数控喷泉装置基本工作原理和控制性能

胡迦善 何海洋

一、前 言

随着社会经济的发展和科学技术的进步，水景喷泉的技术领域也发生了质的变化。目前无论是国内或国外的水景工程，用数控喷泉装置来提升水景工程的层次已成为一种新的理念和大的趋势。而国内真正能够系统性研发、生产并为喷泉行业提供合格产品和系统技术配套服务的企业极少。数控喷泉装置作为一项新生产品，由于大家对数控喷泉系统技术的理解还不是很透彻，在系统使用方面的诸多环节也不是十分清楚，这就给大家在工程设计与使用上造成许多不便。近年来许多已建的性能稳定、系统配套完善的数控水景喷泉工程，以它出色的表演获得了越来越多的关注，但也有部分工程项目因不慎选用质量和性能不完善的数控设备，以及缺乏必要的系统配套，造成了工程项目不能达到预期效果甚至无法交付的不利局面，给大家带来了不必要的经济损失和负面影响。鉴于上述情况，以我们自主研发并实际投入正常使用的一维和三维数控喷泉装置产品为例，结合多年来对一维和三维数控喷泉装置在研制和使用过程中所积累的经验，详细叙述其基本工作原理和控制性能，希望能对业内同行在设计和使用中有所帮助。

二、数控喷泉装置概述

数控喷泉装置是一种专门用于对装置出水口的位置和运行速度作精确控制的特种喷泉装置。其最大特点是其 “数字性”，即可通过控制脉冲频率，对装置转速、方向、角度、位置进行精确控制；也就是对于上位机发送的脉冲信号段或串，该喷泉装置都能在其驱动系统的驱动下，用不同的速度任意方向地连续或断续运转任意的圈数或一个固定角度，形成形态各异的各种水型组合。

数控喷泉装置具体结构主要由步进电机、控制驱动器、定位传感器、减速齿轮组、密封件、旋转喷射口、水室、水道、外壳、电控驱动、计算机控制系统等组成。在此我们以其基本工作原理和控制性能要求为例，作一详细描述。

三、数控喷泉装置的常用指标术语

1.驱动器供电电压：供电电压是判断驱动器升速能力的标志，标定电压为：50-60V/AC，过高或过低均将影响装置的正常工作和使用寿命。

2.驱动器的电流：电流是判断驱动器能力的大小，是选择驱动器的重要指标之一；通常驱动器的最大电流要略大于电机标称电流。

3.驱动器的细分：细分是控制精度的标志，通过增大细分能改善控制精度。细分能增加装置动力电机的平稳性，通常步进电机都有低频振动的特点，然而通过加大细分可以得到改善，并使电机运行非常平稳。

4.失步：装置动力电机实际运转的步数与程序设定的步数不相符称之为失步。

5.工作频率点：表示装置动力电机在该点的转速值。

6.起动区域：数控喷泉装置可以直接起动或停止的区域。

7.运行区域：在这个区域里，数控喷泉装置的动力电机不易直接运行，必须在起动区域内起动，然后通过加速的方式，才能到达该工作区域内。同样，在该区域内，数控喷泉装置的动力电机也不能直接制动，否则也会造成失步——过冲，必须以减速的方式过渡到起动区域内，再进行制动。

8.起动力矩：数控喷泉装置在特定的工作频率点下，直接起动可带动的最大力矩负载值。

9.运行力矩：数控喷泉装置在特定的工作频率点下，运行中可带动的最大力矩负载值。

四、驱动控制系统组成

数控喷泉装置所配驱动器的工作模式有三种：整步、半步、细分。

针对数控喷泉装置多为低速运行的工况，驱动器在实际使用中多以细分驱动为主，细分驱动模式具有定位精度高和低速振动极小两大优点。其基本原理是改变装置的动力电机相邻的两个线圈电流的大小，即改变合成磁场的夹角来控制动力电机运转的精度。

目前驱动控制方式一般有以下几种，分别为：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。我们在一维和三维数控喷泉装置上，对驱动器驱动控制方式进行了优化，采用了恒流+细分数的模式，其目的是为了最大限度的使驱动系统避免电机的反电势，从而达到动态平均电流尽可能大的效果。因为步进电机在一定转速下，转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流。动态平均电流越大，则电机力矩越大，所以要达到动态平均电流尽可能的大，就必须避免电机的反电势对驱动系统的影响，以获取电机尽可能大的输出力矩。

五、上位控制单元概述

数控喷泉装置与传统设备的控制技术相比较，其最大的特点在于它的分时多任务操作性能和多样化应用软件的设计。传统的控制技术大多采用单任务的时钟扫描或监控程序来处理程序本身的逻辑运算指令和外部的I/O通道的状态采集与刷新。这样的处理方式导致了 “控制速度”依赖于控制系统的规模，这一结果无疑是与I/O通道中高实时性控制要求相违背的。我们的系统软件已经解决了这一问题，它采用分时多任务机制构筑其应用软件的运行平台，这样应用程序的运行周期则与程序长短无关，而是由操作系统的循环周期决定。由此，它将应用程序的扫描周期同外部的控制周期区别开来，满足了实时控制的要求。当然，这种控制周期可以在上位机CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求，任意修改（如图 1）。

图1 数控喷泉装置的速度和位置参数设置窗口

数控喷泉装置的控制特性可以概括为以下两点：第一、一维和三维数控喷泉装置动力电机区别于其他控制用途电机的最大特点是，它可接受数字控制信号 （电脉冲信号）并转化成与之相对应的角位移或直线位移，因而喷泉装置本身就是一个完成数字模拟转化的执行元件，而且输入一个脉冲信号就可得到一个规定的位置增量。第二、一维和三维数控喷泉装置喷射口的位置取决于脉冲周期的数目。其旋转或摆动的速度、位移角度与脉冲频率成正比，而且在时间上与脉冲同步。因此只要控制脉冲频率和脉冲周期的数目即可获得装置喷射口所需旋转的速度和位移角度 （见图2）。

图2 数控喷泉装置的脉冲频率与喷射口位移角度关系示例

为了充分发挥一维和三维数控喷泉装置的快速性能不发生失步，在使用时必须使装置在低频率下起动，然后逐步增加脉冲频率直到所希望的速度；在实际使用中，所选择的变化速率在保证装置不发生失步的前提下，应尽可能缩短起动加速时间。为了保证数控喷泉装置的定位精度，在停止以前必须使装置从最高速度逐步减小脉冲率降到能够停止的速度 （等于或稍大于起动速度）。因此，装置喷射口在高速旋转、摆动一定距离并精确定位时，一般来说都应包括 “起动－加速－高速运行 （匀速）－减速－停止”五个阶段，速度特性通常为梯形，如果旋转、摆动的时间很短则为三角形速度特性 （如图3）。

图3 数控喷泉装置梯形、三角形速度特性图

当数控喷泉装置的工作频率点在图4所示的工作区域内时，如何在最短的时间内完成加速、减速就成了关键。因为数控喷泉装置动力电机无需反馈就能对装置喷射口的位置和速度进行控制，而对于速度变化较大，尤其是频繁加减速的时候，常常会发生失步和过冲，即力矩不足的现象，在实际使用中除了装置动力电机的问题外，装置动力电机的脉冲频率选择不当也是导致失步的一个重要原因。

图4 数控喷泉装置加减速力矩曲线控制图

一般情况下，系统的极限起动频率相对比较低，而要求的运行速度往往比较高，如果系统以较高要求的运行速度直接起动，但该速度已超过极限起动频率，导致设备不能正常起动，出现失步的现象。当系统运行以后，如果到达时间段终点时即停止发送脉冲命令串令其立即停止，则会使装置旋转或摆动机构因惯性作用冲过设置位置，进入到下一个平衡位置并在该位置停下，从而造成过冲现象。因此在数控喷泉装置的应用过程中，控制系统在编辑水型时能否有效地避免失步和过冲现象，是数控喷泉装置能否正常表演的关键。

为了克服失步和过冲现象，应在数控喷泉装置启停时进行如图5所示的加减速控制。从图5可以看出，b段为恒速运行，a段为升频，c段为降频，按照 “失步”的定义，如果在a及c段上升及下降的控制频率变化大于装置的响应频率变化，数控喷泉装置就会失步，失步会导致数控喷泉装置处于非正常工作状态，因此，在数控喷泉装置变速运行中，必须进行正确的加减速控制。

采用计算机对数控喷泉装置进行加减速控制，实际上就是改变输出脉冲的时间间隔，升速时使脉冲串逐渐加密，减速时使脉冲串逐渐稀疏。计算机在控制数控喷泉装置加减速的过程中，一般要求用离散方法逼近理想的升降速曲线。加减速的斜率在直线加速过程中，速度不是连续变化，而是按分档阶段变化，为与要求的升速斜率相逼近，必须确定每个台阶上的运行时间。时间Δt越小，升速越快，反之越慢。Δt的大小可由理论或实验确定，以升速最快而又不失步为原则。数控喷泉装置在程序执行升速过程中，对单位时间内的升速总步数进行递减操作，当减至零时升速过程结束转入匀速运转过程。减速过程的规律与升速过程相同，只是按相反的顺序进行。在数控喷泉装置的起停过程中，根据控制系统的具体特点，采用上述升降速控制方式，都可以避免数控喷泉装置失步或过冲，达到比较精确的控制。而在速度变化过大的应用中，S线的加减速效果优于斜线的加减速方式 （见图6、7）。

图5 数控喷泉装置的变速运行设置

图6 数控喷泉装置S线加减速控制图

图7 数控喷泉装置斜线的加减速控制图

六、数控喷泉装置应用中的注意事项

1.控制技术方面

（1）数控喷泉装置运行旋转速度应控制在30转/分钟以内，此时装置输出力矩大，工况稳定性高，噪音低，更主要的是在这个转速内水的形态最佳。

（2）数控喷泉装置最好不使用整步状态，整步状态时电机振动相对较大。

（3）装置喷射口在大流量、高扬程运行时，应避免急加速采用阶梯提速模式，确保装置正常运行。

（4）为提高三维数控喷泉装置群体表演的一致性，一般情况下驱动器采用高细分数的工作状态。

（5）避开振动区，使装置的工作频率不在这个范围内 （步距角 1.8度/共振区一般在 180-250pps之间，步距角为0.9度/400pps左右）。

2.控制柜的布线要求

（1）动力线、控制线以及上位机的电源线和I/O线应分别配线，隔离变压器与上位机和I/O之间应采用双绞线连接。将上位机的I/O线与大功率线分开走线，条件允许分槽走线最好，如必须在同一线槽内应将交流线、直流线分开捆扎，这不仅能使其有尽可能大的空间距离，并能将干扰降到最低限度。

（2）上位机、驱动及传感器等装置应尽可能远离强干扰源如大功率变频器等装置。

（3）上位机的输入与输出最好分开走线，数字量与模拟量也应分开走线，清晰标记防止混淆。数字量信号的传送应采用屏蔽线，屏蔽层应一端或两端接地，接地电阻应小于屏蔽层电阻的1/10。

（4）交流输出线和直流输出线不要用同一根电缆，输出线应尽量远离动力线，避免并行。

3.造成数控喷泉装置工作异常的因素

（1）控制柜内的高压电器、大的电感性负载、混乱的布线都容易对数控喷泉装置的正常工作造成一定程度的干扰。

（2）与控制系统连接的各类信号传输线除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入，此干扰主要是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰。由于信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和控制精度的降低，严重时将导致装置控制系统无法正常工作。

（3）变频器启动及运行过程中产生的谐波，以及工作时所产生的电磁辐射干扰，会影响周边设备的正常工作。

七、一维数控设备图片及技术参数表

1.一维不锈钢激控喷头

一维不锈钢激控喷头安装尺寸图

技术参数表

2.一维铝合金激控喷头

一维铝合金激控喷头安装尺寸图

技术参数表

八、三维数控技术参数表

九、数控设备接线图

十、结束语

一维、三维数控喷泉装置是以数控技术为主，代表的是新理念、新技术，代表的是对传统水景喷泉的一种突破。数控喷泉装置是一种全新的机电一体化产品，其技术范围覆盖了： (1)机械制造技术； (2)信息处理、加工、传输技术； (3)自动控制技术； (4)步进驱动技术； (5)传感器技术； (6)软件技术应用等领域。其中，数控喷泉机械装置构造的合理性，机械制造的专业化生产、装配的规范性以及装置的动、静密封的可靠性、设备内部电器性能的稳定性，任何一个细小环节的性能和使用寿命都直接决定整个数控系统的性能和使用寿命。

总而言之，以稳定可靠的机械装置为基础，结合成熟且稳定可靠的强弱电控制技术，现场安装调试的工程技术人员对机械性能的了解、电控系统的掌握、软件应用的熟练、音乐欣赏的水准、水型塑造的巧妙构思等多方面所具备的综合能力，保障了整个数控喷泉系统在实际使用中真正意义上的成功。