD转换器；所述电流传感器和所述电压传感器设置在所述励磁线圈上，用于采集励磁线圈的电流信号和电压信号；所述电流传感器和所述电压传感器依次通过所述信号转换器以及AD转换器与所述FPGA电路电连接；所述电流传感器和所述电压传感器采集的信号依次经过所述信号转换器以及AD转换器转换成励磁电流当前值以及励磁电压当前值，并所述将励磁电流当前值以及励磁电压当前值发送至所述FPGA电路。

通过本实用新型提供的振动试验系统及基于振动试验系统的励磁电源装置，能够带来以下至少一种有益效果：

1、在本实用新型中，采用人机交互装置输入不同的电流指令，可以根据不同的工况和需求输出可调节的励磁电流，使系统能够在保证正常运行的前提下，实现节能。

2、在本实用新型中，采用FPGA作为控制器，可以达到超高运算速度，满足实时控制的要求。

3、在本实用新型中，采用FPGA计算构成闭环控制，可以输出稳定的励磁电流，实现精确控制。

4、在本实用新型中，采用IGBT全控型器件组成的BUCK型DC-DC变换器为驱动电路，有效改善了励磁电源装置中励磁控制的性能，使振动试验系统的直流励磁电源实现可调。

5、在本实用新型中，采用传感器实时采集励磁电压和电流，起到过压/欠压、过流及系统保护。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种振动试验系统及基于振动试验系统的励磁电源装置的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本实用新型一种振动试验系统的一个实施例的结构示意图；

图2是本实用新型一种基于振动试验系统的励磁电源装置的一个实施例的结构示意图；

图3是本实用新型一种基于振动试验系统的励磁电源装置的另一实施例的结构示意图；

图4是本实用新型一种基于振动试验系统的励磁电源装置的工作流程图；

图5是本实用新型IGBT全控型器件组成的BUCK型DC-DC变换器电路图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本实用新型的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本实用新型相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

本实用新型提供了一种振动试验系统的一个实施例，参见图1，包括：振动台1、加速度传感器2、人机交互装置3、振动控制器4、功率放大器5、励磁电源装置6、冷却装置7；所述加速度传感器2设置在所述振动台1上，并通过所述振动控制器4与所述功率放大器5电连接；所述人机交互装置3分别通过所述功率放大器5、所述励磁电源装置6、所述冷却装置7与所述振动台电连接。

具体的，在本实施例中，振动台指的是振动台台体，是振动试验系统的振动源；加速度传感器安装在振动台台体上，用来采集振动信号；人机交互装置由HMI(Human MachineInterface，人机接口也叫人机界面)以及PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)构成的，HMI用于接收用户输入的各种指令，包括启停指令、参数设置指令等，并通过PLC将这些指令分别传输给系统中其他装置，例如功率放大器、励磁电源装置、冷却装置；振动控制器接收加速度传感器采集的振动信号后计算修正得到振动量值，并对振动台产生各种信号以及进行各种控制，例如电流和电压信号、定加速度扫频和定位移扫频等；功率放大器把振动控制器提供的电流和电压信号后进行放大，并提供给振动台保证振动的持续产生；励磁电源装置根据人机交互装置给出的指令提供磁场所需的励磁电源；冷却装置用于保证振动台热量的及时排出。

在以上实施例的基础上，本实用新型还提供一个实施例，参照图1至图3，所述励磁电源装置6包括：励磁控制器61、光耦隔离单元62、检测处理单元63、驱动执行单元64；所述励磁控制器61包括FPGA电路611，以及与所述FPGA电路电连接的继电器电路612；所述FPGA电路611通过所述光耦隔离单元62与所述人机交互装置3电连接；所述FPGA电路611还分别与所述检测处理单元63以及所述驱动执行单元64电连接；所述驱动执行单元64包括：驱动电路641，以及与所述驱动电路641电连接的励磁线圈642；所述励磁线圈642设置在所述振动台1上；所述驱动电路641与所述FPGA电路611电连接；所述励磁线圈642与所述检测处理单元63电连接；所述检测处理单元63包括：电流传感器631、电压传感器632、信号转换器633、AD转换器634；所述电流传感器631和所述电压传感器632设置在所述励磁线圈642上；所述电流传感器631和所述电压传感器632依次通过所述信号转换器633以及AD转换器634与所述FPGA电路611电连接。

具体的，在本实施例中，光耦隔离单元将接收的人机交互装置输入的电流指令转换为方波信号，并发送至FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)电路；FPGA电路根据接收的方波信号运算得到频率值，再根据频率值运算得到励磁电流给定值，并发送至驱动电路；驱动电路根据接收的励磁电流给定值，控制输出励磁电流给励磁线圈。电流传感器和电压传感器分别采集励磁线圈的电流信号和电压信号，并发送至信号转换器；信号转换器将接收的励磁线圈的电流信号和电压信号转换成对应的电流信号电压值和电压信号电压值，并发送至AD转换器；AD转换器根据接收的电流信号电压值以及电压信号电压值运算得到励磁电流当前值以及励磁电压当前值，并发送至FPGA电路。FPGA电路接收的励磁电流当前值后与励磁电流给定值比较，运算得到励磁电流调整值，并发送至驱动电路；驱动电路根据接收的励磁电流调整值，调整输出励磁电流给励磁线圈，构成闭环控制。FPGA电路接收励磁电流当前值以及励磁电压当前值后与预设报警值进行比较，并根据比较结果控制继电器电路进行报警处理。

在本实施例中，可根据振动台的实际工况需求，通过HMI手动调节励磁电源的输出。也可PLC根据采集的励磁线圈模拟量参数划分为多个工作区间，根据每一工作区间所对应的励磁线圈的性能特点拟合出所需提供的励磁电压/电流曲线，通常情况下设为三个工作区间：高励磁区间、中励磁区间、低励磁区间，每一工作区间都对应不同的励磁电源设定值。

本实用新型还提供了一种基于振动试验系统的励磁电源装置的一个实施例，参照图2，包括：励磁控制器61，光耦隔离单元62、检测处理单元63、驱动执行单元64；所述励磁控制器61与所述光耦隔离单元62电连接；所述励磁控制器61还分别与所述检测处理单元63以及所述驱动执行单元64电连接；所述励磁控制器61接收所述光耦隔离单元62转换的方波信号以及所述检测处理单元63转换的励磁电流当前值后，经过运算得到励磁电流给定值以及励磁电流调整值，并控制所述驱动执行单元64输出励磁电流。

具体的，在本实施例中，光耦隔离单元将接收的用户输入的电流指令转换为方波信号，并发送至励磁控制器；励磁控制器根据接收的方波信号运算得到频率值，再根据频率值运算得到励磁电流给定值，并发送至驱动执行单元；驱动执行单元根据接收的励磁电流给定值，控制输出励磁电流。检测处理单元采集驱动执行单元的电流和电压信号，并将电流和电压信号转换为励磁电流实际值和励磁电压实际值，并发送至励磁控制器；励磁控制器接收的励磁电流当前值后与励磁电流给定值比较，运算得到励磁电流调整值，并发送至驱动执行单元；驱动执行单元根据接收的励磁电流调整值，调整输出励磁电流，构成闭环控制。

在以上实施例的基础上，本实用新型还提供一个实施例，参照图3和图4，所述励磁控制器61包括：FPGA电路611、继电器电路612；所述FPGA电路611与所述继电器电路612电连接；所述FPGA电路611与所述光耦隔离单元62电连接；所述FPGA电路611还分别与所述检测处理单元63以及所述驱动执行单元64电连接；所述FPGA电路611接收所述光耦隔离单元62转换的方波信号以及所述检测处理单元63转换的励磁电流当前值后，经过运算得到励磁电流给定值以及励磁电流调整值；所述FPGA电路611将接收的所述检测处理单元63转换的励磁电流当前值以及励磁电压当前值与预设报警值进行比较，并将比较结果发送至所述继电器电路612进行报警处理；所述驱动执行单元64包括：驱动电路641、励磁线圈642；所述驱动电路641与所述FPGA电路611电连接；所述励磁线圈642与所述检测处理单元63电连接；所述驱动电路641包括由IGBT全控型器件组成的BUCK型DC-DC变换器；所述驱动电路641根据所述励磁电流给定值以及励磁电流调整值，控制输出励磁电流至所述励磁线圈642；所述检测处理单元63包括：电流传感器631、电压传感器632、信号转换器633、AD转换器634；所述电流传感器631和所述电压传感器632设置在所述励磁线圈642上，用于采集励磁线圈642的电流信号和电压信号；所述电流传感器631和所述电压传感器632依次通过所述信号转换器633以及AD转换器634与所述FPGA电路611电连接；所述电流传感器631和所述电压传感器632采集的信号依次经过所述信号转换器633以及AD转换器634转换成励磁电流当前值以及励磁电压当前值，并所述将励磁电流当前值以及励磁电压当前值发送至所述FPGA电路611。

具体的，在本实施例中，首先将用户输入的电流指令I1至I2经过光耦隔离单元后转为可供处理的一定幅值的方波信号f1至f2，电流指令与方波信号线性对应如7A对应50Hz、70A对应500Hz，并被FPGA电路采集，FPGA电路通过计算得到此方波的频率值，再经过计算得到此频率所对应的电流值。当初次启动定频操作时，电流将以一速度线性增长至给定值。当运行时调节频率，若频率变动小于Δf(设定的频率波动范围)，则电流值保持不变。若频率变动大于Δf，则电流值发生相应变化，增加了输出电流的稳定性。电流传感器采集输出电流，经过信号转换器后抓换为电压量，使用AD转换器进行模数转换后，进入FPGA供计算，构成闭环控制，使得输出电流稳定，同时还用于过电流保护，在电流大于保护值时，立刻关闭IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，保护系统。

在本实施例中，根据所需工作状态，需要输出所需的励磁电流。电流的给定信号通过光耦隔离单元获取的电流指令转换成的变频方波信号得到。用户输入的电流指令为I1至I2，所对应的方波信号为f1至f2，频率信号与电流指令为线性对应。其具体实施过程如下：以一个较小的时钟在方波高电平时计数，在方波下降沿时进行计算，得到此方波频率。若方波频率大于f2，则将频率限幅在f2。若方波频率小于f1，则将频率限幅在f1。若此频率信号连续两次不相同，则认定其为不正确的扰动，舍弃此值重新检测。若频率信号连续两次相同，则使用此频率信号通过换算得到其所对应的电流指令。使用此指令作为给定值闭环控制稳定地调节输出励磁电流。

在以上实施例的基础上，本实用新型还提供一个实施例，参照图5，所述IGBT全控型器件组成的BUCK型DC-DC变换器包括：功率开关VT、二极管VD、电感L、电容C、负载电阻R；所述功率开关VT的门极与所述FPGA电路电连接；所述功率开关VT的集电极与励磁电源正极电连接；所述功率开关VT的发射极分别与所述二极管VD的阴极端、所述电感L的第一端电连接；所述电感L的第二端分别与所述电容C的第一端、所述负载电阻R的第一端电连接；所述二极管VD的阳极端、所述电容C的第二端、所述负载电阻R的第二端共同与所述励磁电源负极电连接。

具体的，在本实施例中，当功率开关VT导通时，VD将会反向截止断开，电流线性增加，电感L中存储的磁场能量也逐渐增加，电容C在充电状态。当功率开关VT关断时，VD则会正向导通，电感L中存储的磁场能量便通过二极管VD传递给负载电阻和电容C，电容C便向负载放电，为系统的正常运行供能，同时电流也会逐渐减弱。当电流减弱到一个临界值时，功率开关VT就会导通，然后就会对储能元件再次充电，这就完成了一次周期工作。工作中，由于输出电流是电感L和电容C共同供电，所以连续平稳。

通过本实用新型提供的振动试验系统及基于振动试验系统的励磁电源装置，能够带来以下至少一种有益效果：

1、在本实用新型中，采用人机交互装置输入不同的电流指令，可以根据不同的工况和需求输出可调节的励磁电流，使系统能够在保证正常运行的前提下，实现节能。

2、在本实用新型中，采用FPGA作为控制器，可以达到超高运算速度，满足实时控制的要求。

3、在本实用新型中，采用FPGA计算构成闭环控制，可以输出稳定的励磁电流，实现精确控制。

4、在本实用新型中，采用IGBT全控型器件组成的BUCK型DC-DC变换器为驱动电路，有效改善了励磁电源装置中励磁控制的性能，使振动试验系统的直流励磁电源实现可调。

5、在本实用新型中，采用传感器实时采集励磁电压和电流，起到过压/欠压、过流及系统保护。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种振动试验系统，其特征在于，包括：振动台、加速度传感器、人机交互装置、振动控制器、功率放大器、励磁电源装置、冷却装置；

所述加速度传感器设置在所述振动台上，并通过所述振动控制器与所述功率放大器电连接；

所述人机交互装置分别通过所述功率放大器、所述励磁电源装置、所述冷却装置与所述振动台电连接。

2.根据权利要求1所述的振动试验系统，其特征在于，所述励磁电源装置包括：励磁控制器、光耦隔离单元、检测处理单元、驱动执行单元；

所述励磁控制器包括FPGA电路，以及与所述FPGA电路电连接的继电器电路；

所述FPGA电路通过所述光耦隔离单元与所述人机交互装置电连接；

所述FPGA电路还分别与所述检测处理单元以及所述驱动执行单元电连接。

3.根据权利要求2所述的振动试验系统，其特征在于，所述驱动执行单元包括：驱动电路，以及与所述驱动电路电连接的励磁线圈；

所述励磁线圈设置在所述振动台上；

所述驱动电路与所述FPGA电路电连接；

所述励磁线圈与所述检测处理单元电连接。

4.根据权利要求3所述的振动试验系统，其特征在于，所述检测处理单元包括：电流传感器、电压传感器、信号转换器、AD转换器；

所述电流传感器和所述电压传感器设置在所述励磁线圈上；

所述电流传感器和所述电压传感器依次通过所述信号转换器以及AD转换器与所述FPGA电路电连接。

5.一种基于振动试验系统的励磁电源装置，所述励磁电源装置可以用于权利要求1-4任一所述的振动试验系统中，其特征在于，包括：励磁控制器，光耦隔离单元、检测处理单元、驱动执行单元；

所述励磁控制器与所述光耦隔离单元电连接；

所述励磁控制器还分别与所述检测处理单元以及所述驱动执行单元电连接；

所述励磁控制器接收所述光耦隔离单元转换的方波信号以及所述检测处理单元转换的励磁电流当前值后，经过运算得到励磁电流给定值以及励磁电流调整值，并控制所述驱动执行单元输出励磁电流。

6.根据权利要求5所述的基于振动试验系统的励磁电源装置，其特征在于，所述励磁控制器包括：FPGA电路、继电器电路；

所述FPGA电路与所述继电器电路电连接；

所述FPGA电路与所述光耦隔离单元电连接；

所述FPGA电路还分别与所述检测处理单元以及所述驱动执行单元电连接；

所述FPGA电路接收所述光耦隔离单元转换的方波信号以及所述检测处理单元转换的励磁电流当前值后，经过运算得到励磁电流给定值以及励磁电流调整值；

所述FPGA电路将接收的所述检测处理单元转换的励磁电流当前值以及励磁电压当前值与预设报警值进行比较，并将比较结果发送至所述继电器电路进行报警处理。

7.根据权利要求6所述的基于振动试验系统的励磁电源装置，其特征在于，所述驱动执行单元包括：驱动电路、励磁线圈；

所述驱动电路与所述FPGA电路电连接；

所述励磁线圈与所述检测处理单元电连接；

所述驱动电路包括由IGBT全控型器件组成的BUCK型DC-DC变换器；

所述驱动电路根据所述励磁电流给定值以及励磁电流调整值，控制输出励磁电流至所述励磁线圈。

8.根据权利要求7所述的基于振动试验系统的励磁电源装置，其特征在于，所述IGBT全控型器件组成的BUCK型DC-DC变换器包括：功率开关VT、二极管VD、电感L、电容C、负载电阻R；

所述功率开关VT的门极与所述FPGA电路电连接；所述功率开关VT的集电极与励磁电源正极电连接；所述功率开关VT的发射极分别与所述二极管VD的阴极端、所述电感L的第一端电连接；所述电感L的第二端分别与所述电容C的第一端、所述负载电阻R的第一端电连接；所述二极管VD的阳极端、所述电容C的第二端、所述负载电阻R的第二端共同与所述励磁电源负极电连接。

9.根据权利要求7所述的基于振动试验系统的励磁电源装置，其特征在于，所述检测处理单元包括：电流传感器、电压传感器、信号转换器、AD转换器；

所述电流传感器和所述电压传感器设置在所述励磁线圈上，用于采集励磁线圈的电流信号和电压信号；

所述电流传感器和所述电压传感器依次通过所述信号转换器以及AD转换器与所述FPGA电路电连接；

所述电流传感器和所述电压传感器采集的信号依次经过所述信号转换器以及AD转换器转换成励磁电流当前值以及励磁电压当前值，并将所述励磁电流当前值以及励磁电压当前值发送至所述FPGA电路。