CN102230509A

CN102230509A - 一种非接触式主动阻尼装置

Info

Publication number: CN102230509A
Application number: CN 201110083202
Authority: CN
Inventors: 陈学东; 王仕博; 徐振高; 钱俊兵; 袁方; 罗欣
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Wuhan micro wave Technology Co., Ltd.
Priority date: 2011-04-02
Filing date: 2011-04-02
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2031-04-02
Also published as: CN102230509B

Abstract

本发明公开了一种非接触式主动阻尼装置，包括阻尼器和驱动器两部分，阻尼器和驱动器电气连接，阻尼器包括固定不动的定子和与定子相分离的阻尼发生器，阻尼发生器相对于定子能够在一个方向上运动。阻尼装置由分离式动子和定子组成，通过主动控制方式调节驱动电路的驱动电流，从而实现阻尼力的主动控制。该阻尼装置能够实现对超精密减振器提供自适应变阻尼控制，有效地衰减减振台的高频振动。本发明可以为光刻机及其他的精密设备提供超静的环境。本发明提供的阻尼装置可用作小型超精密设备、精密仪器的基础支撑。将本发明提供的阻尼装置与空气弹簧、液压隔振器等被动阻尼装置串联使用，亦可对大型设备、大型仪器实现精密减振。

Description

一种非接触式主动阻尼装置

技术领域

本发明属于机械动力学领域，具体涉及一种非接触式主动阻尼装置，该装置包括阻尼器和驱动电路。该阻尼器及其驱动电路适用于无机械接触、主动控制阻尼力的场合。

背景技术

阻尼装置是一种提供运动阻力、耗减运动能量的装置。利用阻尼来吸能减振的技术在机械行业中应用极为普遍，从早期的航天、航空、军工、汽车等领域扩展至现在的机床、仪器、建筑、桥梁、铁路等工程结构中，其发展十分迅猛。

传统的阻尼装置如弹簧阻尼装置、摩擦阻尼装置、液压阻尼装置、粘滞阻尼装置等多数为被动阻尼装置，只能隔离振源传至被隔离物体的高频振动，尽管部分阻尼装置的阻尼力可调，但这种调整不具有实时可控性。其次，传统的阻尼装置在工作过程中具有机械接触或以液体(气体)作为传力介质，隔振效果难以达到高精度设备和精密仪器的使用要求。另外，传统的阻尼装置虽然阻尼力大，承载能力强，但响应速度慢，瞬时稳定性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种非接触式主动阻尼装置，该阻尼装置具有力学特性好、阻尼力可控、响应速度快、无机械接触和体积小的特点。

本发明提供的一种非接触式主动阻尼装置，包括阻尼器和驱动器两部分，阻尼器和驱动器电气连接；其特征在于，所述阻尼器包括固定不动的定子和与定子相分离的阻尼发生器，其中阻尼发生器相对于定子能够在一个方向上运动，驱动器为阻尼器提供驱动电流，控制阻尼器的阻尼力的变化。

为了克服传统阻尼装置的上述缺点，本发明提出一种非接触式主动阻尼装置。该阻尼装置由分离式动子和定子组成，通过主动控制方式调节驱动电路的驱动电流，从而实现阻尼力的主动控制。该阻尼装置能够实现对超精密减振器提供自适应变阻尼控制，有效地衰减减振台的高频振动。本发明可以为光刻机及其他的精密设备提供超静的环境。具体而言，本发明具有如下的技术效果：

(1)阻尼装置采用了非接触结构，阻尼发生器和座子之间没有任何的机械接触，结构紧凑，安装方便；

(2)由于阻尼力是靠电磁场产生的，所以该阻尼装置不需要任何的气体或液体等传力介质，工作条件简单，操作方便。

(3)阻尼装置的阻尼力是一种电磁力，所以该阻尼装置具有响应快、高加速度、高速度等特点，有效地衰减减振台的高频振动；

(4)阻尼力控制和调节方便简单，通过改变阻尼装置的通电电流就可以有效地控制阻尼力，可以实现自适应变阻尼装置；

(5)驱动器对阻尼装置的工作条件实时监控，在紧急情况下将产生应急处理信号，保护阻尼器和驱动器的功率电路，增强了阻尼器的可靠性和安全性。

本发明提供的阻尼装置可用作小型超精密设备、精密仪器的基础支撑。将本发明提供的阻尼装置与空气弹簧、液压隔振器等被动阻尼装置串联使用，亦可对大型设备、大型仪器实现精密减振。

附图说明

图1为本发明提供的阻尼器的结构示意图；

图2为本发明中阻尼器的定子的结构示意图；

图3为本发明中阻尼器的动子的结构分解图；

图4为本发明中阻尼装置的驱动器的控制框架示意图。

具体实施方式

以下结合设计实例和附图进一步说明本发明的结构和工作原理。

本发明提供的阻尼装置包括阻尼器和驱动器两部分。

参考图1，是阻尼器的结构示意图。阻尼器包括固定不动的定子2和与定子2相分离的阻尼发生器3，其中阻尼发生器3相对于定子2可以在一个方向上运动，但运动的范围小于1mm。阻尼发生器通过装配圆柱销51与减振台面A相连接。定子2和阻尼发生器3在机械结构上是分离的，它们之间是通过电磁场的相互作用对阻尼发生器3产生阻尼力，从而实现了减振台面A的阻尼力的调节。上述的减振台面A亦可为圆形、矩形等，其载荷重心自适应原理适用于减振平台几何中心呈等边三角形分布的三点支撑式结构。

参考图2，图2是本发明阻尼器的定子2的结构示意图。定子2包括了两个结构形式完全一样的座子1，它们相对地安装在水平台面B上。座子1包括磁轭7和磁铁8。该磁轭7用导磁材料制成，在每个磁轭与另一个磁轭相对的面上粘贴有磁铁8。为了便于磁铁8的加工和磁路的连通，可以采用小块的磁铁，间隔地粘贴在磁轭7上。磁轭7上开设有冷却水通道6，冷却水从磁轭7上流过时，将带走它产生的热量，避免磁轭7之间的磁场受到温度的影响。当阻尼器与外部装置组装时，采用若干螺丝5通过磁轭7上的螺丝孔与外部装置固定。

参考图3，图3是本发明阻尼器的阻尼发生器3的结构分解图。阻尼发生器3包括高导热陶瓷片上板61、芯子63、温度传感器65、高导热陶瓷片下板73、线圈64、线圈收容器71、若干个线圈固定上板62和若干个线圈固定下板72。其中线圈固定上板62和线圈固定下板72的数量可以是一个。线圈64是缠绕在芯子63上的，并灌注安装在一起。线圈64和芯子63是被线圈固定上板62和线圈固定下板72定位在线圈收容器71中的，最后通过高导热陶瓷片上板61和高导热陶瓷片下板73把线圈收容器71的两侧开口密封好。在线圈收容器71上开设有冷却水通道，冷却水通过进水口接头70在线圈表面循环后在出水口接头69流出，带走线圈在工作时产生的热量。线圈64表面上安装有温度传感器65，用于实时监控阻尼发生器线圈64的温度，当阻尼发生器3的内部温度过高时，以便产生过热保护。通过引线孔67把线圈64和驱动器连接起来。引线孔66用于温度传感器的电气连接。当阻尼发生器3与外部装置组装时，通过两个安装孔68将阻尼发生器3与外部装置固定。

阻尼器上的线圈64的引线通过引线孔67与驱动器进行电气连接。驱动器为阻尼器提供驱动电流，通过改变阻尼器的驱动电流的大小实现了阻尼器的阻尼力的调节，达到了阻尼装置的阻尼力主动控制的目的。

上述结构的阻尼器可以采用现有技术中提供的任一种用于阻尼器的驱动器，如压控电流源或直流电机驱动器。也可以采用下述结构的驱动器。

参考图4，图4为本发明的阻尼装置的驱动器框架示意图。如图4所示，本实例提供的驱动器包括控制信号处理模块10，微控制器20，状态指示模块30，状态监控模块40，电流反馈回路模块50和功率驱动模块60。

控制信号处理模块10用于实现驱动电流快速地跟随控制信号的变化的目的。它接收来自于外部的控制信号，将其与来自于电流反馈回路模块50的电流反馈信号进行差分处理后，再进行比例积分运算后传输到微控制器20。

微控制器20是驱动器的信号整合部分。微控制器20将来自于控制信号处理模块10的输出模拟信号进行模数转换后，改变传输到功率驱动模块60的脉宽调制信号的占空比。微控制器20接收来自于状态监控模块40的关于阻尼器的工作状态信号，并将该状态信号传输到状态指示模块30中。

状态指示模块30将阻尼器的工作状态进行显示，方便用户对阻尼器的工作状态进行监控。状态指示模块30接收来自于微控制器20传输过来的关于阻尼器的工作状态信号，并将该工作状态信号显示出来。

状态监控模块40实时监控阻尼器上的工状态，并在紧急情况下产生应急处理信号，对阻尼器进行保护。状态监控模块40实时监控阻尼器上的电压、电流和温度状态，并将给该状态传输给微控制器20。在紧急情况下状态监控模块40将产生一个应急处理信号给微控制器20，微控制器20将立即切断功率驱动模块60的供电电源，从而对阻尼器和功率驱动模块60起保护作用。状态监视模块实时监视阻尼器的工作状态，保证阻尼器的正常工作，当阻尼器过流、过热、过压、欠压、电气结构损坏时，都会切断功率模块的功率输出，保护阻尼器。

电流反馈回路模块50是驱动器的主体，实现了控制信号和阻尼器的驱动电流的闭环控制。电流反馈回路模块50测量阻尼器的电流数值，并将该电流数值反馈到控制信号处理模块10中。

功率驱动模块60是驱动器的功率输出部分。功率驱动模块60接收微控制器20的脉宽调制信号，进而改变驱动器的输出电流，并将该驱动电流输入到阻尼器中，达到了调节阻尼装置的阻尼力的目的。功率驱动模块采用的是全桥脉宽调制电路驱动，内部能耗低，转换效率高，可以实现阻尼装置的大功率驱动。

控制信号处理模块10中包括有第一差分电路101和比例积分运算电路102，差分电路101对外部控制信号和电流反馈回路模块50的输出电流信号做减法运算，运算的结果经过比例积分运算电路102的处理后，传输到微控制器20的模数转换器201中。

微控制器20包括模数转换器201，脉宽调制信号发生器202，IO端口203。模数转换器201将比例积分运算电路102处理后的模拟信号转换为数字信号，经过微控制器20的运算处理后控制脉宽调制信号发生器202的脉宽调制信号的输出。IO端口203实时检测状态监控模块40的信号，对检测结果分析处理后传输给状态指示模块30。微控制器20实时接收保护模块传输过来的关于阻尼器的电压、电流和温度状态，并将该状态传输给状态指示模块。

状态指示模块30包括LED指示灯301和液晶显示器302。LED指示灯301和液晶显示器302接受微控制器20的控制信号，微控制器20控制LED指示灯301的相应信号状态，微控制器20将阻尼器的电压、电流和温度的相关状态传输到液晶显示器302上进行显示。

状态监控模块40包括电压保护电路401，电流保护电路402和温度保护电路403。电压保护电路401实时监控阻尼器的两端电压状态，当电压超出某一正常的工作范围时将产生一个应急处理信号给微控制器20。电流保护电路402实时监控流经阻尼器的电流，当电流超出某一正常的工作范围时将产生一个应急处理信号给微控制器20。温度状态监控模块403实时监控阻尼器的温度，温度超出某一正常的工作范围时将产生一个应急处理信号给微控制器20。

电流反馈回路模块50包括第一、第二霍尔电流传感器501、502，以及第二差分电路503。在该模块中使用了霍尔电流传感器501和霍尔电流传感器502分别检测阻尼器的两端电流，霍尔电流传感器501和霍尔电流传感器502分别反向串联在阻尼器的两端。差分电路503对霍尔电流传感器501和霍尔电流传感器502输出的信号进行减法运算，从而达到抑制霍尔电流传感器温漂的目的，实现了驱动电流的高精度控制。电流反馈模块采用的是两个霍尔电流传感器反向串接的形式，实现了阻尼装置的精确电流反馈，同时还抑制了霍尔电流传感器的温漂。

功率驱动模块60采用全桥驱动电路实现了驱动电流的输出和换向，通过微控制器20调节功率驱动模块60的输出电压和电流。微控制器20具体通过调节脉宽调制信号发生器202的脉宽调制信号来实现调节功率驱动模块60的输出电压和电流的目的。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种非接触式主动阻尼装置，包括阻尼器和驱动器两部分，阻尼器和驱动器电气连接，其特征在于，所述阻尼器包括固定不动的定子（2）和与定子（2）相分离的阻尼发生器（3），其中阻尼发生器（3）相对于定子（2）能够在一个方向上运动。

2.根据权利要求1所述的非接触式主动阻尼装置，其特征在于，定子（2）包括两个结构形式相同的座子（1），相对地安装，座子（1）均包括磁轭（7）和磁铁（8），在每个磁轭与另一个磁轭相对的面上粘贴有磁铁（8），磁轭（6）上开设有第一冷却水通道（6）。

3.根据权利要求1所述的非接触式主动阻尼装置，其特征在于，阻尼发生器（3）包括高导热陶瓷片上板（61）、温度传感器（65）、高导热陶瓷片下板（73）、线圈（64）、线圈固定上板（62）和线圈固定下板（72）；线圈（64）缠绕在芯子（63）上并灌注安装在一起，线圈（64）和芯子（63）通过线圈固定上板（62）和线圈固定下板（72）定位在线圈收容器（71）中，并通过高导热陶瓷片上板（61）和高导热陶瓷片下板（73）把线圈收容器（71）的两侧开口密封，在线圈收容器（71）上开设有第二冷却水通道，温度传感器（65）安装在线圈（64）表面。

4.根据权利要求1、2或3所述的非接触式主动阻尼装置，其特征在于，驱动器包括控制信号处理模块（10），微控制器（20），状态指示模块（30），状态监视模块（40），电流反馈回路模块（50）和功率驱动模块（60）；

控制信号处理模块（10）用于实现驱动电流快速地跟随控制信号的变化的目的；它接收来自于外部的控制信号，将其与来自于电流反馈回路模块（50）的电流反馈信号进行差分处理后，再进行比例积分运算后传输到微控制器（20）；

微控制器（20）将来自于控制信号处理模块（10）的输出模拟信号进行模数转换后，改变传输到功率驱动模块（60）的脉宽调制信号的占空比；微控制器（20）接收来自于状态监视模块（40）的关于阻尼器的工作状态信号，并将该状态信号传输到状态指示模块（30）中；

状态指示模块（30）将阻尼器的工作状态进行显示，方便用户对阻尼器的工作状态进行监控；状态指示模块（30）接收来自于微控制器（20）传输过来的关于阻尼器的工作状态信号，并将该工作状态信号显示出来；

状态监视模块（40）实时监控阻尼器上的工状态，并在紧急情况下产生应急处理信号，对阻尼器进行保护；状态监视模块（40）实时监控阻尼器上的电压、电流和温度状态，并将给该状态传输给微控制器（20）；在紧急情况下状态监视模块（40）将产生一个应急处理信号给微控制器（20），微控制器（20）将立即切断功率驱动模块（60）的供电电源，从而对阻尼器和功率驱动模块（60）起保护作用；

电流反馈回路模块（50）用于实现控制信号和阻尼器的驱动电流的闭环控制；电流反馈回路模块（50）测量阻尼器的电流数值，并将该电流数值反馈到控制信号处理模块（10）中；

功率驱动模块（60）是驱动器的功率输出部分；功率驱动模块（60）接收微控制器（20）的脉宽调制信号，进而改变驱动器的输出电流，并将该驱动电流输入到阻尼器中调节其阻尼力；

功率驱动模块（60）采用全桥驱动电路实现了驱动电流的输出和换向，通过微控制器（20）调节功率驱动模块（60）的输出电压和电流。

5.根据权利要求4所述的非接触式主动阻尼装置，其特征在于，微控制器（20）包括模数转换器（201），脉宽调制信号发生器（202），IO端口（203）；模数转换器（201）将比例积分运算电路（102）处理后的模拟信号转换为数字信号，经过微控制器（20）的运算处理后控制脉宽调制信号发生器（202）的脉宽调制信号的输出；IO端口（203）实时检测状态监视模块（40）的信号，对检测结果分析处理后传输给状态指示模块（30）；微控制器（20）实时接收保护模块传输过来的关于阻尼器的电压、电流和温度状态，并将该状态传输给状态指示模块。

6.根据权利要求4所述的非接触式主动阻尼装置，其特征在于，电流反馈回路模块（50）包括第一、第二霍尔电流传感器（501、502），以及第二差分电路（503）；第一霍尔电流传感器（501）和第二霍尔电流传感器（502）分别反向串联在阻尼器的两端；差分电路（503）对霍尔电流传感器（501）和霍尔电流传感器（502）输出的信号进行减法运算。