《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》是蘇州試驗儀器總廠於2008年5月13日申請的專利，該專利的公布號為CN101281087，授權公布日為2008年10年8日，發明人是朱雅莉、武元楨、徐付新。
《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》涉及環境力學電動振動試驗領域。該發明利用功率放大器輸出電流與振動台推力成正比原理，通過預試驗測量功率放大器的輸出電流最大值，間接測量了振動台的推力。然後通過控制電路計算勵磁輸出電壓調整的目標值V1，並採用閉環方式將勵磁輸出電壓調整到該目標值，最終達到控制流經勵磁線圈電流的目的。該方法根據振動台實際輸出功率量級的大小自動檢測和調整勵磁電壓，減少了勵磁線圈的發熱量，節約了能源，延長了系統的使用壽命，解決了手動操作勵磁線圈分檔供電調整所存在的問題。
2020年7月14日，《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
（概述圖為《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：電動振動台勵磁電壓自動調整方法
- 申請人：蘇州試驗儀器總廠
- 申請日：2008年5月13日
- 申請號：200810108053X
- 公布號：CN101281087
- 公布日：2008年10年8日
- 發明人：朱雅莉、武元楨、徐付新
- 地址：江蘇省蘇州市高新區鹿山路55號
- Int. Cl.：G01M7/02(2006.01)、G05F1/12(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,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
電動振動台系統是一種模擬振動力學環境的試驗設備，如圖1所示由振動台體和控制及驅動系統組成，其中台體1主要由勵磁線圈2、動圈3（驅動線圈）和工作檯4組成，勵磁線圈2相對台體1固定，動圈3浮動支撐在勵磁線圈在環形空隙5（工作氣隙）中，工作檯4固定在動圈3頂部。工作時，勵磁線圈2中通入直流電流——勵磁電流，在環形空隙5中產生很強的恆定磁場，當動圈3中通以交變電流時恆定磁場與交變磁場相互作用產生電動力-激振力，推動工作檯4產生振動。
以往，電動振動台系統中，是由電源電壓經勵磁變壓器變壓、整流單元整流後直接提供定值的勵磁電壓給勵磁線圈，該勵磁電壓值大小是依電動振動台滿推力、磁場處在飽和狀態的要求設計，即在工作中，不管具體工作時的推力大小，電動振動台的勵磁電流一直處在額定值，磁場始終處於飽和狀態。而實際使用中，電動振動台往往不需要在滿推力下工作，磁場始終處於飽和狀態就白白消耗了熱功率（Q熱＝I勵磁×R×t），特別是大推力振動台中勵磁線圈消耗的熱功率在幾十千瓦以上，很不節能；並且，由於勵磁電流很大也給勵磁線圈的可靠性和使用周期帶來影響，從而影響系統的使用壽命。因此，在振動台不需要滿推力工作時，如何降低勵磁線圈的發熱量成為一項很值得研究的問題。
在2008年5月之前，《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》申請人也針對上述問題進行過研究，開發出一種名稱為“電動振動台勵磁切換裝置”，並申請了實用新型專利，專利申請號：200820030704.3。該裝置是將振動台勵磁線圈採取分檔供電的方式，將勵磁變壓器繞組分為多級抽頭進行輸出，試驗時使用者根據試驗推力大小進行手動選擇。這種結構雖然能降低勵磁線圈電壓，但給使用者提出了非常嚴格的要求，使用者往往不能根據使用要求正確計算輸出功率，無法做出準確選擇。因而，在試驗初始階段，能否根據試驗量級自動調整勵磁電壓，降低勵磁線圈的發熱量，提高系統的可靠性值得探討。
發明內容
專利目的
《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》提供了一種電動振動台勵磁電壓自動調整方法，其目的是要解決已有手動操作電動振台勵磁線圈分檔供電調整方式所存在的問題，可以根據試驗量級大小實現自動調整勵磁電壓，從而降低勵磁電流，減少勵磁線圈的發熱量，提高系統工作穩定性和可靠性。
技術方案
《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》包括如下內容：
（1）在被測試驗設備或部件安裝到電動振動台後，利用電動振動台開機預試驗過程，並在滿足正式振動試驗參數的前提下通過電流檢測電路檢測電動振動台的功率放大器輸出到動圈的預試驗動圈最大電流值I1；
（2）預試驗結束後，根據動圈電流與電動振動台推力成正比的關係，利用檢測到的預試驗動圈最大電流值I1，在一控制電路中通過以下計算公式自動計算出調整勵磁輸出電壓目標值V1：V1＝（I1/I2+δ）×V2
式中：V1為調整勵磁輸出電壓目標值；I1為預試驗動圈最大電流值；I2為滿推力運行時動圈額定電流值，或者為動圈保護電流值；δ為調整係數，取值範圍在0～0.2之間，包括兩個端點值；V2為額定勵磁輸出電壓值；
（3）利用控制電路，通過調節可控矽勵磁整流模組的導通角的方式，或者通過調製開關電源的脈衝寬度占空比的方式，閉環調整勵磁輸出電壓至目標值；
（4）在勵磁輸出電壓調整到目標值之後，維持該勵磁輸出電壓至重新選擇調整或功率放大器重新啟動。
上述技術方案中的有關內容解釋如下：
1、上述方案中，所述“預試驗”是振動試驗正式開始前所進行的一種預備試驗過程，其目的主要是查看試驗系統是否正常，是否做好準備，可以進行正式試驗。原來的預試驗一般檢查控制系統，比如振動加速度檢測感測器是否正常工作，系統的工作狀態是否正常，動圈驅動電壓是否正常，振動加速度是否能夠達到等等。通常情況下，原來的預試驗只要開到正式試驗的30％即可檢查試驗系統是否處於正常狀態。而該發明中的預試驗，為了能夠檢測到預試驗動圈最大電流值I1則要求開到100％，這也是所謂“在滿足正式振動試驗參數的前提下”的含義所在。否則無法檢測到動圈最大電流值I1，給接下來的自動調整帶來問題。
2、上述方案中，所述“預試驗動圈最大電流值I1”是指預試驗過程中，電動振動台在滿足正式振動試驗參數的前提下檢測到的功率放大器輸出到動圈的最大電流值。由於預試驗過程中動圈電流通常處於波動狀態，因此檢測最大電流值作為勵磁輸出電壓的調整依據是合適的。為了獲得最大電流值可以採用比較和暫存相結合的方法來實現，比如將第一取樣值保存在暫存器中，將接下來的第二取樣值與保存的第一取樣值進行比較，當第二取樣值大於第一取樣值時，替換第一取樣值，反之，不替換，以此類推暫存器中始終保存的是最大值。
3、上述方案中，所述“動圈額定電流值”是指滿推力條件下動圈所需的最大電流，即電動振動台設計時的額定電流值。所述“動圈保護電流值”是指電動振動台動圈所能承受的極限電流值，當動圈電流超過此保護電流值時系統自動發生保護。一般情況下，“動圈保護電流值”大於“動圈額定電流值”。該發明選擇上述兩者之一的電流值作為I2均可。
4、上述方案中，勵磁電壓自動調整是在預試驗結束後，正式試驗前一次性進行，為了保證系統連續穩定的運行，正式試驗過程中不再進行新的調整，以免影響振動台的試驗精度。當振動試驗系統進行新的振動試驗時，再根據新的被測設備或部件進行新的調整。
5、上述方案中，所述“根據動圈電流與電動振動台推力成正比的關係”是依據以下原理：
電動振動台的推力F＝kA×B×LA×IA （1）
式中：F是電動振動台推力kA是系統的係數，當系統確定後該係數為常量B是直流勵磁線圈及磁鋼所提供的恆定磁感應強度LA是動圈導線長度IA是通過動圈導線的電流B＝kB×N×IB （2）
式中：B是直流勵磁線圈及磁鋼所提供的恆定磁感應強度kB是導磁介質係數，與導磁介質（磁鋼）有關N是勵磁線圈的匝數IB是通過勵磁線圈的電流
將（2）式代入（1）式可以看出，電動振動台推力F正比於IA與IB的乘積，當通過勵磁線圈的電流IB確定後，如果通過動圈導線的電流IA減小，說明電動振動台推力F也相應減少；如果減小勵磁線圈的電流IB可以通過增加通過動圈導線的電流IA來保持電動振動台推力F不變。該發明正是利用這一原理，根據試驗量級大小的需要，通過降低勵磁電流，來減少勵磁線圈的發熱量，一方面可以節約能源，另一方面可以延長系統的使用壽命。當勵磁線圈的電流IB減小後，系統控制儀自動增加通過動圈導線的電流IA來保持電動振動台推力F不變。由於勵磁線圈的額定勵磁輸出電壓值是在系統能夠產生最大推力的前提下設計的，當這樣的系統開始工作後，無論振動試驗處於什麼試驗量級大小勵磁線圈的電流都是恆定的，發熱量很大，也浪費了很多電能。而減小勵磁線圈的電流IB後，與增加的動圈導線的電流IA相比，具有明顯的節能效果。
6、上述方案中，在控制電路中，閉環調整勵磁輸出電壓，包含有一勵磁輸出電壓檢測電路，該檢測電路的輸出值通過與目標值進行比較來控制勵磁輸出電壓的調整。
7、上述方案中，所述“維持該勵磁輸出電壓至重新選擇調整或功率放大器重新啟動”有以下兩種方式：
（1）在勵磁輸出電壓調整到目標值之後，利用閉環調整控制的自身特性來維持勵磁輸出電壓的穩定。
（2）在勵磁輸出電壓調整到目標值之後，直接保持導通角或脈衝寬度占空比大小不變來維持勵磁輸出電壓的穩定。
《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》工作原理是：利用功率放大器輸出的電流與振動台推力成正比的原理，通過預試驗過程測量功率放大器的輸出電流，從而間接的測量了振動台的推力。然後通過控制電路計算得到調整勵磁輸出電壓目標值V1，並採用閉環控制調整的方式將勵磁輸出電壓調整到該目標值，最終達到控制流經勵磁線圈電流的目的。調整勵磁輸出電壓目標值V1與功率放大器輸出電流I1間的關係根據不同的電動振動系統預先設定在控制電路中，保證了勵磁電壓在調整後能滿足試驗要求，而且勵磁輸出電壓可以無級連續調整，調整範圍為100％-50％，50％以下無實際套用可能。勵磁電壓在預試驗調整後，正式試驗過程中不再進行新的調整，以免影響振動台的試驗精度。由於勵磁線圈的發熱量與勵磁電流的平方成正比即Q熱＝I勵磁×R×t，大的勵磁電流會使勵磁線圈產生很大的熱量，線圈長期工作於最大發熱量將影響整個試驗系統的可靠性和使用壽命。在勵磁電流I勵磁降低時，磁感應強度B也相應降低，由公式F＝kA×B×I動圈×L動圈可知，提高動圈電流I動圈就可以提高系統推力，只要保證動圈電流I動圈低於動圈最大允許電流就可使得系統的發熱量大大降低，可靠性得到保障。振動試驗系統本身是閉環控制系統，在磁感應強度B降低時，控制儀自動加大輸出到功率放大器的信號使得動圈電流I動圈自動增加，而這個自動增加過程是由控制儀與振動加速度測量感測器構成的閉環控制系統來實現。
改善效果
1、《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》提供了電動振動台根據實際輸出推力的大小自動檢測調整勵磁輸出電壓的方法，在使用中根據預試驗的量級，自動調製勵磁電源輸出電壓，通過降低勵磁電壓降低線圈的發熱量提高系統的可靠性，延長振動台的使用壽命。
2、《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》在勵磁功率降低時，保證了動圈不會工作於大電流的狀態，從而使得系統的可靠性得到保障。
3、《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》是根據功率放大器輸出電流自動調整勵磁電壓輸出，不但使用簡單方便，還節約了能源。
附圖說明
附圖1為電動振動台工作原理圖；
附圖2為電動振動台勵磁電壓自動調整原理圖；
附圖3為三相可控矽勵磁整流輸出調壓原理圖；
附圖4為勵磁輸出脈寬調製（PWM）調壓原理圖。
以上附圖中：1、台體；2、勵磁線圈；3、動圈；4、工作檯；5、環形空隙。
技術領域
《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》涉及環境力學電動振動試驗領域，具體涉及電動振動台系統中勵磁電壓的自動調整方法。這種方法根據振動台實際輸出功率的大小自動檢測和調整勵磁電壓，從而減少了勵磁線圈的發熱量，節約了能源，延長了系統的使用壽命。
權利要求
1.一種電動振動台勵磁電壓自動調整方法，其特徵在於包括如下內容：
（1）在被測試驗設備或部件安裝到電動振動台後，利用電動振動台開機預試驗過程，並在滿足正式振動試驗參數的前提下通過電流檢測電路檢測電動振動台的功率放大器輸出到動圈的預試驗動圈最大電流值I1；
（2）預試驗結束後，根據動圈電流與電動振動台推力成正比的關係，利用檢測到的預試驗動圈最大電流值I1，在一控制電路中通過以下計算公式自動計算出調整勵磁輸出電壓目標值V1：V1＝（I1/I2+δ）×V2
式中：V1為調整勵磁輸出電壓目標值；I1為預試驗動圈最大電流值；I2為滿推力運行時動圈額定電流值，或者為動圈保護電流值；δ為調整係數，取值範圍在0～0.2之間，包括兩個端點值；V2為額定勵磁輸出電壓值；
（3）利用控制電路，通過調節可控矽勵磁整流模組的導通角的方式，或者通過調製開關電源的脈衝寬度占空比的方式，閉環調整勵磁輸出電壓至目標值；
（4）在勵磁輸出電壓調整到目標值之後，維持該勵磁輸出電壓至重新選擇調整或功率放大器重新啟動。
2.根據權利要求1所述的電動振動台勵磁電壓自動調整方法，其特徵在於：在控制電路中，閉環調整勵磁輸出電壓，包含有一勵磁輸出電壓檢測電路，該檢測電路的輸出值通過與目標值進行比較來控制勵磁輸出電壓的調整。
3.根據權利要求2所述的電動振動台勵磁電壓自動調整方法，其特徵在於：在勵磁輸出電壓調整到目標值之後，利用閉環調整控制的自身特性來維持勵磁輸出電壓的穩定。
4.根據權利要求2所述的電動振動台勵磁電壓自動調整方法，其特徵在於：在勵磁輸出電壓調整到目標值之後，直接保持導通角或脈衝寬度占空比大小不變來維持勵磁輸出電壓的穩定。
實施方式
- 實施例：一種電動振動台勵磁電壓自動調整方法
假設系統滿推力運行時動圈額定電流值I2是1000安；額定勵磁輸出電壓值V2是100伏；調整係數δ選擇0.1。
如圖2所示，電動振動台勵磁電壓自動調整系統主要由電流檢測電路、控制電路和勵磁電壓調整電路組成，其中，控制電路與勵磁電壓調整電路構成閉環控制調整。另外，加速度測量感測器、控制儀以及功率放大器構成一個自動增加動圈電流的閉環控制系統。
《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》勵磁電壓自動調整方法如下：
（1）在被測試驗設備或部件安裝到電動振動台後，利用電動振動台開機預試驗過程，並在滿足正式振動試驗參數的前提下通過電流檢測電路檢測功率放大器輸出到動圈的預試驗動圈最大電流值I1為600安。
（2）預試驗結束後，根據動圈電流與電動振動台推力成正比的關係，利用檢測到的預試驗動圈最大電流值I1，在控制電路中通過以下計算公式自動計算出調整勵磁輸出電壓目標值V1：V1＝（I1/I2+δ）×V2＝（600安/1000安+0.1）×100伏＝70伏
（3）利用控制電路，通過調節可控矽勵磁整流模組的導通角的方式，或者通過調製開關電源的脈衝寬度占空比的方式，閉環調整勵磁輸出電壓至目標值。
（4）在勵磁輸出電壓調整到目標值之後，維持該勵磁輸出電壓至重新選擇調整或功率放大器重新啟動。
在控制電路中，閉環調整勵磁整流模組的輸出電壓，包含有一勵磁輸出電壓檢測電路，該檢測電路的輸出值通過與目標值進行比較來控制勵磁輸出電壓的調整。一般來說，勵磁調壓電路有兩種形式，第一種是採用可控矽勵磁調壓整流模組，第二種是採用開關電源勵磁調壓模組。對於第一種形式可以通過調節可控矽的導通角的方式來調整勵磁輸出電壓，見圖3所示。可在控制電路的控制下實現輸出直流電壓的無級調整。G1至G6端是控制端，在控制電路的控制下，控制可控矽的導通相位。採用可控矽整流模組作為整流單元，可使輸出電壓進行平滑調節，滿足了在預試驗運行結束後，勵磁電壓可連續調整的要求。對於第二種形式可以通過調製脈衝寬度占空比的方式來調整勵磁輸出電壓，見圖4所示。其基本電路結構和調製原理如下：PWM調壓電路主要由三角波發生器、PWM電路、信號分配器和驅動電路組成。PWM發生電路是採用三角波發生器產生的三角波放大後與一路可調直流電壓進行比較，電壓比較器輸出的是一系列方波信號。如果控制信號大小改變，那么方波脈衝寬度將會改變，從而達到輸出電壓調整的目的。
《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》中，為了保證系統連續穩定的運行，預試驗後將勵磁輸出電壓一次調整到位，並維持勵磁輸出電壓至重新選擇調整或功率放大器重新啟動。維持勵磁輸出電壓的方式有以下兩種：
（1）在勵磁輸出電壓調整到目標值之後，利用閉環調整控制的自身特性來維持勵磁輸出電壓的穩定。
（2）在勵磁輸出電壓調整到目標值之後，直接保持導通角或脈衝寬度占空比大小不變來維持勵磁輸出電壓的穩定。
自動調整勵磁輸出電壓過程說明如下：
（1）控制儀設定好振動試驗程式，準備振動試驗。
（2）啟動功率放大器。
（3）選擇勵磁輸出電壓自動調整（也可以不調整）。
（4）運行預試驗，預試驗進行時，控制電路始終檢測功率放大器的輸出電流（即輸入動圈線圈的電流），並取樣最大值。
（5）控制電路把取樣記錄下的最大電流值，代入計算公式計算產生勵磁輸出電壓的目標值。
（6）通過比較控制電路產生控制信號至勵磁電壓調整電路，直至勵磁電壓達到目標值。因為控制器件和執行器件都是電子元器件，所以調整時間是短暫的。調整結束後，系統除重新選擇自動調整外，不再進行勵磁電壓調整，但系統重新啟動時自動恢復額定勵磁輸出電壓。
《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》自動調整勵磁輸出電壓適用範圍如下：
（1）該試驗所需振動台最大推力與振動台額定推力相比較小，有較大差距，比如20％以上。
（2）適用於做長時間的振動試驗，比如2小時。而短時間振動試驗意義不大。
上述實施例只為說明《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》的內容並據以實施，並不能以此限制《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》的保護範圍。凡根據《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》的保護範圍之內。
榮譽表彰
2020年7月14日，《電動振動台勵磁電壓自動調整方法》獲得第二十一屆中國專利獎優秀獎。
