數控噴泉裝置基本工作原理和控制性能

2010-08-26 05:31:36胡迦善何海洋

中國建筑金屬結構 2010年9期

胡迦善何海洋

一、前言

隨著社會經濟的發(fā)展和科學技術的進步，水景噴泉的技術領域也發(fā)生了質的變化。目前無論是國內或國外的水景工程，用數控噴泉裝置來提升水景工程的層次已成為一種新的理念和大的趨勢。而國內真正能夠系統性研發(fā)、生產并為噴泉行業(yè)提供合格產品和系統技術配套服務的企業(yè)極少。數控噴泉裝置作為一項新生產品，由于大家對數控噴泉系統技術的理解還不是很透徹，在系統使用方面的諸多環(huán)節(jié)也不是十分清楚，這就給大家在工程設計與使用上造成許多不便。近年來許多已建的性能穩(wěn)定、系統配套完善的數控水景噴泉工程，以它出色的表演獲得了越來越多的關注，但也有部分工程項目因不慎選用質量和性能不完善的數控設備，以及缺乏必要的系統配套，造成了工程項目不能達到預期效果甚至無法交付的不利局面，給大家?guī)砹瞬槐匾慕洕鷵p失和負面影響。鑒于上述情況，以我們自主研發(fā)并實際投入正常使用的一維和三維數控噴泉裝置產品為例，結合多年來對一維和三維數控噴泉裝置在研制和使用過程中所積累的經驗，詳細敘述其基本工作原理和控制性能，希望能對業(yè)內同行在設計和使用中有所幫助。

二、數控噴泉裝置概述

數控噴泉裝置是一種專門用于對裝置出水口的位置和運行速度作精確控制的特種噴泉裝置。其最大特點是其 “數字性”，即可通過控制脈沖頻率，對裝置轉速、方向、角度、位置進行精確控制；也就是對于上位機發(fā)送的脈沖信號段或串，該噴泉裝置都能在其驅動系統的驅動下，用不同的速度任意方向地連續(xù)或斷續(xù)運轉任意的圈數或一個固定角度，形成形態(tài)各異的各種水型組合。

數控噴泉裝置具體結構主要由步進電機、控制驅動器、定位傳感器、減速齒輪組、密封件、旋轉噴射口、水室、水道、外殼、電控驅動、計算機控制系統等組成。在此我們以其基本工作原理和控制性能要求為例，作一詳細描述。

三、數控噴泉裝置的常用指標術語

1.驅動器供電電壓：供電電壓是判斷驅動器升速能力的標志，標定電壓為：50-60V/AC，過高或過低均將影響裝置的正常工作和使用壽命。

2.驅動器的電流：電流是判斷驅動器能力的大小，是選擇驅動器的重要指標之一；通常驅動器的最大電流要略大于電機標稱電流。

3.驅動器的細分：細分是控制精度的標志，通過增大細分能改善控制精度。細分能增加裝置動力電機的平穩(wěn)性，通常步進電機都有低頻振動的特點，然而通過加大細分可以得到改善，并使電機運行非常平穩(wěn)。

4.失步：裝置動力電機實際運轉的步數與程序設定的步數不相符稱之為失步。

5.工作頻率點：表示裝置動力電機在該點的轉速值。

6.起動區(qū)域：數控噴泉裝置可以直接起動或停止的區(qū)域。

7.運行區(qū)域：在這個區(qū)域里，數控噴泉裝置的動力電機不易直接運行，必須在起動區(qū)域內起動，然后通過加速的方式，才能到達該工作區(qū)域內。同樣，在該區(qū)域內，數控噴泉裝置的動力電機也不能直接制動，否則也會造成失步——過沖，必須以減速的方式過渡到起動區(qū)域內，再進行制動。

8.起動力矩：數控噴泉裝置在特定的工作頻率點下，直接起動可帶動的最大力矩負載值。

9.運行力矩：數控噴泉裝置在特定的工作頻率點下，運行中可帶動的最大力矩負載值。

四、驅動控制系統組成

數控噴泉裝置所配驅動器的工作模式有三種：整步、半步、細分。

針對數控噴泉裝置多為低速運行的工況，驅動器在實際使用中多以細分驅動為主，細分驅動模式具有定位精度高和低速振動極小兩大優(yōu)點。其基本原理是改變裝置的動力電機相鄰的兩個線圈電流的大小，即改變合成磁場的夾角來控制動力電機運轉的精度。

目前驅動控制方式一般有以下幾種，分別為：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數等。我們在一維和三維數控噴泉裝置上，對驅動器驅動控制方式進行了優(yōu)化，采用了恒流+細分數的模式，其目的是為了最大限度的使驅動系統避免電機的反電勢，從而達到動態(tài)平均電流盡可能大的效果。因為步進電機在一定轉速下，轉矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流。動態(tài)平均電流越大，則電機力矩越大，所以要達到動態(tài)平均電流盡可能的大，就必須避免電機的反電勢對驅動系統的影響，以獲取電機盡可能大的輸出力矩。

五、上位控制單元概述

數控噴泉裝置與傳統設備的控制技術相比較，其最大的特點在于它的分時多任務操作性能和多樣化應用軟件的設計。傳統的控制技術大多采用單任務的時鐘掃描或監(jiān)控程序來處理程序本身的邏輯運算指令和外部的I/O通道的狀態(tài)采集與刷新。這樣的處理方式導致了 “控制速度”依賴于控制系統的規(guī)模，這一結果無疑是與I/O通道中高實時性控制要求相違背的。我們的系統軟件已經解決了這一問題，它采用分時多任務機制構筑其應用軟件的運行平臺，這樣應用程序的運行周期則與程序長短無關，而是由操作系統的循環(huán)周期決定。由此，它將應用程序的掃描周期同外部的控制周期區(qū)別開來，滿足了實時控制的要求。當然，這種控制周期可以在上位機CPU運算能力允許的前提下，按照用戶的實際要求，任意修改（如圖 1）。

圖1 數控噴泉裝置的速度和位置參數設置窗口

數控噴泉裝置的控制特性可以概括為以下兩點：第一、一維和三維數控噴泉裝置動力電機區(qū)別于其他控制用途電機的最大特點是，它可接受數字控制信號（電脈沖信號）并轉化成與之相對應的角位移或直線位移，因而噴泉裝置本身就是一個完成數字模擬轉化的執(zhí)行元件，而且輸入一個脈沖信號就可得到一個規(guī)定的位置增量。第二、一維和三維數控噴泉裝置噴射口的位置取決于脈沖周期的數目。其旋轉或擺動的速度、位移角度與脈沖頻率成正比，而且在時間上與脈沖同步。因此只要控制脈沖頻率和脈沖周期的數目即可獲得裝置噴射口所需旋轉的速度和位移角度（見圖2）。

圖2 數控噴泉裝置的脈沖頻率與噴射口位移角度關系示例

為了充分發(fā)揮一維和三維數控噴泉裝置的快速性能不發(fā)生失步，在使用時必須使裝置在低頻率下起動，然后逐步增加脈沖頻率直到所希望的速度；在實際使用中，所選擇的變化速率在保證裝置不發(fā)生失步的前提下，應盡可能縮短起動加速時間。為了保證數控噴泉裝置的定位精度，在停止以前必須使裝置從最高速度逐步減小脈沖率降到能夠停止的速度（等于或稍大于起動速度）。因此，裝置噴射口在高速旋轉、擺動一定距離并精確定位時，一般來說都應包括 “起動－加速－高速運行（勻速）－減速－停止”五個階段，速度特性通常為梯形，如果旋轉、擺動的時間很短則為三角形速度特性（如圖3）。

圖3 數控噴泉裝置梯形、三角形速度特性圖

當數控噴泉裝置的工作頻率點在圖4所示的工作區(qū)域內時，如何在最短的時間內完成加速、減速就成了關鍵。因為數控噴泉裝置動力電機無需反饋就能對裝置噴射口的位置和速度進行控制，而對于速度變化較大，尤其是頻繁加減速的時候，常常會發(fā)生失步和過沖，即力矩不足的現象，在實際使用中除了裝置動力電機的問題外，裝置動力電機的脈沖頻率選擇不當也是導致失步的一個重要原因。

圖4 數控噴泉裝置加減速力矩曲線控制圖

一般情況下，系統的極限起動頻率相對比較低，而要求的運行速度往往比較高，如果系統以較高要求的運行速度直接起動，但該速度已超過極限起動頻率，導致設備不能正常起動，出現失步的現象。當系統運行以后，如果到達時間段終點時即停止發(fā)送脈沖命令串令其立即停止，則會使裝置旋轉或擺動機構因慣性作用沖過設置位置，進入到下一個平衡位置并在該位置停下，從而造成過沖現象。因此在數控噴泉裝置的應用過程中，控制系統在編輯水型時能否有效地避免失步和過沖現象，是數控噴泉裝置能否正常表演的關鍵。

為了克服失步和過沖現象，應在數控噴泉裝置啟停時進行如圖5所示的加減速控制。從圖5可以看出，b段為恒速運行，a段為升頻，c段為降頻，按照 “失步”的定義，如果在a及c段上升及下降的控制頻率變化大于裝置的響應頻率變化，數控噴泉裝置就會失步，失步會導致數控噴泉裝置處于非正常工作狀態(tài)，因此，在數控噴泉裝置變速運行中，必須進行正確的加減速控制。

采用計算機對數控噴泉裝置進行加減速控制，實際上就是改變輸出脈沖的時間間隔，升速時使脈沖串逐漸加密，減速時使脈沖串逐漸稀疏。計算機在控制數控噴泉裝置加減速的過程中，一般要求用離散方法逼近理想的升降速曲線。加減速的斜率在直線加速過程中，速度不是連續(xù)變化，而是按分檔階段變化，為與要求的升速斜率相逼近，必須確定每個臺階上的運行時間。時間Δt越小，升速越快，反之越慢。Δt的大小可由理論或實驗確定，以升速最快而又不失步為原則。數控噴泉裝置在程序執(zhí)行升速過程中，對單位時間內的升速總步數進行遞減操作，當減至零時升速過程結束轉入勻速運轉過程。減速過程的規(guī)律與升速過程相同，只是按相反的順序進行。在數控噴泉裝置的起停過程中，根據控制系統的具體特點，采用上述升降速控制方式，都可以避免數控噴泉裝置失步或過沖，達到比較精確的控制。而在速度變化過大的應用中，S線的加減速效果優(yōu)于斜線的加減速方式（見圖6、7）。

圖5 數控噴泉裝置的變速運行設置

圖6 數控噴泉裝置S線加減速控制圖

圖7 數控噴泉裝置斜線的加減速控制圖

六、數控噴泉裝置應用中的注意事項

1.控制技術方面

（1）數控噴泉裝置運行旋轉速度應控制在30轉/分鐘以內，此時裝置輸出力矩大，工況穩(wěn)定性高，噪音低，更主要的是在這個轉速內水的形態(tài)最佳。

（2）數控噴泉裝置最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時電機振動相對較大。

（3）裝置噴射口在大流量、高揚程運行時，應避免急加速采用階梯提速模式，確保裝置正常運行。

（4）為提高三維數控噴泉裝置群體表演的一致性，一般情況下驅動器采用高細分數的工作狀態(tài)。

（5）避開振動區(qū)，使裝置的工作頻率不在這個范圍內（步距角 1.8度/共振區(qū)一般在 180-250pps之間，步距角為0.9度/400pps左右）。

2.控制柜的布線要求

（1）動力線、控制線以及上位機的電源線和I/O線應分別配線，隔離變壓器與上位機和I/O之間應采用雙絞線連接。將上位機的I/O線與大功率線分開走線，條件允許分槽走線最好，如必須在同一線槽內應將交流線、直流線分開捆扎，這不僅能使其有盡可能大的空間距離，并能將干擾降到最低限度。

（2）上位機、驅動及傳感器等裝置應盡可能遠離強干擾源如大功率變頻器等裝置。

（3）上位機的輸入與輸出最好分開走線，數字量與模擬量也應分開走線，清晰標記防止混淆。數字量信號的傳送應采用屏蔽線，屏蔽層應一端或兩端接地，接地電阻應小于屏蔽層電阻的1/10。

（4）交流輸出線和直流輸出線不要用同一根電纜，輸出線應盡量遠離動力線，避免并行。

3.造成數控噴泉裝置工作異常的因素

（1）控制柜內的高壓電器、大的電感性負載、混亂的布線都容易對數控噴泉裝置的正常工作造成一定程度的干擾。

（2）與控制系統連接的各類信號傳輸線除了傳輸有效的各類信息之外，總會有外部干擾信號侵入，此干擾主要是信號線受空間電磁輻射感應的干擾，即信號線上的外部感應干擾。由于信號引入干擾會引起I/O信號工作異常和控制精度的降低，嚴重時將導致裝置控制系統無法正常工作。

（3）變頻器啟動及運行過程中產生的諧波，以及工作時所產生的電磁輻射干擾，會影響周邊設備的正常工作。

七、一維數控設備圖片及技術參數表

1.一維不銹鋼激控噴頭

一維不銹鋼激控噴頭安裝尺寸圖

技術參數表

2.一維鋁合金激控噴頭

一維鋁合金激控噴頭安裝尺寸圖