主動避振自穩(wěn)定的光電速度位移傳感器設(shè)計

張春友，吳曉強

(內(nèi)蒙古民族大學機械工程學院，內(nèi)蒙古通遼 028000)

0 引言

光電編碼器在現(xiàn)代高精度控制系統(tǒng)中常被用來檢測對象的位置和速度等參數(shù)。光電編碼器分兩大類,(絕對式和增量式)。絕對式編碼器常用于檢測位置和角度。增量式編碼器常用于檢測距離和速度，其價格較絕對值式編碼器低，因此使用比較廣泛。在某些大型機械設(shè)備上，在實際生產(chǎn)過程中振動較大，因此測速編碼器旋轉(zhuǎn)軸的晃動會引起編碼器輸出波形的抖動，從而出現(xiàn)誤計數(shù)現(xiàn)象。即使單次誤差較小，當累計到一定程度，就使得測量結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。因此，文中提出一種主動避振的設(shè)計，來減輕機械振動對測量精度的影響，使得振動對測量的影響控制在系統(tǒng)允許的容錯范圍之內(nèi)。

1 誤差分析

1.1 傳統(tǒng)設(shè)計

傳統(tǒng)的光電編碼器的鑒相與計數(shù)方法有很多種。但目前都未曾對機械振動而產(chǎn)生計數(shù)誤差的問題采取有效的解決方法。有研究人員嘗試在電路上解決振動對計數(shù)產(chǎn)生的影響，也有研究人員嘗試在軟件層面上去解決問題，但都不能得到理想的效果。在電路上，振動頻帶越寬，其減振電路設(shè)計越復(fù)雜。因此，電路減振設(shè)計無法適應(yīng)各種振動頻帶的工作場合。在軟件上，通過做濾波設(shè)計來減少振動帶來的計數(shù)誤差，使得計數(shù)實時性下降。因此，在高速計數(shù)時，軟件減振措施也有其局限性[1]。

1.2 誤差產(chǎn)生原因

機械設(shè)備例如起重機，尤其是需要精確定位的起重機，對位置測量精度要求極高。當傳感器與機械機構(gòu)硬連接安裝時，機械機構(gòu)運行中產(chǎn)生的振動就通過硬連接結(jié)構(gòu)傳遞到傳感器上。光電編碼器內(nèi)部是由精密的光學電子結(jié)構(gòu)組成的，不連續(xù)的機械振動將會導(dǎo)致光電編碼器的主碼盤產(chǎn)生高頻振動，從而導(dǎo)致輸出脈沖抖動[2]，造成系統(tǒng)的計數(shù)誤差。

如圖1所示，由于某些大型機械在橫向行走速度較慢，但縱向振動頻率較大，導(dǎo)致輸出信號抖動。

圖1 增量式編碼器低速抖動信號

2 減振系統(tǒng)設(shè)計

文中將傳統(tǒng)的速度位移傳感器和避振系統(tǒng)結(jié)合起來，提出一種可以自適應(yīng)各種振動頻率的主動避振光電速度位移傳感器。

2.1 傳統(tǒng)測速傳感器介紹

傳統(tǒng)的速度位移傳感器主要包括編碼器、信號調(diào)理電路、計數(shù)電路[3]。信號調(diào)理電路主要完成倍頻或者鑒別相位等工作，計數(shù)電路主要完成脈沖計量工作，一般為單片機。根據(jù)單位時間內(nèi)計得的脈沖個數(shù)即可推算出被測對象的速度和位移[4]。傳統(tǒng)速度位移傳感器方案如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)速度位移傳感器方案

2.2 減振結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

機械振動容易造成機械機構(gòu)永久性損害。傳統(tǒng)避振設(shè)計一般是通過在容易產(chǎn)生損壞的部位安裝彈簧來減輕振動，例如汽車的懸掛系統(tǒng)。直到近年來，磁流變液才受到關(guān)注。

磁流變液是一種由高磁導(dǎo)率且低磁滯性的微小的軟磁性顆粒和非導(dǎo)磁性液體混合而成的磁性軟粒懸浮液，這種懸浮液體在零磁場條件下呈現(xiàn)出低黏度的特性，但是在強磁場作用下，呈現(xiàn)出高粘度、低流動性的液體特性。

磁流變液的這種流變可控性使其能夠?qū)崿F(xiàn)阻尼力的連續(xù)可變，從而可以代替彈簧，達到對振動的主動控制目的。當液體被注入減振器活塞內(nèi)的電磁線圈后，線圈的磁場將改變其流變特性(或產(chǎn)生流體阻力)，從而在沒有機電控制閥且機械裝置簡單的情形下產(chǎn)生反應(yīng)迅速、可控性強的阻尼力。減振控制系統(tǒng)應(yīng)用磁流變(MR)液體和不帶機電控制閥的減振器提供反應(yīng)迅速、減振性能強大的阻尼力控制[5]。

文中結(jié)合磁流變減振系統(tǒng)，對傳統(tǒng)速度位移傳感器進行改造。減振結(jié)構(gòu)設(shè)計原理如圖3所示。圖3中，X1為速度位移傳感器的振動位移；X2為振動物體的振動位移；K為速度位移傳感器與振動物體連接剛度；C為磁流變減振系統(tǒng)的可控阻尼系數(shù)，也就是該系統(tǒng)中設(shè)計的被控量。

磁流變減振系統(tǒng)控制器的硬件原理框圖如圖4所示。

圖3 減振結(jié)構(gòu)原理圖

圖4 磁流變減振系統(tǒng)硬件原理框圖

圖4中，當被控對象發(fā)生振動時，加速度傳感器檢測出被控物體的振動特性，然后經(jīng)過信號處理環(huán)節(jié)，對所獲得的包含振動信息的傳感器信號進行分析和調(diào)理，最后送入MCU．MCU根據(jù)所接收到的振動信息進行智能決策，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制電壓輸出，系統(tǒng)將輸出電壓信號送入可控電源，最后送出一個驅(qū)動電流到磁流變減振器的勵磁線圈上形成強磁場。磁流變液在這個外加磁場的作用下，按照磁流變液的流變特性改變自身阻尼特性，對被控物體形成一個反方向的阻尼作用力，最終達到減振效果[6]。MCU可以以1MHz的頻率連續(xù)不斷地調(diào)節(jié)阻尼力的大小。通過阻尼調(diào)節(jié)，有效地過濾機械振動。

2.3 減振控制器原理

控制器的控制策略采用模糊PID開關(guān)切換控制算法[7]，其基本控制思想是在大的偏差范圍內(nèi)采用模糊控制策略，而在較小的偏差范圍內(nèi)轉(zhuǎn)成PID控制。模糊控制和PID控制的轉(zhuǎn)換由主控制器根據(jù)程序事先給定的偏差范圍自動實現(xiàn)。其控制算法實現(xiàn)原理如圖5所示。

圖5 模糊PID控制原理

PID控制器采用增量式的PID控制算法，模糊控制器采用雙輸入、單輸出結(jié)構(gòu)。以振動方向的加速度以及其變化量作為控制器輸入量，以磁流變減振器的阻尼系數(shù)作為輸出量。

控制器采用STM32系列微控制器?？刂菩盘柌捎肞WM輸出?？刂破鬈浖糠职ㄏ到y(tǒng)的初始化，數(shù)據(jù)采集與處理，核心控制算法和PWM信號輸出?？刂破髦髁鞒倘鐖D6所示。

圖6 控制器程序流程圖

3 系統(tǒng)仿真與實驗

3.1 減振系統(tǒng)仿真

在Matlab平臺上對減振系統(tǒng)進行了數(shù)值仿真，以判定控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制算法的可靠性。分別輸入單位階躍激勵信號和正弦激勵信號，驗證系統(tǒng)設(shè)計的有效性。

當系統(tǒng)輸入單位階躍激勵信號時，采用模糊PID控制算法的加速度響應(yīng)曲線如圖7所示。系統(tǒng)在0.02 s左右即可達到基本穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)響應(yīng)時間短，收斂速度快。

圖7 單位階躍激勵信號響應(yīng)

當控制系統(tǒng)輸入激勵為正弦函數(shù)時，采用了模糊PID控制算法的加速度響應(yīng)曲線如圖8所示。系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，振動控制效果得到明顯改善。

圖8 正弦激勵信號響應(yīng)

3.2 整體系統(tǒng)實驗

實驗中采用400線的歐姆龍增量式編碼器，對比加上避振系統(tǒng)前后編碼器脈沖輸出個數(shù)，還對比不同行程下累計脈沖個數(shù)的差異，實驗結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，加上避振系統(tǒng)后，脈沖計量誤差顯著降低，并且運行10 m的累計誤差控制在20個脈沖以內(nèi)。如果在實際應(yīng)用中，通過降低編碼器連接輪的直徑，并在軟件上進行定長校零，可將測量誤差顯著降低。

表1 整體實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

該設(shè)計首次將磁流變減振器引入光電速度傳感器的減振設(shè)計中。磁流變減振器結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、響應(yīng)快、穩(wěn)定性高。磁流變減振器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域，技術(shù)成熟而且價格便宜。

該傳感器采用主動避振的方式來降低機械振動對測量的影響，使得測量精度更高，更穩(wěn)定，而且其硬件成本并未顯著增加該傳感器。適用場合廣泛，可用于大型的機械設(shè)備，如港口起重機、煤礦機械等的速度位移參數(shù)精確測量。

參考文獻：

[1] 張九才，王文祥，楊顯志，等.增量式編碼器抗抖性研究.自動化儀表,2005，26(10):38-39.

[2] 劉新建，李迅，張彭.光電編碼器的誤計數(shù)抑制電路設(shè)計.測控技術(shù)，1998,17(6):54-55.

[3] 費偉忠，沈建新，周勇.增量式光電編碼器計數(shù)與接口電路的設(shè)計.微特電機，2007,35(1):17-18.

[4] 盛占石，黃賽帥，王青青.基于 STC89C52 智能計數(shù)控制.儀表技術(shù)與傳感器，2012(1):57-59.

[5] 胡紅生，蔣學爭，李延成.壓電自供能磁流變減振器設(shè)計及可控性實驗.振動測試與診斷,2013,33(4):712-718.

[6] 李華琳，陳勇，黃琦，等.基于模糊PID控制的磁流變減振控制器.兵工自動化，2010,29(10):85-88.

[7] 楊建偉，孫守光，劉海波.汽車半主動磁流變懸架的自適應(yīng)相對控制研究.系統(tǒng)仿真學報，2011,23(9):1951-1955.