數(shù)控噴泉裝置基本工作原理和控制性能

數(shù)控噴泉裝置基本工作原理和控制性能一、前言隨著社會經(jīng)濟的開展和科學(xué)技術(shù)的進步，水景噴泉的技術(shù)領(lǐng)域也發(fā)生了質(zhì)的變化。目前無論是國內(nèi)或國外的水景工程，用數(shù)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(nèi)真正能夠系統(tǒng)性研發(fā)、生產(chǎn)并為噴泉行業(yè)提供合格產(chǎn)品和系統(tǒng)技術(shù)配套服務(wù)的企業(yè)極少。數(shù)控噴泉裝置作為一項新生產(chǎn)品，由于大家對數(shù)控噴泉系統(tǒng)技術(shù)的理解還不是很透徹，在系統(tǒng)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(shè)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(tǒng)配套完善的數(shù)控水景噴泉工程，以它出色的表演獲得了越來越多的關(guān)注，但也有局部工程工程因不慎選用質(zhì)量和性能不完善的數(shù)控設(shè)備，以及缺乏必要的系統(tǒng)配套，造成了工程工程不能到達預(yù)期效果甚至無法交付的不利局面,給大家?guī)砹瞬槐匾慕?jīng)濟損失和負面影響。鑒于上述情況，我們以本公司自主研發(fā)并實際投入正常使用的一維和三維數(shù)控噴泉裝置產(chǎn)品為例，結(jié)合多年來對一維和三維數(shù)控噴泉裝置在研制和使用過程中所積累的經(jīng)歷，詳細表達其基本工作原理和控制性能，希望能對業(yè)內(nèi)同行在設(shè)計和使用中有所幫助。在此也深深感謝所有選用我們產(chǎn)品并不斷提出珍貴意見，幫助我們的數(shù)控噴泉產(chǎn)品逐步完善走向今天的廣闊用戶。二、數(shù)控噴泉裝置概述數(shù)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準確控制的特種噴泉裝置。其最大特點是其"數(shù)字性"，即可通過控制脈沖頻率，對裝置轉(zhuǎn)速、方向、角度、位置進展準確控制；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(qū)動系統(tǒng)的驅(qū)動下，用不同的速度任意方向地連續(xù)或斷續(xù)運轉(zhuǎn)任意的圈數(shù)或一個固定角度，形成形態(tài)各異的各種水型組合。數(shù)控噴泉裝置具體構(gòu)造主要由步進電機、控制驅(qū)動器、定位傳感器、減速齒輪組、密封件、旋轉(zhuǎn)噴射口、水室、水道、外殼、電控驅(qū)動、計算機控制系統(tǒng)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(shù)控噴泉裝置的常用指標術(shù)語1、驅(qū)動器供電電壓：供電電壓是判斷驅(qū)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(qū)動器的電流：電流是判斷驅(qū)動器能力的大小，是選擇驅(qū)動器的重要指標之一；通常驅(qū)動器的最大電流要略大于電機標稱電流。3、驅(qū)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(zhuǎn)的步數(shù)與程序設(shè)定的步數(shù)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(zhuǎn)速值。6、起動區(qū)域：數(shù)控噴泉裝置可以直接起動或停頓的區(qū)域。7、運行區(qū)域：在這個區(qū)域里，數(shù)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(nèi)起動，然后通過加速的方式，才能到達該工作區(qū)域內(nèi)。同樣，在該區(qū)域內(nèi)，數(shù)控噴泉裝置的動力電機也不能直接制動,否那么也會造成失步一一過沖，必須以減速的方式過渡到起動區(qū)域內(nèi)，再進展制動。8、起動力矩：數(shù)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(shù)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(qū)動控制系統(tǒng)組成數(shù)控噴泉裝置所配驅(qū)動器的工作模式有三種：整步、半步、細分。針對數(shù)控噴泉裝置多為低速運行的工況，驅(qū)動器在實際使用中多以細分驅(qū)動為主，細分驅(qū)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(zhuǎn)的精度。目前驅(qū)動控制方式一般有以下幾種，分別為：恒壓、恒壓串電阻、上下壓駁動、恒流、細分數(shù)等。我們在一維和三維數(shù)控噴泉裝置上,對驅(qū)動器驅(qū)動控制方式進展了優(yōu)化，采用了恒流+細分數(shù)的模式，其目的是為了最大限度的使驅(qū)動系統(tǒng)防止電機的反電勢,從而到達動態(tài)平均電流盡可能的大的效果。因為步進電機在一定轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)矩取決丁?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，那么電機力矩越大，所以要到達動態(tài)平均電流盡可能的大，就必須防止電機的反電勢對驅(qū)動系統(tǒng)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(shù)控噴泉裝置與傳統(tǒng)設(shè)備的控制技術(shù)相比較,其最大的特點在于它的分時多任務(wù)操作性能和多樣化應(yīng)用軟件的設(shè)計。傳統(tǒng)的控制技術(shù)大多采用單任務(wù)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(dǎo)致了“控制速度〃依賴于控制系統(tǒng)的規(guī)模,這一結(jié)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(tǒng)軟件已經(jīng)解決了這一問題,它采用分時多任務(wù)機制構(gòu)筑其應(yīng)用軟件的運行平臺，這樣應(yīng)用程序的運行周期那么與程序長短無關(guān)，而是由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期決定。由此,它將應(yīng)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(dāng)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）。數(shù)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(shù)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，它可承受數(shù)字控制信號（電脈沖信號）并轉(zhuǎn)化成與之相對?應(yīng)的角位移或直線位移，因而噴泉裝置本身就是一個完成數(shù)字模擬轉(zhuǎn)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、?維和三維數(shù)控噴泉裝置噴射口的位置取決于脈沖周期的數(shù)目。其旋轉(zhuǎn)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(shù)目即可獲得裝置噴射口所需旋轉(zhuǎn)的速度和位移角度（見圖2）。為了充分發(fā)揮一維和三維數(shù)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(yīng)盡可能縮短起動加速時間。為了保證數(shù)控噴泉裝置的定位精度，在停頓以前必須使裝置從最高速度逐步減小脈沖率降到能夠停頓的速度（等于或稍大于起動速度）。因此，裝置噴射口在高速旋轉(zhuǎn)、擺動一定距離并準確定位時，一般來說都應(yīng)包括“起動一加速一高速運行1勻速）一減速一停頓〃五個階段，速度特性通常為梯形，如果旋轉(zhuǎn)、擺動的時間很短那么為三角形速度特性（如圖3）。當(dāng)數(shù)控噴泉裝置的工作頻率點在圖4所示的工作區(qū)域內(nèi)時，如何在最短的時間內(nèi)完成加速、減速就成了關(guān)鍵。因為數(shù)控噴泉裝置動力電機無需反響就能對裝置噴射口的位置和速度進展控制，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，即力矩缺乏的現(xiàn)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(dāng)也是導(dǎo)致失步的一個重要原因。一般情況卜.，系統(tǒng)的極限起動頻率相比照擬低，而要求的運行速度往往比較高，如果系統(tǒng)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(dǎo)致設(shè)備不能正常起動，出現(xiàn)失步的現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)運行以后，如果到達時間段終點時即停頓發(fā)送脈沖命令串令其立即停頓，那么會使裝置旋轉(zhuǎn)或擺動機構(gòu)因慣性作用沖過設(shè)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(xiàn)象。因此在數(shù)控噴泉裝置的應(yīng)用過程中，控制系統(tǒng)在編輯水型時能否有效地防止失步和過沖現(xiàn)象，是數(shù)控噴泉裝置能否正常表演的關(guān)鍵。為了抑制失步和過沖現(xiàn)象，應(yīng)在數(shù)控噴泉裝置啟停時進展如圖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(yīng)頻率變化，數(shù)控噴泉裝置就會失步，失步會導(dǎo)致數(shù)控噴泉裝置處于非正常工作狀態(tài)，因此，在數(shù)控噴泉裝置變速運行中，必須進展正確的加減速控制。采用計算機對數(shù)控噴泉裝置進展加減速控制，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(shù)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At越小，升速越快，反之越慢。At的大小可由理論或?qū)嶒灤_定，以升速最快而又不失步為原那么。數(shù)控噴泉裝置在程序執(zhí)行升速過程中，對單位時間內(nèi)的升速總步數(shù)進展遞減操作，當(dāng)減至零時升速過程完畢轉(zhuǎn)入勻速運轉(zhuǎn)過程。減速過程的規(guī)律與升速過程一樣，只是按相反的順序進展。在數(shù)控噴泉裝置的起停過程中，根據(jù)控制系統(tǒng)的具體特點，采用上述升降速控制方式，都可以防止數(shù)控噴泉裝置失步或過沖，到達比較準確的控制。而在速度變化過大的應(yīng)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）。六、數(shù)控噴泉裝置應(yīng)用中的本卷須知1、控制技術(shù)方面1）數(shù)控噴泉裝置運行旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)控制在30轉(zhuǎn)/分鐘以內(nèi)，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(zhuǎn)速內(nèi)水的形態(tài)最正確。2）數(shù)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(yīng)防止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(shù)控噴泉裝置群體表演的一致性，一般情況下驅(qū)動器采用高細分數(shù)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(nèi)。（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(yīng)分別配線，隔離變壓器與上位機和I/O之間應(yīng)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(nèi)應(yīng)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(qū)動及傳感器等裝置應(yīng)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(shù)字量與模擬量也應(yīng)分開走線，清晰標記防止混淆。數(shù)字量信號的傳送應(yīng)采用屏蔽線，屏蔽層應(yīng)一端或兩端接地，接地電阻應(yīng)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(yīng)盡量遠離動力線，防止并行。3、造成數(shù)控噴泉裝置工作異常的因素1）控制柜內(nèi)的高壓電器、大的電感性負載，混亂的布線都容易對數(shù)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(tǒng)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，此十?dāng)_主要是信號線受空間電磁輻射感應(yīng)的干擾，即信號線上的外部感應(yīng)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(dǎo)致裝置控制系統(tǒng)無法正常_L作。3）變頻器啟動及運行過程中產(chǎn)生的諧波，以及工作時所產(chǎn)生的電磁輻射干擾，會影響周邊設(shè)備的正常工作。七、一維數(shù)控設(shè)備圖片及技術(shù)參數(shù)表八、三維數(shù)控技術(shù)參數(shù)表九、數(shù)控設(shè)備接線圖十、完畢語一維、三維數(shù)控噴泉裝置是以數(shù)控技術(shù)為主，代表的是新理念、新技術(shù)；代表的是對傳統(tǒng)水景噴泉的一種突破：數(shù)控噴泉裝置是一種全新的機電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)范圍覆蓋了：（1）機械制造技術(shù)：⑵信息處理、加工、傳輸技術(shù)；（3）自動控制技術(shù)；（4）步進驅(qū)動技術(shù)；（5）傳感器技術(shù)；（6）軟