用于低频电磁振动台系统反馈控制的分频检测器的制作方法

本实用新型涉及一种低频电磁振动台系统。

背景技术：

电磁振动台具有频率范围宽、可控性好、输出波形精度高等优点，广泛应用于产品的模拟振动环境试验、测振传感器校准等领域。为了进一步改善振动台在低频范围输出波形的精度(降低失真度)，通常需构建负反馈控制系统。负反馈控制首先需要通过振动传感器(加速度、速度或者位移传感器)或其它运动量检测装置检测得到电磁振动台的输出振动信号，然后将此信号作为反馈信号，与输入信号求差，偏差信号经过控制器与功率放大器后激励振动台振动，最终完成闭环控制系统的构建，实现对振动台输出波形失真度的负反馈控制。

中国专利201210544489.X提出了一种基于自主相对速度反馈控制装置的低频电磁振动台系统，该系统基于一种相对速度提取装置构建了负反馈控制系统。相对速度提取装置提取得到的信号经过低通滤波器及第一比例放大器后与信号发生器输出信号求差，偏差信号经过PID控制器调整后输入功率放大器，功率放大器的输出作为低频电磁振动台的驱动信号驱动振动台输出振动。

该专利的缺点在于：

1、由于振动台驱动线圈的等效直流电阻R无法准确测量，因此，相对速度提取装置中的参数K1的获取需经过较为复杂的调整过程，增加了系统的使用难度；2、该装置通过构建模拟电路网络提取振动台的运动量，由于要在驱动回路中串联电阻，因此热损耗较大，不适合于大加速度输出的振动台。此外，系统较复杂，模拟电路的低频噪声会使振动台在运动时产生低频漂移，降低了运动精度。3、相对速度提取装置的输出信号大小取决于驱动线圈的参数，由于驱动线圈的匝数受限，所以输出反映相对速度的电压大小较低，尤其在较低频段，从而影响了控制效果。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种运动控制精度高的低频电磁振动台系统。

用于低频电磁振动台系统反馈控制的分频检测器，其特征在于：分频检测器由依次连接的比较器，计数器和频率控制器组成，驱动振动台系统的系统输入信号和参考输入信号共同输入比较器，比较器输出由系统输入信号和参考输入信号形成的方波信号，方波信号与已知频率的脉冲信号共同输入计数器，计数器给出系统输入信号周期数 Nf和已知频率的脉冲信号的周期数Ns、并将系统输入信号周期数和参考输入信号周期数输入频率控制器，频率控制器计算获得方波信号的频率值ff，其中fs表示已知频率的脉冲信号的频率值；方波信号的频率对应振动台系统输入信号的频率，也与系统工作频率以及反馈信号的频率相同。

进一步，已知频率的脉冲信号为数字时钟脉冲信号。进一步，系统输入信号的振幅高于参考输入信号的振幅时比较器输入高电平，系统输入信号的振幅低于参考输入信号的振幅时比较器输入低电平，高电平和低电平组成上述方波信号。因此方波信号的频率与振动台的工作频率相同，方波的上升沿和下降沿作为触发计数器的条件。

进一步，可调移相器由两级全通滤波器串联形成，频率检测单元根据系统输入信号的频率值ff输出移相控制脉冲，可调移相器在不同频率段的移相值确定步骤如下：

S1：工作频率范围内，对振动台输入不同频率的激励信号，并构建负反馈控制系统。在不同频率下，对反馈信号进行不同相位调整，并检测对应频率、对应反馈信号相位条件下振动台输出信号的精度特性，依据满足振动台精度要求的反馈信号相位可以得到反馈信号在不同频率下所需的移相值。将振动台的工作频率范围分为k-1段，表示为fn≤f<fn+1,n＝1,2,3,...k-1，分段的标准为在本分段内的振动台反馈信号的移相值相同；此处的移相值相同指的是该频率分段内、每个频率的移相值之间的差在允许的偏差范围内；

S2：获取当前方波的频率，以确定系统输入信号当前所处的频率分段；依次对每一个频率分段，取该频率分段中、各频率的移相值的平均值作为该频率分段的移相值以作为fn频率分段的可调移相器的移相值；

S3：对fn频率分段的移相值表达为：

；其中：R2为第一级全通滤波器中的数字电位计的电阻值，R3为第二级全通滤波器中的数字电位计的电阻值；

S4：令R2＝R3并结合步骤S2和S3，求得各频率分段所对应的R2、 R3值，对每一个频率分段、以R2、R3值作为参考计算得到需要输入第一级全通滤波器中的数字电位计以及第二级全通滤波器中的数字电位计的移相控制脉冲个数，移相控制脉冲个数控制可调移相器产生的对应频率分段的移相值。

进一步，振动台运动信号输入可调移相器，可调移相器的输出端与可调放大器的输入端相连。

或者，振动台反馈信号输入可调放大器，可调放大器的输出端与可调移相器的输入端相连。

进一步，可调放大器由同相比例放大电路和分压电位计串联形成，可调放大器的不同频率段的放大倍数确定步骤如下：

1)、在工作频率范围内，对振动台输入不同频率的激励信号，并构建负反馈控制系统。在不同频率下，对反馈信号幅值施加不同的增益，并检测对应频率、对应反馈信号增益条件下振动台输出信号的精度特性，依据满足振动台精度要求的反馈信号增益可以得到反馈信号在不同频率下所需的增益。将振动台的工作频率范围分为(k′-1)段，表示为：

fm≤f<fm+1,m＝1,2,3,...k′-1；

2)、获取当前方波的频率，以确定系统输入信号当前所处的频率分段；依次对每一个频率分段，取当前频率分段中、各频率的增益的平均值作为当前频率分段的增益pm；

3)、对每个频段的增益表示为：

其中，R6是同向比例放大电路中的反馈电阻的电阻值，R7是分压电位计的总电阻值，R7w是分压电位计的分压阻值；

4)、确定同相比例放大电路的固定电阻的阻值R5，判断当前频率分段是需要将信号放大还是信号衰减，当需要将信号进行放大时取 R7w＝R7，求得R6；以R6值和R7w作为参考、计算得到需要输入同向比例放大电路中反馈电阻的调幅控制脉冲个数和分压电位计的调幅控制脉冲个数，从而控制可调放大器实现对应频段的反馈信号幅值的调整；

当需要将信号衰减时取R6＝0，求得所需的R7w；以R6值和R7w作为参考计算得到需要输入同向比例放大电路中反馈电阻的调幅控制脉冲个数和分压电位计的调幅控制脉冲个数，从而控制可调放大器实现对应频段的反馈信号幅值的调整。

进一步，所述速度反馈控制装置还包括比例调节器，所述比例调节器设置在减法器与功率放大器之间。

本实用新型的技术构思是：向比较器输入系统输入信号和给定的参考输入信号，当系统输入信号的幅值高于参考输入信号的幅值时比较器输出高电平，反之比较器输出低电平，由此，比较器输出方波信号，且该方波信号的频率与系统输入信号频率相同，也与系统的工作频率以及反馈信号频率相同。此时方波信号的频率未知，因此，方波信号和数字时钟脉冲信号同时输入计数器中，计数器数出方波信号的周期数，而数字时钟的频率已知，在相同时间内，就能根据方波信号的周期数和数字时钟信号的周期数的比例算出方波的频率，从方波的频率得知当前的工作频率，从而对应到相应的频率分段。

本实用新型的优点在于：

1、能够识别振动台当前的工作频率，并将当前频率对应到预设的频率分段中，进而获得当前频率分段所要进行的相位补偿值和/或幅值补偿值，进而针对每个频率分段进行相位和/或幅值补偿。

2、将修正信号进行移相和调幅补偿后形成反馈信号，反馈信号具有一定程度的相位补偿，并且在不同频率下具有适应的反馈深度，使振动台的输出波形的精度提高。

3、将振动台的工作频率分段，对每个频率分段分别进行移相和调幅，无需对每个频率独立进行移相和调幅，简化了速度检测装置，降低了反馈控制器的搭建及参数调整的难度。

附图说明

图1为本实用新型的示意图。

图2为本实用新型的可调移相器的结构图。

图3为本实用新型可调移相器与可调放大器的结构图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，用于低频电磁振动台系统反馈控制的分频检测器，分频检测器由依次连接的比较器，计数器和频率控制器组成，系统输入信号和参考输入信号共同输入比较器，比较器输出由振动台系统输入信号和参考输入信号形成的方波信号，方波信号与数字时钟脉冲信号共同输入计数器，计数器输出系统输入信号周期数Nf和数字时钟脉冲信号的周期数Ns，频率控制器计算获得方波信号的频率值ff，其中fs表示数字时钟脉冲信号的频率值；方波信号的频率对应振动台当前的工作频率。

可调移相器由两级全通滤波器串联形成，频率检测单元根据系统输入信号的频率值ff输出移相控制脉冲，可调移相器在不同频率段的移相值确定步骤如下：

S1：工作频率范围内，对振动台输入不同频率的激励信号，并构建负反馈控制系统。在不同频率下，对反馈信号进行不同相位调整，并检测对应频率、对应反馈信号相位条件下振动台输出信号的精度特性，依据满足振动台精度要求的反馈信号相位可以得到反馈信号在不同频率下所需的移相值。将振动台的工作频率范围分为k-1段，表示为fn≤f<fn+1,n＝1,2,3,...k-1，分段的标准为在本分段内的振动台反馈信号的移相值相同；此处的移相值相同指的是该频率分段内、每个频率的移相值之间的差在允许的偏差范围内；

S2：依次对每一个频率分段，取该频率分段中、各频率的移相值的平均值作为该频率分段的移相值以作为fn频率分段的可调移相器的移相值；

S3：对fn频率分段的移相值表达为：

；其中：R2为第一级全通滤波器中的数字电位计的电阻值，R3为第二级全通滤波器中的数字电位计的电阻值；

S4：令R2＝R3并结合步骤S2和S3，求得各频率分段所对应的R2、 R3值，对每一个频率分段、以R2、R3值作为参考计算得到需要输入第一级全通滤波器中的数字电位计以及第二级全通滤波器中的数字电位计的移相控制脉冲个数，移相控制脉冲个数控制可调移相器产生的对应频率分段的移相值。

振动台反馈信号输入可调移相器，可调移相器的输出端与可调放大器的输入端相连。或者，振动台反馈信号输入可调放大器，可调放大器的输出端与可调移相器的输入端相连。

可调放大器由同相比例放大电路和分压电位计串联形成，可调放大器的不同频率段的放大倍数确定步骤如下：

1)、在工作频率范围内，对振动台输入不同频率的激励信号，并构建负反馈控制系统。在不同频率下，对反馈信号幅值施加不同的增益，并检测对应频率、对应反馈信号增益条件下振动台输出信号的精度特性，依据满足振动台精度要求的反馈信号增益可以得到反馈信号在不同频率下所需的增益。将振动台的工作频率范围分为(k′-1)段，表示为：

fm≤f<fm+1,m＝1,2,3,...k′-1；

2)、依次对每一个频率分段，取当前频率分段中、各频率的增益的平均值作为当前频率分段的放大倍数值pm；

3)、对每个频段的增益表示为：

其中，R6是同向比例放大电路中的反馈电阻的电阻值，R7是分压电位计的总电阻值，R7w是分压电位计的分压阻值；

4)、确定同相比例放大电路的固定电阻的阻值R5，判断当前频率分段是需要将信号放大还是信号衰减，当需要将信号进行放大时取 R7w＝R7，求得R6；以R6值和R7w作为参考、计算得到需要输入同向比例放大电路中反馈电阻的调幅控制脉冲个数和分压电位计的调幅控制脉冲个数，从而控制可调放大器实现对应频段的反馈信号幅值的调整；

当需要将信号衰减时取R6＝0，求得所需的R7w；以R6值和R7w作为参考计算得到需要输入同向比例放大电路中反馈电阻的调幅控制脉冲个数和分压电位计的调幅控制脉冲个数，从而控制可调放大器实现对应频段的反馈信号幅值的调整。

实施例2

参见图1、图2，在实施例1中，基于感应线圈反馈控制的低频电磁振动台系统，低频电磁振动台系统包括信号发生器，速度反馈控制装置，功率放大器和低频电磁振动台；低频振动台的动圈上具有驱动线圈和感应线圈。

所述驱动线圈与感应线圈共同缠绕于振动台运动部件1的同一绕线槽内，也可以是感应线圈与驱动线圈并排缠绕在振动台运动部件的不同绕线槽内，并保证感应线圈与驱动线圈同轴，且处于均匀气隙磁场之中。速度反馈控制装置包括反馈部和控制部，感应线圈的感应电压输入反馈部，信号发生器输出的系统输入信号和反馈部输出的系统反馈信号ufb分别输入控制部，控制部用系统输入信号和系统反馈信号ufb形成控制信号输入驱动线圈。所述感应线圈的直径远远小于驱动线圈的直径，从而增加了感应线圈的匝数及总长度，提高了感应线圈产生的感应电压的信噪比。感应线圈与分压单元并联，分压单元的分压电压输入反馈部，分压单元的输入阻抗接近无穷大。分压单元用于提取感应线圈两端产生的感应电压，并通过信号修正模块对其进行处理，得到振动台的速度信号uo。分压电阻接近无穷大，避免感应线圈内出现寄生电流，使驱动线圈内不耦合寄生电流，从而使流过感应线圈的感应电流尽可能接近0，避免了感应线圈的引入对驱动线圈中电流的干扰。

基于感应线圈检测低频电磁振动台输出振动速度的原理为：

对于常规低频电磁振动台，驱动线圈(线圈长度为ld)可以简化为电阻Rd与电感Ld串联结构。当向驱动线圈两端施加正弦施加电压 ui，驱动线圈上会产生正弦电流id，在振动台磁路结构产生的均匀气隙磁场(磁感应强度为B)的作用下，驱动线圈受到正弦安培力的作用而产生正弦振动。由于驱动线圈与振动台运动部件固定安装，所以振动台运动部件输出振动信号。考虑到电磁振动台是典型的机电耦合系统，当振动台运动部件输出振动时，驱动线圈产生与振动速度(x 为振动台运动部件的位移，为x的一阶导数)成正比的感应电动势

同理，感应线圈(长度为ls)也可以简化为电阻Rs与电感Ls串联结构。考虑到感应线圈与驱动线圈同轴安装，当振动台运动部件输出振动时，感应线圈也产生与振动速度成正比的感应电动势

根据稳态磁路耦合原理，可以假设感应线圈12与驱动线圈11通过互感M相互耦合。进一步，振动台运动部件1的振动过程可以简化为质量-弹簧-阻尼系统单自由度振动，m、k、c分别为等效质量、等效刚度及等效阻尼，如图3所示，得到整体的机电耦合关系为

式中，us为感应线圈12两端产生的感应电压，is为流过感应线圈12 的感应电流，t为某一时间瞬时，和分别为x的一阶导数和二阶导数。所述的分压单元具有极大的阻抗，从而使流过感应线圈12的感应电流is的幅值尽可能接近0，可以认为is≈0，进一步，当振动频率 f较低时，有dis/dt＝2πfis≈0，避免了感应线圈12的引入对振动台运动部件1输出振动的干扰。因此，式(1)可以进一步简化为

基于(2)中的第1式和第3式可以计算得到振动台输入电压ui与输出振动速度之间的传递函数Gvi为

式中，X(s)、Ui(s)分别为x、ui的拉普拉斯变换。此外基于式(2) 还可以求得输入电压ui与感应电压us之间的传递函数为

式中，Us(s)为us的拉普拉斯变换。比较式(3)与式(4)可得

令

为信号修正单元的传递函数，则根据式(5)可由感应线圈输出电压得到振动台输出速度信号。又由式(6)可见，该信号修正单元为一个二阶系统，容易通过模拟电路或者数字信号处理单元实现。感应电压经具有式(6)所示传递函数的信号修正模块处理后与振动台速度成正比，实现了振动台速度信号uo的提取。在本实用新型中，低频电磁振动台振动速度检测装置不用与振动台驱动线圈串接纯电阻及构建复杂电路系统，避免了对系统参数的复杂调整过程，进一步简化了系统结构并降低了振动速度的检测难度。

如图1所示，速度反馈控制装置的反馈部包含信号修正模块，反馈信号调节模块，和滤波器；控制部包含减法器J1和比例调节器，感应线圈的感应电压经分压后输入信号修正模块、获得修正信号，修正信号输入反馈信号调节模块，反馈信号调节模块将修正信号依次进行分频段的相位补偿和幅值调整、形成系统反馈信号ufb，系统反馈信号ufb经滤波器作为减数输入减法器J1，信号发生器输出的信号作为被减数输入减法器J1，减法器J1的输出信号进入比例调节器，比例调节器的输出信号作为低频台的控制信号。当低频电磁振动台运动部件输出振动信号时，感应线圈两端产生感应电压，该感应电压经信号修正模块处理后与低频电磁振动台运动部件的振动速度成正比，通过对信号修正模块输出电压的提取实现对运动部件输出振动速度的检测。

如图3所示，反馈信号调节模块包含频率检测单元和可调移相器；频率检测单元由依次连接的比较器，计数器和频率控制器组成，系统输入信号和参考输入信号共同输入比较器，比较器输出由系统输入信号和参考输入信号形成的方波信号，方波信号与数字时钟脉冲信号共同输入计数器，计数器输出系统输入信号周期数Nf和数字时钟脉冲信号的周期数Ns，频率控制器计算获得系统输入信号的频率值ff，其中fs表示数字时钟脉冲信号的频率值；移相控制脉冲输入可调移相器。计数器与频率控制器通过基于FPGA或DSP构建的数字信号处理单元实现。

参见图2和图3，可调移相器由两级全通滤波器串联形成，所述可调移相器由两级全通滤波电路串联而成，第一级全通滤波电路中滤波电阻(滤波电阻指起滤波作用的RC电路中的电阻)为第一数字电位计，电阻值表示为R2，第二级全通滤波电路中滤波电阻为第二数字电位计，电阻值表示为R3，第一数字电位计以及第二数字电位计均为可调数字电位计，频率检测单元根据系统输入信号的频率值ff输出移相控制脉冲，输出相应个数的移相控制脉冲控制第一数字电位计以及第二数字电位计输出对应的电阻值，可以对输入可调移相器的信号实现0～360°移相。可调移相器在不同频率段的移相值确定步骤如下：

S1：在工作频率范围内，对振动台输入不同频率的激励信号，并构建负反馈控制系统。在不同频率下，对反馈信号进行不同相位调整，并检测对应频率、对应反馈信号相位条件下振动台输出信号的精度特性，依据满足振动台精度要求的反馈信号相位可以得到反馈信号在不同频率下所需的移相值。将振动台的工作频率范围分为k-1段，表示为fn≤f<fn+1,n＝1,2,3,...k-1，分段的标准为在本分段内的修正信号的移相值相同；此处的移相值相同指的是该频率分段内、每个频率的移相值之间的差在允许的偏差范围内；

S2：依次对每一个频率分段，取该频率分段中、各频率的移相值的平均值作为该频率分段的移相值以作为fn频率分段的可调移相器的移相值；

S3：对fn频率分段的移相值表达为：

；其中：R2为第一级全通滤波器中的数字电位计的电阻值，R3为第二级全通滤波器中的数字电位计的电阻值；

S4：令R2＝R3并结合步骤S2和S3，求得各频率分段所对应的R2、 R3值，对每一个频率分段、以R2、R3值作为参考计算得到需要输入第一级全通滤波器中的数字电位计以及第二级全通滤波器中的数字电位计的移相控制脉冲个数，控制可调移相器产生的对应频率分段的移相值。

频率检测单元依据检测得到的系统输入信号频率值输出对应个数的调幅控制脉冲控制第三数字电位计和第四数字电位计输出对应电阻值，实现对输入可调放大器信号幅值的调整。计数器输出系统输入信号周期数Nf和数字时钟脉冲信号的周期数Ns，频率控制器计算获得系统输入信号的频率值其中fs表示数字时钟脉冲信号的频率值，频率控制器输出调幅控制脉冲；调幅控制脉冲输入可调放大器。可调放大器由同相比例放大电路和分压电位计串联形成，可调放大器的不同频率段的放大倍数确定步骤如下：

1)、在工作频率范围内，对振动台输入不同频率的激励信号，并构建负反馈控制系统。在不同频率下，对反馈信号幅值施加不同的增益，并检测对应频率、对应反馈信号增益条件下振动台输出信号的精度特性，依据满足振动台精度要求的反馈信号增益可以得到反馈信号在不同频率下所需的增益。将振动台的工作频率范围分为(k′-1)段，表示为：

fm≤f<fm+1,m＝1,2,3,...k′-1；

2)、依次对每一个频率分段，取当前频率分段中、各频率的增益的平均值作为当前频率分段的放大倍数值pm；

3)、对每个频段的增益表示为：

其中，R6是同向比例放大电路中的反馈电阻的电阻值，R7是分压电位计的总电阻值，R7w是分压电位计的分压阻值；

4)、选取R5为固定值，判断当前频率分段是需要将信号放大还是信号衰减，当需要将信号进行放大时取R7w＝R7，求得R6；以R6值和 R7w作为参考、计算得到需要输入同向比例放大电路中反馈电阻的调幅控制脉冲个数和分压电位计的调幅控制脉冲个数，从而控制可调放大器实现对应频段的反馈信号幅值的调整；

当需要将信号衰减时取R6＝0，求得所需的R7w；以R6值和R7w作为参考计算得到需要输入同向比例放大电路中反馈电阻的调幅控制脉冲个数和分压电位计的调幅控制脉冲个数，从而控制可调放大器实现对应频段的反馈信号幅值的调整。

在一个实施例中，修正信号输入可调移相器，可调移相器的输出端与可调放大器的输入端相连。

在另一个实施例中，修正信号输入可调放大器，可调放大器的输出端与可调移相器的输入端相连。

本实用新型提出的反馈信号调节模块可以分频段对振动台控制系统反馈信号进行自适应调整，使反馈信号具有满足负反馈控制系统需要的幅值和相位。基于此装置调节过的信号作为反馈信号与来自信号发生器的输入信号求差得到偏差信号，该偏差信号只需经过比例放大环节即可输入功率放大器，驱动振动台输出经过精确负反馈控制的振动信号。基于此构建的控制系统可以进一步提高对振动台输出波形精度的负反馈控制效果，降低了反馈控制器搭建及参数调节难度。

所述速度反馈控制装置还包括比例调节器，所述比例调节器设置在减法器与功率放大器之间。

本实用新型的工作原理为：通过在运动部件处于均匀磁场中的部分上缠绕感应线圈检测振动台在低频段的输出振动速度，并基于此构建了速度反馈控制装置，该装置可以分频段对检测得到的振动台运动信号的幅值及相位进行调整，调节过的信号与输入信号求差后得到偏差信号，该偏差信号只需经过比例放大环节即可输入功率放大器，驱动振动台输出经过精确负反馈控制的振动信号。因此，本实用新型提出的低频电磁振动台控制系统具有简化的速度检测装置，进一步提高了对低频电磁振动台输出波形精度的负反馈控制效果，并降低了反馈控制器搭建以及参数调整的难度。

具体实施例是对本实用新型进行进一步说明，但本实用新型的并不局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本实用新型涵盖了所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。