电动振动台总体及电气部分设计.doc

盐城工学院本科生毕业设计说明书 2011 目目 录录 1 绪论 .1 1.1 引言 .1 1.2 课题来源 .1 1.3 振动台的分类及国内外发展现状 .2 1.3.1 振动台的分类 .2 1.3.2 振动台的主要用途 .2 1.3.3 国内外发展现状 .3 2 电动振动台的相关特性 .4 2.1 电动振动台概述 .4 2.1.1 振动试验的目的 .4 2.1.2 电动振动台工作原理 .5 2.2 振动台的部件及工作特性 .6 2.2.1 电动振动台台体 .6 2.2.2 驱动线圈的阻抗特性 .6 2.2.3 动圈结构 .7 2.2.4 金属绕线壁筒对性能的影响 .7 2.2.5 磁路系统 .7 2.2.6 悬挂装置与导向装置 .8 2.2.7 冷却装置 .9 2.2.8 振动台台体的隔振方法 .10 2.3 振动台的选型 .10 2.3.1 选型前的准备 .10 2.3.2 振动台类别的选择 .11 2.3.3 电动振动台的选型 .11 3 电动振动台控制系统设计 .13 3.3 电气控制系统设计 .13 3.1.1 变频部分设计 .13 3.1.2 控制仪的选用 .13 3.1.3 功率放大器设计 .15 4 总结 .18 参考文献 .19 致 谢 .20 附 录 .21 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2011 1 1 绪论绪论 1.1 引言 在车辆、航空、航天等工程领域，产品在使用过程中都存在于一定的振动环境 中。振动引起的破坏是其服役过程中发生故障的主要因素之一，许多机载设备的故 障都与振动直接或者间接的有关。许多国家都投入了大量的人力和物力研究模拟各 种产品在在使用该过程中的振动问题。振动环境的研究已经日益引起人们的重视， 成为产品进行动态设计必不可少的重要环节。 振动试验的目的在于确定所设计、制造的机器、构件在运输和使用过程中承受 外来振动台或者自身产生的振动而不到破坏，并发挥其性能、达到能预定寿命的可 靠性。随着对产品，尤其是航空航天产品可靠性要求的提高，作为可靠性试验关键 设备的振动试验系统的发展显得越来越重要。振动台可以用于加速度计的校准，也 可用于电声器件的振动性能测和其耸的振动试验。对于不同的测试物和技术指标， 应注意选用不同结构和激励范围的振动台。 图 1 电动振动台外形图 1.2 课题来源 本课题来源于苏州试验仪器总厂，该厂生产的振动试验台市场占有率较高，为 了进一步提高振动试验台的质量，导向机构的设计极为重要。设计的振动试验台要 求结构简单、工作可靠、维修方便。运动能满足振动试验台的要求（尺寸、质量、 频率等要求） 。电动振动台外形图可参见图 1。 课题研究的主要内容： 1. 设计电动振动台的总体方案。根据电动振动台的设计要求设计电动振动台 结构，主要包括运动部件的设计； 2. 设计电动振动台的控制系统；设计电动振动台的控制过程； 3. 绘制电动振动台电气原理图； VE-1031 型电动振动台总体及电气部分设计 2 4. 绘制功率放大器原理图及接线图。 1.3 振动台的分类及国内外发展现状 1.3.1 振动台的分类振动台的分类 能够在实验室中人为地产生各种振动的设备称之为振动台(或激振器)。 振动台的分类： 按能量获得的形式分：电动式振动台，机械式振动台，液压式振动台 按模拟等效振动条件分：正弦形式振动台，随机形式振动台 按振动的轴向力分：单向振动台和多向振动台 如前所述，振动台按其能量获得的形式分电动式、机械式、液压式三种。由于 工作原理不同，结构不一样，因为他们都具有各自的特点，现列表如下: 项目类别电动振动台液压振动台机械振动台 频率范围几 Hz-几 KHz0-几百 Hz5-80Hz 激 振 力较大大大 位 移一般大较小 波 形好较好较差 负载能力较小大较大 控 制方便较方便不方便 造 价贵贵低廉 可见： 电动振动台的特点是：频率高，波形好，控制方便，单负载能力较小。它适用 于航空、航天、电子仪器、仪表、汽车零部件等行业进 行零部件动态分析及环境振动试验等。 液压振动台的特点是：超低频，大激振力，负载能力强。它适用于船舶、机车 车辆、汽车行业等要求频率低，而体积较大、较重的部 件或整机进行可靠性试验。 机械振动台的特点是：低频率，大负载，波形差但价格低廉。它适用于家电、 仪器仪表行业进行耐振疲劳等可靠性试验。 了解上述振动台的特点是很重要的，它将帮助人们在考虑购买使用振动台时作 出合适的选择。 1.3.2 振动台的主要用途振动台的主要用途 振动台的用途很广泛，但归结起来大致有以下几个方面。 (1) 产品、构件、材料的耐振疲劳试验； (2) 环境例行振动试验：包括检测产品或构件的共振频率，模拟产品或构件 在实际使用中遭受的振动，以便提高其可靠性； (3) 动态特性试验：测试构件或材料对振动的物理效应(如应力变化等)为设 计提供可靠数据； 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2011 3 (4) 对各类传感器(例如加速度计、速度计、位移计等)进行标定，当然振动 台的用途远不止这些，例如利用振动也可对大型铸件和大件消除应力代 替回火和时效处理等。 1.3.3 国内外发展现状国内外发展现状 振动试验的目的在于确定所设计、制造的机器、构件在运输和使用过程中承受 外来振动或者自身产生的振动而不至破坏，并发挥其性能、达到预定寿命的可靠性。 随着对产品，尤其是航空航天产品可靠性要求的提高，作为可靠性试验关键设备的 振动试验系统的发展显得越来越重要。60 年代，702 所为满足航天产品振动试验的 需要，开始了振动试验系统的研制，包括推力 10N 至 100kN 的振动台及各种振动测 量仪表和传感器。目前，702 所的振动试验设备不仅在航天领域而且在其他行业发 挥着作用，成为该所的一项重要民品。用于振动试验的振动台系统从其激振方式上 可分为三类：机械式振动台、电液式振动台和电动式振动台。从振动台的激振方向， 即工作台面的运动轨迹来分，可分为单向(单自由度)和多向(多自由度)振动台系统。 从振动台的功能来分，可分为单一的正弦振动试验台和可完成正弦、随机、正弦加 随机等振动试验和冲击试验的振动台系统。以下对各种振动台，主要对电动振动台， 及其辅助设备的结构、性能和成本的现状及发展等进行简单的论述。功率放大器发 展到现在已经历了三代，从电子管放大器到晶体管线性放大器再到数字式开关放大 器。电子管放大器在新生产的设备中已基本不用，开关式放大器是近几年国外开发 出来的，它利用了晶体管的开关特性，管耗很小，效率可高达 90%，而普通的线性 放大器的效率只有 50%左右。正是由于开关放大器本身发热少，它的冷却就非常简 单，输出功率几十千伏安的放大器仅用很小的轴流风机就可以冷却下来，使设备的 结构简单可靠。而同样的线性放大器必须要用水来冷却，结构复杂。开关式放大器 在低功率输出时失真度相对较大，而且机壳需要较好的电磁屏蔽，否则会对周围设 备造成电磁干扰。 电动振动台的技术指标有：额定正弦推力、随机推力有效值、工作频率范围、 最大加速度、最大速度、最大位移、运动部件有效质量、工作台面允许直接承载质 量、工作台面允许偏载力矩、杂散磁场、加速度波形失真度、工作台面加速度均匀 度及横向振动比等。振动台的推力是指其运动部分的质量与在该质量下能达到的加 速度的乘积，而不是指试件的重量。 VE-1031 型电动振动台总体及电气部分设计 4 2 电动振动台的相关特性电动振动台的相关特性 2.1 电动振动台概述 2.1.1 振动试验的目的振动试验的目的 振动现象对产品的主要影响包括 (1) 结构性损坏：这种破坏包括组成产品的各构件产生变形、弯曲裂纹、断 裂以及疲劳损坏等； (2) 工作性能失灵：这种破坏一般指在振动的影响下，系统造成不稳定性能 越差，有些系统甚至不能正常工作； (3) 工艺性能破坏：这种破坏一般指产品的连接件松动，焊点脱焊，螺钉松 动，印刷板插脚接触不良等。 无论哪种破坏都将导致产品的工作不稳定，甚至损坏。为了提高产品的可靠性 需要通过振动试验来暴露产品的薄弱环节，改进产品设计，使产品在运输使用过程 中不出或者少出故障。这是振动试验的最终目的。目前在实验室中进行振动试验的 形式最常用的是正弦试验和随机振动试验。 图 2 电动振动台结构图 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2011 5 2.1.2 电动振动台工作原理电动振动台工作原理 电动振动台工作原理与普通收音机中喇叭的工作原理是一样的。即载流导体在 强大的磁场中受电磁力的作用而运动。电动振动台除了振动台本体以外，还需要配 套的电器设备和电子仪器。电动台主要由三个部分组成，如图 2 所示。(1)不动部 分圆筒形的磁缸、励磁线圈以及支座，支座用来安装其他不动部分的部件。(2)运 动部分动圈，台面和 U 形悬挂弹簧，动圈位于气隙之中。(3)气隙中心磁 极和极板之间的间隙。气隙虽然很小，但是起了很重要的作用，它把电器系统和机 械系统耦合起来了。 配套设备包括信号发生器、功率放大器、直流励磁电源、冷却系统以及其他必 要的测量和控制系统。 图 3 是电动振动台试验系统图。 图 3 电动振动台试验系统图 由控制仪提供的正弦(或随机)随机信号经功率放大器放大后送入装有励磁磁场 的振动试验台体中产生的电磁力 F 为： F=BIL 式中，B-励磁电流在台体中建立的气隙磁通 I-功率放大器提供的电流 L-安置在气隙磁场中的动圈线的有效长度 由上式可知，振动台的激振力大小取决于 B、I、L 三个参数，当振动台设计定 型后，B、L 即为常数： 有 F=CI 显然，要增大激振力，即要增加功率放大器输出电流(或功率)的大小。为了表 VE-1031 型电动振动台总体及电气部分设计 6 明电动振动台系统由功率转化为激振力的能力，人们常用力常数(C)来表达。力常 数定义为每产生一公斤激振力所需的功率放大器的瓦数称振动台的力常数。 2.2 振动台的部件及工作特性 2.2.1 电动振动台台体电动振动台台体 电动振动台台体是一种基于电磁感应原理的试验设备。其工作原理为：电动振 动台励磁线圈中通入直流电以产生恒定的磁场，动圈绕线置于此恒定磁场的空气气 隙当中，并通以交变大电流，流经位于恒定磁场中的动圈绕线的交变大电流产生方 向交变的感应电动力，从而驱使动圈往复运动。电动振动台主要结构如下图 4 所示。 图 4 电动振动台结构原理图 电动振动台主要由运动部件和非运动部件组成。其中运动部件由台面和驱动线 圈组成，是电动振动台的关键部分，在很大程度上决定了振动台的性能。运动部件 中驱动线圈的阻抗特性，直接关系到振动台与功率放大器的匹配。因此，阻抗特性 是设计中的重要问题之一。 2.2.2 驱动线圈的阻抗特性驱动线圈的阻抗特性 驱动线圈输入端地阻抗由两部分组成。一部分是驱动线圈包括短路铜环的阻抗， 这部分阻抗完全决定于电路参数，而不管运动部件是否运动，因此，它是在静止状 态下测得阻抗，称为电路阻抗。另一部分是由于运动部件的运动在驱动线圈中产生 反电势所表现出阻抗，可称为运动阻抗或机械反射阻抗。 在计算电路阻抗和运动阻抗的过程中，还应该考虑动圈周围其他金属件，例如 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2011 7 金属绕线骨架等由于电磁感应产生的阻尼作用以及非线性的影响。另外，在实际计 算中，还要考虑发热对阻抗值的影响。 2.2.3 动圈结构动圈结构 动圈由工作台面、动圈骨架、动圈绕线以及台面螺钉等组成。台面的结构特征 主要由动圈骨架决定，依据骨架的不同可分为以下几类： (1) 无骨架式动圈：此型动圈的工作台面和骨架设计为一体，具有较强的连接 刚度，工作共振点高，但难以绕线与固封。 (2) 组合式动圈：工作台面和绕线骨架采用不同的材料制成，并用螺钉将其连 接在一起。此类动圈结构便于绕线，但连接刚度较差，容易产生耦合共振，使得一 阶轴向谐振频率受限。 (3) 简约式动圈：此型动圈将绕线部位加工成螺旋型的小槽，槽内填入绝缘材 料，外部用绝缘材料进行固封而成。它的质量重、谐振频率低，目前很少使用。 标定振动台时，对线圈结构的各个部分都有一定的要求：动圈骨架要有良好的 传力性能并无内部模态共振，动圈绕线牢固、可靠，不允许出现绕线的松落、断层 等现象，动圈表面不能产生表面膜片化。 2.2.4 金属绕线壁筒对性能的影响金属绕线壁筒对性能的影响 驱动线圈的绕线筒(骨架)可分为金属和非金属的两类(无骨架线圈可以看作是 具有极薄的非金属绕线壁筒)。前者普遍用于各种类型的振动台中，而后者只用于 中小型振动台中。 金属绕线壁筒对振动台性能的影响：可以把金属绕线壁筒看成是一个与驱动线 圈并绕在一起的短路环，当驱动线圈通过电流时，金属绕线壁筒由于感应产生涡流。 这个涡流的方向与驱动电流的方向相反，这对振动台的性能产生如下影响：第一， 减小了激振力，因为涡流产生的力与线圈驱动力相反，而绕线壁筒是与驱动线圈刚 性地连接在一起的，所以，这两种力必然要消耗掉一部分，造成激振力的很大损失； 第二是发热，涡流在金属绕线壁筒中产生热量，使动圈的冷却增加了困难；第三， 降低了动圈的阻抗，这个影响是有利的。 2.2.5 磁路系统磁路系统 磁路系统由励磁线圈(或永久磁铁)、中心磁极、磁缸环、瓷缸盖、瓷缸底、消 磁线圈、短路环以及其他辅助装置组成，其主要作用是为电动振动台台体提供恒定 磁场。磁场可通过电磁场和永久磁场来产生，对于大推力的台体，一般采用电磁方 式来产生恒定磁场。电动振动台台体的磁路主要有以下两种结构形式： (1) 单磁路结构：单磁路结构由一层励磁线圈与中心磁极构成，具体结构可参 见图 5。单磁路形式结构简单、价格低廉、便于制造，但磁场均匀性较差，台体漏 磁较大。 VE-1031 型电动振动台总体及电气部分设计 8 图 5 单磁路机构示意图 (2) 双磁路结构：双磁路结构复杂、制造困难、成本高。但它有着单磁路无法 比拟的优点：磁场分布均匀、台面漏磁小、磁场空气气隙较长。对于有大位移要求 的电动振动台，一般采用这种结构。其结构如图 6 所示。 磁路系统中，短路环也是重要的组成部分，一般用高导电率材料制成，目前大 多制造厂商都采用铜。短路环安装在瓷缸环内侧中部，它对电动振动台的性能的优 劣也有一定的影响，具体如下： (1) 短路环可以改变整个此路系统的等效阻抗，提高输入电流，从而提高振动 振动台的最大推力。 (2) 短路环的存在可以拓展电动振动台的频率范围。 (3) 设计短路环可以增大电动振动台的振幅，减小台体的非线性失真。 图 6 双磁路结构示意图 然而，短路环的存在也带来了不可避免的问题，其产生的电涡流使得台体的热 量增加，冷却难度增大，同时也提高了电动振动台的制造成本和加工难度。 在动线圈所在的空气气隙中，磁场强度越大越有利。然而，动圈台面周围是试 验产品所安装的区域，某些试件由于有防磁的要求，故该区域的磁场强度应控制在 一定的范围以内。因此，选择合理的位置安放消磁线圈，将漏磁降低到最小，是一 般台体必须要求解决的问题。试验系统励磁装置处于工作状态时，距台面安装螺孔 的最大分布圆直径 1/4 高度处地整个台面上，漏磁要满足出场的技术要求。 2.2.6 悬挂装置与导向装置悬挂装置与导向装置 悬挂装置的作用是将运动部件柔性地悬挂在气隙磁场中。无驱动信号时，悬挂 装置使运动部件处于平衡位置。由于它具有弹性，通常称为悬挂弹簧。对悬挂弹簧 的要求主要是：悬挂弹簧的载荷变位特性的线性度好，滞后尽可能小，特别是 在大位移的情况下，线性度要求更高，以减小台面的加速度波形失真；在保证承 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2011 9 载能力的前提下，刚度尽可能低，以改善振动台低频加速度波形失真；有尽可能 高的横向和扭转刚度，以减小部件的横向运动；具有高的耐疲劳性能，保证长期 工作的可靠。上述的要求是互相制约的，同时满足这些要求是十分困难的，因此设 计上只是折中方案。在现有的电动振动台中，以 U 形弹簧的应用最为普遍。 图 7 悬挂支承及导向装置结构简图 导向装置用于保证运动部件的运动方向，减小横向运动和扭转，避免运动部件 与磁极摩擦。虽然上述的悬挂装置中有很多都具有这种功能，但为了进一步增强对 径向运动和扭转的限制，还要采用导向装置。常用的导向装置有滚珠轴承、直线轴 承、滚轮等。VE-1031 型电动振动台运用滚轮装置保证导向。有关悬挂支承及导向 装置的结构示意如上图 7 所示。 2.2.7 冷却装置冷却装置 产生热量的部件是驱动线圈、励磁线圈、消磁线圈及短路环等。它们产生的热 量必须消散，否则会烧坏部件。振动台的额定激振力直接与冷却的效率有关。冷却 的方法有自然冷却和强制冷却。强制冷却又有风冷和液冷(水冷或油冷)之分。小型 振动台一般采用自然冷却。中型的振动台一般采用风冷，大型的振动台采用液冷。 VE-1031 型电动振动台属于风冷系列，以下主要对风冷部分进行分析。 用风机强制空气流过振动台的发热部件，带走热量。其方法有下列几种：(1) 顶部吹入和底部排出；(2)底部吹入和顶部排出；(3)顶部抽出和底部自由进入；(4)底 部抽出和顶部自由进入。 鼓风与抽风之间的主要区别是，在鼓入空气的过程中，鼓风机做功，空气被加 温，另外，从鼓风机来的气流有较大的扰动。在前述的四种方法中，第一种方法具 有增加台面下方正压力的优点，有利试件的支承。但另一方面，当振动台在低频大 位移下工作时，限制了台面下空气的自由运动，产生抽吸效应，运动受到阻碍，引 起风量损失和波形失真。第二种方法减弱了大位移时台面下的抽吸效应，但是冷却 气流首先被风机加热，然后又被励磁线圈加热，再进入关键的冷却区域，这是很不 VE-1031 型电动振动台总体及电气部分设计 10 合理的。第三种方法最差，很少采用。第四种方法是最好的方法，大位移的空气流 可以自由进出，而且无风机加热和扰动的影响，空气首先通过最需要冷却的工作气 隙，所以风冷振动台大多使用这个冷却方法。 2.2.8 振动台台体的隔振方法振动台台体的隔振方法 动圈在振动过程中，激振力一定要传到振动台的安装基础上，为了避免基础的 振动对振动台工作性能的影响，基础必须具有相当大的反作用质量和刚度。另一方 面，为了避免基础的振动传递到房屋建筑结构上，这种安装基础必须是抗震地基， 因此，在使用振动台特别是大型振动台时，要充分考虑对安装地基的要求。一般来 说，建筑这类地基要花很多的费用，但在新型的电动振动台中，常在支承台体的耳 轴上装设隔振装置，在一定的程度上避免了激振力传到基础上，因而可不采用抗震 地基。常用的隔振方法有两种，一种是在耳轴上装设空气弹簧，另一种方法是在支 座底下装设空气弹簧，分别如图 8 和图 9 所示。图中，空气弹簧是减振元件，直线 轴承是导向元件，用于保证运动方向。 图 8 耳轴空气弹簧隔振装置 图 9 隔振支座 2.3 振动台的选型 2.3.1 选型前的准备选型前的准备 在着手选型前，用户必须对被试产品的外形、重量以及试验规范有充分的了解， 他们包括： (1) 试验件的重量 M 与体积大小及相应的夹具(如果需要的话)的重量 m； (2) 试验频率范围，是否要扫频； (3) 试验参数(试验规范)如加速度幅值 a(或速度、位移)的大小； (4) 苏州试验仪器总厂的产品样本。 2.3.2 振动台类别的选择振动台类别的选择 (1) 使用频率从几 Hz 到几百乃至几千 Hz、试件重量几 Kg 到几百 Kg，需要进 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2011 11 行定频扫频(定加速度、定速度、定位移)且要求波形较好，原则上需选用电动式振 动台； (2) 使用频率 1Hz(乃至 1Hz 以下)至 200Hz，试件重量较重(为 500Kg 以上)尺 寸较大，但试验加速度值较小(一般 10-50m/s2)一般选用液压式振动台； (3) 使用频率 50Hz 到 80Hz，试件重量几 Kg 至几百 Kg，仅要求定频试验(如一 般疲劳试验)或定位试验可选用机械式振动台。 2.3.3 电动振动台的选型电动振动台的选型 1. 确定激振力的大小 由于电动振动台的主要参数是以激振力的大小命名与排序的，根据已知的参数 M,M1,a 利用 F=(M+M1+m)a 计算出激振力的大小，并加 30%浴量，便能确定在加速度区域所需激振力的大 小，并以此作为选定相应型号的依据，这里的 M 是试件的重量，M1 是夹具的重量， m 是振动台的可动系统重量，可以从苏州试验仪器总厂的产品样本中找到。对不同 型号，其值是不同的。 2. 试验样本提供的速度幅值和位移值能否满足试验要求 如前所述，振动台的工作特性曲线分位移区域和加速度区域，在激振力不变的 情况下，随着负载的增大，振动台给出的加速度幅值将相应的减小，但振动台能达 到的最大速度和最大位移是不随着负载大小变化而变化的，也就是说固定的。 3. 附加台面的选择 振动台的台面尺寸是比较小的，当被试验品(或夹具)的长、宽尺寸大于振动台 面最大螺孔直径时，就应考虑配置相应的附加台面。而附加台面的上限工作频率一 般比振动台的上限工作频率低。因此当采用附加台面时，一般情况下，应视附加台 面的上限工作频率即为振动台的最高上限频率。同时在计算激振力大小时，其质量 除考虑系统可动部分质量、试件质量、夹具质量外还应追加台面的质量。这一点在 选型时容易被忽视。 4. 其他方面考虑 甲，当试验规范只要作正弦定频或扫频定振时，配苏州试验仪器总厂生产的 KD-3 正弦振动控制仪即可，而当规范要求作随机(或兼正弦振动)时，则应配置该厂 生产的 RC-1140 或 COMET 随机振动控制仪。 乙，当试验规范仅要求垂直方向振动时，只需一般的电动振动台，而当要求作 水平方向振动时，除购买电动振动台外，还需配置该厂生产的相应水平滑台。(其 选型方法与电动台类同，不再重复) 丙，当试验工作频率大于 5Hz 至上限工作频率时，可选用通用型电动振动台， 而当试验工作频率小于 5Hz 时，必须选用低频运输试验型电动振动台。 综上所述，根据相关的技术参数为 VE-1031 型电动振动台的选型如下： 主要技术指标为： 频率范围：5-3000Hz VE-1031 型电动振动台总体及电气部分设计 12 额定正弦推力：9.8KN 最大加速度：1020m/s2 最大速度：2m/s 最大位移 51mm 最大载荷：140kg 通过查阅【开关功放型系列电动振动台主要技术指标】 ，发现 DC-1000-13 的技 术指标正好符合设计需求，因此可以以 DC-1000-13 为基础来设计 VE-1031 型电动 振动台，台体相应的尺寸都以 DC-1000 的作为依据进行创建。(详细的装备图和零 件图请参见附件) DC-1000-13 的系统指标DC-1000 振动台台体技术参数 振动频率范围 Hz5-3000运动部件质量 Kg9.5 额定正弦推力 kN9.8台面尺寸 mm200 额定随机推力 kNrms9.8容许偏心力矩 Nm392 最大加速度 m/s21020外形 WHD mm920785610 最大速度 m/s2.00台体重量 Kg950 最大位移 mmp-p51 最大载荷 Kg140 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2011 13 3 电动振动台控制系统设计电动振动台控制系统设计 3.1 电气控制系统设计 电动振动台除了主体的机械台体部分，还有一个很重要的部分电气控制系统。 这部分是整个系统的核心，从这里发出指令来驱使台体部分的运动。因此，电气控 制系统的设计的合理性是振动台设计合格的标准之一。电气控制系统主要包括变频 系统、控制仪和功率放大器。下面会对这三个部分作一一的介绍。 3.1.1 变频部分的设计变频部分的设计 为了方便调节输入电流的大小以及频率，本次设计采用了 AT89C51 单片机作为 变频控制部分的发生器，手动地调节频率的大小，改变输入振动台中电流的大小， 从而改变激振力的大小。下图 10 是 AT89C51 芯片的外形结构和引脚分布图。 图 10 AT89C51 芯片外形结构和引脚分布图 3.1.2 控制仪的选用控制仪的选用 控制系统中功率放大器所需的激励信号是由振动控制仪所提供的，它可以产生 各种振动试验要求的激励信号，并能够按照试验规范和相关国家标准调节振动参数 和振动量级。一般的振动控制仪可提供正弦信号、随机信号、正弦加随机信号、随 机加随机等振动试验信号。振动控制仪是为振动台和试件提供动力学补偿，产生所 需电信号的装置。振动控制仪质量的优劣直接影响到振动波形的好坏。 本次设计选用了苏州试验仪器总厂的 RC-2000 数字式振动控制仪。RC-2000 控 VE-1031 型电动振动台总体及电气部分设计 14 制仪性价比高、可靠性高、控制精度高、动态范围宽、完善的自动安全检测与保护 功能和试验安全性高等优点。 RC-2000 数字式振动控制仪：采用国际上最先进的分布式系统机构体系，32 位 浮点 DSP 处理器。24 位 A/D、D/A 高分辨率以及自适应控制算法，将振动控制系统 技术性能提高到一个新的水平。4 到 8 个输入通道同步采样，所有通道可用于多点 控制和幅值限位控制，手动紧急中断，完备的开环检测、过载检查、中断容差带检 查等自检功能，确保试验设备的安全。多种控制功能可供选择。 (1) 硬件性能 随机振动高斯信号输出、闭环时间 100ms、控制动态范围 90dB、高达 3200 线的分辨 率，频率范围 DC-4800Hz 正弦扫描振动正弦波形幅值控制，回路时间 10ms，控制动态范围 100dB，跟踪滤波器，频 率范围 1.0-5000Hz 典型冲击有限长时域波形控制，多种脉冲图谱、0.5-3000ms 脉冲宽度、灵活补偿，频 率范围 DC-2200Hz 谐振搜索、驻留基于 Q 值、传递函数幅值的谐振识别，自动搜索、定频驻留或跟踪驻留 正弦+随机多达 12 帧的正弦信号、模拟平滑扫频或定频，独立打开/关闭 随机+随机多达 12 个窄带随机、交叉扫频、突然开启/关闭 随机+正弦+随机12 帧加 12 窄频带、具有正弦+随机和随机+随机的所有特性 瞬态冲击有限长时域波形控制，预存储 Bellcore Z1 和 Z2、Z3，正弦，爆破正弦，或 从文件中调入任意时域波形 冲击响应谱快速响应系统的非线性和动载荷的变化，半周期正弦波加正弦、指数、矩形 或汉宁窗，编辑、补偿 路谱仿真长时间时域再现，建立波形工具、实时驱动发生器和自适应控制 (2) 软件性能 输入 模拟通道同步采样，差分输入 滤波器模拟抗混叠滤波器；160dB 数字滤波 信号类型内置 ICP 恒流源和电荷放大器，电压 ICP 传感器以及电荷型加速度传感器直接输 入 A/D24 位 输入阻抗220K 信噪比大于 100dB 输出 D/A24 位 滤波器160dB/oct 数字滤波，模拟滤波 输出阻抗30 幅值精度2mV (3) 安全性 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2011 15 系统具有完备的自动安全检测系统，以保护试验设备和试件 A 预实验：用低量级(用户可设置)激振，检测系统回路连接状况，提示预测试 验结果。 B 开环检测：试验过程中，系统自动进行开环检测、输入过载检测。 C 超差报警和中断：系统自动进行超差报警和中断检测自动保护停机，停机速 率可由用户设定。 D 振动台极限：系统通过用户设置的振动台额定参数(位移、速度、加速度)， 限定试验参数。 E 手动强制停机：有三种手动停机方式，控制箱的面板上的绿色按钮；PC 显示 器屏幕上的模拟停机键；PC 键盘上的 F4 键。试验过程中随时响应，保证试验设备 和试件安全。 3.1.3 功率放大器设计功率放大器设计 功率放大器是电动振动系统中的重要组成部分，其主要作用是将控制仪发出的 正弦(或随机)信号放大，供给驱动线圈产生所需的振动力。功率放大器的发展经历 了电子管功放、晶体管功放以及开关式功率放大器，目前采用的主要是开关式功率 放大器。 功率放大器作为一种过程控制仪器使用，它主要由三部分电路组成，它们分别 是试调放大电路，高低通滤波电路，输出放大电路等几个部分电路组成，其原理框 如下图 11 所示。 图 11 功率放大器原理图 电动振动台的电气部分的控制仪产生正弦(或随机)激励信号，刚出来的信号未必正 好就能满足相关联设备的使用要求，因此，需要将原始的信号送入适调放大器中进 行初加工，通过内部的处理再输出，送入高低通滤波器，经输出级放大电路进行放 大，最后输出理想电压。下面对以上各部分电路做详细分析。 (1) 适调放大电路 这部分电路的作用是，当被测非电量（加速度或压力）一定时，在不同灵敏度 的传感器测量下，使有相同的输出。假定传感器的电荷灵敏度为，电荷转gQSQ1 换部分电路的增益为,试调部分的增益为,则总增益为：21VVKQiVVK01 ifi QQ V V Cg Q V V Q V g Q KKSK 010 1 11 1 1 当反馈电容一定，为常数，传感器的灵敏度不同是，即每个 g 所产生的不fCQK1Q 一样。此时可调整总能使 K 不变，达到适调的效果。适条电路原理图 12 如下。1K VE-1031 型电动振动台总体及电气部分设计 16 图 12 适调放大电路图 (2) 低通滤波电路 考虑到选用的控制仪产生的信号是不确定的，可能是规律的(例如正弦信号)或 者是不规律的(例如随机信号)，其幅频特性会出现不可预测的情况，例如出现类似 阻尼振荡的信号，它的幅频特性的高频段有一个很高的共振峰，次峰值能够产生高 频信号，次高频信号能对输入信号产生失真和干扰。因此可以在放大器中设计一低 通滤波电路，以补偿传感器引起的高频幅频特性。另外，电荷放大器的通频带有时 远远高出实际需要，无用的高频频带的存在也会对低频测试产生影响。因此引入低 通补偿电路，只让低通交流分量通过，使高频分量受到抑制，就显得非常有必要。 图 13 低通滤波电路图 显示应用中，常用的滤波器通常有 RC 的，也有 LC 的，同时又分为有源和无 源的。而无源 RC 低通滤波器线路简单，抗干扰能力强，有较好的低通频率范围工 作性能。但有源 RC 低通滤波器它的阻抗频率特性没有随频率而急剧改变的谐振性 能，因此可在 RC 网络上加上运算放大器有源元件，组成 RC 有源滤波器。有源 RC 滤波器不仅在通带内没有衰减，而且还有一定的增益，其电路原理图 13 如上所示。 (3) 输出放大电路 考虑到输出电路的输入端电压，是由经前面几部分不同放大倍数电路放大的直 流电压，为避免切换增益档位时输出电路输出端出现零点跳动以及产生直流漂移响 应，所以在输出电路前端加一个一阶 RC 高通滤波电路，用以滤去跳动的直流分量。 所组成的电路原理如下图 16 所示。 盐城工学院本科生毕业设计说明书 2011 17 图 14 输出放大电路图 同相放大电路增益计算： 2 1 2 21 1 R R R RR A 当2R时，A=0； 当99 2 1 R R 时，A=100 为适应振动台冲击特性，高通滤波器中电容 C 应选较小值，电阻 R3要大些，为 降低同相放大器对滤波时间常数的影响，采用的同相放大器应仍是高阻抗输入放大 器，本设计采用 TL081 放大器。 综上所述，设计的功率放大器电路整体原理图参见图 15。 图 15 VE-1031 型电动振动台总体及电气部分设计 18 4 总结总结 随着科学技术的飞跃式发展，产品的更新换代速度不断加快，产品生命周期也 越来越短，传统的设计方法已难以满足时代的发展。本文主要介绍了一些电动振动 台的知识，让我们大致了解什么是振动台，振动台的发展现状，振动台的分类，振 动台的各个组成部分以及他们的作用等，并通过一些具体的技术参数，设计了一个 振动台VE-1031 型电动振动台。其中主要包括主体设计和电气控制系统的设计， 基本符合设计者的要求，能发挥出应有的作用，完成相应的工作需求。 本次毕业设计是对我大学四年所学知识的一次全面考验，它也是对即将走向社 会的我们的进行的一次有效的训练。回顾这场毕业设计，我觉得我获益菲浅。我的 课题是一个设计类的课题，它让我体会到做设计的艰难，先是上网查找相关的资料 内容，然后到图书馆借阅相关的书籍，接着去请求老师和同学帮助，最后马马虎虎 完成设计，这对像我这样基础不扎