專利名稱：一種振動(dòng)狀態(tài)控制裝置及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自動(dòng)控制的技術(shù)領(lǐng)域，用于振動(dòng)裝置的控制，為一種振動(dòng)狀態(tài)控制裝 置及其控制方法。
背景技術(shù)：
隨著電子技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，許多振動(dòng)控制器在控制過程中加入了反饋環(huán) 節(jié)，通常是采用加速度或位置傳感器感知振動(dòng)裝置的振幅和頻率信息，送給數(shù)字處理器進(jìn) 行處理進(jìn)而調(diào)整振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的激勵(lì)信號(hào)。這種控制方法可以有效的改善振幅和頻率的穩(wěn)定 性，但也存在以下不足1、在很多應(yīng)用場(chǎng)合，振動(dòng)裝置本身的質(zhì)量、阻尼等機(jī)械特性并不穩(wěn)定，使得振動(dòng)裝 置的固有頻率發(fā)生變化，所以傳感器需要采集多組數(shù)據(jù)才能從中分析出固有頻率的變化趨 勢(shì)。2、傳感器采集到的數(shù)據(jù)是振動(dòng)裝置已經(jīng)發(fā)生變化后的信息，所以并不能實(shí)時(shí)的進(jìn) 行分析計(jì)算，延緩了調(diào)整的速度。3、控制電路的強(qiáng)電部分容易對(duì)弱電部分產(chǎn)生干擾，并且整個(gè)電路受工作環(huán)境如溫 度等因素的影響，影響傳感器采集數(shù)據(jù)的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是現(xiàn)有對(duì)振動(dòng)裝置采用的反饋控制不能有效快速應(yīng)對(duì)振動(dòng) 裝置本身及其應(yīng)用場(chǎng)合帶來的影響，振動(dòng)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制精度和控制速度不能滿足需 求。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種振動(dòng)狀態(tài)控制裝置，包括數(shù)字處理器、隔離器、數(shù)字控 制器、振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器、振動(dòng)裝置、加速度傳感器、人機(jī)界面；其中數(shù)字處理器的輸出端通過隔離 器連接數(shù)字控制器的輸入端，數(shù)字控制器的輸出端分兩路，一路經(jīng)隔離器連接數(shù)字處理器 的輸入端，一路連接振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的輸入端，振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的輸出端接振動(dòng)裝置的輸入端，振動(dòng) 裝置的輸出端接加速度傳感器的輸入端，加速度傳感器的輸出端接數(shù)字處理器的輸入端， 人機(jī)界面與數(shù)字處理器相接。上述振動(dòng)狀態(tài)控制裝置的控制方法，數(shù)字處理器將振動(dòng)控制信號(hào)送入數(shù)字控制 器，數(shù)字控制器接收到信號(hào)后，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位信息，并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送到 振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)振動(dòng)裝置振動(dòng)，隔離器將處于裝置弱電部分的數(shù)字處理器和 強(qiáng)電部分的數(shù)字控制器隔開，其中數(shù)字處理器接收兩路輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理第一路為加速度傳感器采集的振動(dòng)裝置的加速度信號(hào)，數(shù)字處理器從加速度信號(hào) 中得出振動(dòng)裝置的振動(dòng)信息，包括振動(dòng)相位、振幅和振動(dòng)頻率信息；第二路為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位信息，數(shù)字控制器將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位信息以相位同步信 號(hào)的形式送入數(shù)字處理器；
數(shù)字處理器對(duì)兩路輸入信號(hào)進(jìn)行鑒相，獲得兩組信號(hào)相位差Δρ，通過所述相位差 A^、振動(dòng)裝置的振幅和振動(dòng)頻率信息，數(shù)字處理器得到振動(dòng)裝置的振動(dòng)狀態(tài)，以及振動(dòng)裝 置的工作點(diǎn)在諧振曲線的位置，對(duì)振動(dòng)裝置的振動(dòng)狀態(tài)及工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。進(jìn)一步的，數(shù)字處理器接收的兩路輸入信號(hào)經(jīng)混頻、濾波后進(jìn)行鑒相，鑒相時(shí)在相 位同步信號(hào)中加入人為相移，使得振動(dòng)裝置的工作點(diǎn)移動(dòng)到諧振曲線希望的位置。本發(fā)明為一種快速響應(yīng)的振動(dòng)狀態(tài)控制裝置及控制方法，增加了數(shù)字控制器和數(shù) 字處理器之間的反饋環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確及時(shí)的對(duì)振動(dòng)裝置的變化做出反應(yīng)，以達(dá)到 更高的振動(dòng)穩(wěn)定性。通常的振動(dòng)控制裝置是將傳感器感知的振幅信息作為振動(dòng)調(diào)節(jié)的唯一依據(jù)。但由 于振動(dòng)裝置機(jī)械特性并不穩(wěn)定，使得裝置本身的固有頻率發(fā)生變化，所以從多組振幅數(shù)據(jù) 變化才能分析諧振點(diǎn)的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。這樣進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)間就被延遲，此時(shí)頻率的偏離量已 經(jīng)比較大，給振動(dòng)的穩(wěn)定性帶來了不利影響。本發(fā)明通過相位差來調(diào)整振動(dòng)裝置的振動(dòng)狀態(tài)，相位差的信號(hào)來源分別為產(chǎn)生驅(qū) 動(dòng)信號(hào)的數(shù)字控制器和加速度傳感器，數(shù)字處理器分析振動(dòng)加速度信號(hào)得出振動(dòng)裝置的相 位信號(hào)，然后與數(shù)字控制器傳來相位同步信號(hào)進(jìn)行比較來獲知兩路信號(hào)相位差。振動(dòng)裝置 機(jī)械特性和周圍環(huán)境的變化，必然造成加速度傳感器檢測(cè)的振動(dòng)相位信號(hào)與數(shù)字控制器輸 出的相位同步信號(hào)的相位差Δ識(shí)的變化。數(shù)字處理器比較Δ識(shí)的變化，可以預(yù)估振動(dòng)裝置振動(dòng) 頻率變化趨勢(shì)，來決定增大還是減小振動(dòng)裝置的頻率。當(dāng)采用本發(fā)明的兩路信號(hào)混頻后濾波的方法進(jìn)行鑒相的過程中，如果振動(dòng)裝置的 工作點(diǎn)在諧振曲線的某些點(diǎn)，如圖2的A點(diǎn)附近，會(huì)使得數(shù)字處理器難以判斷調(diào)節(jié)方向或調(diào) 節(jié)的效率比較低，因?yàn)橄囝l曲線(曲線2)與A點(diǎn)相對(duì)應(yīng)處的斜率較小，Δ識(shí)隨頻率的變化不 明顯，振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的工作效率也很低；因此本發(fā)明在引入驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位信息作為第二路 反饋后，進(jìn)一步在其中人為的加入一段相移，調(diào)整振動(dòng)裝置的工作點(diǎn)，使得振動(dòng)裝置的工作 點(diǎn)移動(dòng)在諧振曲線中希望的位置，如B、C點(diǎn)附近，工作點(diǎn)靠近諧振點(diǎn)時(shí)，Δρ的變化很明顯， 而且由于此時(shí)諧振曲線斜率較大，驅(qū)動(dòng)器的效率被大大提高。此時(shí)，數(shù)字處理器根據(jù)加速 度信號(hào)中的振幅變化信息調(diào)節(jié)振動(dòng)控制信號(hào)中的振幅信息，可以提高振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的工作效 率。通過數(shù)字處理器和人機(jī)交互設(shè)備如鍵盤、顯示器等進(jìn)行振動(dòng)狀態(tài)的設(shè)定和當(dāng)前振 動(dòng)狀態(tài)的顯示。本發(fā)明通過加速度傳感器同時(shí)檢測(cè)振動(dòng)裝置的振幅和相位信息，并與數(shù)字控制器 反饋的相位信息進(jìn)行綜合比較，達(dá)到雙閉環(huán)的效果。對(duì)振動(dòng)的控制，并不單純根據(jù)加速度傳 感器的信息進(jìn)行檢測(cè)，而是通過將其與數(shù)字控制器產(chǎn)生的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位信息進(jìn)行比 較得到兩者相位差值的變化，從而判定振動(dòng)頻率的變化趨勢(shì)，準(zhǔn)確及時(shí)的調(diào)節(jié)振動(dòng)狀態(tài)。有益效果本發(fā)明特點(diǎn)在于高效快速的控制振動(dòng)狀態(tài)。1.數(shù)字處理器接收加速度傳感器感知的振動(dòng)信息和數(shù)字控制器傳送的相位同步 信息，并通過兩路信號(hào)的相位差來直接獲得此時(shí)工作點(diǎn)在諧振曲線的位置，從而判定此時(shí) 振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的工作效率，而傳統(tǒng)控制方法不能做到這一點(diǎn)；2.相位同步信號(hào)的反饋輸入還能讓我們可以調(diào)整工作點(diǎn)在諧振曲線的位置，改善 振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)效率；
3.控制電路中加入隔離器隔開了系統(tǒng)強(qiáng)電部分的數(shù)字控制器和弱電部分的數(shù)字 處理器，減小了強(qiáng)電對(duì)弱電的干擾，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定安全性。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。圖2為本發(fā)明振動(dòng)裝置的諧振曲線和相位差Δ識(shí)與工作頻率的關(guān)系示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1，本發(fā)明包括數(shù)字處理器1、隔離器2、數(shù)字控制器3、振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器4、振動(dòng)裝置 5、加速度傳感器6、人機(jī)界面7 ；其中數(shù)字處理器1的輸出端通過隔離器2連接數(shù)字控制器 3的輸入端，數(shù)字控制器3的輸出端分兩路，一路經(jīng)隔離器2連接數(shù)字處理器1的輸入端，一 路連接振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器4的輸入端，振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器4的輸出端接振動(dòng)裝置5的輸入端，振動(dòng)裝置5 的輸出端接加速度傳感器6的輸入端，加速度傳感器6的輸出端接數(shù)字處理器1的輸入端， 人機(jī)界面7與數(shù)字處理器1相接。通過人機(jī)界面7設(shè)定振動(dòng)狀態(tài)，數(shù)字處理器1通過輸出端口輸出振動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的 振動(dòng)控制信號(hào)經(jīng)隔離2到數(shù)字控制器3 ；振動(dòng)控制信號(hào)中包含振動(dòng)的振幅和頻率的調(diào)整信 息。數(shù)字控制器3接收到振動(dòng)控制信號(hào)后，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位信息，并將驅(qū)動(dòng) 信號(hào)傳送到振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器4，振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器4將產(chǎn)生振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)振動(dòng)裝置5振動(dòng)，振動(dòng) 裝置5根據(jù)振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)調(diào)整振動(dòng)狀態(tài)，此振動(dòng)狀態(tài)被加速度傳感器6感知轉(zhuǎn)換為加速度 信號(hào)送入數(shù)字處理器1，獲得相應(yīng)相位信息。隔離器2將處于裝置弱電部分的數(shù)字處理器1 和強(qiáng)電部分的數(shù)字控制器3隔開，其中數(shù)字處理器1接收兩路輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理第一路為加速度傳感器6采集的振動(dòng)裝置5的加速度信號(hào)，數(shù)字處理器1從加速 度信號(hào)中得出振動(dòng)裝置5的振動(dòng)信息，包括振動(dòng)相位、振幅和振動(dòng)頻率信息；第二路為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位信息，數(shù)字控制器3將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位信息以相位同步 信號(hào)的形式送入數(shù)字處理器1 ；數(shù)字處理器1對(duì)兩路輸入信號(hào)進(jìn)行鑒相，獲得兩組信號(hào)相位差Δρ，通過所述相位 差Δ^、振動(dòng)裝置5的振幅和振動(dòng)頻率信息，數(shù)字處理器1得到振動(dòng)裝置5的振動(dòng)狀態(tài)，以及 振動(dòng)裝置5的工作點(diǎn)在諧振曲線的位置，對(duì)振動(dòng)裝置5的振動(dòng)狀態(tài)及工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。數(shù)字處理器1是非常重要的組成部分，加速度信號(hào)和振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換，輸 出振動(dòng)控制信號(hào)的調(diào)節(jié)以及振幅、相位、頻率數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析，都是由數(shù)字處理器1完 成，可以選擇單片機(jī)、ARM系列處理器或DSP等實(shí)現(xiàn)。數(shù)字控制器2主要用于接收數(shù)字處理器1的振動(dòng)控制信息，并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和相 位同步信號(hào)，可以選擇單片機(jī)或DSP等來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于模擬量輸出的加速度傳感器，要先對(duì)信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化。A/D采樣的精度影響 了相位信號(hào)的精度，輸出的振動(dòng)控制信號(hào)的調(diào)節(jié)精度決定了頻率和振幅的精度。A/D轉(zhuǎn)換器 可以使用數(shù)字處理器1內(nèi)部集成A/D模塊或外接A/D芯片實(shí)現(xiàn)。對(duì)于直接以數(shù)字量輸出的加速度傳感器，只需將信號(hào)直接送入數(shù)字處理器1處理 即可。
數(shù)字處理器1使用鎖相環(huán)將相位同步信號(hào)恢復(fù)成同相位或有恒定相位差的正弦 信號(hào)，然后將其與加速度信號(hào)通過乘法器相乘并濾波得到兩路信號(hào)相位差的分量。設(shè)兩路信號(hào)分別表示為為cos(W +釣)和為οο^ + φ2)，
A1 cos(wt + (P1)* A2 cos(wt + φ2) = 1/2* A1A2Icos(A^) + cos[2wt + (φλ +φ2)}}；其中Δ<3 =釣-朽；在乘法器后加一個(gè)低通濾波器得到分量I/2*為為COS(A^)，也就得到了相位差Δ識(shí)。 通過改變數(shù)字處理器1的鎖相環(huán)中的移相器的相位來改變?chǔ)?，可以調(diào)整工作點(diǎn)點(diǎn)在諧振曲 線的位置，也就是通過人為相移調(diào)整工作點(diǎn)在諧振曲線的位置，改善振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)效率。加速度信號(hào)通過積分算法可得到振幅信息，數(shù)字處理器1根據(jù)振幅信息調(diào)整振動(dòng) 控制信號(hào)。數(shù)字處理器1通過Δ識(shí)變化判定出振動(dòng)裝置的振動(dòng)變化趨勢(shì)，改變振動(dòng)控制信號(hào)中 的頻率信息將工作點(diǎn)穩(wěn)定到諧振點(diǎn)。數(shù)字處理器1利用積分算法將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)變成振幅信息，工作在諧振點(diǎn)時(shí)改變 振動(dòng)控制信號(hào)中的振幅信息使得振動(dòng)幅度穩(wěn)定在設(shè)定值。本發(fā)明的特點(diǎn)之一在于數(shù)字控制器3同時(shí)產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)信號(hào)及其相位同步信號(hào)，不 需要采用相位檢測(cè)單元，而是通過數(shù)字控制器3直接將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位反饋給數(shù)字處理器 1。首先它配合加速度傳感器6使我們?cè)跈z測(cè)中得到了兩路相位信息，直接得到振動(dòng)狀態(tài)的 變化；其次，數(shù)字處理器1通過調(diào)節(jié)鎖相環(huán)中移相器對(duì)相位同步信息人為移相，可以將 振動(dòng)裝置工作點(diǎn)移到諧振曲線中希望的位置，來提高振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的工作效率，增加系統(tǒng)的 靈敏度。
權(quán)利要求
一種振動(dòng)狀態(tài)控制裝置，其特征是包括數(shù)字處理器(1)、隔離器(2)、數(shù)字控制器(3)、振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器(4)、振動(dòng)裝置(5)、加速度傳感器(6)、人機(jī)界面(7)；其中數(shù)字處理器(1)的輸出端通過隔離器(2)連接數(shù)字控制器(3)的輸入端，數(shù)字控制器(3)的輸出端分兩路，一路經(jīng)隔離器(2)連接數(shù)字處理器(1)的輸入端，一路連接振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器(4)的輸入端，振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器(4)的輸出端接振動(dòng)裝置(5)的輸入端，振動(dòng)裝置(5)的輸出端接加速度傳感器(6)的輸入端，加速度傳感器(6)的輸出端接數(shù)字處理器(1)的輸入端，人機(jī)界面(7)與數(shù)字處理器(1)相接。
2.權(quán)利要求1所述的振動(dòng)狀態(tài)控制裝置的控制方法，其特征是數(shù)字處理器(1)將振動(dòng) 控制信號(hào)送入數(shù)字控制器(3)，數(shù)字控制器(3)接收到信號(hào)后，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的 相位信息，并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送到振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器(4)，振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器(4)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)裝置(5)振動(dòng)，隔 離器(2)將處于裝置弱電部分的數(shù)字處理器(1)和強(qiáng)電部分的數(shù)字控制器(3)隔開，其中數(shù)字處理器(1)接收兩路輸入信號(hào)進(jìn)行分析處理第一路為加速度傳感器(6)采集的振動(dòng)裝置(5)的加速度信號(hào)，數(shù)字處理器(1)從加 速度信號(hào)中得出振動(dòng)裝置(5)的振動(dòng)信息，包括振動(dòng)相位、振幅和振動(dòng)頻率信息；第二路為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位信息，數(shù)字控制器(3)將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位信息以相位同步信 號(hào)的形式送入數(shù)字處理器(1)；數(shù)字處理器(1)對(duì)兩路輸入信號(hào)進(jìn)行鑒相，獲得兩組信號(hào)相位差Δ^，通過所述相位差 Δ識(shí)、振動(dòng)裝置(5)的振幅和振動(dòng)頻率信息，數(shù)字處理器(1)得到振動(dòng)裝置(5)的振動(dòng)狀態(tài)， 以及振動(dòng)裝置(5)的工作點(diǎn)在諧振曲線的位置，對(duì)振動(dòng)裝置(5)的振動(dòng)狀態(tài)及工作點(diǎn)進(jìn)行 調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的振動(dòng)裝置控制裝置的控制方法，其特征是數(shù)字處理器(1)接 收的兩路輸入信號(hào)經(jīng)混頻、濾波后進(jìn)行鑒相，鑒相時(shí)在相位同步信號(hào)中加入人為相移，使得 振動(dòng)裝置(5)的工作點(diǎn)移動(dòng)到諧振曲線希望的位置。
全文摘要
一種振動(dòng)狀態(tài)控制裝置及其控制方法，裝置包括數(shù)字處理器、隔離器、數(shù)字控制器、振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器、振動(dòng)裝置、加速度傳感器、人機(jī)界面；數(shù)字處理器將振動(dòng)控制信號(hào)送入數(shù)字控制器，數(shù)字控制器產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)及其相位信息，并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳送到振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，振動(dòng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)振動(dòng)裝置振動(dòng)，隔離器用于數(shù)字處理器和數(shù)字控制器的強(qiáng)弱電隔離，其中加速度傳感器采集振動(dòng)裝置的加速度信號(hào)輸入數(shù)字處理器，數(shù)字控制器將驅(qū)動(dòng)信號(hào)的相位信息以相位同步信號(hào)的形式送入數(shù)字處理器；數(shù)字處理器對(duì)兩路輸入信號(hào)進(jìn)行鑒相，得到振動(dòng)裝置的振動(dòng)狀態(tài)，以及振動(dòng)裝置的工作點(diǎn)在諧振曲線的位置，對(duì)振動(dòng)裝置的振動(dòng)狀態(tài)及工作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整。本發(fā)明特點(diǎn)在于高效快速的控制振動(dòng)狀態(tài)。
文檔編號(hào)G05B19/04GK101937198SQ20101027442
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者劉振乾, 張旭蘋, 張益昕, 王順 申請(qǐng)人:南京大學(xué)