自适应压电振动盘控制器设计

戴世宇,张珣

摘  要： 振动给料机是工业控制自动化中常用的设备，压电振动盘是目前效率和稳定性最高的振动给料机，但在使用过程中存在共振点变化导致效率下降的问题。针对该问题，设计了适用于压电振动盘的自适应控制器。该控制器能够对压电振动盘的振动频率和幅值进行连续调节，模糊PID控制使得振动盘输出幅值保持稳定，自适应算法使振动盘始终工作在最佳振动频率。控制器采用准谐振开关电源，可以消除电网电压波动对系统工作的影响。设计结果表明：该控制器工作性能稳定，驱动效率高且产生的噪音较小。

关键词： 振动盘控制器； 准谐振电源； 自适应控制； 模糊PID

中图分类号： TN61?34； TP273+.2            文献标识码： A                        文章编号： 1004?373X（2014）23?0129?03

Design of adaptive controller for piezoelectric vibration bowl

DAI Shi?yu， ZHANG Xun

（School of Electronic &； Information， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： Vibration feeder is commonly used in industrial automation control， and piezoelectric vibration bowl is the highest efficiency and stability feeder， but there is an inefficiency problem caused by resonance point changes during its use. To solve that problem， an adaptive controller for piezoelectric vibration bowl is designed， which can continuously adjust the frequency and amplitude of the piezoelectric vibration bowl. The fuzzy PID control makes amplitude of vibration bowl stable and the adaptive algorithm keep vibration bowl working in the best frequency. A quasi?resonant switching power supply is adopted in the controller to eliminate the effects of voltage fluctuations on the system. Design results show that the controller has a steady work performance， high efficiency and small drive noise.

Keywords： controller for vibration bowl； quasi?resonant power； adaptive control； fuzzy PID

0  引  言

工业控制自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。我国工业控制自动化的发展道路，大多是在引进成套设备的同时进行消化吸收，再进行二次开发和应用[1]。振动给料机是工业控制自动化过程中广泛应用的给料设备。常用的振动给料机包括电磁式振动给料机和压电式振动给料机，电磁式通常用于大功率选料，对控制精度要求不高，而压电式则用于精准选料，通常应用于轻工、电子产品的自动加工装配上，在医药、食品的自动输送包装上也有广泛应用。

压电振动盘由振动盘和控制器两部分组成。振动盘属于机械部分，目前在国内生产及组装已较为普遍[2]。控制器是软件控制部分，通过控制振动盘的振动频率以及幅度，能够实现将产品有序地排列在传送带上。近几年随着劳动力成本的不断提高，机器替代人力选料给料已成趋势。目前我国的压电振动盘控制器主要依靠进口，存在成本高且维修困难等问题。国产的控制器处于起步状态，共振点调节困难、性能不够稳定且性价比较低[3]，因而研究并设计振动盘控制器具有重要的现实意义。

1  系统概述

设计压电振动盘的自适应控制器，该控制器能够驱动市面上多数中小型压电振动盘。该控制器主要由主控及显示、电源和反馈三部分组成，硬件实物包括控制板、显示板和功率板。整体系统框架如图1所示。

控制器主控芯片采用Microchip公司dsPIC系列的16位单片机，该芯片具有较强的抗干扰能力，保证控制器工作的稳定性。其内部集成DSP核，具备高速运算能力，最高40 MIPS的处理速度可以使信号得到更快的响应。内部还集成了高速A/D转换器用于处理反馈信号；最高分辨率为1.04 ns的高速SPWM模块用于实现驱动电源的正弦逆变。

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图1 控制器系统框图

显示部分采用了四位一体的共阳数码管，显示板上的按键可以用来切换模式、设置输出频率和幅度。电源部分由电网220 V交流电经保护电路再经桥堆整流为高压直流电源，然后使用准谐振开关电源技术将其变为25 V直流电源，该直流电源经由两路采用SPWM驱动的MOS管正弦逆变为振动盘的驱动电源。反馈的电压和电流信号，需要经过峰值检波电路后才能由单片机的A/D模块转换。控制器获得反馈信号后，在模糊PID算法控制下，作出相应调节，稳定振动盘的振动幅度。

2  系统设计与实现

2.1  准谐振开关电源

控制器的电源性能是影响系统工作稳定性的主要因素之一。控制器采用体积小、效率高的开关电源，但随着开关电源频率的提高，需要尽量减少开关损耗。准谐振电路使开关上的电压或通过开关的电流变化类似正弦波，在减少开关损耗的同时也可抑制浪涌的发生。由于振动盘的功率较小，一般在40 W以下，故采用电路简单、成本低的反激拓扑电路[4]。准谐振开关电源的具体电路如图2所示。

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图2 准谐振开关电源电路

在该电路中采用TOPSwitch?JX产品系列的TOP265，一款用于高效率电源设计的集成离线式开关IC。使用该芯片不仅可以降低EMI，并且自带过流、过载、短路和过压保护，简化了电路的结构。输出除了最大可达40 W用来逆变的25 V直流电源外，还包括提供推挽三极管工作的12 V电源以及控制板工作所需的5 V电源。

2.2  峰值检波

振动盘的驱动电源采用正弦波，方波也可工作但噪声较大，故舍弃。正弦波驱动导致反馈的电压和电流信号也呈正弦变化。为了使A/D模块能够快速获取振动幅值，反馈的信号需要经过峰值检波电路。

峰值检波电路是由二极管电路与电压跟随器组成。其原理如下：当输入电压为正时，检波二极管导通，对电容充电；当输入电压为负时二极管截止，电容放电[5]。选择适当的电容和电阻，使电容充电速度大于放电速度，这样电容两端的电压就可以保持在最大输入电压处，从而实现峰值检波；为匹配前级开关电路和后级输出的阻抗，增加电压跟随器。

2.3  SPWM逆变

采样控制理论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。SPWM以此为理论基础，用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形，控制逆变电路中开关器件的通断，使其负载电压呈现正弦波[6]。设计中实际逆变电路采用两路SPWM经光耦、推挽三极管驱动MOS管逆变，由于振动盘为惯性负载，输出经电容滤波后，可以得到类正弦波。

SPWM的调制方式有单极性和双极性两种。双极性，是指SPWM信号同时包含正弦信号正半周和负半周的信息，而单极性只包含正弦信号正半周或负半周的信息。单极性的控制方式相比双极性损耗要低，但该控制方式存在过零振荡，对输出正弦波形影响较大，故在设计中采用双极性调制。

SPWM的实现方式较多，比较常用的是规则采样法，它利用三角波载波周期中点与调制正弦波的交点所作的水平线与三角波的交点来确定脉冲的宽度，如图3所示。图4为自然采样法，它利用正弦波与三角波的交点确定脉冲宽度，该方法可得到比规则采样法谐波更少的类正谐波，但计算量较大。当载波频率远大于调制波频率时，两种方法所确定的脉宽基本一致，故采用规则采样法，便于单片机快速处理。

2.4  模糊PID控制

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的计算机智能控制[7]。控制系统的核心为模糊控制器，最简单的实现方法是将模糊控制规则离线转化为控制表，存储在单片机中供在线控制时查询使用。在振动盘控制器中，对驱动电源幅值的控制采用模糊PID控制。

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图3 规则采样法

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图4 自然采样法

实际控制中需将PID控制器进行离散化处理，得到形式如下：

[u（k）=u（k-1）+kp（e（k）-e（k-1））+kie（k）+kd（e（k）-2e（k-1）+e（k-2））]  （1）

式中：比例系数[kp]加速系统的响应速度，提高系统的调节精度；积分系数[ki]消除系统稳态误差；微分系数[kd]改善系统的动态特性[8]。振动盘控制器以误差[e]和误差变化[ec]作为输入，利用相应的模糊控制规则表分别对PID的三个参数进行在线自整定，其结构如图5所示。

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图5 自适应模糊控制器结构图

实现过程如下：先将长期积累的控制经验转换为模糊控制规则表，存储在单片机中。再将系统误差[e]和误差变化[ec]的变化范围定义为模糊集上的论域。

[e，][ec=]{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}

其模糊子集为[e，][ec=]{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}。设[e，ec]和[kp，][ki，][kd]均服从正态分布，可根据模糊控制规则表[9]，查出修正参数代入下式计算：

[kp=k′p+{ei，eci}pki=k′i+{ei，eci}ikd=k′d+{ei，eci}d]  （2）

新参数值重新代入PID控制器，完成对PID参数的在线自校正，实现对振动盘振幅的自适应控制。

2.5  软件设计

控制器软件设计包括模糊PID控制算法实现、SPWM脉宽时间计算、A/D采样、E2PROM数据读写等。

模糊PID控制，确立离散的控制方程，设定初值后，根据反馈采样值查找模糊矩阵表，调整系数值再代回控制方程直至输出幅值稳定。SPWM的软件实现难点在计算上，由于该计算的运行次数非常多，运行时长直接影响控制器性能，故软件乘除运算需靠移位以及与或实现。具体软件流程如图6所示。

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图6 软件流程图

3  设计结果与分析

3.1  设计实物及实现参数

设计及组装完成的控制器实物如图7所示，图8为控制器驱动振动盘时的电压波形，示波器探头10倍衰减，波形类似正弦波。

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图7 控制器实物图   图8 控制器驱动时电压波形

控制器的实际参数为：输入：AC 220×（1±0.02） V，50/60 Hz；输出：0～300 V可调，步进0.1 V；频率：50～400 Hz可调，步进0.1 Hz。

3.2  拟改进方面

（1） 压电振动盘正在向大型化方向发展，控制器驱动的最大功率有待提高。

（2） 提高控制器驱动效率和稳定性，降低工作噪声，使之更加环保和人性化。

4  结  论

工业的发展对给料机的成本和稳定性要求愈来愈高，从而促使振动盘给料机的发展提高到了一个新阶段。从目前国内市场的发展前景来看，国内市场对振动盘给料机的需求量会越来越大，研究和设计振动盘控制器，促进国产振动机发展，提升自主研发能力逐步替代进口，需要社会各界共同努力。

参考文献

[1] 王运池.国内振动给料设备的现状与发展[J].煤质技术，2003（4）：29?31.

[2] 唐俊.一种新型电磁振动给料机的设计与仿真[J].机械工程师，2008（9）：131?134.

[3] 黄凤.电磁振动给料机振幅的自适应控制[D].南京：河海大学，2007.

[4] 汪洋，林海青，常越，等.反激式准谐振开关电源工作频率确定及电源研制[J].电力电子技术，2005，39（3）：92?94.

[5] 刘洪英，史小军.带中断输出的实用峰值检波电路设计[J].电子器件，2003，26（1）：104?106.

[6] 周云山，龚慧军，张军，等.基于SPWM的采样法优化[J].科技导报，2009，27（5）：38?42.

[7] 刘金琨.先进PID控制Matlab仿真[M].北京：电子工业出版社，2004.

[8] 张睿彬.模糊参数自整定PID控制器的设计与仿真研究[J].中原工学院学报，2007（1）：6?9.

[9] MEZA J L， SANTIBANEZ V， SOTO R， et al. Fuzzy self?tuning PID semiglobal regulator for robot manipulators [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2012， 59（6）： 2709?2717.

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图6 软件流程图

3  设计结果与分析

3.1  设计实物及实现参数

设计及组装完成的控制器实物如图7所示，图8为控制器驱动振动盘时的电压波形，示波器探头10倍衰减，波形类似正弦波。

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图7 控制器实物图   图8 控制器驱动时电压波形

控制器的实际参数为：输入：AC 220×（1±0.02） V，50/60 Hz；输出：0～300 V可调，步进0.1 V；频率：50～400 Hz可调，步进0.1 Hz。

3.2  拟改进方面

（1） 压电振动盘正在向大型化方向发展，控制器驱动的最大功率有待提高。

（2） 提高控制器驱动效率和稳定性，降低工作噪声，使之更加环保和人性化。

4  结  论

工业的发展对给料机的成本和稳定性要求愈来愈高，从而促使振动盘给料机的发展提高到了一个新阶段。从目前国内市场的发展前景来看，国内市场对振动盘给料机的需求量会越来越大，研究和设计振动盘控制器，促进国产振动机发展，提升自主研发能力逐步替代进口，需要社会各界共同努力。

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图6 软件流程图

3  设计结果与分析

3.1  设计实物及实现参数

设计及组装完成的控制器实物如图7所示，图8为控制器驱动振动盘时的电压波形，示波器探头10倍衰减，波形类似正弦波。

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图7 控制器实物图   图8 控制器驱动时电压波形

控制器的实际参数为：输入：AC 220×（1±0.02） V，50/60 Hz；输出：0～300 V可调，步进0.1 V；频率：50～400 Hz可调，步进0.1 Hz。

3.2  拟改进方面

（1） 压电振动盘正在向大型化方向发展，控制器驱动的最大功率有待提高。

（2） 提高控制器驱动效率和稳定性，降低工作噪声，使之更加环保和人性化。

4  结  论

工业的发展对给料机的成本和稳定性要求愈来愈高，从而促使振动盘给料机的发展提高到了一个新阶段。从目前国内市场的发展前景来看，国内市场对振动盘给料机的需求量会越来越大，研究和设计振动盘控制器，促进国产振动机发展，提升自主研发能力逐步替代进口，需要社会各界共同努力。

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