阅读说明：本技术 一种全数字式电磁振动台系统及其工作方法 (All-digital electromagnetic vibration table system and working method thereof ) 是由 刘代伦 刘云轩 于 2018-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种全数字式电磁振动台系统及其工作方法。所述系统包括数字振动台、数字信号处理模块、开关电路、电源。所述数字信号处理模块由信号预处理单元、时基电路、模数转换电路、延时单元、编码变换单元组成。本发明克服了传统振动台效能低、噪声干扰大、失真严重、发热严重的缺点,也避免了半数字化的振动台系统电感性、发热、失真、精准性、频率特性差的问题,通过全数字化的控制使得数字振动台的效能高、频率特性好、抗干扰能力强,能更好的适应技术发展的趋势。(The invention provides a full-digital electromagnetic vibration table system and a working method thereof. The system comprises a digital vibration table, a digital signal processing module, a switching circuit and a power supply. The digital signal processing module consists of a signal preprocessing unit, a time base circuit, an analog-to-digital conversion circuit, a time delay unit and a coding conversion unit. The invention overcomes the defects of low efficiency, large noise interference, serious distortion and serious heating of the traditional vibration table, also avoids the problems of poor inductance, heating, distortion, accuracy and frequency characteristic of a semi-digital vibration table system, and ensures that the digital vibration table has high efficiency, good frequency characteristic and strong anti-interference capability through full-digital control and can better adapt to the trend of technical development.)

一种全数字式电磁振动台系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及工业控制技术领域，更具体地，涉及一种全数字式电磁振动台系统及其工作方法。

背景技术

传统的模拟振动台系统是在铁芯激励控制线圈中通入半幅模拟信号,在铁芯中形成半幅脉冲磁场,吸引衔铁往下运动,带动台面往下运动,同时压缩弹簧,当控制信号过零时,吸引力为零,被压缩的弹簧回弹,使振动台面往上运动。其缺点是效能低(模拟放大器的效率不到50％),噪声干扰大,失真严重,发热严重.

半数字化的振动台系统是将振动控制仪的控制信号数字化,用开关电路进行放大处理(比如D类放大器),然后滤波还原成模拟信号输出到控制线圈.放大器效率有较大的提升(可以到80-90％),失真得到很大改善,发热也小了很多.但放大器后接滤波和数模转换,仍然有失真和发热,振动台本体仍然工作在模拟状态,且表现出电感性，发热、失真、精准性、频率特性差问题依然突出。

发明内容

本发明提供了一种有别于传统振动台的全数字式电磁振动台系统及其工作方法。

本发明所述一种全数字式电磁振动台系统包括数字振动台、数字信号处理模块、开关电路、电源；数字振动台包括振动台面、位于振动台面下方的基体、弹簧、华斯、导磁环；所述弹簧两端分别与振动台面一侧、基体固定在一起；所述基体上设置有磁芯，导磁环设置于磁芯上，且其上端部的内圈与华斯外圈紧贴；磁芯与振动台面之间设置有吸附机构；在开关电路控制下，所述吸附机构能够使得振动台面与基体靠近。

所述数字信号处理模块由信号预处理单元、时基电路、模数转换电路、延时单元、编码变换单元组成；信号预处理单元、模数转换电路顺次连接，时基电路连接模数转换电路、延时单元，延时单元输出端连接编码变换单元。

所述模数转换电路用于将信号预处理单元输出的模拟信号转化为数字信号。

所述编码变换单元用于将模数转换电路的输出信号编码变换为控制开关电路的控制信号。

所述时基电路用于产生时钟脉冲，提供给模数转换电路进行采样、锁存，并经延时单元延时后提供给编码变换单元作为时基载波。

所述开关电路用于控制吸附机构中电流的通断。

所述电源包含提供给振动控制仪、模数转换电路、编码变换单元、检测反馈单元的稳压电源和提供给开关电路的稳流电源。

进一步的，所述吸附机构包括设置于振动台面下方的若干组动圈及其骨架、设置于磁芯上且位于导磁环所围成区域内的激励磁场产生装置。

进一步的，所述激励磁场产生装置为激励控制线圈，所述激励控制线圈绕制在磁芯中间位置设置的突出部上。

进一步的，所述激励磁场产生装置为永磁体。

进一步的，所述吸附机构包括设置于振动台面下方的衔铁及绕制在突出部上的若干组激励控制线圈，所述若干组激励控制线圈与开关电路连接。

进一步的，所述编码变换单元的工作流程为：

步骤一：将接收到的并行二进制代码中的最高位即权数最大位作为正负符号识别码。

步骤二：将正负符号识别码与剩余的各位二进制代码实现逻辑与得到正组位权二进制代码。剩余的各位二进制代码取非后与正负符号识别码逻辑与得到负组位权二进制代码。同时将剩余的各位二进制代码与时钟脉冲实现逻辑与得到带有时钟信息的正组位权二进制代码和负组位权二进制代码。

进一步的，所述编码变换单元的工作流程还可以为：

步骤一：将接收到的脉冲宽度调制码与时间脉冲逻辑与，使脉冲宽度波形变为与时间脉冲个数相对应的脉冲波形。

步骤二：步骤一所得的脉冲波形输入至计数器。

步骤三：计数器输出端对应连接1字节位开关电路输入端。

进一步的，还包括若干路互感及续流处理电路，每路该电路与一路激励控制线圈(或动圈)对应设置，该电路由一个续流单元及一个瞬态抑制单元串联组成，串联电路一端连接对应激励控制线圈(或动圈)与电源的连接点，另一端连接对应激励控制线圈(或动圈)与开关电路的连接点。

进一步的，还包括振动控制仪、检测反馈单元，所述振动控制仪输出端与数字信号处理模块连接，输入端与振动传感器连接，所述检测反馈单元包括设置于数字振动台上的振动传感器及A/D转换单元，对振动台面的振动信号进行采集、变换处理、并反馈到振动控制仪。

上述的全数字式电磁振动台系统的工作方法包括如下步骤：

步骤一：信号预处理电路对接收到的信号进行增益控制、滤波、双向限幅处理后输出到模数转换电路。

步骤二：模数转换电路将信号预处理电路输出的模拟信号转化为数字信号输出给编码变换单元。

步骤三：编码变换单元将输入信号转化为控制开关电路的控制信号。

步骤四：吸附机构在开关电路控制下通电时，产生磁场，振动台面与基体在吸附机构的作用力下靠近，同时压缩弹簧,当控制信号过零时,吸引力为零,被压缩的弹簧回弹,使振动台往上运动。

本发明的有益效果为：

本发明克服了传统振动台效能低、噪声干扰大、失真严重、发热严重的缺点，也避免了半数字化的振动台系统电感性、发热、失真、精准性、频率特性差的问题，通过全数字化的控制使得数字振动台的效能高、频率特性好、抗干扰能力强，能更好的适应技术发展的趋势。

附图说明

图1为电动式数字电磁振动台结构图。

图2为电磁式数字电磁振动台结构图。

图3为全数字式电磁振动台系统框图。

图中：1.振动台面、2.动圈、3.华斯、4.导磁环、5.激励控制线圈，6.磁芯、7.基体、8.衔铁、9.弹簧。

具体实施方式

首先介绍数字振动台的硬件结构。

数字振动台包括振动台面1、位于振动台面1下方的基体7、弹簧9、华斯3、导磁环4；所述弹簧9两端分别与振动台面1一侧、基体7固定在一起；所述基体7上设置有磁芯6，导磁环4设置于磁芯6上，且其上端部的内圈与华斯3外圈紧贴；磁芯6与振动台面1之间设置有吸附机构；在开关电路控制下，所述吸附机构能够使得振动台面1与基体7靠近。

根据吸附机构不同，数字振动台可以为电磁式或者电动式。

一：电动式：

如图1所示为电动式振动台，吸附机构包括设置于振动台面1下方的若干组动圈2及其骨架、设置于磁芯6上且位于导磁环4所围成区域内的激励磁场产生装置。各个动圈2与外界的开关电路连接，外界开关电路的开关控制其通断。

激励磁场产生装置可以为激励控制线圈5或者永磁铁。

所述磁芯6一侧沿着朝向振动台的方向设置至少一组突出部；每个突出部上套设有激励控制线圈5(或永磁铁)。突出部的设置有两种实施例。

具体实施方式1：

所述磁芯6中间位置设置有一个突出部，突出部上设置有激励控制线圈5(或永久磁铁)。

具体实施方式2：

所述磁芯6靠近外边缘的部分均匀分布有若干个凸出部，每个凸出部上套设有激励控制线圈5(或永久磁铁)，各个激励磁路具有共同的、唯一的气隙。

二：电磁式：

如图2所示为电动式振动台，吸附机构包括设置于振动台面1下方的衔铁8、设置于磁芯6上且位于导磁环4所围成区域内。

激励磁场产生装置为若干组激励控制线圈5。

所述磁芯6一侧沿着朝向振动台的方向设置至少一组突出部；每个突出部上套设有若干组激励控制线圈5，各个激励控制线圈5与外界的开关电路连接，外界开关电路的开关控制其通断。衔铁8位于气隙上方。

突出部的设置有两种实施例。

具体实施方式1：

所述磁芯6中间位置设置有一个突出部，突出部上设置有若干组激励控制线圈5。

具体实施方式2：

所述磁芯6靠近外边缘的部分均匀分布有若干个凸出部，每个凸出部上套设有若干组激励控制线圈5，各个激励磁路具有共同的、唯一的气隙。

下面介绍整个全数字式电磁振动台系统。

全数字式电磁振动台系统包括前述的数字振动台、数字信号处理模块、开关电路、电源。

一：数字信号处理模块：

所述数字信号处理模块由信号预处理单元、时基电路、模数转换电路、延时单元、编码变换单元组成。信号预处理单元、模数转换电路、编码变换单元顺次连接，时基电路连接模数转换电路、延时单元，延时单元输出端连接编码变换单元。

1.信号预处理电路

所述信号预处理单元由自动增益控制电路、滤波电路、限幅电路串联组成，用于对输入的模拟信号进行增益控制、滤波、双向限幅的预处理。各个电路可采用现有电路。

2.时基电路

所述时基电路用于产生时钟脉冲(优选矩形脉冲)，提供给模数转换电路，且经延时单元延时后提供给编码变换单元形成时基载波。可采用现有电路。

3.模数转换电路

用于将信号预处理电路输出的模拟信号采样、锁存后转化为数字信号输出给编码变换单元。可采用现有电路。

模数转换电路可采用PCM编码、基于ΔΣ的PCM编码、PWM调制编码。PCM编码原理：PCM编码需要经过取样、量化、编码三个步骤，以获得二进制格式的编码来表示信号的幅值。为了减少量化比特数，并同时保证编码信号的高信噪比特性。

基于△∑的PCM调制编码的工作原理：当模拟量进入转换器后，先在调制器中做求积处理，并将模拟量转为数字量，再将转换过的数字量转化为模拟量反馈给输入端，与输入信号相减，形成差分信号。实际上模数转换就是对差分信号进行数字化。因而可以大大减少量化b it数,同时,也可理解为是一个深度闭环负反馈环节,可以大大削弱输入噪音,提高信噪比.同时在后面加一级数字滤波器，可进一步将量化噪音滤掉，从而得到一组精确的数字量.即基于△∑的PCM编码。PWM调制编码原理:输入信号到比较器,同时将时钟脉冲输入到循环计数器,随着时钟脉冲数的增加,N位计数器的输出增加,与输入比较,小于输入,则寄存器输出为高(1),大于输入,则输出为低(0)。这样一个字节(N位)内寄存器输出为高的时间长短(脉冲宽度)就与输入的幅值对应,形成脉冲宽度调制波(PWM波形)。

采用△∑调制编码的优点是：通过将源信号与参考信号进行差值比较，将差值信号进行二元编码，因误差信号的信息量小，仅需要较少的比特位数即可表示，从而缩减了量化比特位数。

4.编码变换单元

所述编码变换单元用于将并行二进制代码数字信号转换为开关信号(即开关电路的控制信号)。所述开关信号的脉冲频率为时基电路产生的时钟脉冲频率。

转换的方法有多种，以下举例说明。

转换方法1：位组编码方式:

将振动台的双向运动对应于信号的正、负。因此，编码转换为正、负两组二进制代码。

步骤一：将接收到的M位并行二进制代码(温度计式编码)中的最高位即权数最大位D_M作为正负符号识别码。M位整数。

也可以在模数转换时就已经将正负信号分开处理。

步骤二：将正负符号识别码与剩余的M-1位二进制代码中的实现逻辑“与”得到正组位权二进制代码；剩余的M-1位二进制代码取非后与正负符号识别码逻辑“与”得到负组位权二进制代码。在正、负识别的同时与时钟脉冲实现逻辑“与”，以给转换后的代码添加时基载波。具体而言，D_M与D₁、D₂、、、、D_M-1实现逻辑“与”得到正组位权二进制代码；将D_M与取非后的D₁、D₂、、、、D_M-1实现逻辑“与”得到负组位权二进制代码。正、负组位权二进制代码的位数均为M-1位。同时，为使激励控制线圈5(或动圈2)任何时候都工作在同一固定频率下，编码变化还必须引入时钟脉冲，即在正、负识别的同时与时钟脉冲实现逻辑“与”，相当于用二进制代码对时钟脉冲进行幅度调制。

转换方法2：1b it数据流编码方式

步骤一：将接收的脉冲宽度调制码与时间脉冲逻辑“与”使脉冲宽度波形变为与时间脉冲个数相对应的脉冲波形。(如果接收的为PCM编码则应转换为串行码,并将最高位权数对应1b it位数)

步骤二：步骤二所得的脉冲波形输入至计数器(1字节位)。

步骤三：计数器输出端对应连接1字节位开关电路输入端,进而控制激励控制线圈5(或动圈2)的通断。

四：开关电路

所述开关电路包含用于控制各路激励控制线圈5或动圈2对应设置的子电路，通过子电路控制对应激励控制线圈5或动圈2的通断。

当用前述编码转换方法1时，所述开关电路包含对应于正组位权二进制代码的N路正组子电路、对应于负组位权二进制代码的N路负组子电路。正组子电路、负组子电路通过开关控制N路激励控制线圈5或动圈2的通断。每组的N个子电路按照位权值大小依顺序排列，N的取值取决于模数转换后数字信号位数、编码及编码变换方式。每路激励控制线圈5或动圈2对应连接一路正组子电路及一路负组子电路。当用前述编码转换方法2时，开关电路的设计与方法1相同,只是N路对应1bit位。

本实施例中为模数转换后数字信号位数为M位，且采用PCM编码、位组变换，所以N＝2^M-2+2^M-3+、、、+2⁰。各比特位的数字信号输入到其相应分组的所有开关器件上，控制对应激励控制线圈5或动圈2的通断。

五：电源

电源所述电源由稳压模块和稳流模块组成。用于提供给振动控制仪、数字处理模块、检测反馈单元的稳定电压、提供给开关电路2N路稳定电流(如果有缓冲电路则应同时提供稳定电压)。

给开关电路提供稳定电流是为了适应激励控制线圈5(或动圈2)由于不同路同时导通时相互间的互感而产生的等效阻抗的变化，保证通过激励控制线圈5(或动圈2)的电流不变，亦即保证激励控制线圈5(或动圈2)的安匝数不变。

优选的，系统还设置有检测反馈单元及振动控制仪。

所述检测反馈单元用于对振动台面1及工件振动信号进行采集，采用的是振动传感器。振动传感器采集的信号经过变换处理后反馈到振动控制仪。

所述振动控制仪也是采用的现有设备，用于接收振动传感器传输过来的信号。

优选的，本发明还设置有互感与续流处理电路。

互感及续流处理电路具有多路，每路该电路与一路激励控制线圈5(或动圈2)对应设置，该电路由一个续流单元(本实施例利用续流二极管)及一个瞬态抑制单元(本实施例采用瞬态抑制二极管)串联组成，串联电路一端连接对应激励控制线圈5(或动圈2)与电源的连接点，另一端连接对应激励控制线圈5(或动圈2)与开关电路的连接点。设置互感及续流处理电路的原因是：激励控制线圈5(或动圈2)属电感负载，在断路瞬间会产生大的反电势，为了遏制反电势的峰值，必须续流(采用续流单元)，遏制反电势。同时，接通的激励控制线圈5(或动圈2)会在没有接通的激励控制线圈5(或动圈2)中产生互感电势，有通过续流回路形成电流的可能，干扰脉冲磁场的逻辑叠加，需要限制互感电流的产生采用瞬态抑制单元，将其击穿电压设计在略大于互感电势，使其与续流单元串联后既能起到一定的续流作用，又能遏制互感电流。

下面对上述系统的工作过程进行说明。

步骤一：信号预处理电路接收外界的控制信号(当设置有振动控制仪时，接收的是振动控制仪的控制信号)，信号预处理电路对其进行增益控制、滤波、双向限幅处理后输出到模数转换电路；

步骤二：模数转换电路将信号预处理电路输出的模拟信号转化为数字信号输出给编码变换单元；

步骤三：编码变换单元将输入信号转化为控制开关电路的控制信号；

步骤四：吸附机构在开关电路控制下通电时，产生磁场，振动台面1与基体7在吸附机构的作用力下，吸附靠近，同时压缩弹簧9,当控制信号过零时,吸引力为零,被压缩的弹簧9回弹,使振动台往上运动。本步骤具体为：

当为电磁式振动台时：

激励控制线圈5被驱动开通或者关闭，开通时稳流电源提供电流，形成数字脉冲电流，对应的磁路中获得脉冲电磁场，各个脉冲电磁场叠加，在磁路气隙中形成合成脉冲磁场。

衔铁8在激励控制线圈5所产生磁场中被吸引往下运动带动台面往下运动,同时压缩弹簧9,当控制信号过零时,吸引力为零,被压缩的弹簧9回弹,使振动台面1往上运动。

当为电动式振动台时:

多组动圈2被驱动开通或者关闭，开通时稳流电源提供电流，形成数字脉冲电流，在激励控制线圈5(或永久磁钢)所产生磁场中受到力的作用，往下运动，带动台面往下运动,同时压缩弹簧9,当控制信号过零时,吸引力为零,被压缩的弹簧9回弹,使振动台往上运动。

检测反馈单元对振动台面1和工件的振动信号进行采集、变换处理、并反馈到振动控制仪，对振动进行跟踪和校正。所述检测反馈单元包括设置于数字振动台上的振动传感器及A/D转换单元，振动传感器对振动台面1的振动信号进行采集，A/D转换单元对信号进行变换处理、并反馈到振动控制仪。

上述工作过程中还包括互感及续流处理步骤，具体为：接通的激励控制线圈5(或动圈2)在断路瞬间产生反电势，通过续流单元加在瞬态抑制单元上,当其值高于其击穿电压时,使瞬态抑制单元导通,形成续流电流.接通的激励控制线圈5(或动圈2)在没有接通的激励控制线圈5(或动圈2)中产生互感电势,通过续流单元加在瞬态抑制单元上,其值低于击穿电压时,瞬态抑制单元不能导通,不能形成感应电流。