电动振动台总体及电气部分设计

目 录

1 绪论 ................................................................ 1 1.1 引言 .............................................................. 1 1.2 课题来源 .......................................................... 1 1.3 振动台的分类及国内外发展现状 ...................................... 2 1.3.1 振动台的分类 .................................................... 2 1.3.2 振动台的主要用途 ................................................ 2 1.3.3 国内外发展现状 .................................................. 3 2 电动振动台的相关特性 ................................................ 4 2.1 电动振动台概述 .................................................... 4 2.1.1 振动试验的目的 .................................................. 4 2.1.2 电动振动台工作原理 .............................................. 5 2.2 振动台的部件及工作特性 ............................................ 6 2.2.1 电动振动台台体 .................................................. 6 2.2.2 驱动线圈的阻抗特性 .............................................. 6 2.2.3 动圈结构 ........................................................ 7 2.2.4 金属绕线壁筒对性能的影响 ........................................ 7 2.2.5 磁路系统 ........................................................ 7 2.2.6 悬挂装置与导向装置 .............................................. 8 2.2.7 冷却装置 ........................................................ 9 2.2.8 振动台台体的隔振方法 ........................................... 10 2.3 振动台的选型 ..................................................... 10 2.3.1 选型前的准备 ................................................... 10 2.3.2 振动台类别的选择 ............................................... 10 2.3.3 电动振动台的选型 ............................................... 11 3 电动振动台控制系统设计 ............................................. 13 3.3 电气控制系统设计 ................................................. 13 3.1.1 变频部分设计 ................................................... 13 3.1.2 控制仪的选用 ................................................... 13 3.1.3 功率放大器设计 ................................................. 15 4 总结 ............................................................... 18 参考文献 ............................................................. 19 致 谢 ............................................................... 20 附 录 ............................................................... 21

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1 绪论

1.1 引言

在车辆、航空、航天等工程领域，产品在使用过程中都存在于一定的振动环境中。振动引起的破坏是其服役过程中发生故障的主要因素之一，许多机载设备的故障都与振动直接或者间接的有关。许多国家都投入了大量的人力和物力研究模拟各种产品在在使用该过程中的振动问题。振动环境的研究已经日益引起人们的重视，成为产品进行动态设计必不可少的重要环节。

振动试验的目的在于确定所设计、制造的机器、构件在运输和使用过程中承受外来振动台或者自身产生的振动而不到破坏，并发挥其性能、达到能预定寿命的可靠性。随着对产品，尤其是航空航天产品可靠性要求的提高，作为可靠性试验关键设备的振动试验系统的发展显得越来越重要。振动台可以用于加速度计的校准，也可用于电声器件的振动性能测和其耸的振动试验。对于不同的测试物和技术指标，应注意选用不同结构和激励范围的振动台。

图1 电动振动台外形图

1.2 课题来源

本课题来源于苏州试验仪器总厂，该厂生产的振动试验台市场占有率较高，为了进一步提高振动试验台的质量，导向机构的设计极为重要。设计的振动试验台要求结构简单、工作可靠、维修方便。运动能满足振动试验台的要求（尺寸、质量、频率等要求）。电动振动台外形图可参见图1。

课题研究的主要内容：

1. 设计电动振动台的总体方案。根据电动振动台的设计要求设计电动振动台结构，主要包括运动部件的设计；

2. 设计电动振动台的控制系统；设计电动振动台的控制过程； 3. 绘制电动振动台电气原理图；

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4. 绘制功率放大器原理图及接线图。 1.3 振动台的分类及国内外发展现状 1.3.1 振动台的分类

能够在实验室中人为地产生各种振动的设备称之为振动台(或激振器)。 振动台的分类：

按能量获得的形式分：电动式振动台，机械式振动台，液压式振动台 按模拟等效振动条件分：正弦形式振动台，随机形式振动台 按振动的轴向力分：单向振动台和多向振动台

如前所述，振动台按其能量获得的形式分电动式、机械式、液压式三种。由于工作原理不同，结构不一样，因为他们都具有各自的特点，现列表如下: 项目 频率范围 激 振 力 位 移 波 形 负载能力 控 制 造 价 类别 电动振动台 几Hz-几KHz 较大 一般 好 较小 方便 贵 液压振动台 0-几百Hz 大 大 较好 大 较方便 贵 机械振动台 5-80Hz 大 较小 较差 较大 不方便 低廉 可见：

电动振动台的特点是：频率高，波形好，控制方便，单负载能力较小。它适用

于航空、航天、电子仪器、仪表、汽车零部件等行业进行零部件动态分析及环境振动试验等。

液压振动台的特点是：超低频，大激振力，负载能力强。它适用于船舶、机车

车辆、汽车行业等要求频率低，而体积较大、较重的部件或整机进行可靠性试验。

机械振动台的特点是：低频率，大负载，波形差但价格低廉。它适用于家电、

仪器仪表行业进行耐振疲劳等可靠性试验。

了解上述振动台的特点是很重要的，它将帮助人们在考虑购买使用振动台时作出合适的选择。 1.3.2 振动台的主要用途

振动台的用途很广泛，但归结起来大致有以下几个方面。 (1) 产品、构件、材料的耐振疲劳试验；

(2) 环境例行振动试验：包括检测产品或构件的共振频率，模拟产品或构件在

实际使用中遭受的振动，以便提高其可靠性；

(3) 动态特性试验：测试构件或材料对振动的物理效应(如应力变化等)为设计

提供可靠数据；

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(4) 对各类传感器(例如加速度计、速度计、位移计等)进行标定，当然振动台

的用途远不止这些，例如利用振动也可对大型铸件和大件消除应力代替回火和时效处理等。

1.3.3 国内外发展现状

振动试验的目的在于确定所设计、制造的机器、构件在运输和使用过程中承受外来振动或者自身产生的振动而不至破坏，并发挥其性能、达到预定寿命的可靠性。随着对产品，尤其是航空航天产品可靠性要求的提高，作为可靠性试验关键设备的振动试验系统的发展显得越来越重要。60年代，702所为满足航天产品振动试验的需要，开始了振动试验系统的研制，包括推力10N至100kN的振动台及各种振动测量仪表和传感器。目前，702所的振动试验设备不仅在航天领域而且在其他行业发挥着作用，成为该所的一项重要民品。用于振动试验的振动台系统从其激振方式上可分为三类：机械式振动台、电液式振动台和电动式振动台。从振动台的激振方向，即工作台面的运动轨迹来分，可分为单向(单自由度)和多向(多自由度)振动台系统。从振动台的功能来分，可分为单一的正弦振动试验台和可完成正弦、随机、正弦加随机等振动试验和冲击试验的振动台系统。以下对各种振动台，主要对电动振动台，及其辅助设备的结构、性能和成本的现状及发展等进行简单的论述。功率放大器发展到现在已经历了三代，从电子管放大器到晶体管线性放大器再到数字式开关放大器。电子管放大器在新生产的设备中已基本不用，开关式放大器是近几年国外开发出来的，它利用了晶体管的开关特性，管耗很小，效率可高达90%，而普通的线性放大器的效率只有50%左右。正是由于开关放大器本身发热少，它的冷却就非常简单，输出功率几十千伏安的放大器仅用很小的轴流风机就可以冷却下来，使设备的结构简单可靠。而同样的线性放大器必须要用水来冷却，结构复杂。开关式放大器在低功率输出时失真度相对较大，而且机壳需要较好的电磁屏蔽，否则会对周围设备造成电磁干扰。

电动振动台的技术指标有：额定正弦推力、随机推力有效值、工作频率范围、最大加速度、最大速度、最大位移、运动部件有效质量、工作台面允许直接承载质量、工作台面允许偏载力矩、杂散磁场、加速度波形失真度、工作台面加速度均匀度及横向振动比等。振动台的推力是指其运动部分的质量与在该质量下能达到的加速度的乘积，而不是指试件的重量。

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2 电动振动台的相关特性

2.1 电动振动台概述 2.1.1 振动试验的目的

振动现象对产品的主要影响包括

(1) 结构性损坏：这种破坏包括组成产品的各构件产生变形、弯曲裂纹、断裂

以及疲劳损坏等；

(2) 工作性能失灵：这种破坏一般指在振动的影响下，系统造成不稳定性能越

差，有些系统甚至不能正常工作； (3) 工艺性能破坏：这种破坏一般指产品的连接件松动，焊点脱焊，螺钉松动，

印刷板插脚接触不良等。

无论哪种破坏都将导致产品的工作不稳定，甚至损坏。为了提高产品的可靠性需要通过振动试验来暴露产品的薄弱环节，改进产品设计，使产品在运输使用过程中不出或者少出故障。这是振动试验的最终目的。目前在实验室中进行振动试验的形式最常用的是正弦试验和随机振动试验。

图2 电动振动台结构图

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2.1.2 电动振动台工作原理

电动振动台工作原理与普通收音机中喇叭的工作原理是一样的。即载流导体在强大的磁场中受电磁力的作用而运动。电动振动台除了振动台本体以外，还需要配套的电器设备和电子仪器。电动台主要由三个部分组成，如图2所示。(1)不动部分——圆筒形的磁缸、励磁线圈以及支座，支座用来安装其他不动部分的部件。(2)运动部分——动圈，台面和U形悬挂弹簧，动圈位于气隙之中。(3)气隙——中心磁极和极板之间的间隙。气隙虽然很小，但是起了很重要的作用，它把电器系统和机械系统耦合起来了。

配套设备包括信号发生器、功率放大器、直流励磁电源、冷却系统以及其他必要的测量和控制系统。

图3是电动振动台试验系统图。

图3 电动振动台试验系统图

由控制仪提供的正弦(或随机)随机信号经功率放大器放大后送入装有励磁磁场的振动试验台体中产生的电磁力F为：

F=BIL

式中，B-励磁电流在台体中建立的气隙磁通

I-功率放大器提供的电流

L-安置在气隙磁场中的动圈线的有效长度

由上式可知，振动台的激振力大小取决于B、I、L三个参数，当振动台设计定型后，B、L即为常数：

∴有F=CI

显然，要增大激振力，即要增加功率放大器输出电流(或功率)的大小。为了表

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明电动振动台系统由功率转化为激振力的能力，人们常用力常数(C)来表达。力常数定义为每产生一公斤激振力所需的功率放大器的瓦数称振动台的力常数。 2.2 振动台的部件及工作特性 2.2.1 电动振动台台体

电动振动台台体是一种基于电磁感应原理的试验设备。其工作原理为：电动振动台励磁线圈中通入直流电以产生恒定的磁场，动圈绕线置于此恒定磁场的空气气隙当中，并通以交变大电流，流经位于恒定磁场中的动圈绕线的交变大电流产生方向交变的感应电动力，从而驱使动圈往复运动。电动振动台主要结构如下图4所示。

图4 电动振动台结构原理图

电动振动台主要由运动部件和非运动部件组成。其中运动部件由台面和驱动线圈组成，是电动振动台的关键部分，在很大程度上决定了振动台的性能。运动部件中驱动线圈的阻抗特性，直接关系到振动台与功率放大器的匹配。因此，阻抗特性是设计中的重要问题之一。 2.2.2 驱动线圈的阻抗特性

驱动线圈输入端地阻抗由两部分组成。一部分是驱动线圈包括短路铜环的阻抗，这部分阻抗完全决定于电路参数，而不管运动部件是否运动，因此，它是在静止状态下测得阻抗，称为电路阻抗。另一部分是由于运动部件的运动在驱动线圈中产生反电势所表现出阻抗，可称为运动阻抗或机械反射阻抗。

在计算电路阻抗和运动阻抗的过程中，还应该考虑动圈周围其他金属件，例如金属绕线骨架等由于电磁感应产生的阻尼作用以及非线性的影响。另外，在实际计

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算中，还要考虑发热对阻抗值的影响。 2.2.3 动圈结构

动圈由工作台面、动圈骨架、动圈绕线以及台面螺钉等组成。台面的结构特征主要由动圈骨架决定，依据骨架的不同可分为以下几类：

(1) 无骨架式动圈：此型动圈的工作台面和骨架设计为一体，具有较强的连接刚度，工作共振点高，但难以绕线与固封。

(2) 组合式动圈：工作台面和绕线骨架采用不同的材料制成，并用螺钉将其连接在一起。此类动圈结构便于绕线，但连接刚度较差，容易产生耦合共振，使得一阶轴向谐振频率受限。

(3) 简约式动圈：此型动圈将绕线部位加工成螺旋型的小槽，槽内填入绝缘材料，外部用绝缘材料进行固封而成。它的质量重、谐振频率低，目前很少使用。

标定振动台时，对线圈结构的各个部分都有一定的要求：动圈骨架要有良好的传力性能并无内部模态共振，动圈绕线牢固、可靠，不允许出现绕线的松落、断层等现象，动圈表面不能产生表面膜片化。 2.2.4 金属绕线壁筒对性能的影响

驱动线圈的绕线筒(骨架)可分为金属和非金属的两类(无骨架线圈可以看作是具有极薄的非金属绕线壁筒)。前者普遍用于各种类型的振动台中，而后者只用于中小型振动台中。

金属绕线壁筒对振动台性能的影响：可以把金属绕线壁筒看成是一个与驱动线圈并绕在一起的短路环，当驱动线圈通过电流时，金属绕线壁筒由于感应产生涡流。这个涡流的方向与驱动电流的方向相反，这对振动台的性能产生如下影响：第一，减小了激振力，因为涡流产生的力与线圈驱动力相反，而绕线壁筒是与驱动线圈刚性地连接在一起的，所以，这两种力必然要消耗掉一部分，造成激振力的很大损失；第二是发热，涡流在金属绕线壁筒中产生热量，使动圈的冷却增加了困难；第三，降低了动圈的阻抗，这个影响是有利的。 2.2.5 磁路系统

磁路系统由励磁线圈(或永久磁铁)、中心磁极、磁缸环、瓷缸盖、瓷缸底、消磁线圈、短路环以及其他辅助装置组成，其主要作用是为电动振动台台体提供恒定磁场。磁场可通过电磁场和永久磁场来产生，对于大推力的台体，一般采用电磁方式来产生恒定磁场。电动振动台台体的磁路主要有以下两种结构形式：

(1) 单磁路结构：单磁路结构由一层励磁线圈与中心磁极构成，具体结构可参见图5。单磁路形式结构简单、价格低廉、便于制造，但磁场均匀性较差，台体漏磁较大。

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图5 单磁路机构示意图

(2) 双磁路结构：双磁路结构复杂、制造困难、成本高。但它有着单磁路无法比拟的优点：磁场分布均匀、台面漏磁小、磁场空气气隙较长。对于有大位移要求的电动振动台，一般采用这种结构。其结构如图6所示。

磁路系统中，短路环也是重要的组成部分，一般用高导电率材料制成，目前大多制造厂商都采用铜。短路环安装在瓷缸环内侧中部，它对电动振动台的性能的优劣也有一定的影响，具体如下：

(1) 短路环可以改变整个此路系统的等效阻抗，提高输入电流，从而提高振动振动台的最大推力。

(2) 短路环的存在可以拓展电动振动台的频率范围。

(3) 设计短路环可以增大电动振动台的振幅，减小台体的非线性失真。

图6 双磁路结构示意图

然而，短路环的存在也带来了不可避免的问题，其产生的电涡流使得台体的热量增加，冷却难度增大，同时也提高了电动振动台的制造成本和加工难度。

在动线圈所在的空气气隙中，磁场强度越大越有利。然而，动圈台面周围是试验产品所安装的区域，某些试件由于有防磁的要求，故该区域的磁场强度应控制在一定的范围以内。因此，选择合理的位置安放消磁线圈，将漏磁降低到最小，是一般台体必须要求解决的问题。试验系统励磁装置处于工作状态时，距台面安装螺孔的最大分布圆直径1/4高度处地整个台面上，漏磁要满足出场的技术要求。 2.2.6 悬挂装置与导向装置

悬挂装置的作用是将运动部件柔性地悬挂在气隙磁场中。无驱动信号时，悬挂装置使运动部件处于平衡位置。由于它具有弹性，通常称为悬挂弹簧。对悬挂弹簧的要求主要是：①悬挂弹簧的载荷—变位特性的线性度好，滞后尽可能小，特别是在大位移的情况下，线性度要求更高，以减小台面的加速度波形失真；②在保证承载能力的前提下，刚度尽可能低，以改善振动台低频加速度波形失真；③有尽可能

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高的横向和扭转刚度，以减小部件的横向运动；④具有高的耐疲劳性能，保证长期工作的可靠。上述的要求是互相制约的，同时满足这些要求是十分困难的，因此设计上只是折中方案。在现有的电动振动台中，以U形弹簧的应用最为普遍。

图7 悬挂支承及导向装置结构简图

导向装置用于保证运动部件的运动方向，减小横向运动和扭转，避免运动部件与磁极摩擦。虽然上述的悬挂装置中有很多都具有这种功能，但为了进一步增强对径向运动和扭转的，还要采用导向装置。常用的导向装置有滚珠轴承、直线轴承、滚轮等。VE-1031型电动振动台运用滚轮装置保证导向。有关悬挂支承及导向装置的结构示意如上图7所示。 2.2.7 冷却装置

产生热量的部件是驱动线圈、励磁线圈、消磁线圈及短路环等。它们产生的热量必须消散，否则会烧坏部件。振动台的额定激振力直接与冷却的效率有关。冷却的方法有自然冷却和强制冷却。强制冷却又有风冷和液冷(水冷或油冷)之分。小型振动台一般采用自然冷却。中型的振动台一般采用风冷，大型的振动台采用液冷。

VE-1031型电动振动台属于风冷系列，以下主要对风冷部分进行分析。

用风机强制空气流过振动台的发热部件，带走热量。其方法有下列几种：(1)顶部吹入和底部排出；(2)底部吹入和顶部排出；(3)顶部抽出和底部自由进入；(4)底部抽出和顶部自由进入。

鼓风与抽风之间的主要区别是，在鼓入空气的过程中，鼓风机做功，空气被加温，另外，从鼓风机来的气流有较大的扰动。在前述的四种方法中，第一种方法具有增加台面下方正压力的优点，有利试件的支承。但另一方面，当振动台在低频大位移下工作时，了台面下空气的自由运动，产生抽吸效应，运动受到阻碍，引起风量损失和波形失真。第二种方法减弱了大位移时台面下的抽吸效应，但是冷却气流首先被风机加热，然后又被励磁线圈加热，再进入关键的冷却区域，这是很不合理的。第三种方法最差，很少采用。第四种方法是最好的方法，大位移的空气流

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可以自由进出，而且无风机加热和扰动的影响，空气首先通过最需要冷却的工作气隙，所以风冷振动台大多使用这个冷却方法。 2.2.8 振动台台体的隔振方法

动圈在振动过程中，激振力一定要传到振动台的安装基础上，为了避免基础的振动对振动台工作性能的影响，基础必须具有相当大的反作用质量和刚度。另一方面，为了避免基础的振动传递到房屋建筑结构上，这种安装基础必须是抗震地基，因此，在使用振动台特别是大型振动台时，要充分考虑对安装地基的要求。一般来说，建筑这类地基要花很多的费用，但在新型的电动振动台中，常在支承台体的耳轴上装设隔振装置，在一定的程度上避免了激振力传到基础上，因而可不采用抗震地基。常用的隔振方法有两种，一种是在耳轴上装设空气弹簧，另一种方法是在支座底下装设空气弹簧，分别如图8和图9所示。图中，空气弹簧是减振元件，直线轴承是导向元件，用于保证运动方向。

图8 耳轴空气弹簧隔振装置 图9 隔振支座

2.3 振动台的选型 2.3.1 选型前的准备

在着手选型前，用户必须对被试产品的外形、重量以及试验规范有充分的了解，他们包括：

(1) 试验件的重量M与体积大小及相应的夹具(如果需要的话)的重量m； (2) 试验频率范围，是否要扫频；

(3) 试验参数(试验规范)如加速度幅值a(或速度、位移)的大小； (4) 苏州试验仪器总厂的产品样本。 2.3.2 振动台类别的选择

(1) 使用频率从几Hz到几百乃至几千Hz、试件重量几Kg到几百Kg，需要进行定频扫频(定加速度、定速度、定位移)且要求波形较好，原则上需选用电动式振动

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台；

(2) 使用频率1Hz(乃至1Hz以下)至200Hz，试件重量较重(为500Kg以上)尺寸较大，但试验加速度值较小(一般10-50m/s2)一般选用液压式振动台；

(3) 使用频率50Hz到80Hz，试件重量几Kg至几百Kg，仅要求定频试验(如一般疲劳试验)或定位试验可选用机械式振动台。 2.3.3 电动振动台的选型

1. 确定激振力的大小

由于电动振动台的主要参数是以激振力的大小命名与排序的，根据已知的参数M,M1,a利用

F=(M+M1+m)a 计算出激振力的大小，并加30%浴量，便能确定在加速度区域所需激振力的大小，并以此作为选定相应型号的依据，这里的M是试件的重量，M1是夹具的重量，m是振动台的可动系统重量，可以从苏州试验仪器总厂的产品样本中找到。对不同型号，其值是不同的。

2. 试验样本提供的速度幅值和位移值能否满足试验要求

如前所述，振动台的工作特性曲线分位移区域和加速度区域，在激振力不变的情况下，随着负载的增大，振动台给出的加速度幅值将相应的减小，但振动台能达到的最大速度和最大位移是不随着负载大小变化而变化的，也就是说固定的。

3. 附加台面的选择

振动台的台面尺寸是比较小的，当被试验品(或夹具)的长、宽尺寸大于振动台面最大螺孔直径时，就应考虑配置相应的附加台面。而附加台面的上限工作频率一般比振动台的上限工作频率低。因此当采用附加台面时，一般情况下，应视附加台面的上限工作频率即为振动台的最高上限频率。同时在计算激振力大小时，其质量除考虑系统可动部分质量、试件质量、夹具质量外还应追加台面的质量。这一点在选型时容易被忽视。

4. 其他方面考虑 甲，当试验规范只要作正弦定频或扫频定振时，配苏州试验仪器总厂生产的KD-3正弦振动控制仪即可，而当规范要求作随机(或兼正弦振动)时，则应配置该厂生产的RC-1140或COMET随机振动控制仪。

乙，当试验规范仅要求垂直方向振动时，只需一般的电动振动台，而当要求作水平方向振动时，除购买电动振动台外，还需配置该厂生产的相应水平滑台。(其选型方法与电动台类同，不再重复)

丙，当试验工作频率大于5Hz至上限工作频率时，可选用通用型电动振动台，而当试验工作频率小于5Hz时，必须选用低频运输试验型电动振动台。

综上所述，根据相关的技术参数为VE-1031型电动振动台的选型如下： 主要技术指标为：

频率范围：5-3000Hz 额定正弦推力：9.8KN

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最大加速度：1020m/s2

最大速度：2m/s 最大位移51mm 最大载荷：140kg

通过查阅【开关功放型系列电动振动台主要技术指标】，发现DC-1000-13的技术指标正好符合设计需求，因此可以以DC-1000-13为基础来设计VE-1031型电动振动台，台体相应的尺寸都以DC-1000的作为依据进行创建。(详细的装备图和零件图请参见附件) DC-1000-13的系统指标 振动频率范围 Hz 额定正弦推力 kN 额定随机推力 kNrms 最大加速度 m/s 最大速度 m/s 最大位移mmp-p 最大载荷 Kg 2DC-1000振动台台体技术参数 运动部件质量 Kg 台面尺寸 φmm 容许偏心力矩 N×m 外形W×H×D mm 台体重量 Kg 9.5 200 392 920×785×610 950 5-3000 9.8 9.8 1020 2.00 51 140

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3 电动振动台控制系统设计

3.1 电气控制系统设计

电动振动台除了主体的机械台体部分，还有一个很重要的部分—电气控制系统。这部分是整个系统的核心，从这里发出指令来驱使台体部分的运动。因此，电气控制系统的设计的合理性是振动台设计合格的标准之一。电气控制系统主要包括变频系统、控制仪和功率放大器。下面会对这三个部分作一一的介绍。 3.1.1 变频部分的设计

为了方便调节输入电流的大小以及频率，本次设计采用了ATC51单片机作为变频控制部分的发生器，手动地调节频率的大小，改变输入振动台中电流的大小，从而改变激振力的大小。下图10是ATC51芯片的外形结构和引脚分布图。

图10 ATC51芯片外形结构和引脚分布图

3.1.2 控制仪的选用

控制系统中功率放大器所需的激励信号是由振动控制仪所提供的，它可以产生各种振动试验要求的激励信号，并能够按照试验规范和相关国家标准调节振动参数和振动量级。一般的振动控制仪可提供正弦信号、随机信号、正弦加随机信号、随机加随机等振动试验信号。振动控制仪是为振动台和试件提供动力学补偿，产生所需电信号的装置。振动控制仪质量的优劣直接影响到振动波形的好坏。

本次设计选用了苏州试验仪器总厂的RC-2000数字式振动控制仪。RC-2000控制

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仪性价比高、可靠性高、控制精度高、动态范围宽、完善的自动安全检测与保护功能和试验安全性高等优点。

RC-2000数字式振动控制仪：采用国际上最先进的分布式系统机构体系，32位浮点DSP处理器。24位A/D、D/A高分辨率以及自适应控制算法，将振动控制系统技术性能提高到一个新的水平。4到8个输入通道同步采样，所有通道可用于多点控制和幅值限位控制，手动紧急中断，完备的开环检测、过载检查、中断容差带检查等自检功能，确保试验设备的安全。多种控制功能可供选择。

(1) 硬件性能 随机振动 正弦扫描振动 典型冲击 高斯信号输出、闭环时间100ms、控制动态范围90dB、高达3200线的分辨率，频率范围DC-4800Hz 正弦波形幅值控制，回路时间10ms，控制动态范围100dB，跟踪滤波器，频率范围1.0-5000Hz 有限长时域波形控制，多种脉冲图谱、0.5-3000ms脉冲宽度、灵活补偿，频率范围DC-2200Hz 谐振搜索、驻留 基于Q值、传递函数幅值的谐振识别，自动搜索、定频驻留或跟踪驻留 正弦+随机 随机+随机 瞬态冲击 冲击响应谱 路谱仿真 多达12帧的正弦信号、模拟平滑扫频或定频，打开/关闭 多达12个窄带随机、交叉扫频、突然开启/关闭 随机+正弦+随机 12帧加12窄频带、具有正弦+随机和随机+随机的所有特性 有限长时域波形控制，预存储Bellcore Z1和Z2、Z3，正弦，爆破正弦，或从文件中调入任意时域波形 快速响应系统的非线性和动载荷的变化，半周期正弦波加正弦、指数、矩形或汉宁窗，编辑、补偿 长时间时域再现，建立波形工具、实时驱动发生器和自适应控制 输入 模拟通道 滤波器 信号类型 A/D 输入阻抗 信噪比 同步采样，差分输入 模拟抗混叠滤波器；160dB数字滤波 内置ICP恒流源和电荷放大器，电压ICP传感器以及电荷型加速度传感器直接输入 24位 220KΩ 大于100dB 输出 D/A 滤波器 输出阻抗 幅值精度 24位 160dB/oct数字滤波，模拟滤波 30Ω 2mV (2) 软件性能 (3) 安全性

系统具有完备的自动安全检测系统，以保护试验设备和试件

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A 预实验：用低量级(用户可设置)激振，检测系统回路连接状况，提示预测试验结果。

B 开环检测：试验过程中，系统自动进行开环检测、输入过载检测。

C 超差报警和中断：系统自动进行超差报警和中断检测自动保护停机，停机速率可由用户设定。

D 振动台极限：系统通过用户设置的振动台额定参数(位移、速度、加速度)，限定试验参数。

E 手动强制停机：有三种手动停机方式，控制箱的面板上的绿色按钮；PC显示器屏幕上的模拟停机键；PC键盘上的F4键。试验过程中随时响应，保证试验设备和试件安全。

3.1.3 功率放大器设计

功率放大器是电动振动系统中的重要组成部分，其主要作用是将控制仪发出的正弦(或随机)信号放大，供给驱动线圈产生所需的振动力。功率放大器的发展经历了电子管功放、晶体管功放以及开关式功率放大器，目前采用的主要是开关式功率放大器。

功率放大器作为一种过程控制仪器使用，它主要由三部分电路组成，它们分别是试调放大电路，高低通滤波电路，输出放大电路等几个部分电路组成，其原理框如下图11所示。

图11 功率放大器原理图

电动振动台的电气部分的控制仪产生正弦(或随机)激励信号，刚出来的信号未必正好就能满足相关联设备的使用要求，因此，需要将原始的信号送入适调放大器中进行初加工，通过内部的处理再输出，送入高低通滤波器，经输出级放大电路进行放大，最后输出理想电压。下面对以上各部分电路做详细分析。

(1) 适调放大电路

这部分电路的作用是，当被测非电量（加速度或压力）一定时，在不同灵敏度的传感器测量下，使有相同的输出。假定传感器的电荷灵敏度为SQQ1g，电荷转换部分电路的增益为KQV1V2,试调部分的增益为K1V0Vi,则总增益为： KSQKQK1Q1V1V0Q11V0 gQ1VigCfVi当反馈电容Cf一定，KQ为常数，传感器的灵敏度不同是，即每个g所产生的Q1不

一样。此时可调整K1总能使K不变，达到适调的效果。适条电路原理图12如下。

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图12 适调放大电路图

(2) 低通滤波电路

考虑到选用的控制仪产生的信号是不确定的，可能是规律的(例如正弦信号)或者是不规律的(例如随机信号)，其幅频特性会出现不可预测的情况，例如出现类似阻尼振荡的信号，它的幅频特性的高频段有一个很高的共振峰，次峰值能够产生高频信号，次高频信号能对输入信号产生失真和干扰。因此可以在放大器中设计一低通滤波电路，以补偿传感器引起的高频幅频特性。另外，电荷放大器的通频带有时远远高出实际需要，无用的高频频带的存在也会对低频测试产生影响。因此引入低通补偿电路，只让低通交流分量通过，使高频分量受到抑制，就显得非常有必要。

图13 低通滤波电路图

显示应用中，常用的滤波器通常有RC的，也有LC的，同时又分为有源和无源的。而无源RC低通滤波器线路简单，抗干扰能力强，有较好的低通频率范围工作性能。但有源RC低通滤波器它的阻抗频率特性没有随频率而急剧改变的谐振性能，因此可在RC网络上加上运算放大器有源元件，组成RC有源滤波器。有源RC滤波器不仅在通带内没有衰减，而且还有一定的增益，其电路原理图13如上所示。

(3) 输出放大电路 考虑到输出电路的输入端电压，是由经前面几部分不同放大倍数电路放大的直流电压，为避免切换增益档位时输出电路输出端出现零点跳动以及产生直流漂移响应，所以在输出电路前端加一个一阶RC高通滤波电路，用以滤去跳动的直流分量。所组成的电路原理如下图16所示。

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图14 输出放大电路图

同相放大电路增益计算：

AR1R2R11 R2R2当R2时，A=0；

R199时，A=100 当R2为适应振动台冲击特性，高通滤波器中电容C应选较小值，电阻R3要大些，为降低同相放大器对滤波时间常数的影响，采用的同相放大器应仍是高阻抗输入放大器，本设计采用TL081放大器。

综上所述，设计的功率放大器电路整体原理图参见图15。

图15

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4 总结

随着科学技术的飞跃式发展，产品的更新换代速度不断加快，产品生命周期也越来越短，传统的设计方法已难以满足时代的发展。本文主要介绍了一些电动振动台的知识，让我们大致了解什么是振动台，振动台的发展现状，振动台的分类，振动台的各个组成部分以及他们的作用等，并通过一些具体的技术参数，设计了一个振动台——VE-1031型电动振动台。其中主要包括主体设计和电气控制系统的设计，基本符合设计者的要求，能发挥出应有的作用，完成相应的工作需求。

本次毕业设计是对我大学四年所学知识的一次全面考验，它也是对即将走向社会的我们的进行的一次有效的训练。回顾这场毕业设计，我觉得我获益菲浅。我的课题是一个设计类的课题，它让我体会到做设计的艰难，先是上网查找相关的资料内容，然后到图书馆借阅相关的书籍，接着去请求老师和同学帮助，最后马马虎虎完成设计，这对像我这样基础不扎实的学生是多么困难，只有本人经历过才知道。所以我认为这次毕业设计锻炼了我很多方面的能力，它使我面对困难不退缩，勇于克服困难。

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参考文献

[1] 孙忠涛,车英. 振动试验台夹具设计及频率响应特性研究[J]. 长春理工大学学报(自然科学版), 2010,(02)：61-68.

[2] 江运泰,王丽娟. 电动振动台动圈的交流阻抗计算[J]. 电子产品可靠性与环境试验, 2007,(03)：63-67.

[3] 花汉兵. 基于小波包的振动信号去噪应用与研究[J]. 噪声与振动控制, 2007,(06)：10-21. [4] 樊雪松,苏文,王晓耕. 电动振动台水平滑台正交方向响应分析及加强台面的设计[J]. 航天器环境工程, 2006,(02)：30-39.

[5] 范宣华. 电动振动台建模与试验仿真技术研究[D]. 中国工程物理研究院, 2005. [6] 沈国重,路甬祥. 多分辨随机振动控制算法[J]. 机械工程学报, 2001,(10)：51-56. [7] 侯瑞. 振动台动力学建模和夹具设计研究[D]. 南京航空航天大学, 2007 . [8] 陈小慧. 电动振动台动力学建模及其扩展台面设计[D]. 西南交通大学, 2008 .

[9] 韩丽. 振动台动圈建模与仿真技术[A]. 第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C], 2007 .

[10] 董树印. 谈随机振动试验[J]. 企业标准化, 2007,(08)：65-74.

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致 谢

在本次毕业设计的开始到结束一直得到宦海祥老师的指导和帮助，宦老师严谨的治学态度、一丝不苟的工作作风和认真求实的钻研精神令我深深感动，必将使我终身受益。正是在宦老师的精心指导下，我才能顺利地完成了这次毕业设计。从设计一开始，他就告诉我们，每一个学生都应该通过毕业设计学习尽可能多的知识，而不是为了走走过程，而是使以前学过的知识得以运用。以前没有充分掌握的知识，通过这次毕业设计，应该变成自己的东西，把一个人的潜力发挥到最高水平。学生在完成本论文的过程中，始终得到导师无微不至的指导、关心、帮助、鞭策与激励。在宦老师的帮助下，我们学到的不仅仅是书本上的和实践的知识，更重要的是从中学到了做人的原则和做事的方法，让我们更深地了解了“集体”这一个词的含义。

同时，我也要感谢我的同组同学，他们为我完成毕业设计提供了巨大的帮助，让我少走了很多的弯路，完成毕业设计少不了他们的功劳。

衷心感谢父母和所有亲人多年来给予我的无私关怀、支持和鼓励。

另外，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心地感谢！院方的领导和老师不厌其烦地为我指出设计中存在的问题和不足，并耐心地为我讲解，帮我改正，从而更好地完善了我的设计。

至此，特向宦海祥老师和所有的领导致以最诚挚的谢意。还有对那些给予过我帮助的同学们表示我最衷心的感谢，谢谢大家！

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附 录

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 图名 总装配图 动圈骨架 励磁线圈上 中心盖 活塞 空气弹簧CR 耳轴 弹簧限位轴A 弹簧限位轴B 电气原理图 电气控制系统接线图 功率放大器原理图 代号 ZDT-00 ZDT-00-04 ZDT-00-27 ZDT-00-05 ZDT-00-25 ZDT-00-26 ZDT-00-29 ZDT-00-33 ZDT-00-34 ZDT-01 ZDT-01-01 ZDT-01-02 图幅 A0 A2 A2 A4 A4 A4 A4 A4 A4 A3 A4 A4

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