專利名稱：電動振動臺勵磁電壓自動調整方法
技術領域：
本發明涉及環境力學電動振動試驗領域，具體涉及電動振動臺系統中勵 磁電壓的自動調整方法。這種方法根據振動臺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。
技術背景電動振動臺系統是一種模擬振動力學環境的試驗設備，如圖1所示由振動臺體和控制及驅動系統組成，其中臺體1主要由勵磁線圈2、動圈3 (驅 動線圈)和工作臺4組成，勵磁線圈2相對臺體1固定，動圏3浮動支撐在 勵磁線圈在環形空隙5 (工作氣隙)中，工作臺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 恒定》茲場，當動圈3中通以交變電流時恒定f茲場與交變石茲場相互作用產生電 動力一激振力，推動工作臺4產生振動。以往，電動振動臺系統中，是由電源電壓經勵磁變壓器變壓、整流單元 整流后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 動臺滿推力、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，電動振動臺的勵磁電流一直處在額定值，磁場始終處于飽和狀 態。而實際使用中，電動振動臺往往不需要在滿推力下工作，磁場始終處于 飽和狀態就白白消耗了熱功率(Q熱=1勵磁2xRxt),特別是大推力振動臺中 勵磁線圈消耗的熱功率在幾十千瓦以上，很不節能；并且，由于勵磁電流很 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，在振動臺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。在此之前，本申請人也針對上述問題進行過研究，開發出一種名稱為"電 動振動臺勵磁切換裝置"，并申請了實用新型專利，專利申請號 200820030704.3。該裝置是將振動臺勵磁線圈采取分檔供電的方式，將勵》茲 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。 發明內容本發明提供了一種電動振動臺勵磁電壓自動調整方法，其目的是要解決 現有手動操作電動振臺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。為達到上述目的，本發明采用的技術方案是 一種電動振動臺勵磁電壓 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臺后，利用電動振動臺開機 預試驗過程，并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 動振動臺的功率放大器輸出到動圈的預試驗動圈最大電流值(2) 預試驗結束后，根據動圈電流與電動振動臺推力成正比的關系，利 用檢測到的預試驗動圈最大電流值h，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:Vj = (Ii /12 + 5 ) x v2 式中Vi為調整勵磁輸出電壓目標值； I,為預試驗動圈最大電流值；12為滿推力運行時動圈額定電流值，或者為動圈保護電流值； 5為調整系數，取值范圍在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，通過調節可控硅勵磁整流模塊的導通角的方式，或 者通過調制開關電源的脈沖寬度占空比的方式，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后，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4企測傳感器 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于正常狀態。而本發明中的預試驗，為了能夠 檢測到預試驗動圈最大電流值I,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Ii, 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ir是指預試驗過程中，電動振動臺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。由于預試驗過程中動圈電流通常處于波動狀態，因此4企 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 可以采用比較和寄存相結合的方法來實現，比如將第一取樣值保存在寄存器 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 于第一取樣值時，替換第一取樣值，反之，不替換，以此類推寄存器中始終 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，即電動振動臺設計時的額定電流值。所述"動圈保護電流值"是 指電動振動臺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"大于"動圈額定電流 值"。本發明選擇上述兩者之一的電流值作為12均可。4、 上述方案中，勵磁電壓自動調整是在預試驗結束后，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， 以免影響振動臺的試驗精度。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臺推力成正比的關系" 是依據以下原理電動振動臺的推力F=kA x B x LA x IA ( 1 )式中F是電動振動臺推力kA是系統的系數，當系統確定后該系數為常量B是直流勵磁線圈及磁鋼所提供的恒定磁感應強度U是動圈導線長度U是通過動圈導線的電流 B=kB x N x IB ( 2 )式中B是直流勵磁線圈及磁鋼所提供的恒定磁感應強度kB是導磁介質系數，與導磁介質(磁鋼)有關 N是勵磁線圈的匝數 IB是通過勵 磁線圍的電流 將(2)式代入(1)式可以看出，電動振動臺推力F正比于U與lB的乘積，當通過勵磁線圈的電流lB確定后，如果通過動圏導線的電流lA減小，說明電動振動臺推力F也相應減少；如果減小勵磁線圈的電流lB可以通過增加通過動 圈導線的電流U來保持電動振動臺推力F不變。本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減小后，系統控制4義自動增加通過動圈導線的電流IA來保持電動振動臺 推力F不變。由于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后，無論振動試驗處于什么試驗 量級大小勵磁線圈的電流都是恒定的，發熱量很大，也浪費了很多電能。而 減小勵磁線圈的電流lB后，與增加的動圈導線的電流U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后，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后，直接保持導通角或脈沖寬度占 空比大小不變來維持勵磁輸出電壓的穩定。本發明工作原理是利用功率放大器輸出的電流與振動臺推力成正比的 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 臺的推力。然后通過控制電路計算得到調整勵磁輸出電壓目標值Vi，并采用 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 ^f茲線圈電流的目的。調整勵^f茲輸出電壓目標值V！與功率力文大器輸出電流Ij 間的關系根據不同的電動振動系統預先設置在控制電路中，保證了勵磁電壓 在調整后能滿足試驗要求，而且勵磁輸出電壓可以無級連續調整，調整范圍 為100%-50%， 50%以下無實際應用可能。勵-磁電壓在預試驗調整后，正式試驗過程中不再進行新的調整，以免影響振動臺的試驗精度。由于勵磁線圈 的發熱量與勵磁電流的平方成正比即Q熱=1勵磁2 x R x t,大的勵磁電流會使勵 磁線圈產生很大的熱量，線圈長期工作于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 = kAxBx;^axL動圖可知，提高動圈電流I動圍就可以提高系統推力， 只要保證動圏電流I訓低于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賴自動增 力口，而這個自動增加過程是由控制儀與振動加速度測量傳感器構成的閉環控 制系統來實現。由于上述技術方案運用，本發明與現有技術相比具有下列優點和效果1、 本發明提供了電動振動臺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，自動調制勵^F茲電源輸出電壓， 通過降低勵磁電壓降低線圈的發熱量提高系統的可靠性，延長振動臺的使用 壽命。2、 本發明在勵磁功率降低時，保證了動圈不會工作于大電流的狀態，從 而使得系統的可靠性得到保障。3、 本發明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1為電動振動臺工作原理圖；附圖2為電動振動臺勵磁電壓自動調整原理圖；附圖3為三相可控硅勵磁整流輸出調壓原理圖；附圖4為勵磁輸出脈寬調制(PWM)調壓原理圖。以上附圖中1、臺體；2、勵磁線圈；3、動圈；4、工作臺；5、環形空隙。
具體實施方式
下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述 實施例 一種電動振動臺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12是1000A;額定勵磁輸出電壓 值V2是100V;調整系數5選擇0.1。如圖2所示，電動振動臺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，加速度測量傳感器、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。本發明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臺后，利用電動振動臺開機 預試驗過程，并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I,為600A。(2) 預試驗結束后，根據動圈電流與電動振動臺推力成正比的關系，利 用檢測到的預試驗動圈最大電流值I,,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Vi:Vt= (I!/l2+5) x v2= ( 600A/ 1000A + 0.1 ) xi00V=70V(3) 利用控制電路，通過調節可控硅勵磁整流模塊的導通角的方式，或 者通過調制開關電源的脈沖寬度占空比的方式，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后，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塊的輸出電壓，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，第一種是采用可控硅勵 磁調壓整流模塊，第二種是采用開關電源勵磁調壓模塊。對于第一種形式可 以通過調節可控硅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。Gl至G6端是控制端，在 控制電路的控制下，控制可控硅的導通相位。采用可控硅整流模塊作為整流 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后，勵磁電壓 可連續調整的要求。對于第二種形式可以通過調制脈沖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制原理如下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發生電路是采用三角波發生器產生的三角波放大后與一路可調直流電 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, 那么方波脈沖寬度將會改變，從而達到輸出電壓調整的目的。本發明中，為了保證系統連續穩定的運行，預試驗后將勵磁輸出電壓一 次調整到位，并維持勵-磁輸出電壓至重新選褲:調整或功率放大器重新啟動。維持勵-茲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后，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后，直接保持導通角或脈沖寬度占 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 )控制儀設置好振動試驗程序，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)，并取4羊最大值。(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。調整結束后，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》茲輸出電壓。本發明自動調整勵磁輸出電壓適用范圍如下(1) 本試驗所需振動臺最大推力與振動臺額定推力相比較小，有較大差 距，比如20%以上。(2) 適用于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本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項 技術的人士能夠了解本發明的內容并據以實施，并不能以此限制本發明的保 護范圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明 的保護范圍之內。
權利要求
1. 一種電動振動臺勵磁電壓自動調整方法，其特征在于包括如下內容(1)在被測試驗設備或部件安裝到電動振動臺后，利用電動振動臺開機預試驗過程，并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臺的功率放大器輸出到動圈的預試驗動圈最大電流值I1；(2)預試驗結束后，根據動圈電流與電動振動臺推力成正比的關系，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V1V1＝(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為調整系數，取值范圍在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，通過調節可控硅勵磁整流模塊的導通角的方式，或者通過調制開關電源的脈沖寬度占空比的方式，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后，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所述的電動振動臺勵磁電壓自動調整方法，其特征在于 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所述的電動振動臺勵磁電壓自動調整方法，其特征在于 在勵磁輸出電壓調整到目標值之后，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所述的電動振動臺勵磁電壓自動調整方法，其特征在于 在勵磁輸出電壓調整到目標值之后，直接保持導通角或脈沖寬度占空比大小不 變來維持勵磁輸出電壓的穩定。
全文摘要
一種電動振動臺勵磁電壓自動調整方法，涉及環境力學電動振動試驗領域。本發明利用功率放大器輸出電流與振動臺推力成正比原理，通過預試驗測量功率放大器的輸出電流最大值，間接測量了振動臺的推力。然后通過控制電路計算勵磁輸出電壓調整的目標值V<sub>1</sub>，并采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。本方法根據振動臺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，解決了現有手動操作勵磁線圈分檔供電調整所存在的問題。
文檔編號G01M7/00GK101281087SQ20081010805
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月13日 優先權日2008年5月13日
發明者徐付新, 朱雅莉, 武元楨 申請人:蘇州試驗儀器總廠