多電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)機(jī)械同步理論的研究

張藝超

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 451460）

0 引言

所謂“同步”屬于一種客觀且特殊的運(yùn)動(dòng)形式，它廣泛存在于自然環(huán)境與人類社會(huì)場(chǎng)域。從物理形態(tài)維度分析，同步現(xiàn)象可以視為兩個(gè)及以上物體、系統(tǒng)保持穩(wěn)定的相同或相似運(yùn)動(dòng)形式，如兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)保持相同勻速、同向運(yùn)動(dòng)，或者兩個(gè)物體呈現(xiàn)出相同的運(yùn)動(dòng)軌跡、相位等?；谕浆F(xiàn)象的普遍性與自然科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)诓煌I(lǐng)域都發(fā)現(xiàn)了同步問題，諸如醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等，“同步”這一概念也從自然科學(xué)領(lǐng)域拓展到哲學(xué)社會(huì)科學(xué)領(lǐng)域，關(guān)于同步理論的研究也進(jìn)一步深入，從最早的“鐘擺同步”延伸到“混沌同步”層次。聚焦振動(dòng)機(jī)械領(lǐng)域，同步理論被廣泛的引用在工業(yè)生產(chǎn)（系統(tǒng)）中，但要求相對(duì)簡(jiǎn)單，通常側(cè)重于兩個(gè)及以上的子系統(tǒng)（機(jī)械部件）能夠保持同步運(yùn)轉(zhuǎn)——多電機(jī)驅(qū)動(dòng)就是一個(gè)典型。其本質(zhì)是要求多臺(tái)電機(jī)保持相同速度、相位，諸如振動(dòng)冷卻機(jī)、振動(dòng)樁機(jī)、振動(dòng)篩、振動(dòng)傳輸機(jī)等設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)振動(dòng)機(jī)械整體運(yùn)行的穩(wěn)定統(tǒng)一，“同步狀態(tài)”是一個(gè)重要的前提條件，在未引入同步理論之前，為了實(shí)現(xiàn)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)下的同步運(yùn)轉(zhuǎn)，所采用的手段主要是機(jī)械控制，如利用速度比1∶1的齒輪實(shí)現(xiàn)帶有偏心的激振器同步運(yùn)動(dòng)，雖然可以一定程度上滿足生產(chǎn)需要，但此類機(jī)械的設(shè)計(jì)、操作、管理等非常復(fù)雜，同步理論指導(dǎo)實(shí)踐運(yùn)用的價(jià)值，主要體現(xiàn)在精簡(jiǎn)振動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低維護(hù)成本等。從現(xiàn)狀看，振動(dòng)機(jī)械領(lǐng)域的同步問題研究已經(jīng)相當(dāng)全面，主要缺陷仍然集中在“自同步理論”方面，在多電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作狀態(tài)下，仍存在一些尚未有效解決及解釋的問題，比如兩臺(tái)電機(jī)工作時(shí)受到外界力量干預(yù)，在不停機(jī)的狀態(tài)下如何從差異性轉(zhuǎn)速、位移恢復(fù)到統(tǒng)一性轉(zhuǎn)速、位移狀態(tài)，又如多電機(jī)中一臺(tái)停機(jī)后再次啟動(dòng)，如何與正在運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)仍然保持同步，本文以此為切入點(diǎn)展開探究[1]。

1 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)機(jī)械同步理論概述

根據(jù)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)機(jī)械“不同步”的現(xiàn)象區(qū)分，同步理論主要包括兩個(gè)研究維度，分別是“同向回轉(zhuǎn)自同步振動(dòng)機(jī)械的同步理論”和“反向回轉(zhuǎn)自同步振動(dòng)機(jī)械的同步理論”。為了便于闡述振動(dòng)機(jī)械同步理論內(nèi)涵，本文以雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)篩選系統(tǒng)為例，無(wú)論是同向回轉(zhuǎn)或是反向回轉(zhuǎn)，用于闡述理論的模型都可以簡(jiǎn)化為“彈簧—質(zhì)量”系統(tǒng)，僅考慮平面坐標(biāo)系（x，y）的振動(dòng)方程及繞質(zhì)心O的扭擺方程即可——假定振動(dòng)質(zhì)體（宏觀質(zhì)點(diǎn)）為M，則需要分別明確M的慣性力、阻尼力（運(yùn)動(dòng)中）、彈性力和激振力。

振動(dòng)方程：

扭擺方程：

以上公式及方程中：M為振動(dòng)機(jī)體質(zhì)量；2m0為兩偏心塊質(zhì)量和（m0為偏心塊質(zhì)量）；J為振動(dòng)機(jī)體對(duì)質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；2J0為兩偏心快對(duì)機(jī)體質(zhì)心的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J1和J2分別為軸系1、軸系2轉(zhuǎn)換到軸1、軸2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；l0為轉(zhuǎn)軸1、轉(zhuǎn)軸2到機(jī)體中心的距離；c1、c2為電動(dòng)機(jī)1、電動(dòng)機(jī)2換算到軸1、軸2的力矩系數(shù)；r為偏心距；ψ0為電動(dòng)機(jī)換算到軸1、軸2的同步轉(zhuǎn)速；f為阻力系數(shù)；k為彈簧剛度。為軸1偏心塊角位移、角速度、角加速度；為軸2偏心塊角位移、角速度、角加速度；為y的方向位移、速度、加速度；為x的方向位移、速度、加速度；為φ方向的位移、速度、加速度；Mf1、Mf2分別為軸1、軸2上的摩擦力矩。

本文選用的雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)體狀態(tài)下，同向回轉(zhuǎn)同步與反向回轉(zhuǎn)同步的穩(wěn)態(tài)解通過(guò)微分方程建立，綜合以上（1）～（6）表達(dá)式，其中同向回轉(zhuǎn)、反向回轉(zhuǎn)同步振動(dòng)系統(tǒng)微分方程（略去一階微量）穩(wěn)態(tài)解為：

以上為多電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)機(jī)械同步理論的數(shù)學(xué)解釋方式，受篇幅限制，不再具體探討求解及正向、反向自同步振動(dòng)系統(tǒng)特性分析。

2 自同步振動(dòng)機(jī)械動(dòng)響應(yīng)的實(shí)證分析

選用ZZS40-70型振動(dòng)篩展開自同步振動(dòng)機(jī)械動(dòng)響應(yīng)的實(shí)證分析，該設(shè)備內(nèi)包括兩臺(tái)VB-326-WB電機(jī)驅(qū)動(dòng)（帶有偏心塊），機(jī)體主要部分由彈簧、支架、篩體和各類連接器構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 ZZS40-70型振動(dòng)篩（直線）

實(shí)證分析過(guò)程需要運(yùn)用B&K振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)，分別在振動(dòng)篩機(jī)體的相鄰位置分布加速傳感器，水平、垂直方向各一個(gè)，用來(lái)測(cè)試主振動(dòng)方向y、水平方向x'、兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸心連線x、垂直方向y'的加速度信號(hào)；矢量合成信號(hào)表達(dá)為如下：

在此基礎(chǔ)上對(duì)采樣頻率進(jìn)行調(diào)整，依次調(diào)節(jié)電源輸出電壓50V、75V、100V，測(cè)量加速度信號(hào)的變化。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析，ZZS40-70型振動(dòng)篩機(jī)體的驅(qū)動(dòng)電機(jī)為機(jī)體質(zhì)心位于兩軸心聯(lián)線中心時(shí)，同步現(xiàn)象較為明顯，而在兩電機(jī)處于反向穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)時(shí)，y方向的直線運(yùn)動(dòng)保持良好，而在x方向沒有發(fā)生同步振動(dòng)，仍然需要進(jìn)一步分析并調(diào)整；進(jìn)入這一階段后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入模擬試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)調(diào)節(jié)偏心塊的夾角大小，促使激振力大小、幅度符合同步振動(dòng)需要。研究結(jié)果認(rèn)為，雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)要求很高，即便設(shè)備機(jī)體中所使用的電機(jī)是同一型號(hào)、同一規(guī)格，也可能存在轉(zhuǎn)速、摩擦阻力距等不同的現(xiàn)象，因此，除了考慮電機(jī)產(chǎn)品性能之外，還要為兩臺(tái)電機(jī)提供高度一致的工作環(huán)境，如水平高度的一致性、支架的穩(wěn)定性等[2-4]。

3 多電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)機(jī)械同步智能控制

由雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)推導(dǎo)多電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)機(jī)械同步穩(wěn)態(tài)，不難得出這樣的結(jié)論，后者設(shè)備機(jī)體中獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的振動(dòng)電機(jī)要保持同步更加困難，且在大多數(shù)情況下，是無(wú)法通過(guò)協(xié)調(diào)電機(jī)物理環(huán)境及設(shè)備狀態(tài)達(dá)到自同步條件的。而傳統(tǒng)的控制理論中，主要運(yùn)用PID控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自同步，具體到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，一般在電機(jī)1上安裝控制器、變頻調(diào)速器，再連接電機(jī)2至N，N＞1的電機(jī)設(shè)備都要安裝傳感器，將綜合信號(hào)傳輸?shù)娇刂破髑岸?，而整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的末端為篩體。傳統(tǒng)控制思想并不復(fù)雜，但要在硬件上實(shí)現(xiàn)的難度很大，突出表現(xiàn)是完整設(shè)備機(jī)體的體積大、占地多、安裝不便，且無(wú)法做到快速、便捷的維修調(diào)試。隨著工業(yè)信息化水平的不斷進(jìn)步，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)機(jī)械同步智能控制被提出來(lái)。

在該控制機(jī)制中，硬件模塊的設(shè)計(jì)主要基于單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)、電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)、同步控制器電路等實(shí)現(xiàn)，其中最為關(guān)鍵的就是單片機(jī)的轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)，它解決了傳統(tǒng)控制同步系統(tǒng)中儀表多、組合復(fù)雜的困境。同時(shí)，單片機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，便于展開振動(dòng)機(jī)械同步智能控制的非標(biāo)化生產(chǎn)，其功能也拓展到了適應(yīng)控制、數(shù)據(jù)采集、嵌入處理等方面；從硬件架構(gòu)上分析，單片機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置兩個(gè)模塊，在系統(tǒng)擴(kuò)展模塊中加入轉(zhuǎn)速信號(hào)拾取裝置、整型裝置、倍頻裝置等，即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效處理，而系統(tǒng)配置模塊主要包括I/O口及通用外設(shè)。

而軟件模塊的設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，從成本考慮，基于PID控制器的設(shè)計(jì)在市場(chǎng)上更為流行，且自身又具有簡(jiǎn)單控制結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，特別是應(yīng)用在雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)機(jī)械機(jī)體時(shí)，其算法簡(jiǎn)單、可靠性高的優(yōu)勢(shì)非常明顯。在軟件設(shè)計(jì)原則上，遵循模糊控制算法策略，而所謂“智能控制”，也主要體現(xiàn)為人類自然語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言的“模糊表達(dá)”，幫助機(jī)器學(xué)習(xí)常規(guī)規(guī)則及操作經(jīng)驗(yàn)。其中核心設(shè)計(jì)為“模糊規(guī)則”，用于指導(dǎo)模糊推理的實(shí)現(xiàn)，整個(gè)模糊控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的模塊為“模糊化”和“解模糊”的正逆處理機(jī)制。例如，基于“模糊化—模糊推理（模糊原則）—解模糊”完整流程中，首先由振動(dòng)機(jī)械機(jī)體提供一個(gè)變量，在處理變量時(shí)可乘以一個(gè)達(dá)到穩(wěn)態(tài)解（7）的比例因子，從而實(shí)現(xiàn)輸入量化。相對(duì)應(yīng)的，解模糊的過(guò)程中，也需要輸入一個(gè)比例因子量化，所得到的輸出變量實(shí)際上作為調(diào)整多電機(jī)驅(qū)動(dòng)不同步狀態(tài)的參數(shù)。由此不難看出，振動(dòng)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間越長(zhǎng)，所積累的比例因子量化值就越多，對(duì)同步穩(wěn)態(tài)的控制有效性就越高，這就是當(dāng)前許多振動(dòng)器在開機(jī)時(shí)噪音較大，而隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間增加逐漸進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)的原因[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，多電機(jī)驅(qū)動(dòng)振動(dòng)機(jī)械同步理論對(duì)于現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展具有重要影響，本文通過(guò)探索自同步振動(dòng)篩實(shí)例表現(xiàn)，并結(jié)合仿真手段提出同步控制機(jī)制，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。其中，關(guān)于智能同步控制的關(guān)鍵在于硬件、軟件設(shè)計(jì)的匹配性，現(xiàn)階段來(lái)看工業(yè)設(shè)備中硬件發(fā)展速度要大于軟件更新速度，所謂的智能控制對(duì)于模糊控制理論的依賴度較高，而這一結(jié)論在雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)機(jī)械質(zhì)體中效果較好，但無(wú)法確保隨著電機(jī)數(shù)量增加同樣實(shí)現(xiàn)有效的同步穩(wěn)態(tài)，所以仍然需要加強(qiáng)人工智能技術(shù)在該領(lǐng)域的探索。