本發(fā)明屬于振動測試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于步進(jìn)電機(jī)的反饋控制振動臺,其適用于振動檢測及儀器標(biāo)定中進(jìn)行的振動檢測和測試。

背景技術(shù)：

在振動檢測及儀器標(biāo)定領(lǐng)域中，常需要振動臺作為振動試驗或儀器校準(zhǔn)的振源。比如在一些振動試驗中，需要使用振動臺產(chǎn)生指定的振動信號，如地震波信號，以確定試驗對象在該激勵下的響應(yīng)，進(jìn)而確定試驗對象的參數(shù)。振動臺也常應(yīng)用于儀器校準(zhǔn)，比如，在拾振器校準(zhǔn)時，振動臺產(chǎn)生振動激勵信號輸入給拾振器的傳感器，通過測量傳感器的輸入與輸出，得到傳感器的參數(shù)。目前振動臺振動控制多采用氣浮導(dǎo)軌配合激光調(diào)節(jié)技術(shù)，該技術(shù)存在以下問題：

1.體積大，氣浮導(dǎo)軌由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，導(dǎo)致儀器投影面積大，占用空間偏大；

2.儀器初始化校準(zhǔn)工作繁瑣，氣浮導(dǎo)軌在不平順的作用下，加速度傳感器幅頻曲線將偏離理論上的平直線，沿頻率降低方向，出現(xiàn)上翹或下跌現(xiàn)象，嚴(yán)重降低振動校準(zhǔn)精度，故需在使用前用直線光柵尺測量導(dǎo)軌平順情況，對導(dǎo)軌不平順造成的影響進(jìn)行補(bǔ)償；

3.維護(hù)、使用成本高，氣浮導(dǎo)軌采用空氣作為潤滑介質(zhì)，由于空氣具有可壓縮性，相比其他介質(zhì)的導(dǎo)軌，其承載力、壓力分布、運(yùn)動阻尼等更易受到內(nèi)外因素等影響，故而氣浮導(dǎo)軌振動臺對儲存及使用環(huán)境、性能維護(hù)的要求都很高；

4.功能升級成本高，氣浮導(dǎo)軌振動臺受結(jié)構(gòu)局限，100-500Hz中高頻范圍內(nèi)振動精度高，而低頻范圍內(nèi)振動精度大大降低；若要實現(xiàn)低頻振動，需改動氣浮導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)及振動方式，即硬件需隨之更換。

上述問題的存在，大大制約了振動臺的利用率和應(yīng)用范圍，隨著振動檢測技術(shù)的普及，適用性強(qiáng)、使用及維護(hù)成本低、升級及操作便捷的振動檢測儀器的需求越來越高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于現(xiàn)實和生產(chǎn)實踐的需要，本申請人投入大量資金及長期研究，提供了一種基于步進(jìn)電機(jī)的反饋控制振動臺，本發(fā)明的基于步進(jìn)電機(jī)的反饋控制振動臺不僅克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，并且體積小，初始化簡單，維護(hù)成本低，儀器升級便捷。

依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，提供一種基于步進(jìn)電機(jī)的反饋控制振動臺，其包括振動臺機(jī)體和控制器；其中振動臺機(jī)體由步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、絲杠、振動臺面、正交解碼器和基座組成，控制器由控制系統(tǒng)和解調(diào)器組成；控制器用于產(chǎn)生控制電機(jī)運(yùn)動的脈沖波形；步進(jìn)電機(jī)固定于振動臺基座上，用于驅(qū)動絲杠產(chǎn)生振動，基座自重不小于100kg；聯(lián)軸器固定在基座上，用于匹配轉(zhuǎn)速穩(wěn)定輸出；絲杠通過聯(lián)軸器與電機(jī)連接，用于為振動臺面提供振動軌跡；臺面通過臺面支架與絲杠和絲杠輔助架相連，用于承載被測裝置；振動臺面行程可達(dá)500mm(毫米)以上，振動臺低頻段輸出頻率能夠達(dá)上百秒。

其中，絲杠頂端加裝正交解碼器，用于捕獲振動臺振動速度，并反饋至控制器中的單片機(jī)且形成反饋調(diào)節(jié)。單片機(jī)中PWM調(diào)制算法采用雙定時器調(diào)制，雙定時器分別用于細(xì)分電機(jī)步數(shù)和改變速率?？刂破髦械腁D采集功能中采用直接內(nèi)存存取(DMA)，不占用CPU中斷。用步進(jìn)電機(jī)功率為260W，步進(jìn)電機(jī)細(xì)分步數(shù)可達(dá)2x10⁶步/圈，所選絲杠間距為5mm，則步進(jìn)電機(jī)單步脈沖分辨率為2.5x10^-6mm/步。振動臺面采用抱夾式固定結(jié)構(gòu)，由對稱安裝的兩個可滑動T字形抱持架組成，調(diào)節(jié)T字形抱持架的位置，將被測儀器夾緊在兩個抱持架中間。

進(jìn)一步地，所述反饋調(diào)節(jié)使用回采濾波方法，即實時回傳振動臺監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用Goertzel變換或短時傅里葉變換濾掉諧振和橫振噪聲，保證振動臺輸出精度。所述振動臺面采用柵格結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)臺面可承受的正應(yīng)力。

本發(fā)明的基于步進(jìn)電機(jī)的反饋控制振動臺與現(xiàn)有技術(shù)相比，優(yōu)點(diǎn)在于：

1.振動臺面行程可達(dá)500mm以上，相較于氣浮式振動臺，行程增大上百倍，使上述振動臺低頻段輸出頻率可達(dá)上百秒，針對10Hz以下低頻測量應(yīng)用廣泛；

2.體積小，便于攜帶和安放，可隨需求配備于各種實驗環(huán)境和工程現(xiàn)場，降低了運(yùn)輸成本和運(yùn)輸風(fēng)險；

3.初始化簡單，試驗前無需進(jìn)行激光校準(zhǔn)；

4.維護(hù)成本低，對環(huán)境濕度和塵度要求低，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化，不易出現(xiàn)故障及磨損；

5.儀器升級便捷，由于控制功能由軟件實現(xiàn)，可通過軟件升級完成儀器升級，無需更換氣浮裝置。

附圖說明

圖1為依據(jù)本發(fā)明的基于步進(jìn)電機(jī)的反饋控制振動臺結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為依據(jù)本發(fā)明的基于步進(jìn)電機(jī)的反饋控制振動臺的系統(tǒng)框圖；

圖3為本發(fā)明反饋控制振動臺控制系統(tǒng)使用采用雙定時器算法前后的波形對比圖；

圖4為本發(fā)明的反饋控制振動臺的步進(jìn)驅(qū)動器的接口電路示意圖；

圖5為本發(fā)明的反饋控制振動臺的振動臺面結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1為振動臺機(jī)體，2為固定螺栓，3為振動臺背板，4為絲杠，5為絲杠輔助架，6為絲杠輔助架螺栓，7為絲杠輔助桿，8為電機(jī)固定板，9為電機(jī)，10為電機(jī)支撐柱，11為振動臺底板，12為絲杠背板，13為正交解碼器，14為絲杠輔助桿螺栓，15為振動臺面，16為振動臺面背板，17為聯(lián)軸器，18為背板螺栓，19為電機(jī)支撐柱螺栓，20為基座固定螺栓，21為調(diào)平螺栓，22為電機(jī)連接接口，23為正交解碼器接口，24為控制器，25為電源線，26為L型壓緊架，27為壓緊調(diào)節(jié)螺栓，28為T字型抱持架，29為滑動導(dǎo)軌，30為滑動螺栓，31為滑動導(dǎo)軌。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖,對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例,而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

如圖1所示，為本發(fā)明的基于步進(jìn)電機(jī)的反饋控制振動臺立體結(jié)構(gòu)圖，主要由振動臺機(jī)體1和控制器24等兩部分組成。其中，所述控制器24中控制系統(tǒng)用于產(chǎn)生控制電機(jī)振動的脈沖波形，以及接收振動臺反饋的速度信息；所述脈沖波形經(jīng)過解調(diào)器解調(diào)后，直接控制電機(jī)運(yùn)行。振動臺機(jī)體1用于完成振動運(yùn)動，承載被測部件，同時向控制器24實時反饋振動信息。振動臺機(jī)體1中，底板11上固定有步進(jìn)電機(jī)9，用于驅(qū)動絲杠4產(chǎn)生振動；聯(lián)軸器17的輸入端與步進(jìn)電機(jī)9輸出端相連，用于匹配轉(zhuǎn)速穩(wěn)定輸出；絲杠4與聯(lián)軸器17輸出端連接，用于為振動臺面15提供振動軌跡；臺面15通過臺面背板16與絲杠4和絲杠輔助桿7相連，用于承載被測裝置。振動臺加裝正交解碼器13，用螺栓固定在基座上，用于捕獲振動臺振動速度，并反饋至單片機(jī)，形成反饋調(diào)節(jié)。反饋調(diào)節(jié)采用高速采集算法，利用單片機(jī)的DMA(直接內(nèi)存存取技術(shù))，直接讀取存儲的標(biāo)準(zhǔn)正弦信號查找表，產(chǎn)生所需頻率正弦信號；或者反饋調(diào)節(jié)使用回采濾波方法，即實時回傳振動臺監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用Goertzel變換或短時傅里葉變換濾掉諧振和橫振噪聲，保證振動臺輸出精度。單片機(jī)中PWM調(diào)制算法采用雙定時器調(diào)制，分別用于細(xì)分電機(jī)步數(shù)和改變速率。振動臺面采用柵格結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)臺面可承受的正應(yīng)力。

具體地說，如圖1所示，振動臺機(jī)體1的基座由水平底板11和豎直背板3組成，為降低諧振，底板和背板用焊接的方式加工為一體，且總重量不小于100kg。方形底板的四個頂點(diǎn)處各有一個調(diào)平螺栓21，用于調(diào)節(jié)底板的水平度。底板四邊中點(diǎn)處各有一個禁錮螺栓20，用于將振動臺機(jī)體1與地面固定。底板11、四根電機(jī)支撐柱10、電機(jī)固定板8用于固定電機(jī)9，電機(jī)9用螺栓固定于電機(jī)固定板8上，電機(jī)固定板與四根電機(jī)支撐柱10用螺栓18緊配，電機(jī)支撐柱18另一端通過螺栓固定于振動臺底板11上，從而將電機(jī)9固定于底板11與電機(jī)固定板8之間。電機(jī)輸出端穿過電機(jī)固定板8中央的圓孔與聯(lián)軸器17輸入端相連；聯(lián)軸器17輸出端接絲杠4，與絲杠4平行的絲杠輔助桿7用于協(xié)助絲杠4穩(wěn)定振動臺面15的運(yùn)動軌跡，絲杠輔助桿7的上下兩端通過螺栓14固接于絲杠輔助架5上，絲杠輔助架5通過螺栓6固定于絲杠背板12上；絲杠背板12通過螺栓與電機(jī)固定板8垂直相接，電機(jī)固定板8和絲杠背板12分別通過螺栓18和螺栓2固定于振動臺垂直背板3上，用于減少振動臺工作時的諧振成分。絲杠4采用螺紋結(jié)構(gòu)，振動臺面背板16通過其中央通孔處的內(nèi)螺紋面與絲杠耦合，運(yùn)動軌跡由絲杠控制；內(nèi)螺紋通孔兩旁的通孔供絲杠輔助桿7穿過，用于穩(wěn)定振動臺面15的運(yùn)動軌跡。絲杠4的另一端連接正交解碼器13，用于獲取振動臺輸出信息，通過連接接口23將輸出信息發(fā)送至控制器24。

控制器由控制系統(tǒng)和解調(diào)器組成，控制系統(tǒng)用于產(chǎn)生所需頻率的正弦信號，并通過PWM調(diào)制算法產(chǎn)生控制電機(jī)振動的脈沖波形；所述脈沖波形經(jīng)過解調(diào)器解調(diào)后，通過連線接口22輸出到電機(jī)端，控制電機(jī)9的輸出信息；由于電機(jī)產(chǎn)生的原始振動多包含一個或多個高頻諧波，降低了振動標(biāo)定精度，故將聯(lián)軸器17接入電機(jī)9的輸出端，用于匹配轉(zhuǎn)速穩(wěn)定輸出，減少諧波成分，提高振動精度。聯(lián)軸器17的輸出信息通過絲杠4傳遞給振動臺面15，用于控制振動臺面產(chǎn)生振動，完成輸出。

由于所述振動臺采用剛性耦合，若采用開環(huán)控制系統(tǒng)，則運(yùn)行時諧振波較大，噪聲偏多且無法調(diào)控。本發(fā)明所述振動臺引入正交解碼器(QEI)，如上所述，QEI用螺栓固定在基座上，輸入端連接絲杠，通過捕捉絲杠的有符號速度和轉(zhuǎn)子的相對位置信息，定期地將該信息通過8通道的AD模塊經(jīng)由連接線接口23回傳至單片機(jī)，單片機(jī)結(jié)合反饋信息和輸入?yún)?shù)，調(diào)整PWM波形，形成反饋控制。如上所述閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

所述單片機(jī)根據(jù)指定參數(shù)生成振動波形時，采用雙定時器調(diào)制PWM(脈沖寬度調(diào)制)算法，用以改進(jìn)步進(jìn)電機(jī)低頻振蕩、變速過快時引起失步等性能指標(biāo)。PWM算法是用一系列幅值相等而寬度不等的窄脈沖，代替正弦波或其他所需波形的算法。調(diào)節(jié)其占空比，即可調(diào)節(jié)相應(yīng)輸出波形；而對于既定波形，調(diào)節(jié)脈沖步數(shù)和步數(shù)細(xì)分方式，可提高輸出波形精度，減小步進(jìn)電機(jī)失步率。雙定時器調(diào)制就是將兩個PWM定時器使能，其中一個用于控制PWM細(xì)分步數(shù)，增加單周期內(nèi)脈沖數(shù)量，盡可能使輸出波形還原度最高；另一定時器用于控制方波產(chǎn)生速率，使步進(jìn)電機(jī)在高頻工作時速率變化更平滑，降低失步率。雙定時器調(diào)制PWM效果對比如圖3。

所述解調(diào)器用于將控制器發(fā)來的脈沖信號轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移。所述振動臺選用3ND1183型步進(jìn)驅(qū)動器作為解調(diào)器，其通過控制脈沖信號和方向信號精確控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動方向和角位移量。該驅(qū)動器采用差分式接口電路，可適用差分信號，單端共陽極接口，內(nèi)置告訴光電耦合器，允許接收長線驅(qū)動器，抗干擾能力強(qiáng)。其在集電極開路和PNP輸出條件下，接口電路示意圖如圖4。

所述正交解碼器，作為傳感器其靈敏度為100V/ms^-1，最大輸出值為1V，則最大速度為0.01m/s，振動臺達(dá)到最大速度時解調(diào)器輸出頻率為最大脈沖頻率。若振動臺預(yù)期輸出頻率為0.5Hz，本控制系統(tǒng)預(yù)設(shè)一個周期內(nèi)波形做200等分，則每個等分對應(yīng)的

其中ΔT為系統(tǒng)預(yù)設(shè)單位等分的時長，f為振動臺輸出頻率，N為系統(tǒng)預(yù)設(shè)單周期等分間隔數(shù)，速度最大處的位移為

s_max＝v_max×ΔT＝0.01^m/s×0.01s＝0.0001m

其中S_max為電機(jī)最大速度時ΔT時間內(nèi)的位移，v_max為電機(jī)最大運(yùn)動速度，

根據(jù)絲杠間距5mm，解調(diào)器最大細(xì)分步數(shù)20000步/圈，可得單步位移

其中dis為解調(diào)器單步位移，

最大速度處的細(xì)分步數(shù)為

其中Cnt為電機(jī)以最大速度運(yùn)行S_max位移解調(diào)器所需的步數(shù)，

則解調(diào)器重要參數(shù)之一最大輸出脈沖頻率為

其中v_pul為解調(diào)器最大輸出脈沖頻率。

內(nèi)容2所述反饋調(diào)節(jié)中，采用DMA(直接內(nèi)存存取)數(shù)據(jù)存取方式，它允許不同速度的硬件裝置直接溝通，而不需要依于CPU的大量終端負(fù)載，這種操作方式使得處理器可以被重新排程去處理其他工作。以CPU工作周期為1.2us為例，內(nèi)存存取周期小于0.6us，那么一個CPU周期可分為兩個分周器，空余出一個分周器專供DMA訪問，形成一種高效率的工作方式。

內(nèi)容2所述反饋調(diào)節(jié)中，使用回采濾波方法，即實時回傳振動臺監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用Goertzel變換或短時傅里葉變換濾掉諧振和橫振噪聲，保證振動臺輸出精度。

所述振動臺面采用抱夾式固定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。具體地說，振動臺面15上對稱地開有兩個長條形通孔31，作為抱夾結(jié)構(gòu)的滑軌。抱夾結(jié)構(gòu)由對稱放置于滑軌上的兩個T字型抱持架28、固定于T字型抱持架28上1的L型壓緊架26、調(diào)節(jié)螺栓27和滑動螺栓30組成。當(dāng)被測儀器32置于振動臺面15上時，沿導(dǎo)軌31滑動T字型抱持架28，使其左右擠緊被測儀器32，擰緊T字型抱持架底部的滑動螺栓30，固定T字型抱持架28在振動臺面上的位置。再沿T字型抱持架上的滑軌29上下滑動L型壓緊架26，使其壓緊被測儀器，擰緊調(diào)節(jié)螺栓27，將L型壓緊架位置固定。從而保證被測儀器運(yùn)動軌跡與振動臺面輸出的一致性良好。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明實施例揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。