專利名稱：頻率自適應(yīng)、振幅自保持的振動送料控制器及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種基于相位反饋原理的頻率自適應(yīng)振動送料器控制裝置及其控制方法，屬于自動化送料器的制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
振動送料器通過電磁激勵裝置產(chǎn)生一定頻率的機械振動，使得在其上的被傳送的工件沿一定的方向發(fā)生有序的排列和位移，達到物料運輸、排列、送料的目的。由于機械系統(tǒng)都有其固有頻率，在送料儀的激勵電路產(chǎn)生的激勵與振動機械系統(tǒng)的固有頻率相等時，工作在諧振狀態(tài)的振動送料儀將具有最大的工作效能。
傳統(tǒng)的振動送料器通常直接采用固定的激勵頻率。由于在送料器本身的質(zhì)量、機械結(jié)構(gòu)、固有頻率等機械特性以及物料的質(zhì)量、摩擦等機械特性發(fā)生變化，包括激勵振蕩電路本身受到環(huán)境溫度、時間等因素的影響發(fā)生頻率特性漂移等情況下，工作在諧振點的裝置振幅很不穩(wěn)定，因此不能在實際中使用。
這些不帶有反饋機制的送料器裝置因為其激勵頻率與系統(tǒng)的固有頻率的漂移，從而工作狀態(tài)不穩(wěn)定，即使通過手工調(diào)整達到諧振狀態(tài)也會因為阻尼等參數(shù)的影響造成傳輸速度不穩(wěn)定、工作效率低。
由于電子技術(shù)、檢測技術(shù)和自適應(yīng)控制理論的發(fā)展，使得在較小的空間、較低的成本條件下實現(xiàn)對送料器的激勵頻率的自適應(yīng)調(diào)整成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種工作效能高、振幅穩(wěn)定的頻率自適應(yīng)、振幅自保持的振動送料控制器及其控制方法。隨時保持送料器激勵頻率和整體機械系統(tǒng)的固有頻率一致，使其總是工作在諧振狀態(tài)。并在保持送料器工作于諧振狀態(tài)的同時，保持振動幅值的穩(wěn)定。
技術(shù)方案本發(fā)明采用對于激勵信號和其產(chǎn)生的實際機械振動信號的相位及幅值的同時監(jiān)測，并以此控制激勵頻率，使整個系統(tǒng)總是工作在諧振狀態(tài)，并保持穩(wěn)定振幅。
本發(fā)明的頻率自適應(yīng)、振幅自保持的振動送料控制器包括單片機、光電位置傳感器、激振器、顯示器、鍵盤、RS232接口、振動送料裝置；其中，光電位置傳感器的輸入接振動送料裝置，光電位置傳感器的輸出端接單片機的輸入端，單片機的輸出端分別接激振器、顯示器、鍵盤、RS232接口，激振器的輸出接振動送料裝置。
本發(fā)明的控制方法為光電位置傳感器采集振動送料裝置的位置及振動相位信號，并將采集到的位置及振動相位信號送入單片機進行處理，由單片機處理后的信號分別送顯示器顯示、送RS232接口與外部設(shè)備聯(lián)系、送激振器產(chǎn)生激振，并將該激振驅(qū)動振動送料裝置。
本發(fā)明的控制流程即單片機PIC16C873中的控制程序為該程序主要由2個循環(huán)組成，其中主循環(huán)部分(從下文中的第2步到第15步之間構(gòu)成的循環(huán))用來產(chǎn)生250Hz左右的振蕩信號。其循環(huán)的周期由相位差決定，并且在每次循環(huán)之后修正這個周期的長度。從步驟2到8的循環(huán)是定時計數(shù)器決定的，定時對振動信號進行采樣，具體實現(xiàn)方法如下1、初始化單片機PIC16C873，包括初始化IO口，初始化PWM定時器，初始化AD采集模塊，2、進入采集和振動循環(huán)程序，等待到達采樣時間，3、對光電接收管信號進行采樣，4、刷新LED顯示，5、對采樣得到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，6、通過尋找極值點的方法尋找最大值MAX，并且記錄它發(fā)生的時刻tmax，7、通過尋找極值點的方法尋找最小值MIN，并且記錄它們發(fā)生的時刻tmin，8、回到步驟2，這個采樣過程一直進行到找出一個周期內(nèi)的最大和最小值，9、掃描鍵盤，10、通過對最大值和最小值時刻求出振動的過零點時間t0，
11、退出采集循環(huán)，12、將t0和由PWM控制器產(chǎn)生的PWM信號的過零點時間T0比較提前，增加PWM頻率，置后，降低PWM頻率，相等，不改變頻率，13、比較計算振幅并設(shè)定振幅的大小，若當(dāng)前振幅大于設(shè)定值，降低PWM占空比，若當(dāng)前振幅小于于設(shè)定值，增加PWM占空比，若當(dāng)前振幅等于設(shè)定值，不改變占空比，14、計算和修改工作參數(shù)，15、清空寄存器，回到步驟2，重復(fù)以上過程。
本發(fā)明采用單片機“PIC16C873”的脈寬調(diào)制(PWM)模塊產(chǎn)生振動送料器的振動信號。PWM信號的頻率將等于送料器的振動頻率，PWM信號的占空比決定了送料器的激勵功率。當(dāng)激勵信號頻率與整體機械系統(tǒng)的固有頻率相等時，工作在諧振狀態(tài)的振動送料器將具有最大的工作效能，也就是進入了所希望的工作狀態(tài)。此時整個系統(tǒng)除了具有最大的振動幅度和效率之外，激勵電流信號和振動加速度信號將完全同相(總是和位移信號成180度相位角)。同時因為在固有頻率附近振動變得對激勵的幅值和頻率非常敏感，所以控制特性降低。
本發(fā)明專利通過光電檢測的方法同時檢測振動信號的幅值和相位信息，達到對振動頻率和幅值的雙閉環(huán)控制一方面通過檢測相位信號，監(jiān)視送料器是否達到諧振狀態(tài)(激勵電流是否和位移信號是否相位相同)；另一方面可以監(jiān)視振動幅值，控制激勵大小，從而使振幅穩(wěn)定，達到送料速度穩(wěn)定的目的。
具體的實現(xiàn)方法就是通過比較振動信號的過零點時刻和PWM激勵信號的過零點時刻來判斷是否達到設(shè)定相位，從而根據(jù)相位誤差調(diào)整PWM激勵信號的頻率去跟蹤系統(tǒng)的固有頻率。此時由于系統(tǒng)接近諧振狀態(tài)，振幅必將隨之發(fā)生改變，也就要求我們在改變系統(tǒng)頻率的同時不斷的檢測機械振動的振幅并且通過改變激勵功率，也就是占空比的方法改變振幅，達到頻率和振幅的雙閉環(huán)控制。
有益效果1、克服送料器本身的質(zhì)量、機械結(jié)構(gòu)、固有頻率等機械特性、被送物體的質(zhì)量、摩擦等機械特性發(fā)生變化，以及激勵振蕩電路本身在環(huán)境溫度、時間等因素影響下，無法總是工作于諧振狀態(tài)的問題，隨時保持送料器激勵頻率和整體機械系統(tǒng)的固有頻率一致，使其總是工作在諧振狀態(tài)。本發(fā)明使得送料機的工作效率比工作在亞諧振狀態(tài)的送料機提高十倍以上。
2、本發(fā)明采用低成本的光電檢測的方法同時實現(xiàn)振幅和相位的甄別。成本低于其他檢測方法。
3、本發(fā)明專利采用國內(nèi)外流行的芯片和電路技術(shù)，降低了成本。
4、本發(fā)明專利所含有的振動激勵控制器具有廣泛的適應(yīng)性，在不需要人為調(diào)整的情況下能夠適應(yīng)多種結(jié)構(gòu)和類型的振動送料裝置。
5、本發(fā)明專利使得振動送料器的計算機程控成為可能，使得裝置可以運行在無人監(jiān)測的程控狀態(tài)。


圖1是本發(fā)明頻率自適應(yīng)、振幅自保持的振動送料控制器整體結(jié)構(gòu)框圖，圖中有單片機1、光電位置傳感器2、激振器3、顯示器4、鍵盤5、RS232接口6、振動送料裝置7。
圖2是本發(fā)明頻率自適應(yīng)、振幅自保持的振動送料控制器電原理圖。
圖3是本發(fā)明的控制流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明的頻率自適應(yīng)、振幅自保持的振動送料控制器包括單片機1、光電位置傳感器2、激振器3、顯示器4、鍵盤5、RS232接口6、振動送料裝置7；其中，光電位置傳感器2的輸入接振動送料裝置7，光電位置傳感器2的輸出端接單片機1的輸入端，單片機1的輸出端分別接激振器3、顯示器4、鍵盤5、RS232接口6，激振器3的輸出接振動送料裝置7。
本發(fā)明包括的硬件組成帶十位ADC的及PWM輸出的八位單片機1，型號為“PIC16C873”，其晶振采用20MHz；光電位置傳感器2為遮幅式光敏監(jiān)測器，型號為寧波和譜光電FG471068U；PWM輸出運算放大器采用TL082；由功率開關(guān)管控制的激振器3；顯示器4為三位LED；鍵盤5；RS232接口6，型號為MAX232；電源模塊采用7805；振動送料裝置7。
光敏接收管接收到的信號直接送入單片機“PIC16C873”的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的輸入端(無需放大濾波)。單片機“PIC16C873”通過處理和計算后得到PWM信號的占空比和頻率，通過其PWM模塊將PWM信號送入工作在比較模式下的運算放大器，該運算放大器將這個信號轉(zhuǎn)化為具有較高電平及推拉能力的PWM信號去驅(qū)動一只達林頓形的功率開關(guān)管得到激勵信號。同時單片機“PIC16C873”上還接有顯示和鍵盤電路，用于人機交互。
控制方法為光電位置傳感器2采集振動送料裝置7的位置及振動相位信號，并將采集到的位置及振動相位信號送入單片機1進行處理，由單片機1處理后的信號分別送顯示器4顯示、送RS232接口6與外部設(shè)備聯(lián)系、送激振器3產(chǎn)生激振，并將該激振驅(qū)動振動送料裝置7。
本發(fā)明的控制流程即單片機PIC16C873中的控制程序為該程序主要由2個循環(huán)組成，其中主循環(huán)部分(從下文中的第2步到第15步之間構(gòu)成的循環(huán))用來產(chǎn)生250Hz左右的振蕩信號。其循環(huán)的周期由相位差決定，并且在每次循環(huán)之后修正這個周期的長度。從步驟2到8的循環(huán)是定時計數(shù)器決定的，定時對振動信號進行采樣，具體實現(xiàn)方法如下1、初始化單片機PIC16C873，包括初始化IO口，初始化PWM定時器，初始化AD采集模塊，2、進入采集和振動循環(huán)程序，等待到達采樣時間，3、對光電接收管信號進行采樣，4、刷新LED顯示，5、對采樣得到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，6、通過尋找極值點的方法尋找最大值MAX，并且記錄它發(fā)生的時刻tmax，7、通過尋找極值點的方法尋找最小值MIN，并且記錄它們發(fā)生的時刻tmin，8、回到步驟2，這個采樣過程一直進行到找出一個周期內(nèi)的最大和最小值，9、掃描鍵盤，10、通過對最大值和最小值時刻求出振動的過零點時間t0，11、退出采集循環(huán)，12、將t0和由PWM控制器產(chǎn)生的PWM信號的過零點時間T0比較提前，增加PWM頻率，置后，降低PWM頻率，
相等，不改變頻率，13、比較計算振幅并設(shè)定振幅的大小，若當(dāng)前振幅大于設(shè)定值，降低PWM占空比，若當(dāng)前振幅小于于設(shè)定值，增加PWM占空比，若當(dāng)前振幅等于設(shè)定值，不改變占空比，14、計算和修改工作參數(shù)，15、清空寄存器，回到步驟2，重復(fù)以上過程。
權(quán)利要求
1.一種頻率自適應(yīng)、振幅自保持的振動送料控制器，其特征在于該控制器包括單片機(1)、光電位置傳感器(2)、激振器(3)、顯示器(4)、鍵盤(5)、RS232接口(6)、振動送料裝置(7)；其中，光電位置傳感器(2)的輸入接振動送料裝置(7)，光電位置傳感器(2)的輸出端接單片機(1)的輸入端，單片機(1)的輸出端分別接激振器(3)、顯示器(4)、鍵盤(5)、RS232接口(6)，激振器(3)的輸出接振動送料裝置(7)。
2.一種如權(quán)利要求1所述的頻率自適應(yīng)、振幅自保持的振動送料控制器的控制方法，其特征在于光電位置傳感器(2)采集振動送料裝置(7)的位置及振動相位信號，并將采集到的位置及振動相位信號送入單片機(1)進行處理，由單片機(1)處理后的信號分別送顯示器(4)顯示、送RS232接口(6)與外部設(shè)備聯(lián)系、送激振器(3)產(chǎn)生激振，并將該激振驅(qū)動振動送料裝置(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的頻率自適應(yīng)、振幅自保持的振動送料控制器的控制方法，其特征在于單片機(1)的控制方法具體如下1、初始化單片機PIC16C873，包括初始化IO口，初始化PWM定時器，初始化AD采集模塊，2、進入采集和振動循環(huán)程序，等待到達采樣時間，3、對光電接收管信號進行采樣，4、刷新LED顯示，5、對采樣得到的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，6、通過尋找極值點的方法尋找最大值MAX，并且記錄它發(fā)生的時刻tmax，7、通過尋找極值點的方法尋找最小值MIN，并且記錄它們發(fā)生的時刻tmin，8、這個采樣過程一直進行到找出一個周期內(nèi)的最大和最小值，9、掃描鍵盤，10、通過對最大值和最小值時刻求出振動的過零點時間t0，11、退出采集循環(huán)，12、將t0和由PWM控制器產(chǎn)生的PWM信號的過零點時間T0比較提前，增加PWM頻率，置后，降低PWM頻率，相等，不改變頻率，13、比較計算振幅并設(shè)定振幅的大小，若當(dāng)前振幅大于設(shè)定值，降低PWM占空比，若當(dāng)前振幅小于于設(shè)定值，增加PWM占空比，若當(dāng)前振幅等于設(shè)定值，不改變占空比，14、計算和修改工作參數(shù)，15、清空寄存器，回到步驟2，重復(fù)以上過程。
全文摘要
頻率自適應(yīng)、振幅自保持的振動送料控制器及其控制方法是一種基于相位反饋原理的頻率自適應(yīng)振動送料器控制裝置及其控制方法，該控制器包括單片機、光電位置傳感器、激振器、顯示器、鍵盤、RS232接口、振動送料裝置；其中，光電位置傳感器的輸入接振動送料裝置，光電位置傳感器的輸出端接單片機的輸入端，單片機的輸出端分別接激振器、顯示器、鍵盤、RS232接口，激振器的輸出接振動送料裝置?？刂品椒楣怆娢恢脗鞲衅鞑杉駝铀土涎b置的位置及振動相位信號，并將采集到的位置及振動相位信號送入單片機進行處理，由單片機處理后的信號分別送顯示器顯示、送RS232接口與外部設(shè)備聯(lián)系、送激振器產(chǎn)生激振，并將該激振驅(qū)動振動送料裝置。
文檔編號B65G47/14GK1597471SQ200410041760
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
發(fā)明者王順, 何樂生, 王平 申請人:東南大學(xué)