動圈動態平衡控制技術

《動圈動態平衡控制技術》是蘇州東菱振動試驗儀器有限公司於2005年9月21日申請的專利，該專利的申請號為2005100945401，公布號為CN1743824，授權公布日為2006年3月8日，發明人是陳俊，該發明涉及電動振動試驗設備領域。

《動圈動態平衡控制技術》涉及電動振動試驗台的一種動圈平衡控制技術，該動圈動態平衡控制技術，其特徵在於：在台體和動圈兩者中，一個作為被測體，另一個上設定位移感測器，通過位移感測器檢測動圈相對台體的位移，從而獲得一與動圈位移幅度和位置相關的信號，再將該信號經低通濾波器濾除交流信號，得到反映動圈位置的直流信號；該直流信號與來自給定信號源的交變信號相疊加，經調節器校正後送入功率放大器，經功率放大器放大後輸入驅動線圈，以此構成位置負反饋控制電路。

2009年，《動圈動態平衡控制技術》獲得第六屆江蘇省專利項目獎優秀獎。

（概述圖為《動圈動態平衡控制技術》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：動圈動態平衡控制技術
• 公布號：CN1743824
• 公布日：2006年3月8日
• 申請號：2005100945401
• 申請日：2005年9月21日
• 申請人：蘇州東菱振動試驗儀器有限公司
• 地址：江蘇省蘇州市高新區金楓路典橋北堍金莊街9號
• 發明人：陳俊
• 分類號：G01M7/02（2006.01）
• 代理機構：蘇州創元專利商標事務所有限公司
• 代理人：馬明渡
• 類別：發明專利

專利背景

電動振動試驗台（以下簡稱振動台）是一種可以產生及控制振動，並將能將該種振動加到試件（即待測產品或部件）上，對該試件進行振動模擬試驗的設備。通過這樣的振動試驗可以評定一個產品的抗震性能，為考核該產品質量提供合理依據，因此，廣泛用於航天、航海、船舶、汽車、電子、通訊、家電和儀器儀表等行業。

振動台是利用電磁振動原理設計的，從振動台誕生以來到現在已有約百年歷史，其組成部分一直沒有大的變化，其結構主要由台體（磁缸、磁缸蓋、鐵芯、磁缸底）、勵磁線圈、動圈、機械性懸掛支撐裝置、導向裝置、冷卻裝置及驅動電路等幾部分組成；其中，動圈主要由工作檯面及繞制在工作檯面骨架上的驅動線圈構成；驅動電路主要由給定信號源和功率放大器構成，它們給驅動線圈提供電能。振動台工作時，勵磁線圈中通入直流電流，則在台體的工作氣隙中產生恆定磁場；支撐定位於工作氣隙中的驅動線圈中通入驅動電路提供的交變電流，從而產生交變磁場，由於交變磁場與恆定磁場的相互作用，產生出一定的激振力，推動動圈圍繞振動中心上下或左右來回振動。

振動台在工作狀態下，如何保持動圈處於中心位置是十分重要的。2005年9月前中國國內外的電動振動台都採用機械性懸掛支撐裝置來支撐動圈及試件的重量，以保持動圈的靜態中心位置。機械性懸掛支撐裝置一般包括吊住動圈上部的彈性懸掛件和補償支撐於動圈底部的空氣彈簧或增壓氣室。彈性懸掛件具體有以下兩種：彈性搖臂裝置和滾臂懸掛裝置，如附圖1～附圖3所示，在動圈周向上安裝三個或四個該種裝置，既起到了懸掛支撐動圈的作用，又起到了導向作用。

但是，受振動台工作原理的制約，在位移區及速度區，振動台動圈骨架在磁場中運動，產生速度電勢（俗稱發電效應），經骨架形成迴路，而形成一種阻礙動圈運動的力，該力在振動台動圈運動過程中，其大小表現為動圈骨架進入磁場氣隙的數值大於動圈骨架離開氣隙磁場的數值，其外在表現為：動圈在速度和位移區，動圈向離開氣隙的方向漂移，即出現了動圈動態中心位置的漂移；產生動態偏離造成的直接後果是使動圈有效行程減小，比如：行程為51毫米峰—峰值的振動台，在連續掃頻時，其有效行程僅為38毫米。這種動態偏移很難控制，2005年9月前已有機械性懸掛支撐裝置不能對這種漂移進行動態補償，無法保持動圈的動態平衡。

發明內容

專利目的

《動圈動態平衡控制技術》目的是提供一種動圈動態平衡控制技術，以該技術對電動振動台動圈的振動中心位置進行動態自控，解決動圈工作檯面的動態中心位置漂移的問題。

技術方案

《動圈動態平衡控制技術》在台體和動圈兩者中，一個作為被測體，另一個上設定位移感測器，通過位移感測器檢測動圈相對台體的位移，從而獲得一與動圈位移幅度和位置相關的信號，再將該信號經低通濾波器濾除交流信號，得到反映動圈位置的直流信號；該直流信號與來自給定信號源的交變信號相疊加，經調節器校正後送入功率放大器，經功率放大器放大後輸入驅動線圈，以此構成位置負反饋控制電路。

上述技術方案中的有關內容解釋如下：

1、上述方案中，被測體和位移感測器的設定位置有以下兩方案：a、被測體設於台體上，位移感測器設於動圈上。b、被測體設於動圈上，位移感測器設於台體上。

2、上述方案中，位移感測器檢測動圈位移的方式又有以下兩種：a、所述位移感測器探頭的檢測方向平行於動圈的振動方向設定；所述被測體為動圈或台體上的一個端面，該端面正對探頭設定；位移感測器直接檢測出動圈位移量ΔY。b、所述位移感測器的探頭檢測方向垂直於動圈的振動方向設定；所述被測體為鍥形塊，它設定於動圈或台體上，並以其斜面對應朝向位移感測器的探頭；以位移感測器檢測鍥形塊斜面至探頭間的距離變化量ΔX，再經計算得到動圈位移量ΔY，計算公式為ΔY＝b/aΔX，其中b/a為鍥形塊斜面的斜率。兩方案中，b方案較佳，通過一斜面的轉換使小量程的位移感測器也能測量大位移。

上述第1條和第2條的方案相組合，即得出四種具體方案；其中，以下兩方案最佳：

a、當套用於大位移振動台時，因位移過大，以位移感測器直接檢測動圈的振動方向上的位移不方便時，可採用斜面過渡的辦法檢測：所述位移感測器設定於台體上，其探頭檢測方向垂直於動圈的振動方向設定；所述被測體為鍥形塊，它設定於動圈圓周面上，並以其斜面對應朝向位移感測器的探頭；以位移感測器檢測鍥形塊斜面至探頭間的距離變化量ΔX，再經計算得到動圈位移量ΔY，計算公式為ΔY＝b/aΔX，其中b/a為鍥形塊斜面的斜率。如附圖5所示，當動圈1上下運動ΔY時，鍥形塊4也隨之運動，其斜面至位移感測器3探頭的水平距離也隨之變化ΔX，ΔY＝b/aΔX，b和a如圖示。

b、當振動台位移並不大時，可採用如下方安案：所述位移感測器設定於台體上，其探頭的檢測方向平行於動圈的振動方向設定；所述被測體為動圈上的一個端面，該端面正對探頭設定；位移感測器直接檢測出動圈位移量ΔY。

3、上述方案中，所述“位移感測器的探頭”意為位移感測器的檢測端。

4、上述方案中，所述調節器具體可採用比例積分調節器，即PI調節器，以此對信號的相位滯後進行校正。

5、上述方案中，所述位移感測器為非接觸式位移感測器，具體可採用電渦流式感測器、電感式感測器、紅外式感測器、超音波式感測器、雷射式感測器等。

該發明的設計原理是：整個負反饋控制電路如附圖4所示，其中給定信號源（即給定環節），它輸出的交變信號決定振動台動圈的位置，該位置可與動圈平衡位置重合，也可以不重合。

位移感測器檢測到動圈的位移信號，該信號里既含有交流信號又含有直流信號，交流信號的大小反映了動圈的振動位移幅度，可用於指示動圈位移；直流信號的大小反映了動圈的位置，該實用新型負反饋迴路的目的是要保持動圈的運動中心，即主要控制的是位置信號也就是直流信號，因此應將振動台幅度信號（交流信號）去除，所以接入低通濾波器（濾波環節）。低通濾波器的作用是：對位移感器輸出信號進行濾波，剔除無用的交流信號，保留有用的直流信號。

由於動圈近似一個慣性（機械的、電磁的）環節，它的運動與給定信號存在幅值及相位差（滯後），為使系統具有最佳的品質，故接入一個調節器（校正環節），該調節器對動態信號的放大倍數進行限制，而對靜態信號進行較大的放大以及所謂“預前”控制，從而使振動台動圈由滯頓變得敏捷。調節器的作用是：動態信號的放大倍數進行限制，而對靜態信號進行較大的放大，即進行相位滯後的校正。

由於調節器輸出的信號是微弱的，還需進行放大到足夠的程度，所以還接入功率放大器（即放大環節），調調節器輸出信號經放大環節放大後，進入振動台動圈激勵線圈，在這裡完成了電壓→電流→力→位移的轉變過程，實際上就是完成了電能變成機械能的過程。

改善效果

1、由於《動圈動態平衡控制技術》採用了位置負反饋控制技術，對動圈的動態漂移進行定量精確的動態補償；

2、同樣由於該發明採用了位置負反饋控制技術，能夠自動控制動圈在工作狀態下的動態中心位置，精確保證了動圈的動態平衡；經試用於100毫米電動振動台，檢測後發現：在空載或者載入180千克負載，在掃頻工作中，動圈平衡位置變化小於2毫米，從控制性能上講，誤差僅為2％；

3、結構簡單，工作可靠，控制精度高。

附圖說明

附圖1為2005年9月前已有一種懸掛支撐裝置的示意圖；

附圖2為附圖1的俯視示意圖；

附圖3為2005年9月前已有另一種懸掛支撐裝置的示意圖；

附圖4為《動圈動態平衡控制技術》的控制原理框圖；

附圖5為該發明動圈楔形塊與位移感測器相應位置的示意圖。

以上附圖中：1、動圈；2、台體；3、位移感測器；4、鍥形塊；5、彈性件。

權利要求

1、《動圈動態平衡控制技術》特徵在於：在台體和動圈兩者中，一個作為被測體，另一個上設定位移感測器，通過位移感測器檢測動圈相對台體的位移，從而獲得一與動圈位移幅度和位置相關的信號，再將該信號經低通濾波器濾除交流信號，得到反映動圈位置的直流信號；該直流信號與來自給定信號源的交變信號相疊加，經調節器校正後送入功率放大器，經功率放大器放大後輸入驅動線圈，以此構成位置負反饋控制電路。

2、根據權利要求1所述的動圈動態平衡控制技術，其特徵在於：所述位移感測器設定於台體上，其探頭的檢測方向垂直於動圈的振動方向設定；所述被測體為鍥形塊，它設定於動圈圓周面上，並以其斜面對應朝向位移感測器的探頭；位移感測器檢測鍥形塊斜面至探頭間的距離變化量ΔX，再經計算得到動圈位移量ΔY，計算公式為ΔY＝b/aΔX，其中b/a為鍥形塊斜面的斜率。

3、根據權利要求1所述的動圈動態平衡控制技術，其特徵在於：所述位移感測器設定於台體上，其探頭的檢測方向平行於動圈的振動方向設定；所述被測體為動圈上的一個端面，該端面正對探頭設定；位移感測器直接檢測出動圈位移量ΔY。

4、根據權利要求1所速的動圈動態平衡控制技術，其特徵在於：所述調節器為比例積分調節器。

5、根據權利要求1所述的動圈動態平衡控制技術，其特徵在於：所述位移感測器為非接觸式位移感測器，具體採用下列感測器之一：電渦流式感測器、電感式感測器、紅外式感測器、超音波式感測器、雷射式感測器。

6、根據權利要求5所述的動圈動態平衡控制方法，其特徵在於：所述非接觸式位移感測器採用下列之一：電渦流式感測器、電感式感測器、紅外式感測器、超音波式感測器、雷射式感測器。

實施方式

實施例

參見附圖4及附圖5所示，一種動圈動態平衡控制技術，在台體2上設定一位移感測器3，在動圈1圓周面上固定安裝有一鍥形塊4作為被測體，通過該位移感測器3檢測動圈1位移，從而獲得一與動圈1位移幅度和位置相關的信號，再將該信號經低通濾波器濾除交流信號，得到一反映動圈位置的直流信號；該直流信號與來自給定信號源的交變信號相疊加，經調節器校正後送入功率放大器，經功率放大器放大後輸入驅動線圈，以此構成位置負反饋控制電路。上述位移感測器3具體為電渦流式感測器。

位移感測器3設定方式如下：所述位移感測器3的探頭檢測方向垂直於動圈1的振動方向設定；所述鍥形塊4設定於動圈1圓周面上，並以其斜面對應朝向位移感測器3的探頭；位移感測器3檢測鍥形塊4斜面至探頭間的水平距離變化量ΔX，再經計算得到動圈1垂直的位移量ΔY，計算公式為ΔY＝b/aΔX，其中b/a為鍥形塊斜面的斜率，a和b如圖所示。

位置負反饋驅動電路的工作過程為：假定給定信號源輸出不變，當振動台動圈1因工作狀態、支撐負載等外界因素髮生變化導致動圈平衡點發生變化（假定向上漂移）時，鍥形塊4也隨之上漂，位移感測器3檢測到鍥形塊4偏離+ΔX，經電路換算ΔY＝b/aΔX，即得到動圈1偏離+ΔY，該信號再經低通濾波器處理後與給定信號源輸出的給定信號求和，使誤差為ΔD↓，經功率放大器放大後為U↓，振動台動圈1直流電流↓，動圈1位移ΔY↓，動圈1回到平衡位置；如果動圈1朝下偏離平衡位置，則上述調節過程朝相反方向變化，最終使動圈1向上回升到平衡位置，該控制技術適用於所有電動振動台，在使用中只需對調節器的參數作相應調整即可。

榮譽表彰

2009年，《動圈動態平衡控制技術》獲得第六屆江蘇省專利項目獎優秀獎。