基于开关功率放大器振动台监控系统设计

关键词：单片机；振动台；开关功率放大器 中图分类号：TP29 文献标识码：A Design of Monitor System for Electro dynamic Vibration system Based on Switch Mode Power Amplifier HA.N Jin-gang1 ,LIi Zhe1 ,TANG Tian-hao1 ,WANG Xiao-ming2 (1. Shanghai Maritime University, Shanghai 200135,China; 2. Suzhou Share Electrical Limited Company, Suzhou 215004, China) Abstract: This paper introduces electro dynamic vibration system based on switch mode power amplifier. A monitor system is designed based on AT89C52, and the design of hardware and software of the system are presented. Compared to the conventional system, the proposed system is more reliable and remote control can be realized. Key words : Single chip ; shaker; switch mode Power amplifier 1 前言 振动测试系统就是模拟自然界中的环境，确定所设计、制造的机器、构件在一些特定的环境中不被损害，并发挥其性能、达到预定寿命的可靠性。随着技术的发展，振动测试系统广泛的应用于航空航天、汽车、电子等领域，在产品的可靠性试验中起着重要作用。 振动台从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。其中最常用是电动式振动台。一个电动振动台测试系统由三部分组成，如图1所示： (1)信号发生器包括加速度传感器：根据需要产成正弦、随机或冲击波形，并检测振动台的加速度实现闭环控制。 (2)开关功率放大器：接受信号发生器的信号，与载波(三角波)相比较，产生PWM信号驱动单相全桥电路，经过LC滤波输出给振动台。 (3)振动台：三相交流电通过变压器隔离、降压，然后全桥整流给振动台励磁绕组供电，产生一个恒定的电磁场。根据电磁感应原理，当通电导体处在恒定磁场中将受到力的作用，所以当振动台的驱动线圈中通以交变电流时将产生振动。 功率放大器是电动振动台系统的重要组成部分，它本身的性能和与振动台的匹配状况直接关系着系统的性能。开关功率放大器大都采用功率 MOSFET，开关频率高，输出线性度高，而且开关损耗小，发热少，效率高，可以达到90％，需要较小的轴流风机即可以。振动台的励磁绕组和驱动线圈由于电流较大，发热大，需要较大的风机散热。这些风机的开关控制，以及振动台测试系统的工作过程控制都是采用数字和模拟电路实现，控制电路复杂，而且出现故障后难以排除。本文采用 AT89C52实现了振动台测试系统的监控系统，通过软件实现振动台测试系统的工作过程控制，用 LCD显示故障并且保存在E2ROM，更容易排除故障。通过RS232与PC机联机，可以实现远程对功率放大器模块以及振动台工作状态的监控。 2 监控系统设计 2．1 监控系统功能 监控系统在振动测试系统的位置如图2，监控系统的功能主要有三个： (1)系统控制。由于振动台测试系统包括功率放大器、振动台、风机等，这些设备的起动和关机有特定的程序，否则容易产生严重的问题而损害设备。 (2)系统的工作状态监测和保护。即完成系统的运行状态的实事测量，检测输出电压和电流，励磁电压和电流。同时检测开关信号：输入过电压，欠压，过电流，输出过电压，过电流，励磁故障，台体过位移，台体过热等信号并处理。而且在LCD上显示输出电压和电流(RMS)值以及产生的故障信号。 (3)监控系统有一个串行通信接口，可以和上位机相连，可以实现远程控制。这对于一些特殊的振动测试场合是非常有用的，比如测量易爆，易燃的物体。 2．2 开机和停机的工作流程 振动台测试系统的开机和关机流程如图3。由于励磁绕组的电流比较大，发热也大，所以通电以前首先要把振动台台体风机打开。然后功率放大器的风机打开，随后功率放大器通电，这是振动台就可以工作了。关机的流程和开机的流程正好相反，但是风机都要延时关断，以充分散热。利用单片机可以方便灵活的控制各个固态继电器，实现工作流程控制。而且可以通过软件和硬件的互锁，使系统可靠、安全运行。 2．3 监控系统工作原理 图4是监控系统的原理框图，核心是Atmel公司的8位单片机AT89C52。单片机通过多路开关检测输入的开关量。对输出电压和电流的测量采用电阻取样，由于取得的被测信号与直流系统在电气上是相连的，因此必须对被测信号进行隔离。本文中在这些通道中采用线性光电耦合器隔离，隔离后的信号再经放大进入RMS(真有效值)测量电路。这里用AD736计算RMS，经A／D转换、光藕隔离后送到单片机。励磁电流通过霍尔电流互感器得到，也实现电气隔离。单片机另一作用是管理液晶显示器，该显示器的显示方式为中文显示，显示的主要内容包括输出电压电流值、故障、系统的运行状态。 3 电路设计 3．1 输出电压和电流RMS检测电路设计 功率放大器的输出可以分为3类：55KHz正弦波；随机函数或者冲击脉冲。如果用传统的整流加平均电路来完成输出信号的测量，对于正弦波可以得到较准确的数值，但是对随机函数和冲击脉冲就无能为力。因此本文采用AD公司的AD736来测量输出值。电压和电流的测量电路如图5和图6。 AD736是AD公司推出的真有效值直流变换器，和以往的有效值测量技术不同，真有效值直流变换可以直接测得各种波形的真实有效值，它不是采用整流加平均测量技术，而是采用信号平方后积分的平均技术，并且测量的灵敏度、精确度也大大提高。在本系统中，输出电压经过采样电阻分压取样，经AD736计算其有效值然后通过A／D变换送 到单片机。对于电流则是用一个50A／75 mV的标准电阻采样，先经过差分放大后由AD736计算其有效值然后通过A／D变换送到单片机。平均电容 CAV影响有效值的直流误差，采用一个大的CAV将减小直流误差。而采用一个大CF，可以消除输出纹波。CC用来确定输入的截至频率FL，由以下公式计算可得： 3．2 输入电路设计 输入检测电路原理如图7。开关量信号经过光耦隔离后，通过74H12245送到CPU。输出的电压和电流经过HP7840隔离放大，然后经A／D转换器TLV2543送到CPU。 4 软件设计 图8是监控系统的主流程图。当系统开始后， 首先调用开机程序，按照图3的开机流程启动；当振动台处于工作状态时，则处于一个大循环之中；最后是关机程序。 5 结论 由于采用单片机，与传统的监控系统相比较电路更加简洁，而且可靠性更高，并且能够实现远程控制。由于前一次的故障被保存下来，所以使故障诊断和消除更加容易。实践证明所研制的监控系统简单可靠，可以较好的满足系统需求。 参考文献 [1] AD736DataSheet[J].Analog Devices, Inc. 2003.4. [2] 余永权．Flash单片机原理及应用[M]．电子工业出版社．2000．9． [3] 赵青，范洪峰，吕征宇．单极性SPWM的两种控制方法与过零点输出特性比较[J]．电源技术应用，2004，(3)：133～137．