自適應壓電振動盤控制器設計

戴世宇,張珣

摘 ?要： 振動給料機是工業控制自動化中常用的設備，壓電振動盤是目前效率和穩定性最高的振動給料機，但在使用過程中存在共振點變化導致效率下降的問題。針對該問題，設計了適用于壓電振動盤的自適應控制器。該控制器能夠對壓電振動盤的振動頻率和幅值進行連續調節，模糊PID控制使得振動盤輸出幅值保持穩定，自適應算法使振動盤始終工作在最佳振動頻率。控制器采用準諧振開關電源，可以消除電網電壓波動對系統工作的影響。設計結果表明：該控制器工作性能穩定，驅動效率高且產生的噪音較小。

關鍵詞： 振動盤控制器； 準諧振電源； 自適應控制； 模糊PID

中圖分類號： TN61?34； TP273+.2 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

工業控制自動化技術作為20世紀現代制造領域中最重要的技術之一，主要解決生產效率與一致性問題。我國工業控制自動化的發展道路，大多是在引進成套設備的同時進行消化吸收，再進行二次開發和應用[1]。振動給料機是工業控制自動化過程中廣泛應用的給料設備。常用的振動給料機包括電磁式振動給料機和壓電式振動給料機，電磁式通常用于大功率選料，對控制精度要求不高，而壓電式則用于精準選料，通常應用于輕工、電子產品的自動加工裝配上，在醫藥、食品的自動輸送包裝上也有廣泛應用。

壓電振動盤由振動盤和控制器兩部分組成。振動盤屬于機械部分，目前在國內生產及組裝已較為普遍[2]。控制器是軟件控制部分，通過控制振動盤的振動頻率以及幅度，能夠實現將產品有序地排列在傳送帶上。近幾年隨著勞動力成本的不斷提高，機器替代人力選料給料已成趨勢。目前我國的壓電振動盤控制器主要依靠進口，存在成本高且維修困難等問題。國產的控制器處于起步狀態，共振點調節困難、性能不夠穩定且性價比較低[3]，因而研究并設計振動盤控制器具有重要的現實意義。

1 ?系統概述

設計壓電振動盤的自適應控制器，該控制器能夠驅動市面上多數中小型壓電振動盤。該控制器主要由主控及顯示、電源和反饋三部分組成，硬件實物包括控制板、顯示板和功率板。整體系統框架如圖1所示。

控制器主控芯片采用Microchip公司dsPIC系列的16位單片機，該芯片具有較強的抗干擾能力，保證控制器工作的穩定性。其內部集成DSP核，具備高速運算能力，最高40 MIPS的處理速度可以使信號得到更快的響應。內部還集成了高速A/D轉換器用于處理反饋信號；最高分辨率為1.04 ns的高速SPWM模塊用于實現驅動電源的正弦逆變。

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圖1 控制器系統框圖

顯示部分采用了四位一體的共陽數碼管，顯示板上的按鍵可以用來切換模式、設置輸出頻率和幅度。電源部分由電網220 V交流電經保護電路再經橋堆整流為高壓直流電源，然后使用準諧振開關電源技術將其變為25 V直流電源，該直流電源經由兩路采用SPWM驅動的MOS管正弦逆變為振動盤的驅動電源。反饋的電壓和電流信號，需要經過峰值檢波電路后才能由單片機的A/D模塊轉換。控制器獲得反饋信號后，在模糊PID算法控制下，作出相應調節，穩定振動盤的振動幅度。

2 ?系統設計與實現

2.1 ?準諧振開關電源

控制器的電源性能是影響系統工作穩定性的主要因素之一。控制器采用體積小、效率高的開關電源，但隨著開關電源頻率的提高，需要盡量減少開關損耗。準諧振電路使開關上的電壓或通過開關的電流變化類似正弦波，在減少開關損耗的同時也可抑制浪涌的發生。由于振動盤的功率較小，一般在40 W以下，故采用電路簡單、成本低的反激拓撲電路[4]。準諧振開關電源的具體電路如圖2所示。

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圖2 準諧振開關電源電路

在該電路中采用TOPSwitch?JX產品系列的TOP265，一款用于高效率電源設計的集成離線式開關IC。使用該芯片不僅可以降低EMI，并且自帶過流、過載、短路和過壓保護，簡化了電路的結構。輸出除了最大可達40 W用來逆變的25 V直流電源外，還包括提供推挽三極管工作的12 V電源以及控制板工作所需的5 V電源。

2.2 ?峰值檢波

振動盤的驅動電源采用正弦波，方波也可工作但噪聲較大，故舍棄。正弦波驅動導致反饋的電壓和電流信號也呈正弦變化。為了使A/D模塊能夠快速獲取振動幅值，反饋的信號需要經過峰值檢波電路。

峰值檢波電路是由二極管電路與電壓跟隨器組成。其原理如下：當輸入電壓為正時，檢波二極管導通，對電容充電；當輸入電壓為負時二極管截止，電容放電[5]。選擇適當的電容和電阻，使電容充電速度大于放電速度，這樣電容兩端的電壓就可以保持在最大輸入電壓處，從而實現峰值檢波；為匹配前級開關電路和后級輸出的阻抗，增加電壓跟隨器。

2.3 ?SPWM逆變

采樣控制理論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環節上時，其效果基本相同。SPWM以此為理論基礎，用脈沖寬度按正弦規律變化而和正弦波等效的PWM波形，控制逆變電路中開關器件的通斷，使其負載電壓呈現正弦波[6]。設計中實際逆變電路采用兩路SPWM經光耦、推挽三極管驅動MOS管逆變，由于振動盤為慣性負載，輸出經電容濾波后，可以得到類正弦波。

SPWM的調制方式有單極性和雙極性兩種。雙極性，是指SPWM信號同時包含正弦信號正半周和負半周的信息，而單極性只包含正弦信號正半周或負半周的信息。單極性的控制方式相比雙極性損耗要低，但該控制方式存在過零振蕩，對輸出正弦波形影響較大，故在設計中采用雙極性調制。

SPWM的實現方式較多，比較常用的是規則采樣法，它利用三角波載波周期中點與調制正弦波的交點所作的水平線與三角波的交點來確定脈沖的寬度，如圖3所示。圖4為自然采樣法，它利用正弦波與三角波的交點確定脈沖寬度，該方法可得到比規則采樣法諧波更少的類正諧波，但計算量較大。當載波頻率遠大于調制波頻率時，兩種方法所確定的脈寬基本一致，故采用規則采樣法，便于單片機快速處理。

2.4 ?模糊PID控制

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制[7]。控制系統的核心為模糊控制器，最簡單的實現方法是將模糊控制規則離線轉化為控制表，存儲在單片機中供在線控制時查詢使用。在振動盤控制器中，對驅動電源幅值的控制采用模糊PID控制。

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圖3 規則采樣法

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圖4 自然采樣法

實際控制中需將PID控制器進行離散化處理，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：比例系數[kp]加速系統的響應速度，提高系統的調節精度；積分系數[ki]消除系統穩態誤差；微分系數[kd]改善系統的動態特性[8]。振動盤控制器以誤差[e]和誤差變化[ec]作為輸入，利用相應的模糊控制規則表分別對PID的三個參數進行在線自整定，其結構如圖5所示。

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圖5 自適應模糊控制器結構圖

實現過程如下：先將長期積累的控制經驗轉換為模糊控制規則表，存儲在單片機中。再將系統誤差[e]和誤差變化[ec]的變化范圍定義為模糊集上的論域。

[e，][ec=]{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}

其模糊子集為[e，][ec=]{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}。設[e，ec]和[kp，][ki，][kd]均服從正態分布，可根據模糊控制規則表[9]，查出修正參數代入下式計算：

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

新參數值重新代入PID控制器，完成對PID參數的在線自校正，實現對振動盤振幅的自適應控制。

2.5 ?軟件設計

控制器軟件設計包括模糊PID控制算法實現、SPWM脈寬時間計算、A/D采樣、E2PROM數據讀寫等。

模糊PID控制，確立離散的控制方程，設定初值后，根據反饋采樣值查找模糊矩陣表，調整系數值再代回控制方程直至輸出幅值穩定。SPWM的軟件實現難點在計算上，由于該計算的運行次數非常多，運行時長直接影響控制器性能，故軟件乘除運算需靠移位以及與或實現。具體軟件流程如圖6所示。

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圖6 軟件流程圖

3 ?設計結果與分析

3.1 ?設計實物及實現參數

設計及組裝完成的控制器實物如圖7所示，圖8為控制器驅動振動盤時的電壓波形，示波器探頭10倍衰減，波形類似正弦波。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼32t7.tif>； <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼32t8.tif>；

圖7 控制器實物圖 ? 圖8 控制器驅動時電壓波形

控制器的實際參數為：輸入：AC 220×（1±0.02） V，50/60 Hz；輸出：0～300 V可調，步進0.1 V；頻率：50～400 Hz可調，步進0.1 Hz。

3.2 ?擬改進方面

（1） 壓電振動盤正在向大型化方向發展，控制器驅動的最大功率有待提高。

（2） 提高控制器驅動效率和穩定性，降低工作噪聲，使之更加環保和人性化。

4 ?結 ?論

工業的發展對給料機的成本和穩定性要求愈來愈高，從而促使振動盤給料機的發展提高到了一個新階段。從目前國內市場的發展前景來看，國內市場對振動盤給料機的需求量會越來越大，研究和設計振動盤控制器，促進國產振動機發展，提升自主研發能力逐步替代進口，需要社會各界共同努力。

參考文獻

[1] 王運池.國內振動給料設備的現狀與發展[J].煤質技術，2003（4）：29?31.

[2] 唐俊.一種新型電磁振動給料機的設計與仿真[J].機械工程師，2008（9）：131?134.

[3] 黃鳳.電磁振動給料機振幅的自適應控制[D].南京：河海大學，2007.

[4] 汪洋，林海青，常越，等.反激式準諧振開關電源工作頻率確定及電源研制[J].電力電子技術，2005，39（3）：92?94.

[5] 劉洪英，史小軍.帶中斷輸出的實用峰值檢波電路設計[J].電子器件，2003，26（1）：104?106.

[6] 周云山，龔慧軍，張軍，等.基于SPWM的采樣法優化[J].科技導報，2009，27（5）：38?42.

[7] 劉金琨.先進PID控制Matlab仿真[M].北京：電子工業出版社，2004.

[8] 張睿彬.模糊參數自整定PID控制器的設計與仿真研究[J].中原工學院學報，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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圖6 軟件流程圖

3 ?設計結果與分析

3.1 ?設計實物及實現參數

設計及組裝完成的控制器實物如圖7所示，圖8為控制器驅動振動盤時的電壓波形，示波器探頭10倍衰減，波形類似正弦波。

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圖7 控制器實物圖 ? 圖8 控制器驅動時電壓波形

控制器的實際參數為：輸入：AC 220×（1±0.02） V，50/60 Hz；輸出：0～300 V可調，步進0.1 V；頻率：50～400 Hz可調，步進0.1 Hz。

3.2 ?擬改進方面

（1） 壓電振動盤正在向大型化方向發展，控制器驅動的最大功率有待提高。

（2） 提高控制器驅動效率和穩定性，降低工作噪聲，使之更加環保和人性化。

4 ?結 ?論

工業的發展對給料機的成本和穩定性要求愈來愈高，從而促使振動盤給料機的發展提高到了一個新階段。從目前國內市場的發展前景來看，國內市場對振動盤給料機的需求量會越來越大，研究和設計振動盤控制器，促進國產振動機發展，提升自主研發能力逐步替代進口，需要社會各界共同努力。

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圖6 軟件流程圖

3 ?設計結果與分析

3.1 ?設計實物及實現參數

設計及組裝完成的控制器實物如圖7所示，圖8為控制器驅動振動盤時的電壓波形，示波器探頭10倍衰減，波形類似正弦波。

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圖7 控制器實物圖 ? 圖8 控制器驅動時電壓波形

控制器的實際參數為：輸入：AC 220×（1±0.02） V，50/60 Hz；輸出：0～300 V可調，步進0.1 V；頻率：50～400 Hz可調，步進0.1 Hz。

3.2 ?擬改進方面

（1） 壓電振動盤正在向大型化方向發展，控制器驅動的最大功率有待提高。

（2） 提高控制器驅動效率和穩定性，降低工作噪聲，使之更加環保和人性化。

4 ?結 ?論

工業的發展對給料機的成本和穩定性要求愈來愈高，從而促使振動盤給料機的發展提高到了一個新階段。從目前國內市場的發展前景來看，國內市場對振動盤給料機的需求量會越來越大，研究和設計振動盤控制器，促進國產振動機發展，提升自主研發能力逐步替代進口，需要社會各界共同努力。

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