一种压电主动隔振机构及其降低振动系统固有频率的方法

技术领域

本发明属于微振动抑制领域，更具体地，涉及一种压电主动隔振机构 及其降低振动系统固有频率的方法。

背景技术

传统的被动隔振器由质量-弹簧-阻尼元件构成，由于其在低频振动传递 率与高频振动衰减率之间存在的固有矛盾，而无法满足精密微振动的隔振 需求，因此迫切需要一些新技术、新方法来改善这一现状。如卫星在轨运 行期间，由于搭载设备正常工作会造成卫星整体及局部幅度较小的往复运 动，这些微振动是影响高精度遥感卫星指向精度和成像质量等关键性能的 主要因素。

结构上，目前主流的微振动隔振器均采用被动隔振元件与主动执行器 以一定连接方式组合而成。如空气弹簧与音圈电机的主被动混合并联使用、 膜片弹簧与音圈电机的主被动混合串联使用等都手段都极大提高了这类精 密减振器的低频减振与高频衰减能力。

空气弹簧与音圈电机的主被动并联结构使得隔振器具有工作行程大、 负载高和固有频率低的特点，但其结构也较为复杂，空气弹簧需持续供气， 音圈电机耗能大，且该机构为软式结构，且空间设备发射时需要额外的锁 定装置，以上因素制约了其在太空环境中的应用。压电智能材料的应用为 隔振器的设计开拓了新领域，其定位精度高且动态响应好，作动行程较小， 可应用于微动定位及振动抑制平台。采用压电陶瓷为执行器的主动隔振机 构多为硬式结构，空间设备发射时不需要锁定装置，大大扩大使用远景。 但压电陶瓷刚度大，导致结构固有频率较高，难以有效的衰减低频干扰， 因此提出一种双层串联式压电主动执行器结构，可以有效的衰减低频振动， 提高多频段振动主动控制能力。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种压电主动隔 振机构其降低振动系统固有频率的方法，该主动隔振机构结构紧凑、安装 简便，具有较低的固有频率，能够有效的衰减微振动信号，是一种主、被 动隔振元件混合使用的微振动隔振机构，其不仅对高频振动干扰具有良好 的高衰减率隔振效果，还能有效的实现低频共振抑制，隔离低频振动，该 主动隔振器可有效抑制卫星微振动，为遥感卫星高分辨率观测成像提供稳 定的工作环境。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种压电主动隔振机构，其特 征在于：包括第一柔性铰链、压电执行器、力传感器、第二柔性铰链和控 制器，其特征在于：

所述第一柔性铰链的一端用于连接基础平台，其另一端依次连接所述 压电执行器、力传感器和第二柔性铰链，所述第二柔性铰链的另一端用于 连接负载平台；

所述压电执行器和力传感器均与所述控制器连接；

所述力传感器用于检测负载平台的振动信号，并将振动信号传递给控 制器，控制器采用PI反馈控制方法控制压电执行器施加作用力在负载平台 上，从而对负载平台进行补偿以减小负载平台的振动；

所述压电执行器包括压电单元及力放大机构，所述力放大机构用于放 大压电单元的输出力以减小负载平台的振动。

优选地，所述控制器包括比例控制器和积分器，以保证控制器获得高 增益，提高其控制效果。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种压电主动隔振机构，其特 征在于：包括第一力传感器、弹簧波纹管、中间质量块、第一柔性铰链、 压电执行器、第二力传感器、第二柔性铰链和控制器，其中，

所述第一力传感器的一端用于连接基础平台，其另一端依次连接所述 弹簧波纹管、中间质量块、第一柔性铰链、压电执行器、第二力传感器和 第二柔性铰链，所述第二柔性铰链的另一端用于连接负载平台；

所述第一力传感器、压电执行器和第二力传感器均与所述控制器连接；

所述第一力传感器和第二压力传感器分别用于检测基础平台和负载平 台的振动信号，并分别将检测的振动信号传递给控制器，以使控制器控制 压电执行器施加作用力在负载平台上，从而对负载平台进行补偿以减小负 载平台的振动。

优选地，所述控制器包括比例控制器和积分器，以保证控制器获得高 增益。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种降低振动系统固有频率的 方法，其特征在于：所述振动系统包括基础平台、负载平台和隔振机构， 其中，所述隔振机构的第一柔性铰链与基础平台连接，所述第二柔性铰链 与负载平台连接；

获得所述振动系统的传递率G₁：

$G_1=\frac{Cs+K}{(M+k_p)s^2+(C+k_{i}s)+K}$

其中，C为系统阻尼，K为系统刚度，M为负载质量，即第二柔 性铰链上所承载的物体的质量，k_p为控制器比例系数，k_i为系统积分 系数，s为拉普拉斯变换的变量；

然后通过传递率获取系统的固有频率，则调节上述k_p的值，能降低系 统的固有频率。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种降低振动系统固有频率的 方法，其特征在于：所述振动系统包括基础平台、负载平台和隔振机构， 其中，所述隔振机构的第一力传感器与基础平台连接，所述第二柔性铰链 与负载平台连接；

获得所述振动系统的传递率G₄：

$\left(\begin{array}{c}{G}_4=\\ \frac{C_0{C}_1{s}^2+\left(K_1{C}_0+K_0{C}_1\right)s+K_0{K}_1}{\left(M_0{M}_1+M_0{k}_p\right)s^4+\left(M_0{C}_1+M_1{C}_0+M_1{C}_1+M_0{k}_i+C_0{k}_p\right)s^3+\left(M_1{K}_1+M_0{K}_1+M_1{K}_0+C_0{C}_1+C_0{k}_i+K_0{k}_p\right)s^2+\left(C_1{K}_0+C_0{K}_1+K_0{k}_i\right)s+K_0{K}_1}\end{array}\right)$

其中，C₀为靠近基础平台的第一级隔振单元的阻尼，K₀为靠近基础平 台的第一级隔振单元的刚度，C₁为靠近负载平台的第二级隔振单元的阻尼， K₁为靠近负载平台的第二级隔振单元的刚度，M₀为中间质量块的质量，M₁为负载质量，即第二柔性铰链上所承载的物体的质量，k_p为控制器比例 系数，k_i为系统积分系数，s为拉普拉斯变换的变量；

然后通过传递率获取系统的固有频率，则调节上述k_p的值，能降低系 统的固有频率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够 取得下列有益效果：

(1)本发明采用压电执行器，压电执行器能够使主动隔振系统达到纳 米级定位精度，可有效应用于精密微振动抑制及隔离领域；加之压电执行 器耗能小且为硬式结构，设备发射时不需要额外的锁定装置，相比于音圈 电机能够更为有效的在太空环境中使用，扩大了使用场景。

(2)本发明设置了由中间质量块及弹簧波纹管构成的悬置系统，所组 成的双层串联式悬置系统能够有效的降低结构的固有平率，因此能有效的 抑制精密设备中的微振动低频干扰。

(3)本发明采用主被动隔振系统并联使用，主被动隔振系统混合使用 可有效抑制低频振动，在保证低频振动传递率，同时提供高频振动的高衰 减性，因此能有效的抑制精密设备中的振动干扰。

附图说明

图1(a)和图1(b)分别为本发明实施例1和实施例2的结构示意图；

图2为本发明实施例1与对比例1、实施例2与对比例2的传递率曲线 对比图；

图3(a)为本发明实施例1的原理简图；

图3(b)为本发明实施例2的原理简图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图 及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可 以相互组合。

实施例1

参照图1(a)、图2和图3(a)，一种压电主动隔振机构，包括第一 柔性铰链12b、压电执行器、力传感器13a、第二柔性铰链12a和控制器， 所述第一柔性铰链12b的一端用于连接基础平台16，其另一端依次连接所 述压电执行器、力传感器13a和第二柔性铰链12a，所述第二柔性铰链12a 的另一端用于连接负载平台11；

所述压电执行器和力传感器13a均与所述控制器连接；

所述力传感器13a用于检测负载平台11的振动信号，并将振动信号传 递给控制器，控制器采用PI反馈控制方法控制压电执行器施加作用力在负 载平台11上，从而对负载平台11进行补偿以减小负载平台11的振动；

所述压电执行器包括压电单元14及力放大机构15，所述力放大机构 15用于放大压电单元14的输出力以减小负载平台11的振动。

优选地，所述控制器包括比例控制器和积分器，以保证控制器获得高 增益，提高其控制效果。

将本隔振机构连接基础平台16和负载平台11后，就组成了振动系统， 此振动系统为单层主动系统。

所述振动系统的传递率G₁：

$G_1=\frac{Cs+K}{(M+k_p)s^2+(C+k_{i}s)+K}$

其中，C为系统阻尼，K为系统刚度，M为负载质量，即第二柔 性铰链12a上所承载的物体的质量，k_p为控制器比例系数，k_i为系统 积分系数，s为拉普拉斯变换的变量。

然后通过传递率获取系统的固有频率，则调节上述k_p的值，能降低系 统的固有频率。

图3(a)所示为单层压电主动隔振单元的原理简图。第一柔性铰链和第二 柔性铰链可实现微小范围内的旋转，消除了传动过程中的空程和机械摩擦， 提高了位移分辨率。力传感器13a布置在第二柔性铰链与压电执行器之间， 用于检测负载平台11上的微振动信号，并将力信号传递给压电执行器做主 动隔振单元输出力补偿。

其中压力执行器施加在卫星平台上的控制力F₀计算如下：

F₀＝(k_p+k_i/s)Mx₁s²

其中k_p为PI主动控制中的比例系数，k_i为积分系数，x₁为负载平台的 振动幅值，s为拉普拉斯变换的变量。

对比例1

对比例1产品的构造与实施例1相比，形成的振动系统缺少力传感器 13a和控制器；此振动系统为单层被动系统。

其振动系统的传递率G₀为：式中M为负载质量，即 第二柔性铰链12a上所承载的物体的质量，K与C分别为负载与基础平 16之间的弹性系数与阻尼系数，s为拉普拉斯变换的变量。

如图2所示，对比例1的传递率曲线从图中可以看出单层被动系统因 为存在阻尼，高频上会保持高衰减率，但低频共振峰处具有较高的峰值， 且由于主动执行器中的压电单元刚度大，导致隔振单元固有频率较高，传 递率曲线不能得到很快的衰减。

从图2的实施例1的单层主动系统和对比例1的单层被动系统的传递 率曲线可以看了，相对于单层被动系统，单层主动系统通过压电执行器输 出力补偿环节，可以衰减传递率曲线固有频率处峰值的大小，能够有效的 抑制负载平台11上的微振动。

实施例2

一种压电主动隔振机构，包括第一力传感器23b、弹簧波纹管27、中 间质量块26、第一柔性铰链22b、压电执行器、第二力传感器23a、第二柔 性铰链22a和控制器，其中，

所述第一力传感器23b的一端用于连接基础平台28，其另一端依次连 接所述第二力传感器23b、弹簧波纹管27、中间质量块26、第一柔性铰链 22b、压电执行器、第二力传感器23a、第二柔性铰链22a，所述第二柔性铰 链22a的另一端用于连接负载平台21；

所述第一力传感器23b、压电执行器和第二力传感器23a均与所述控制 器连接；

所述第一压力传感器23b和第二压力传感器23a分别用于检测基础平 台28和负载平台21的振动信号，并分别将检测的振动信号传递给控制器， 以使控制器控制压电执行器施加作用力在负载平台21上，从而对负载平台 21进行补偿以减小负载平台21的振动；

所述弹簧波纹管27用于提供沿连接方向的刚度，中间质量块26 为初级隔振单元的质量单元，两者共同形成隔振机构的第一级隔振 单元。

优选地，所述控制器包括比例控制器和积分器，以保证控制器获得高 增益，提高其控制效果。

将本隔振机构连接基础平台28和负载平台21后，就组成了振动系统， 此振动系统为双层主动系统。

所述振动系统的传递率G₄：

$\left(\begin{array}{c}{G}_4=\\ \frac{C_0{C}_1{s}^2+\left(K_1{C}_0+K_0{C}_1\right)s+K_0{K}_1}{\left(M_0{M}_1+M_0{k}_p\right)s^4+\left(M_0{C}_1+M_1{C}_0+M_1{C}_1+M_0{k}_i+C_0{k}_p\right)s^3+\left(M_1{K}_1+M_0{K}_1+M_1{K}_0+C_0{C}_1+C_0{k}_i+K_0{k}_p\right)s^2+\left(C_1{K}_0+C_0{K}_1+K_0{k}_i\right)s+K_0{K}_1}\end{array}\right)$

其中，C₀为靠近基础平台的第一级隔振单元的阻尼，K₀为靠近基础平 台的第一级隔振单元的刚度，C₁为靠近负载平台的第二级隔振单元的阻尼， K₁为靠近负载平台的第二级隔振单元的刚度，M₀为中间质量块的质量，M₁为负载质量，即第二柔性铰链上所承载的物体的质量k_p为控制器比例 系数，k_i为系统积分系数，s为拉普拉斯变换的变量；

然后根据传递率绘制传递率曲线并从传递率曲线上获得振动系统的固 有频率，则调节上述k_p的值，能降低系统的固有频率。

在图3(b)中第一力传感器23b布置在弹簧波纹管27与基础平台28之 间，用来采集基础平台28激励信号。压电单元的力放大机构进行输出力补 偿以抑制负载平台21上的微振动。图3(b)所示的双层压电主动隔振单元相 比于图3(a)增加了弹性单元(弹簧波纹管27)，且中间质量块26为双层压 电主动隔振装置上的中间质量，中间质量块26与弹簧波纹管27等零件组 成主动隔振器的第一级隔振单元，然后经过如图3(a)中的压电主动隔振环节 进行二级隔振。

从图2中可以看出，实施例2通过在实施例1的单层隔振系统与基础 平台28之间增加中间质量块26和较小刚度的弹性单元(弹簧波纹管27)， 可以极大的减小隔振单元的固有频率，使传递率曲线得到很快的衰减。通 过压电执行器输出力补偿环节，可以进一步衰减传递率曲线固有频率处峰 值的大小，能够有效的抑制负载平台21上的微振动。

其中压力执行器施加在卫星平台上的控制力F₀计算如下：

F₀＝(k_p+k_i/s)Mx₁s²

其中k_p为PI主动控制中的比例系数，k_i为积分系数，M为负载质量， 即第二柔性铰链上所承载的物体的质量，x₁为负载平台的振动幅值，s 为拉普拉斯变换的变量。

对比例2

对比例2的产品与实施例2相比，形成的振动系统缺少了第一 力传感器23b、中间质量块26和弹簧波纹管27；此振动系统为双层 被动系统。

振动系统的传递率为：

$\left(\begin{array}{c}{G}_3=\\ \frac{C_0{C}_1{s}^2+\left(K_1{C}_0+K_0{C}_1\right)s+K_0{K}_1}{M_0{M}_1{s}^4+\left(M_0{C}_1+M_1{C}_0+M_1{C}_1\right)s^3+\left(M_1{K}_1+M_0{K}_1+M_1{K}_0+C_0{C}_1\right)s^2+\left(C_1{K}_0+C_0{K}_1\right)s+K_0{K}_1}\end{array}\right)$

其中，C₀为靠近基础平台的第一级隔振单元的阻尼、K₀为靠近基础平 台的第一级隔振单元的刚度、C₁为靠近负载平台的第二级隔振单元的阻尼、 K₁为靠近负载平台的第二级隔振单元的刚度、M₀为中间质量块26的质量、 M₁为负载质量，s为拉普拉斯变换的变量。

参照图3(a)、图3(b)，本发明中，弹簧-阻尼构成被动隔振机构， 压电执行器-传感器-控制器构成主动隔振机构。主动隔振机构中采用力传感 器23a监测负载振动信号，将振动信号传递给控制器进行控制算法计算， 完成后输出给压力执行器对负载平台21进行力补偿。通过对比图2中各振 动系统的传递率曲线，可得使用了主动隔振机构的振动系统的固有频率峰 值得到了明显的衰减。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等 同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。