專利名稱：基于觀測(cè)法的壓電振動(dòng)送料器無(wú)傳感器調(diào)速控制器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)電系統(tǒng)的測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域，涉及到壓電振動(dòng)送料器平穩(wěn)輸送零件的控制技術(shù)，特別是采用觀測(cè)法從壓電振子元件本身獲取送料器振動(dòng)速度、在無(wú)附加振動(dòng)傳感器的情況下實(shí)現(xiàn)閉環(huán)速度控制的方法。
背景技術(shù)：
振動(dòng)送料器是現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)裝配系統(tǒng)中不可或缺的設(shè)備。壓電振動(dòng)送料器的工作原理是逆壓電效應(yīng)，給壓電振子施加諧振頻率下的交流電壓，壓電振動(dòng)臂產(chǎn)生振動(dòng)從而帶動(dòng)送料器托盤振動(dòng)，達(dá)到排列和輸送物料的目的。壓電式振動(dòng)送料器最顯著的優(yōu)點(diǎn)是比傳統(tǒng)電磁式振動(dòng)送料器節(jié)省約70%的電能，另外，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、構(gòu)造輕便、占地小、送料速度容易調(diào)整、工作時(shí)電磁污染小等特點(diǎn)。壓電振動(dòng)送料器在諧振時(shí)送料速度快，所以壓電振動(dòng)送料器的驅(qū)動(dòng)電壓必須是諧波，一般是有效值200V左右、頻率幾十 幾百Hz的正弦波。 國(guó)產(chǎn)壓電振動(dòng)送料器產(chǎn)品一般無(wú)閉環(huán)控制，存在隨著物料減少振動(dòng)幅度變大、送料不平穩(wěn)的問題。雖然可以手動(dòng)調(diào)節(jié)控制器給出的驅(qū)動(dòng)電壓，但是降低了自動(dòng)化程度。高端壓電振動(dòng)送料器增加了對(duì)送料速度的閉環(huán)控制，包括有傳感器控制和無(wú)傳感器控制兩種技術(shù)。有傳感器控制技術(shù)是使用外部振幅檢測(cè)傳感器或者加速度傳感器等獲取壓電振動(dòng)臂的振動(dòng)信息，反饋給控制器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。日本發(fā)明人屋木晉和高瀨弘人在CN 1389384A中公開了基于外部傳感器的壓電振動(dòng)送料器送料速度控制方法，該專利采用一個(gè)振幅傳感器測(cè)量壓電振動(dòng)臂的振幅，處理器根據(jù)振幅反饋信號(hào)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓。無(wú)傳感器控制技術(shù)，或稱為自感知執(zhí)行技術(shù)，是利用正、逆壓電效應(yīng)，從送料器中壓電振子本身提取振動(dòng)信號(hào)，在不增加額外傳感器的前提下仍能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。采用無(wú)傳感器控制技術(shù)，不需在壓電振動(dòng)送料器內(nèi)部安裝其它振動(dòng)傳感器，可直接應(yīng)用于服役中的壓電振動(dòng)送料器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速控制，具有降低成本、節(jié)省空間、降低安裝與維護(hù)難度的優(yōu)點(diǎn)。專利ZL200410020496. 5公開了將壓電振子電極分割出傳感區(qū)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信息檢測(cè)，不適用于壓電振子已封裝完畢、結(jié)構(gòu)與布線確定的壓電振動(dòng)送料器。專利ZL200710010410. 4公開了壓電振子在交替的時(shí)間分區(qū)內(nèi)分別作激振器和振動(dòng)傳感器的方法，適用于低頻振動(dòng)情況，不適用于諧振頻率在幾百Hz的壓電振動(dòng)送料器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種壓電振動(dòng)送料器無(wú)傳感器調(diào)速控制方法和無(wú)傳感器調(diào)速控制器，給出一種諧振狀態(tài)下送料速度和物料重量的觀測(cè)方法及調(diào)速控制方法，解決現(xiàn)有壓電振動(dòng)送料器送料速度隨物料的增減而變化的問題。利用壓電振動(dòng)送料器電學(xué)端口的電壓和電荷觀測(cè)機(jī)械端口的力和振動(dòng)，利用壓電振子本身提取振動(dòng)速度信息，不需要使用額外的振幅傳感器實(shí)現(xiàn)閉環(huán)速度控制。本發(fā)明包括兩方面一是壓電振動(dòng)送料器送料速度和物料重量的觀測(cè)方法及調(diào)速控制方法；二是無(wú)傳感器調(diào)速控制器的設(shè)計(jì)。
本發(fā)明采用的壓電振動(dòng)送料器送料速度和物料重量的觀測(cè)方法，其特征在于利用壓電振子驅(qū)動(dòng)電壓和壓電振子電荷觀測(cè)送料速度和物料重量，根據(jù)壓電元件正、逆壓電效應(yīng)，推導(dǎo)得出壓電振子驅(qū)動(dòng)電壓和壓電振子電荷與送料速度和物料重量的關(guān)系模型。壓電振子10做長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)，其應(yīng)變S、應(yīng)力T、電位移D與電場(chǎng)強(qiáng)度E之間應(yīng)符合第一類壓電方程S1 =^Φ + ΜΕ3(I)D3=CImT^st33E3(2)將式(I)和(2)中不直觀的力學(xué)和電學(xué)量轉(zhuǎn)換為直觀的振動(dòng)位移δ (t)、荷載力F(t)、電荷Q(t)和驅(qū)動(dòng)電壓Vin(t)。設(shè)壓電振子10的長(zhǎng)、寬、厚分別為l、w、h，簡(jiǎn)諧振動(dòng)角頻率為ο，式(I)和(2)分別轉(zhuǎn)換為
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‘ h h m壓電振動(dòng)送料器的送料速度u⑴正比于壓電振子10的振動(dòng)速度，而壓電振子10的振動(dòng)速度是振動(dòng)位移的導(dǎo)數(shù)；壓電振子10的驅(qū)動(dòng)電壓是正弦波，因此，由式(3)導(dǎo)出壓電振動(dòng)送料器送料速度的頻域表達(dá)式為
Vf../ .d Ii>oc JmS = Jmljl-F +(5)
whh式(5)表明送料速度u (t)與荷載力F(t)和驅(qū)動(dòng)電壓Vin(t)之間存在相位差，這使模型復(fù)雜化?？紤]到工程上不關(guān)心送料速度的相位、壓電振子諧振狀態(tài)下的振動(dòng)位移增大，只提取式(5)中各變量振幅之間的關(guān)系，將頻域動(dòng)態(tài)關(guān)系模型簡(jiǎn)化為諧振頻帶內(nèi)的靜態(tài)關(guān)系模型，得到i) = yF + rjVm(6)式中Y、η為比例系數(shù)，可用系統(tǒng)辨識(shí)方法確定；U為送料速度，F(xiàn)為荷載力平均值，Vin為壓電振子驅(qū)動(dòng)電壓的振幅。要觀測(cè)送料速度和物料重量?jī)蓚€(gè)量，還必須利用壓電振子電荷，下面建立送料速度與壓電電荷的關(guān)系。從式(3)和(4)中消去F(t)，得
f^pl y/:/ A IJ =—^￡只(7)
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aMw dMh h進(jìn)而送料速度u (t)的頻域表達(dá)式為
權(quán)利要求
1.一種基于觀測(cè)法的壓電振動(dòng)送料器無(wú)傳感器調(diào)速控制器，其特征是 該無(wú)傳感器調(diào)速控制器包括整流濾波穩(wěn)壓電路(11)、逆變電路(12)、驅(qū)動(dòng)電壓濾波電路(13)、采樣電阻(14)、壓電振子電荷提取電路(15)、處理器(16)、顯示面板(17)和鍵盤(18)，壓電振子電荷提取電路(15)包括線性光電耦合電路(19)、低通濾波器(20)、積分電路(21)和峰值保持電路(22)，采樣電阻(14)將壓電振子電電流轉(zhuǎn)換為電壓，通過(guò)線性光電耦合電路(19)將壓電振動(dòng)送料器的高驅(qū)動(dòng)電壓端與低壓的信號(hào)采集電路隔離，再傳送到低通濾波器(20)濾除驅(qū)動(dòng)電壓頻率以上的高頻干擾，積分電路(21)將壓電振子電流轉(zhuǎn)化為電荷，峰值保持電路(22)捕獲壓電振子電荷振幅，壓電振子電荷振幅的采樣電壓傳送給處理器(16)。
2.一種壓電振動(dòng)送料器無(wú)傳感器調(diào)速控制方法，采用權(quán)利要求I所述的一種基于觀測(cè)法的壓電振動(dòng)送料器無(wú)傳感器調(diào)速控制器，其特征在于 采用壓電振動(dòng)送料器的壓電振子(10)既作激振器又作振動(dòng)傳感器，送料速度U、物料重量F、壓電振子電荷振幅采樣電壓Vrat和壓電振子驅(qū)動(dòng)電壓振幅Vin之間的關(guān)系模型為
全文摘要
基于觀測(cè)法的壓電振動(dòng)送料器無(wú)傳感器調(diào)速控制器及方法，屬于機(jī)電系統(tǒng)測(cè)控技術(shù)領(lǐng)域。其特征是將送料速度、物料重量、壓電振子電荷振幅采樣電壓和壓電振子驅(qū)動(dòng)電壓振幅之間的頻域動(dòng)態(tài)模型簡(jiǎn)化為諧振頻帶內(nèi)的靜態(tài)模型，提供了根據(jù)壓電振子電荷振幅的變化來(lái)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓的調(diào)速控制算法；提供的無(wú)傳感器控制器包括整流濾波穩(wěn)壓電路、逆變電路、驅(qū)動(dòng)電壓濾波電路、采樣電阻、壓電振子電荷提取電路、處理器、顯示面板和鍵盤，壓電振子電荷提取電路包括線性光電耦合電路、低通濾波器、積分電路和峰值保持電路。本發(fā)明的效果和益處是壓電振子兼作激振器和傳感器，調(diào)速控制無(wú)需額外振幅傳感器，應(yīng)用于現(xiàn)有壓電振動(dòng)送料器時(shí)不需改動(dòng)本體結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)B65G27/16GK102887345SQ201210430370
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月1日
發(fā)明者董維杰, 馬超凡, 王英俊, 白鳳仙 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)