張春友，吳曉強(qiáng)

(內(nèi)蒙古民族大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(cè)對(duì)象的位置和速度等參數(shù)。光電編碼器分兩大類,(絕對(duì)式和增量式)。絕對(duì)式編碼器常用于檢測(cè)位置和角度。增量式編碼器常用于檢測(cè)距離和速度，其價(jià)格較絕對(duì)值式編碼器低，因此使用比較廣泛。在某些大型機(jī)械設(shè)備上，在實(shí)際生產(chǎn)過程中振動(dòng)較大，因此測(cè)速編碼器旋轉(zhuǎn)軸的晃動(dòng)會(huì)引起編碼器輸出波形的抖動(dòng)，從而出現(xiàn)誤計(jì)數(shù)現(xiàn)象。即使單次誤差較小，當(dāng)累計(jì)到一定程度，就使得測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。因此，文中提出一種主動(dòng)避振的設(shè)計(jì)，來減輕機(jī)械振動(dòng)對(duì)測(cè)量精度的影響，使得振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響控制在系統(tǒng)允許的容錯(cuò)范圍之內(nèi)。

1 誤差分析

1.1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的光電編碼器的鑒相與計(jì)數(shù)方法有很多種。但目前都未曾對(duì)機(jī)械振動(dòng)而產(chǎn)生計(jì)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(dòng)對(duì)計(jì)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(dòng)頻帶越寬，其減振電路設(shè)計(jì)越復(fù)雜。因此，電路減振設(shè)計(jì)無法適應(yīng)各種振動(dòng)頻帶的工作場(chǎng)合。在軟件上，通過做濾波設(shè)計(jì)來減少振動(dòng)帶來的計(jì)數(shù)誤差，使得計(jì)數(shù)實(shí)時(shí)性下降。因此，在高速計(jì)數(shù)時(shí)，軟件減振措施也有其局限性[1]。

1.2 誤差產(chǎn)生原因

機(jī)械設(shè)備例如起重機(jī)，尤其是需要精確定位的起重機(jī)，對(duì)位置測(cè)量精度要求極高。當(dāng)傳感器與機(jī)械機(jī)構(gòu)硬連接安裝時(shí)，機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)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(xué)電子結(jié)構(gòu)組成的，不連續(xù)的機(jī)械振動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致光電編碼器的主碼盤產(chǎn)生高頻振動(dòng)，從而導(dǎo)致輸出脈沖抖動(dòng)[2]，造成系統(tǒng)的計(jì)數(shù)誤差。

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

圖1 增量式編碼器低速抖動(dòng)信號(hào)

2 減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(dòng)頻率的主動(dòng)避振光電速度位移傳感器。

2.1 傳統(tǒng)測(cè)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(hào)調(diào)理電路、計(jì)數(shù)電路[3]。信號(hào)調(diào)理電路主要完成倍頻或者鑒別相位等工作，計(jì)數(shù)電路主要完成脈沖計(jì)量工作，一般為單片機(jī)。根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)計(jì)得的脈沖個(gè)數(shù)即可推算出被測(cè)對(duì)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(jì)與工作原理

機(jī)械振動(dòng)容易造成機(jī)械機(jī)構(gòu)永久性損害。傳統(tǒng)避振設(shè)計(jì)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(dòng)，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(chǎng)條件下呈現(xiàn)出低黏度的特性，但是在強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，呈現(xiàn)出高粘度、低流動(dòng)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(dá)到對(duì)振動(dòng)的主動(dòng)控制目的。當(dāng)液體被注入減振器活塞內(nèi)的電磁線圈后，線圈的磁場(chǎng)將改變其流變特性(或產(chǎn)生流體阻力)，從而在沒有機(jī)電控制閥且機(jī)械裝置簡單的情形下產(chǎn)生反應(yīng)迅速、可控性強(qiáng)的阻尼力。減振控制系統(tǒng)應(yīng)用磁流變(MR)液體和不帶機(jī)電控制閥的減振器提供反應(yīng)迅速、減振性能強(qiáng)大的阻尼力控制[5]。

文中結(jié)合磁流變減振系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)速度位移傳感器進(jìn)行改造。減振結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理如圖3所示。圖3中，X1為速度位移傳感器的振動(dòng)位移；X2為振動(dòng)物體的振動(dòng)位移；K為速度位移傳感器與振動(dòng)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(jì)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(dāng)被控對(duì)象發(fā)生振動(dòng)時(shí)，加速度傳感器檢測(cè)出被控物體的振動(dòng)特性，然后經(jīng)過信號(hào)處理環(huán)節(jié)，對(duì)所獲得的包含振動(dòng)信息的傳感器信號(hào)進(jìn)行分析和調(diào)理，最后送入MCU．MCU根據(jù)所接收到的振動(dòng)信息進(jìn)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(hào)送入可控電源，最后送出一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流到磁流變減振器的勵(lì)磁線圈上形成強(qiáng)磁場(chǎng)。磁流變液在這個(gè)外加磁場(chǎng)的作用下，按照磁流變液的流變特性改變自身阻尼特性，對(duì)被控物體形成一個(gè)反方向的阻尼作用力，最終達(dá)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(jī)械振動(dòng)。

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(dòng)實(shí)現(xiàn)。其控制算法實(shí)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(dòng)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。控制信號(hào)采用PWM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(hào)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(shí)驗(yàn)

3.1 減振系統(tǒng)仿真

在Matlab平臺(tái)上對(duì)減振系統(tǒng)進(jìn)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(lì)信號(hào)和正弦激勵(lì)信號(hào)，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性。

當(dāng)系統(tǒng)輸入單位階躍激勵(lì)信號(hào)時(shí)，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(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短，收斂速度快。

圖7 單位階躍激勵(lì)信號(hào)響應(yīng)

當(dāng)控制系統(tǒng)輸入激勵(lì)為正弦函數(shù)時(shí)，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(dòng)控制效果得到明顯改善。

圖8 正弦激勵(lì)信號(hào)響應(yīng)

3.2 整體系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中采用400線的歐姆龍?jiān)隽渴骄幋a器，對(duì)比加上避振系統(tǒng)前后編碼器脈沖輸出個(gè)數(shù)，還對(duì)比不同行程下累計(jì)脈沖個(gè)數(shù)的差異，實(shí)驗(yàn)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(jì)量誤差顯著降低，并且運(yùn)行10 m的累計(jì)誤差控制在20個(gè)脈沖以內(nèi)。如果在實(shí)際應(yīng)用中，通過降低編碼器連接輪的直徑，并在軟件上進(jìn)行定長校零，可將測(cè)量誤差顯著降低。

表1 整體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)首次將磁流變減振器引入光電速度傳感器的減振設(shè)計(jì)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(jià)格便宜。

該傳感器采用主動(dòng)避振的方式來降低機(jī)械振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響，使得測(cè)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(chǎng)合廣泛，可用于大型的機(jī)械設(shè)備，如港口起重機(jī)、煤礦機(jī)械等的速度位移參數(shù)精確測(cè)量。

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