一種壓電主動(dòng)隔振機(jī)構(gòu)及其降低振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微振動(dòng)抑制領(lǐng)域，更具體地，涉及一種壓電主動(dòng)隔振機(jī)構(gòu)及其降低振 動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的被動(dòng)隔振器由質(zhì)量-彈簧-阻尼元件構(gòu)成，由于其在低頻振動(dòng)傳遞率與高 頻振動(dòng)衰減率之間存在的固有矛盾，而無(wú)法滿足精密微振動(dòng)的隔振需求，因此迫切需要一 些新技術(shù)、新方法來(lái)改善這一現(xiàn)狀。如衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，由于搭載設(shè)備正常工作會(huì)造成衛(wèi) 星整體及局部幅度較小的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這些微振動(dòng)是影響高精度遙感衛(wèi)星指向精度和成像質(zhì) 量等關(guān)鍵性能的主要因素。
[0003] 結(jié)構(gòu)上，目前主流的微振動(dòng)隔振器均采用被動(dòng)隔振元件與主動(dòng)執(zhí)行器以一定連接 方式組合而成。如空氣彈簧與音圈電機(jī)的主被動(dòng)混合并聯(lián)使用、膜片彈簧與音圈電機(jī)的主 被動(dòng)混合串聯(lián)使用等都手段都極大提高了這類精密減振器的低頻減振與高頻衰減能力。
[0004] 空氣彈簧與音圈電機(jī)的主被動(dòng)并聯(lián)結(jié)構(gòu)使得隔振器具有工作行程大、負(fù)載高和固 有頻率低的特點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，空氣彈簧需持續(xù)供氣，音圈電機(jī)耗能大，且該機(jī)構(gòu) 為軟式結(jié)構(gòu)，且空間設(shè)備發(fā)射時(shí)需要額外的鎖定裝置，以上因素制約了其在太空環(huán)境中的 應(yīng)用。壓電智能材料的應(yīng)用為隔振器的設(shè)計(jì)開(kāi)拓了新領(lǐng)域，其定位精度高且動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，作 動(dòng)行程較小，可應(yīng)用于微動(dòng)定位及振動(dòng)抑制平臺(tái)。采用壓電陶瓷為執(zhí)行器的主動(dòng)隔振機(jī)構(gòu) 多為硬式結(jié)構(gòu)，空間設(shè)備發(fā)射時(shí)不需要鎖定裝置，大大擴(kuò)大使用遠(yuǎn)景。但壓電陶瓷剛度大， 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)固有頻率較高，難以有效的衰減低頻干擾，因此提出一種雙層串聯(lián)式壓電主動(dòng)執(zhí) 行器結(jié)構(gòu)，可以有效的衰減低頻振動(dòng)，提高多頻段振動(dòng)主動(dòng)控制能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種壓電主動(dòng)隔振機(jī)構(gòu)其降 低振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的方法，該主動(dòng)隔振機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡(jiǎn)便，具有較低的固有頻率， 能夠有效的衰減微振動(dòng)信號(hào)，是一種主、被動(dòng)隔振元件混合使用的微振動(dòng)隔振機(jī)構(gòu)，其不僅 對(duì)高頻振動(dòng)干擾具有良好的高衰減率隔振效果，還能有效的實(shí)現(xiàn)低頻共振抑制，隔離低頻 振動(dòng)，該主動(dòng)隔振器可有效抑制衛(wèi)星微振動(dòng)，為遙感衛(wèi)星高分辨率觀測(cè)成像提供穩(wěn)定的工 作環(huán)境。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種壓電主動(dòng)隔振機(jī)構(gòu)，其特征在于：包括 第一柔性鉸鏈、壓電執(zhí)行器、力傳感器、第二柔性鉸鏈和控制器，其特征在于：
[0007] 所述第一柔性鉸鏈的一端用于連接基礎(chǔ)平臺(tái)，其另一端依次連接所述壓電執(zhí)行 器、力傳感器和第二柔性鉸鏈，所述第二柔性鉸鏈的另一端用于連接負(fù)載平臺(tái)；
[0008] 所述壓電執(zhí)行器和力傳感器均與所述控制器連接；
[0009] 所述力傳感器用于檢測(cè)負(fù)載平臺(tái)的振動(dòng)信號(hào)，并將振動(dòng)信號(hào)傳遞給控制器，控制 器采用PI反饋控制方法控制壓電執(zhí)行器施加作用力在負(fù)載平臺(tái)上，從而對(duì)負(fù)載平臺(tái)進(jìn)行 補(bǔ)償以減小負(fù)載平臺(tái)的振動(dòng)；
[0010] 所述壓電執(zhí)行器包括壓電單元及力放大機(jī)構(gòu)，所述力放大機(jī)構(gòu)用于放大壓電單元 的輸出力以減小負(fù)載平臺(tái)的振動(dòng)。
[0011] 優(yōu)選地，所述控制器包括比例控制器和積分器，以保證控制器獲得高增益，提高其 控制效果。
[0012] 按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種壓電主動(dòng)隔振機(jī)構(gòu)，其特征在于：包括第 一力傳感器、彈簧波紋管、中間質(zhì)量塊、第一柔性鉸鏈、壓電執(zhí)行器、第二力傳感器、第二柔 性鉸鏈和控制器，其中，
[0013] 所述第一力傳感器的一端用于連接基礎(chǔ)平臺(tái)，其另一端依次連接所述彈簧波紋 管、中間質(zhì)量塊、第一柔性鉸鏈、壓電執(zhí)行器、第二力傳感器和第二柔性鉸鏈，所述第二柔性 鉸鏈的另一端用于連接負(fù)載平臺(tái)；
[0014] 所述第一力傳感器、壓電執(zhí)行器和第二力傳感器均與所述控制器連接；
[0015] 所述第一力傳感器和第二壓力傳感器分別用于檢測(cè)基礎(chǔ)平臺(tái)和負(fù)載平臺(tái)的振動(dòng) 信號(hào)，并分別將檢測(cè)的振動(dòng)信號(hào)傳遞給控制器，以使控制器控制壓電執(zhí)行器施加作用力在 負(fù)載平臺(tái)上，從而對(duì)負(fù)載平臺(tái)進(jìn)行補(bǔ)償以減小負(fù)載平臺(tái)的振動(dòng)。
[0016] 優(yōu)選地，所述控制器包括比例控制器和積分器，以保證控制器獲得高增益。
[0017] 按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種降低振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的方法，其特征 在于：所述振動(dòng)系統(tǒng)包括基礎(chǔ)平臺(tái)、負(fù)載平臺(tái)和隔振機(jī)構(gòu)，其中，所述隔振機(jī)構(gòu)的第一柔性 鉸鏈與基礎(chǔ)平臺(tái)連接，所述第二柔性鉸鏈與負(fù)載平臺(tái)連接；
[0018] 獲得所述振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞率G1:
[0020] 其中，C為系統(tǒng)阻尼，K為系統(tǒng)剛度，M為負(fù)載質(zhì)量，即第二柔性鉸鏈上所承載的物 體的質(zhì)量，kp為控制器比例系數(shù)，k i為系統(tǒng)積分系數(shù)，s為拉普拉斯變換的變量；
[0021] 然后通過(guò)傳遞率獲取系統(tǒng)的固有頻率，則調(diào)節(jié)上述kp的值，能降低系統(tǒng)的固有頻 率。
[0022] 按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種降低振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率的方法，其特征 在于：所述振動(dòng)系統(tǒng)包括基礎(chǔ)平臺(tái)、負(fù)載平臺(tái)和隔振機(jī)構(gòu)，其中，所述隔振機(jī)構(gòu)的第一力傳 感器與基礎(chǔ)平臺(tái)連接，所述第二柔性鉸鏈與負(fù)載平臺(tái)連接；
[0023] 獲得所述振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞率G4:
[0025] 其中，C。為靠近基礎(chǔ)平臺(tái)的第一級(jí)隔振單元的阻尼，K。為靠近基礎(chǔ)平臺(tái)的第一級(jí) 隔振單元的剛度，C1S靠近負(fù)載平臺(tái)的第二級(jí)隔振單元的阻尼，K1S靠近負(fù)載平臺(tái)的第二 級(jí)隔振單元的剛度，M。為中間質(zhì)量塊的質(zhì)量，M i為負(fù)載質(zhì)量，即第二柔性鉸鏈上所承載的物 體的質(zhì)量，kp為控制器比例系數(shù)，k i為系統(tǒng)積分系數(shù)，s為拉普拉斯變換的變量；
[0026] 然后通過(guò)傳遞率獲取系統(tǒng)的固有頻率，則調(diào)節(jié)上述kp的值，能降低系統(tǒng)的固有頻 率。
[0027] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有 益效果：
[0028] (1)本發(fā)明采用壓電執(zhí)行器，壓電執(zhí)行器能夠使主動(dòng)隔振系統(tǒng)達(dá)到納米級(jí)定位精 度，可有效應(yīng)用于精密微振動(dòng)抑制及隔離領(lǐng)域；加之壓電執(zhí)行器耗能小且為硬式結(jié)構(gòu)，設(shè)備 發(fā)射時(shí)不需要額外的鎖定裝置，相比于音圈電機(jī)能夠更為有效的在太空環(huán)境中使用，擴(kuò)大 了使用場(chǎng)景。
[0029] (2)本發(fā)明設(shè)置了由中間質(zhì)量塊及彈簧波紋管構(gòu)成的懸置系統(tǒng)，所組成的雙層串 聯(lián)式懸置系統(tǒng)能夠有效的降低結(jié)構(gòu)的固有平率，因此能有效的抑制精密設(shè)備中的微振動(dòng)低 頻干擾。
[0030] (3)本發(fā)明采用主被動(dòng)隔振系統(tǒng)并聯(lián)使用，主被動(dòng)隔振系統(tǒng)混合使用可有效抑制 低頻振動(dòng)，在保證低頻振動(dòng)傳遞率，同時(shí)提供高頻振動(dòng)的高衰減性，因此能有效的抑制精密 設(shè)備中的振動(dòng)干擾。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖I (a)和圖I (b)分別為本發(fā)明實(shí)施例1和實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例1與對(duì)比例1、實(shí)施例2與對(duì)比例2的傳遞率曲線對(duì)比圖；
[0033] 圖3(a)為本發(fā)明實(shí)施例1的原理簡(jiǎn)圖；
[0034] 圖3 (b)為本發(fā)明實(shí)施例2的原理簡(jiǎn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0036] 實(shí)施例1
[0037] 參照?qǐng)DI (a)、圖2和圖3 (a)，一種壓電主動(dòng)隔振機(jī)構(gòu)，包括第一柔性鉸鏈12b、壓電 執(zhí)行器、力傳感器13a、第二柔性鉸鏈12a和控制器，所述第一柔性鉸鏈12b的一端用于連接 基礎(chǔ)平臺(tái)16,其另一端依次連接所述壓電執(zhí)行器、力傳感器13a和第二柔性鉸鏈12a，所述 第二柔性鉸鏈12a的另一端用于連接負(fù)載平臺(tái)11 ;
[0038] 所述壓電執(zhí)行器和力傳感器13a均與所述控制器連接；
[0039] 所述力傳感器13a用于檢測(cè)負(fù)載平臺(tái)11的振動(dòng)信號(hào)，并將振動(dòng)信號(hào)傳遞給控制 器，控制器采用PI反饋控制方法控制壓電執(zhí)行器施加作用力在負(fù)載平臺(tái)11上，從而對(duì)負(fù)載 平臺(tái)11進(jìn)行補(bǔ)償以減小負(fù)載平臺(tái)11的振動(dòng)；
[0040] 所述壓電執(zhí)行器包括壓電單元14及力放大機(jī)構(gòu)15,所述力放大機(jī)構(gòu)15用于放大 壓電單元14的輸出力以減小負(fù)載平臺(tái)11的振動(dòng)。
[0041] 優(yōu)選地，所述控制器包括比例控制器和積分器，以保證控制器獲得高增益，提高其 控制效果。
[0042] 將本隔振機(jī)構(gòu)連接基礎(chǔ)平臺(tái)16和負(fù)載平臺(tái)11后，就組成了振動(dòng)系統(tǒng)，此振動(dòng)系統(tǒng) 為單層主動(dòng)系統(tǒng)。
[0043] 所述振動(dòng)系統(tǒng)的傳遞率G1:
[0045] 其中，C為系統(tǒng)阻尼，K為系統(tǒng)剛度，M為負(fù)載質(zhì)量，即第二柔性鉸鏈12a上所承載 的物體的質(zhì)量，kp為控制器比例系數(shù)，k i為系統(tǒng)積分系數(shù)，s為拉普拉斯變換的變量。
[0046] 然后通過(guò)傳遞率獲取系統(tǒng)的固有頻率，則調(diào)節(jié)上述kp的值，能降低系統(tǒng)的固有頻 率。
[0047] 圖3(a)所示為單層壓電主動(dòng)隔振單元的原理簡(jiǎn)圖。第一柔性鉸鏈和第二柔性鉸 鏈可實(shí)現(xiàn)微小范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，消除了傳動(dòng)過(guò)程中的空程和機(jī)械摩擦，提高了位移分辨率。力 傳感器13a布置在第二柔性鉸鏈與壓電執(zhí)行器之間，用于檢測(cè)負(fù)載平臺(tái)11上的微振動(dòng)信 號(hào)，并將力信號(hào)傳遞給壓電執(zhí)行器做主動(dòng)隔振單元輸出力補(bǔ)償。
[0048] 其中壓力執(zhí)行器施加在衛(wèi)星平臺(tái)上的控制力F。計(jì)算如下：
[0049] F0= (kp+ki/s)Mx1s2
[0050] 其中kp為PI主動(dòng)控制中的比例系數(shù)，k i為積分系數(shù)，X i為負(fù)載平臺(tái)的振動(dòng)幅值， s為拉普拉斯變換的變量。
[0051] 對(duì)比例1