自適應(yīng)壓電振動盤控制器設(shè)計(jì)

戴世宇,張珣

摘 ?要： 振動給料機(jī)是工業(yè)控制自動化中常用的設(shè)備，壓電振動盤是目前效率和穩(wěn)定性最高的振動給料機(jī)，但在使用過程中存在共振點(diǎn)變化導(dǎo)致效率下降的問題。針對該問題，設(shè)計(jì)了適用于壓電振動盤的自適應(yīng)控制器。該控制器能夠?qū)弘娬駝颖P的振動頻率和幅值進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，模糊PID控制使得振動盤輸出幅值保持穩(wěn)定，自適應(yīng)算法使振動盤始終工作在最佳振動頻率?？刂破鞑捎脺?zhǔn)諧振開關(guān)電源，可以消除電網(wǎng)電壓波動對系統(tǒng)工作的影響。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：該控制器工作性能穩(wěn)定，驅(qū)動效率高且產(chǎn)生的噪音較小。

關(guān)鍵詞： 振動盤控制器； 準(zhǔn)諧振電源； 自適應(yīng)控制； 模糊PID

中圖分類號： TN61?34； TP273+.2 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）23?0129?03

Design of adaptive controller for piezoelectric vibration bowl

DAI Shi?yu， ZHANG Xun

（School of Electronic &； Information， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： Vibration feeder is commonly used in industrial automation control， and piezoelectric vibration bowl is the highest efficiency and stability feeder， but there is an inefficiency problem caused by resonance point changes during its use. To solve that problem， an adaptive controller for piezoelectric vibration bowl is designed， which can continuously adjust the frequency and amplitude of the piezoelectric vibration bowl. The fuzzy PID control makes amplitude of vibration bowl stable and the adaptive algorithm keep vibration bowl working in the best frequency. A quasi?resonant switching power supply is adopted in the controller to eliminate the effects of voltage fluctuations on the system. Design results show that the controller has a steady work performance， high efficiency and small drive noise.

Keywords： controller for vibration bowl； quasi?resonant power； adaptive control； fuzzy PID

0 ?引 ?言

工業(yè)控制自動化技術(shù)作為20世紀(jì)現(xiàn)代制造領(lǐng)域中最重要的技術(shù)之一，主要解決生產(chǎn)效率與一致性問題。我國工業(yè)控制自動化的發(fā)展道路，大多是在引進(jìn)成套設(shè)備的同時(shí)進(jìn)行消化吸收，再進(jìn)行二次開發(fā)和應(yīng)用[1]。振動給料機(jī)是工業(yè)控制自動化過程中廣泛應(yīng)用的給料設(shè)備。常用的振動給料機(jī)包括電磁式振動給料機(jī)和壓電式振動給料機(jī)，電磁式通常用于大功率選料，對控制精度要求不高，而壓電式則用于精準(zhǔn)選料，通常應(yīng)用于輕工、電子產(chǎn)品的自動加工裝配上，在醫(yī)藥、食品的自動輸送包裝上也有廣泛應(yīng)用。

壓電振動盤由振動盤和控制器兩部分組成。振動盤屬于機(jī)械部分，目前在國內(nèi)生產(chǎn)及組裝已較為普遍[2]?？刂破魇擒浖刂撇糠郑ㄟ^控制振動盤的振動頻率以及幅度，能夠?qū)崿F(xiàn)將產(chǎn)品有序地排列在傳送帶上。近幾年隨著勞動力成本的不斷提高，機(jī)器替代人力選料給料已成趨勢。目前我國的壓電振動盤控制器主要依靠進(jìn)口，存在成本高且維修困難等問題。國產(chǎn)的控制器處于起步狀態(tài)，共振點(diǎn)調(diào)節(jié)困難、性能不夠穩(wěn)定且性價(jià)比較低[3]，因而研究并設(shè)計(jì)振動盤控制器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 ?系統(tǒng)概述

設(shè)計(jì)壓電振動盤的自適應(yīng)控制器，該控制器能夠驅(qū)動市面上多數(shù)中小型壓電振動盤。該控制器主要由主控及顯示、電源和反饋三部分組成，硬件實(shí)物包括控制板、顯示板和功率板。整體系統(tǒng)框架如圖1所示。

控制器主控芯片采用Microchip公司dsPIC系列的16位單片機(jī)，該芯片具有較強(qiáng)的抗干擾能力，保證控制器工作的穩(wěn)定性。其內(nèi)部集成DSP核，具備高速運(yùn)算能力，最高40 MIPS的處理速度可以使信號得到更快的響應(yīng)。內(nèi)部還集成了高速A/D轉(zhuǎn)換器用于處理反饋信號；最高分辨率為1.04 ns的高速SPWM模塊用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電源的正弦逆變。

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圖1 控制器系統(tǒng)框圖

顯示部分采用了四位一體的共陽數(shù)碼管，顯示板上的按鍵可以用來切換模式、設(shè)置輸出頻率和幅度。電源部分由電網(wǎng)220 V交流電經(jīng)保護(hù)電路再經(jīng)橋堆整流為高壓直流電源，然后使用準(zhǔn)諧振開關(guān)電源技術(shù)將其變?yōu)?5 V直流電源，該直流電源經(jīng)由兩路采用SPWM驅(qū)動的MOS管正弦逆變?yōu)檎駝颖P的驅(qū)動電源。反饋的電壓和電流信號，需要經(jīng)過峰值檢波電路后才能由單片機(jī)的A/D模塊轉(zhuǎn)換?？刂破鳙@得反饋信號后，在模糊PID算法控制下，作出相應(yīng)調(diào)節(jié)，穩(wěn)定振動盤的振動幅度。

2 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 ?準(zhǔn)諧振開關(guān)電源

控制器的電源性能是影響系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的主要因素之一。控制器采用體積小、效率高的開關(guān)電源，但隨著開關(guān)電源頻率的提高，需要盡量減少開關(guān)損耗。準(zhǔn)諧振電路使開關(guān)上的電壓或通過開關(guān)的電流變化類似正弦波，在減少開關(guān)損耗的同時(shí)也可抑制浪涌的發(fā)生。由于振動盤的功率較小，一般在40 W以下，故采用電路簡單、成本低的反激拓?fù)潆娐穂4]。準(zhǔn)諧振開關(guān)電源的具體電路如圖2所示。

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圖2 準(zhǔn)諧振開關(guān)電源電路

在該電路中采用TOPSwitch?JX產(chǎn)品系列的TOP265，一款用于高效率電源設(shè)計(jì)的集成離線式開關(guān)IC。使用該芯片不僅可以降低EMI，并且自帶過流、過載、短路和過壓保護(hù)，簡化了電路的結(jié)構(gòu)。輸出除了最大可達(dá)40 W用來逆變的25 V直流電源外，還包括提供推挽三極管工作的12 V電源以及控制板工作所需的5 V電源。

2.2 ?峰值檢波

振動盤的驅(qū)動電源采用正弦波，方波也可工作但噪聲較大，故舍棄。正弦波驅(qū)動導(dǎo)致反饋的電壓和電流信號也呈正弦變化。為了使A/D模塊能夠快速獲取振動幅值，反饋的信號需要經(jīng)過峰值檢波電路。

峰值檢波電路是由二極管電路與電壓跟隨器組成。其原理如下：當(dāng)輸入電壓為正時(shí)，檢波二極管導(dǎo)通，對電容充電；當(dāng)輸入電壓為負(fù)時(shí)二極管截止，電容放電[5]。選擇適當(dāng)?shù)碾娙莺碗娮?，使電容充電速度大于放電速度，這樣電容兩端的電壓就可以保持在最大輸入電壓處，從而實(shí)現(xiàn)峰值檢波；為匹配前級開關(guān)電路和后級輸出的阻抗，增加電壓跟隨器。

2.3 ?SPWM逆變

采樣控制理論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。SPWM以此為理論基礎(chǔ)，用脈沖寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，控制逆變電路中開關(guān)器件的通斷，使其負(fù)載電壓呈現(xiàn)正弦波[6]。設(shè)計(jì)中實(shí)際逆變電路采用兩路SPWM經(jīng)光耦、推挽三極管驅(qū)動MOS管逆變，由于振動盤為慣性負(fù)載，輸出經(jīng)電容濾波后，可以得到類正弦波。

SPWM的調(diào)制方式有單極性和雙極性兩種。雙極性，是指SPWM信號同時(shí)包含正弦信號正半周和負(fù)半周的信息，而單極性只包含正弦信號正半周或負(fù)半周的信息。單極性的控制方式相比雙極性損耗要低，但該控制方式存在過零振蕩，對輸出正弦波形影響較大，故在設(shè)計(jì)中采用雙極性調(diào)制。

SPWM的實(shí)現(xiàn)方式較多，比較常用的是規(guī)則采樣法，它利用三角波載波周期中點(diǎn)與調(diào)制正弦波的交點(diǎn)所作的水平線與三角波的交點(diǎn)來確定脈沖的寬度，如圖3所示。圖4為自然采樣法，它利用正弦波與三角波的交點(diǎn)確定脈沖寬度，該方法可得到比規(guī)則采樣法諧波更少的類正諧波，但計(jì)算量較大。當(dāng)載波頻率遠(yuǎn)大于調(diào)制波頻率時(shí)，兩種方法所確定的脈寬基本一致，故采用規(guī)則采樣法，便于單片機(jī)快速處理。

2.4 ?模糊PID控制

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制[7]。控制系統(tǒng)的核心為模糊控制器，最簡單的實(shí)現(xiàn)方法是將模糊控制規(guī)則離線轉(zhuǎn)化為控制表，存儲在單片機(jī)中供在線控制時(shí)查詢使用。在振動盤控制器中，對驅(qū)動電源幅值的控制采用模糊PID控制。

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圖3 規(guī)則采樣法

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圖4 自然采樣法

實(shí)際控制中需將PID控制器進(jìn)行離散化處理，得到形式如下：

[u（k）=u（k-1）+kp（e（k）-e（k-1））+kie（k）+kd（e（k）-2e（k-1）+e（k-2））] ?（1）

式中：比例系數(shù)[kp]加速系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度；積分系數(shù)[ki]消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差；微分系數(shù)[kd]改善系統(tǒng)的動態(tài)特性[8]。振動盤控制器以誤差[e]和誤差變化[ec]作為輸入，利用相應(yīng)的模糊控制規(guī)則表分別對PID的三個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線自整定，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

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圖5 自適應(yīng)模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

實(shí)現(xiàn)過程如下：先將長期積累的控制經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)換為模糊控制規(guī)則表，存儲在單片機(jī)中。再將系統(tǒng)誤差[e]和誤差變化[ec]的變化范圍定義為模糊集上的論域。

[e，][ec=]{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}

其模糊子集為[e，][ec=]{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}。設(shè)[e，ec]和[kp，][ki，][kd]均服從正態(tài)分布，可根據(jù)模糊控制規(guī)則表[9]，查出修正參數(shù)代入下式計(jì)算：

[kp=k′p+{ei，eci}pki=k′i+{ei，eci}ikd=k′d+{ei，eci}d] ?（2）

新參數(shù)值重新代入PID控制器，完成對PID參數(shù)的在線自校正，實(shí)現(xiàn)對振動盤振幅的自適應(yīng)控制。

2.5 ?軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件設(shè)計(jì)包括模糊PID控制算法實(shí)現(xiàn)、SPWM脈寬時(shí)間計(jì)算、A/D采樣、E2PROM數(shù)據(jù)讀寫等。

模糊PID控制，確立離散的控制方程，設(shè)定初值后，根據(jù)反饋采樣值查找模糊矩陣表，調(diào)整系數(shù)值再代回控制方程直至輸出幅值穩(wěn)定。SPWM的軟件實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)在計(jì)算上，由于該計(jì)算的運(yùn)行次數(shù)非常多，運(yùn)行時(shí)長直接影響控制器性能，故軟件乘除運(yùn)算需靠移位以及與或?qū)崿F(xiàn)。具體軟件流程如圖6所示。

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圖6 軟件流程圖

3 ?設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

3.1 ?設(shè)計(jì)實(shí)物及實(shí)現(xiàn)參數(shù)

設(shè)計(jì)及組裝完成的控制器實(shí)物如圖7所示，圖8為控制器驅(qū)動振動盤時(shí)的電壓波形，示波器探頭10倍衰減，波形類似正弦波。

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圖7 控制器實(shí)物圖 ? 圖8 控制器驅(qū)動時(shí)電壓波形

控制器的實(shí)際參數(shù)為：輸入：AC 220×（1±0.02） V，50/60 Hz；輸出：0～300 V可調(diào)，步進(jìn)0.1 V；頻率：50～400 Hz可調(diào)，步進(jìn)0.1 Hz。

3.2 ?擬改進(jìn)方面

（1） 壓電振動盤正在向大型化方向發(fā)展，控制器驅(qū)動的最大功率有待提高。

（2） 提高控制器驅(qū)動效率和穩(wěn)定性，降低工作噪聲，使之更加環(huán)保和人性化。

4 ?結(jié) ?論

工業(yè)的發(fā)展對給料機(jī)的成本和穩(wěn)定性要求愈來愈高，從而促使振動盤給料機(jī)的發(fā)展提高到了一個(gè)新階段。從目前國內(nèi)市場的發(fā)展前景來看，國內(nèi)市場對振動盤給料機(jī)的需求量會越來越大，研究和設(shè)計(jì)振動盤控制器，促進(jìn)國產(chǎn)振動機(jī)發(fā)展，提升自主研發(fā)能力逐步替代進(jìn)口，需要社會各界共同努力。

參考文獻(xiàn)

[1] 王運(yùn)池.國內(nèi)振動給料設(shè)備的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].煤質(zhì)技術(shù)，2003（4）：29?31.

[2] 唐俊.一種新型電磁振動給料機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)械工程師，2008（9）：131?134.

[3] 黃鳳.電磁振動給料機(jī)振幅的自適應(yīng)控制[D].南京：河海大學(xué)，2007.

[4] 汪洋，林海青，常越，等.反激式準(zhǔn)諧振開關(guān)電源工作頻率確定及電源研制[J].電力電子技術(shù)，2005，39（3）：92?94.

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[6] 周云山，龔慧軍，張軍，等.基于SPWM的采樣法優(yōu)化[J].科技導(dǎo)報(bào)，2009，27（5）：38?42.

[7] 劉金琨.先進(jìn)PID控制Matlab仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[8] 張睿彬.模糊參數(shù)自整定PID控制器的設(shè)計(jì)與仿真研究[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（1）：6?9.

[9] MEZA J L， SANTIBANEZ V， SOTO R， et al. Fuzzy self?tuning PID semiglobal regulator for robot manipulators [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2012， 59（6）： 2709?2717.

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圖6 軟件流程圖

3 ?設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

3.1 ?設(shè)計(jì)實(shí)物及實(shí)現(xiàn)參數(shù)

設(shè)計(jì)及組裝完成的控制器實(shí)物如圖7所示，圖8為控制器驅(qū)動振動盤時(shí)的電壓波形，示波器探頭10倍衰減，波形類似正弦波。

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圖7 控制器實(shí)物圖 ? 圖8 控制器驅(qū)動時(shí)電壓波形

控制器的實(shí)際參數(shù)為：輸入：AC 220×（1±0.02） V，50/60 Hz；輸出：0～300 V可調(diào)，步進(jìn)0.1 V；頻率：50～400 Hz可調(diào)，步進(jìn)0.1 Hz。

3.2 ?擬改進(jìn)方面

（1） 壓電振動盤正在向大型化方向發(fā)展，控制器驅(qū)動的最大功率有待提高。

（2） 提高控制器驅(qū)動效率和穩(wěn)定性，降低工作噪聲，使之更加環(huán)保和人性化。

4 ?結(jié) ?論

工業(yè)的發(fā)展對給料機(jī)的成本和穩(wěn)定性要求愈來愈高，從而促使振動盤給料機(jī)的發(fā)展提高到了一個(gè)新階段。從目前國內(nèi)市場的發(fā)展前景來看，國內(nèi)市場對振動盤給料機(jī)的需求量會越來越大，研究和設(shè)計(jì)振動盤控制器，促進(jìn)國產(chǎn)振動機(jī)發(fā)展，提升自主研發(fā)能力逐步替代進(jìn)口，需要社會各界共同努力。

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圖6 軟件流程圖

3 ?設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

3.1 ?設(shè)計(jì)實(shí)物及實(shí)現(xiàn)參數(shù)

設(shè)計(jì)及組裝完成的控制器實(shí)物如圖7所示，圖8為控制器驅(qū)動振動盤時(shí)的電壓波形，示波器探頭10倍衰減，波形類似正弦波。

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圖7 控制器實(shí)物圖 ? 圖8 控制器驅(qū)動時(shí)電壓波形

控制器的實(shí)際參數(shù)為：輸入：AC 220×（1±0.02） V，50/60 Hz；輸出：0～300 V可調(diào)，步進(jìn)0.1 V；頻率：50～400 Hz可調(diào)，步進(jìn)0.1 Hz。

3.2 ?擬改進(jìn)方面

（1） 壓電振動盤正在向大型化方向發(fā)展，控制器驅(qū)動的最大功率有待提高。

（2） 提高控制器驅(qū)動效率和穩(wěn)定性，降低工作噪聲，使之更加環(huán)保和人性化。

4 ?結(jié) ?論

工業(yè)的發(fā)展對給料機(jī)的成本和穩(wěn)定性要求愈來愈高，從而促使振動盤給料機(jī)的發(fā)展提高到了一個(gè)新階段。從目前國內(nèi)市場的發(fā)展前景來看，國內(nèi)市場對振動盤給料機(jī)的需求量會越來越大，研究和設(shè)計(jì)振動盤控制器，促進(jìn)國產(chǎn)振動機(jī)發(fā)展，提升自主研發(fā)能力逐步替代進(jìn)口，需要社會各界共同努力。

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