CN102411380A - 柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置与方法。该装置包括铰接板本体、检测部分和控制部分。柔性铰接板结构由三块柔性板通过铰链连接在一起，柔性板上粘贴有压电陶瓷片传感器和压电陶瓷片驱动器，还安装有加速度传感器、压电堆驱动器和SMA驱动器。用压电陶瓷片传感器和加速度传感器检测铰接板的低频模态弯曲和扭转振动信号；控制部分进行相应的处理后分别输出控制压电陶瓷片驱动器、压电堆驱动器和SMA驱动器的动作，实现了对悬臂铰接板的弯曲模态和扭转模态振动主动抑制的目的。

Description

柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置与方法

 

技术领域

本发明涉及大型柔性结构振动控制，特别涉及一种柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置。具体说是提供一种模拟太阳帆板的多块铰接板结构，采用压电陶瓷片传感器、加速度传感器、压电陶瓷片驱动器、压电堆驱动器和SMA驱动器优化配置实现弯曲和扭转低频模态振动主动控制装置和方法。

 

背景技术

随着航天事业的飞速发展，航天器需要的能量越来越大，需要的太阳能电池板也越多，太阳能帆板的面积也就越大。这种大型太阳能帆板结构在航天器发射前必须折叠装载，入轨后再展开。同时，为降低发射成本，太阳能帆板结构通常采用轻质材料制造以降低结构重量。有些太阳能帆板是铰链连接的可展开的多体连接结构，这些太阳能帆板具有如下两个结构特点：一是质量轻，跨度大，二是帆板与帆板，帆板与航天器之间构成多体连接运动系统。这些特点导致其具有频率低、阻尼弱、低频模态密集等复杂动力学特性。这些动力学特性导致了扰动可能激起太阳能帆板结构发生复杂的振动。如果没有采用恰当的控制方法对太阳能帆板的振动进行抑制，将会对航天器的在轨运行带来许多问题，如影响航天器的姿势稳定度和指向精度，缩短航天器寿命，甚至造成太阳能帆板结构的破坏，使航天器失效。因此，如太阳能帆板这类大型柔性结构振动的主动控制就成为了当今世界普遍关注而富有挑战性的重要课题和难点。针对航天器太阳能帆板这种柔性结构的振动控制，为保证其工作稳定性，必须使它们具有自适应性和主动控制能力，近年来发展起来的智能结构控制技术对太阳能帆板的振动进行控制提供了思路。

现有技术中，研究模拟太阳能帆板结构的弯曲模态和扭转模态振动控制，一般忽略连接铰链的作用，将太阳能帆板简化成柔性板或柔性梁结构，采用压电片、加速度传感器和角速率陀螺等通过优化配置实现弯曲和扭转模态在检测和驱动上解耦，进行振动主动控制。压电陶瓷材料优良的机电耦合效应使其不仅可作为传感器，也可作为作动器，而且具有响应快、频带宽、线性度好、容易加工等特点，特别适合于太阳能帆板等挠性结构的振动控制应用，但是它的驱动位移较小，无法进行大幅值的变形调整。形状记忆合金材料具有体积小，驱动力大的优点，但由于加热后的冷却时间较长，所以响应速度慢，驱动频率带宽较小，一般将SMA驱动器用于低频振动主动控制。申请人申请的相关专利，专利申请号为200810198924.1，发明名称：“模拟太空帆板弯曲和扭转低频模态振动控制装置与方法”中，利用电阻应变片传感器检测弯曲和扭转低频振动信号，根据检测的振动信号运行相应的控制算法后，驱动相应的SMA弹簧驱动器，分别产生低频弯曲和扭转模态的驱动控制动作，从而抑制大型挠性悬臂板的低频弯曲和扭转模态振动。但是在该申请专利中将太阳能帆板简化成柔性板结构，忽略了连接铰链的作用，动力学特性与实际的太阳能帆板结构存在差异。对于铰接多块板的太阳能帆板结构，可以充分发挥压电陶瓷材料和形状记忆合金材料各自的优点，考虑用压电陶瓷片传感器和加速度传感器分别检测弯曲和扭转模态振动信号，再通过压电陶瓷片驱动器、压电堆和SMA驱动器的优化配置实现对铰接柔性板结构的弯曲和扭转低频模态的主动控制。

 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置。该发明的另一个目的在于提供利用上述装置的弯曲和扭转低频振动的控制方法，为研究铰接柔性板结构振动测量和控制提供平台。

为达到上述目的，本发明采用如下的方法和技术方案：

所述的柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置与方法，其特征在于该装置包括铰接板本体部分、检测部分和控制部分；

——铰接板本体部分包括：

柔性板Ⅰ3通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ7通过铰链Ⅰ5和铰链Ⅱ18连接，柔性板Ⅱ7和柔性板Ⅲ11通过铰链Ⅲ9和铰链Ⅳ15连接；

压电陶瓷片传感器Ⅰ2粘贴在柔性板Ⅰ3的长度方向固定端一侧，宽度方向的中线处；压电陶瓷片传感器Ⅱ10、压电陶瓷片传感器Ⅲ14分别粘贴在柔性板Ⅲ11上，铰链Ⅲ9和铰链Ⅳ15的右侧；压电陶瓷片驱动器Ⅰ1、压电陶瓷片驱动器Ⅱ20分别粘贴在柔性板Ⅰ3在长度方向固定端一侧，宽度方向的中线两侧的对称位置；

加速度传感器Ⅰ12、加速度传感器Ⅱ13分别安装在柔性板Ⅲ11自由端的两个边角处，加速度传感器Ⅰ12位于柔性板Ⅲ11背面的上端边角处，加速度传感器Ⅱ13位于柔性板Ⅲ11正面的下端边角处；加速度传感器Ⅰ12、加速度传感器Ⅱ13分别距离柔性板长度和宽度边沿各20-50mm；

SMA驱动器Ⅰ4、SMA驱动器Ⅱ19的两端分别固定在柔性板Ⅰ3和柔性板Ⅲ11上，且宽度方向的中线两侧对称位置；

压电堆驱动器Ⅰ6、压电堆驱动器Ⅱ17连接柔性板Ⅰ3和柔性板Ⅱ7，在宽度方向沿中线两侧双面对称布置；压电堆驱动器Ⅲ8、压电堆驱动器Ⅳ16连接柔性板Ⅱ7和柔性板Ⅲ11；

——检测部分包括：

压电陶瓷片传感器Ⅰ2、压电陶瓷片传感器Ⅱ10和压电陶瓷片传感器Ⅲ14检测铰接柔性板的弯曲模态振动，检测到的弯曲模态振动信号经过电荷放大器23放大以后，通过A/D转换电路24输入到ARM控制器25；

加速度传感器Ⅰ12和加速度传感器Ⅱ13分别检测其安装位置的加速度变化，其检测的信号经过多路A/D转换电路24输入到ARM控制器25；

——控制部分：用于处理检测到的铰接柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ7和柔性板Ⅲ11的振动信息，并做出相应的处理。

所述的柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置，其特征在于所述的压电陶瓷片驱动器Ⅰ1、压电陶瓷片驱动器Ⅱ20各由4片压电陶瓷片构成，并分别在柔性板Ⅰ3的两面对称粘贴，每面2片且并联连接；

压电陶瓷片传感器Ⅰ2、压电陶瓷片传感器Ⅱ10和压电陶瓷片传感器Ⅲ14各为一片，分别粘贴在柔性板Ⅰ3和柔性板Ⅲ11上，

加速度传感器Ⅰ12、加速度传感器Ⅱ13分别安装在柔性板Ⅲ11的正面、背面。

所述的柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置，其特征在于所述的控制部分包括压电陶瓷片驱动控制系统、压电堆驱动器控制系统和SMA驱动控制系统：

——所述压电陶瓷片驱动控制系统：

压电陶瓷片传感器Ⅰ2检测到的弯曲模态振动信号，经过ARM控制器25处理后输入多路D/A转换电路22，再经过多通道压电放大电路21后分别输入到压电陶瓷片驱动器Ⅰ1、压电陶瓷片驱动器Ⅱ20，用于抑制柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ7和柔性板Ⅲ11的弯曲模态振动；

——所述压电堆驱动控制系统：

压电陶瓷片传感器Ⅱ10、压电陶瓷片传感器Ⅲ14检测到的弯曲模态振动信号，经过ARM控制器25处理后输入D/A转换电路22，再经过多通道压电放大电路21后分别输入到压电堆驱动器Ⅲ8、压电堆驱动器Ⅳ16，用于抑制铰接柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ7和柔性板Ⅲ11的弯曲模态振动；

加速度传感器Ⅰ12、加速度传感器Ⅱ13检测安装位置的加速度变化，再解耦得到扭转模态振动信号，经过ARM控制器25处理后输入D/A转换电路22，再经过多通道压电放大电路21后输出到压电堆驱动器Ⅰ6和压电堆驱动器Ⅱ17，用于抑制柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ7和柔性板Ⅲ11引起的扭转模态振动；

——所述SMA驱动控制系统：

压电陶瓷片传感器Ⅰ2检测到的弯曲模态振动信号，经过ARM控制器25处理后，产生控制信号控制开关驱动电路27的开启和关闭，SMA驱动电源26驱动SMA驱动器Ⅰ4和SMA驱动器Ⅱ19，用于抑制柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ7和柔性板Ⅲ11引起的弯曲模态振动；

所述装置进行柔性铰接板弯曲和扭转振动的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步 压电陶瓷片传感器Ⅰ2、压电陶瓷片传感器Ⅱ10和压电陶瓷片传感器Ⅲ14检测铰接柔性板的弯曲模态振动，加速度传感器Ⅰ12和加速度传感器Ⅱ13分别检测其安装位置的加速度变化信号；

第二步 将步骤一检测的信号分别经过电荷放大器23、A/D转换电路24输入到ARM控制器25进行处理，并得到相应的弯曲和扭转振动反馈信号；

第三步 将步骤二得到的反馈信号经过D/A转换电路22后，再经相应的放大电路后输入到压电陶瓷片驱动器、压电堆驱动器，或直接控制开关驱动电路27的开启和关闭，通过SMA驱动电源驱动SMA驱动器，从而抑制铰链、柔性板的弯曲模态和扭转模态低频振动。

所述的柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置的控制方法，其特征在于所述方法为多通道的检测和控制。

本发明相对于现有技术具有如下优点和有益效果：

（1）本发明针对铰链连接的多块铰接柔性板结构，同时考虑了弯曲和扭转模态的低频振动，其动力学特性与实际的太阳能帆板结构更为接近，在此基础上进行振动主动控制研究，更具有实际意义。

（2）本装置为多传感器融合系统，既有压电陶瓷片传感器，又有加速度传感器，可以通过多传感器信息融合对铰接柔性板结构的弯曲模态和扭转模态振动进行辨识研究，可以分析铰链连接对系统动力学特性的影响。

（3）本装置为多驱动器控制系统，既有压电陶瓷片驱动器，又有压电堆和SMA驱动器，利用该装置可以很好的模拟多体连接太阳能帆板结构的振动特性，进行多驱动复合控制研究。

（4）本装置不仅可以通过压电陶瓷片驱动器、压电堆驱动器和SMA驱动器对空间复杂结构的弯曲模态振动进行多驱动器复合控制，而且通过两个压电堆的双面对称布置，可以进行铰接柔性板结构的扭转模态振动控制

（5）本装置是一个多通道的输入—输出的检测和控制系统，而且各控制间相互耦合，利用该装置可以很好的模拟多体连接的太阳能帆板柔性结构的动力学和振动控制研究。

附图说明

图1是柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置的总体结构示意图，

图2是图1中柔性铰接板正面压电陶瓷片传感器、加速度传感器 、压电陶瓷片驱动器、压电堆驱动器和SAM驱动器配置分布示意图，

图3是图1中柔性铰接板背面加速度传感器、压电陶瓷片驱动器和压电堆驱动器配置分布示意图，

图4是图1中柔性铰接板末端加速度传感器侧视图。

图中示出：1—压电陶瓷片驱动器Ⅰ，2—压电陶瓷片传感器Ⅰ，3—柔性板Ⅰ，4—SMA驱动器Ⅰ，5—铰链Ⅰ，6—压电堆驱动器Ⅰ，7—柔性板Ⅱ，8—压电堆驱动器Ⅲ，9—铰链Ⅲ，10—压电陶瓷片传感器Ⅱ，11—柔性板Ⅲ，12—加速度传感器Ⅰ，13—加速度传感器Ⅱ，14—压电陶瓷片传感器Ⅲ，15—铰链Ⅳ，16—压电堆传感器Ⅳ，17—压电堆传感器Ⅱ，18—铰链Ⅱ，19—SMA驱动器Ⅱ，20—压电陶瓷片驱动器Ⅱ，21—压电放大电路，22—D/A转换电路，23—电荷放大器，24—A/D转换电路，25—ARM控制器，26—SMA驱动电源，27—开关驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的实施不限于此。

 

实施例

如图1所示，一种柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置与方法，该装置包括铰接板本体部分、检测部分和控制部分；

铰接板本体部分包括：

所述柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ7、柔性板Ⅲ11通过铰链连接构成铰接板，所述铰接板左右向为长度方向，铰接板上下向为宽度方向；

柔性板Ⅰ3通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ7通过铰链Ⅰ5和铰链Ⅱ18连接，柔性板Ⅱ7和柔性板Ⅲ11通过铰链Ⅲ9和铰链Ⅳ15连接；

压电陶瓷片传感器Ⅰ2粘贴在柔性板Ⅰ3的长度方向固定端一侧，宽度方向的中线处；压电陶瓷片传感器Ⅱ（10）、压电陶瓷片传感器Ⅲ（14）分别粘贴在柔性板Ⅲ（11）上，铰链Ⅲ（9）和铰链Ⅳ（15）的右侧；压电陶瓷片驱动器Ⅰ1、压电陶瓷片驱动器Ⅱ20分别粘贴在柔性板Ⅰ3在长度方向固定端一侧，宽度方向的中线两侧的对称位置；压电陶瓷片驱动器Ⅰ2和压电陶瓷片驱动器Ⅱ20各由4片压电陶瓷片构成，并分别在柔性板Ⅰ3的两面对称粘贴，每面两片且并联连接；压电陶瓷片传感器Ⅰ2、压电陶瓷片传感器Ⅱ10和压电陶瓷片传感器Ⅲ14各为一片；

加速度传感器Ⅰ（12）、加速度传感器Ⅱ（13）分别安装在柔性板Ⅲ（11）自由端的两个边角处，加速度传感器Ⅰ（12）位于柔性板Ⅲ（11）背面的上端边角处，加速度传感器Ⅱ（13）位于柔性板Ⅲ（11）正面的下端边角处；加速度传感器Ⅰ（12）、加速度传感器Ⅱ（13）分别距离柔性板水平和竖直边沿各20 mm；

SMA驱动器Ⅰ4和SMA驱动器Ⅱ19的两端分别固定在柔性板Ⅰ3和柔性板Ⅲ11上，且宽度方向沿中线两侧对称位置；

压电堆驱动器Ⅰ6、压电堆驱动器Ⅱ17连接柔性板Ⅰ3和柔性板Ⅱ7，安装在铰链Ⅰ5和铰链Ⅱ18附近，在宽度方向沿中线两侧双面对称布置；两压电堆分别距离柔性板上下边沿100 mm；由于压电堆驱动器Ⅰ6和压电堆驱动器Ⅱ17分别布置在铰接板的两面，所以当同时给它们驱动电压后，会驱动抑制铰接柔性板的扭转振动；

压电堆驱动器Ⅲ8和压电堆驱动器Ⅳ16连接柔性板Ⅱ7和柔性板Ⅲ11，安装在铰链Ⅲ9和铰链Ⅳ15附近，宽度方向沿中线两侧对称位置；两压电堆分别距离柔性板上下边沿50 mm；

所述检测部分包括：压电陶瓷片传感器Ⅰ2、压电陶瓷片传感器Ⅱ10和压电陶瓷片传感器Ⅲ14检测到的弯曲模态振动信号经过电荷放大器23放大以后，通过A/D转换电路24输入到ARM控制器25处理；还可以采用加速度传感器Ⅰ12和加速度传感器Ⅱ13用来检测铰接柔性板安装位置的加速度变化，其检测的信号分别经过多路A/D转换电路24输入到ARM控制器25处理，解耦后得到弯曲和扭转振动信息；

利用两个加速度传感器实现弯曲和扭转振动模态解耦方法如下：

根据两个加速度传感器的配置位置，给出铰接板弯曲和扭转振动模态解耦算法。利用两个加速度传感器检测的信号差，即为弯曲模态的加速度信号                                                

：

式中

和

分别为两个加速度传感器检测的其安装点

和

的加速度测量信息，

为时间。

利用两个加速度传感器检测的信号和，即为扭转模态的加速度测量信号

：

这样加速度的配置方法可以实现铰接柔性板在检测上的解耦，就可以与弯曲模态驱动器和扭转模态驱动器构成弯曲和扭转模态的控制回路。

控制部分，用于处理检测到的柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ7和柔性板Ⅲ11的振动信息。

所述控制部分包括压电陶瓷片驱动控制系统、压电堆驱动器控制系统和SMA驱动控制系统；

通过压电陶瓷片传感器Ⅰ2检测到的弯曲模态振动信号，经过ARM控制器25处理后输入D/A转换电路22，再经过多通道压电放大电路21后输出到压电陶瓷片驱动器Ⅰ1和压电陶瓷片驱动器Ⅱ20，用于抑制弯曲模态振动；

通过压电陶瓷片传感器Ⅱ10、压电陶瓷片传感器Ⅲ14检测到的弯曲模态振动信号，经过ARM控制器25处理后输入D/A转换电路22，再经过多通道压电放大电路21后输出到压电堆驱动器Ⅲ8和压电堆驱动器Ⅳ16，用于抑制柔性铰接板引起的弯曲模态振动；

通过压电陶瓷片传感器Ⅰ2检测到的弯曲模态振动信号，经过ARM控制器25处理后，产生控制信号控制开关驱动电路27的开启和关闭，SMA驱动电源26驱动SMA驱动器Ⅰ4和SMA驱动器Ⅱ19，用于抑制柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ和柔性板Ⅲ11引起的弯曲模态振动；

通过加速度传感器Ⅰ12、加速度传感器Ⅱ13检测安装点加速度变化，再解耦得到扭转模态振动信号，经过ARM控制器25处理后输入D/A转换电路22，再经过多通道压电放大电路21后输出到压电堆驱动器Ⅰ6和压电堆驱动器Ⅱ17，用于抑制柔性铰接板引起的扭转模态振动；

图1中的虚线连接表示电信号与驱动控制装置的连接图。

如附图2，图3所示，所述的压电陶瓷片驱动器Ⅰ（1）、压电陶瓷片驱动器Ⅱ（20）各由4片压电陶瓷片构成，并分别在柔性板Ⅰ（3）的两面对称粘贴，每面2片且并联连接；

压电陶瓷片传感器Ⅰ（2）、压电陶瓷片传感器Ⅱ（10）和压电陶瓷片传感器Ⅲ（14）各为一片，分别粘贴在柔性板Ⅰ（3）和柔性板Ⅲ（11）上；

加速度传感器Ⅰ（12）、加速度传感器Ⅱ（13）在柔性板Ⅲ（11）的自由端边角处安装，正面、背面每面各一个。

如附图4所示，加速度传感器12、加速度传感器13的侧视图。

在本实施例中，柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ7、柔性板Ⅲ11的材料可选用环氧树脂材料薄板，其几何尺寸可选850 mm×1100 mm×3 mm，即图1所示水平方向长度为850，竖直方向长度为1100 mm，厚度为3 mm。ARM控制器可选用广州友善之臂计算机科技有限公司生产的Mini2440开发板，主频400MHz。

本实例中压电陶瓷片驱动器Ⅰ1和压电陶瓷片驱动器Ⅱ20为压电陶瓷片，几何尺寸为50 mm×20 mm×1 mm，压电陶瓷材料的弹性模量为E_p=63Gpa，d31=-166pm/V，用作弯曲振动驱动器；压电陶瓷片驱动器Ⅰ1和压电陶瓷片驱动器Ⅱ20粘贴在柔性板Ⅰ3的固定端附近，在长度上距离固定端2.5 cm，在宽度方向上距离柔性板边缘的距离为10 cm。

压电陶瓷片传感器Ⅰ2、压电陶瓷片传感器Ⅱ10和压电陶瓷片传感器Ⅲ14也为压电陶瓷片，几何尺寸为40 mm×10 mm×1 mm，压电陶瓷材料的弹性模量为E_p=63Gpa，d31=-166pm/V，用作应变传感器；压电陶瓷片驱动器Ⅰ1粘贴在柔性板Ⅰ3的固定端附近在长度上距离固定端3.0 cm，在宽度方向的中线位置；压电陶瓷片传感器Ⅱ10粘贴在柔性板Ⅲ11上铰链Ⅲ9的右侧，压电陶瓷片传感器Ⅲ14粘贴在柔性板Ⅲ11上铰链Ⅳ15的右侧。

加速度传感器Ⅰ12和加速度传感器Ⅱ13可选用Kistler公司生产的电容式加速度传感器，型号为8310B25，其输出的电压直接经过A/D转换电路24后，进入ARM控制器25处理；电荷放大器可选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器，共三只，分别放大压电陶瓷片传感器Ⅰ2、压电陶瓷片传感器Ⅱ10和压电陶瓷片传感器Ⅲ14检测的电荷信号，之后经过A/D转换电路24后，进入ARM控制器25处理。

本实施例中压电堆驱动器Ⅰ6、压电堆驱动器Ⅱ17、压电堆驱动器Ⅲ8和压电堆驱动器Ⅳ16可选用江苏联能电子技术有限公司生产的叠层式压电驱动器，型号QDS5×5-95，其可以在压电放大电路21输出的直流电源控制下沿长度方向伸缩，具有位移分辨率高、驱动力大、响应速度快等特点。压电堆驱动器Ⅰ6和压电堆驱动器Ⅱ17布置在铰链Ⅰ5和铰链Ⅱ18附近，连接柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ7，即压电堆两端分别固定在柔性板Ⅰ3、柔性板Ⅱ7上，作为伸长驱动器控制扭转振动。压电堆驱动器Ⅲ8和压电堆驱动器Ⅳ16布置在铰链Ⅲ9和铰链Ⅳ15附近，连接柔性板Ⅱ7、柔性板Ⅲ11，作为伸长驱动器控制弯曲振动。压电堆驱动可以驱动控制由于铰链弹性变形引起的振动。

SMA驱动器Ⅰ4和SMA驱动器Ⅱ19采用双程记忆效应NiTi形状合金弹簧，形状记忆合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。SMA驱动器Ⅰ4和SMA驱动器Ⅱ19的两端分别固定在柔性板Ⅰ3和柔性板Ⅲ11上。这里选用的SMA驱动器在控制SMA驱动电源26给其供电加热后，产生拉伸力，作为驱动器控制铰接柔性板的弯曲振动。

SMA驱动电源26为直流恒电流电源，给SMA驱动器Ⅰ4和SMA驱动器Ⅱ19供电，驱动其动作，可选用QF1712—5型前锋直流电源，额定供电电压30V，电流10A。

压电放大电路21可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX放大器，其研制单位为华南理工大学，在申请人申请的名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4的专利中有详细介绍。放大倍数可达到52倍，即将-5V~+5V放大到-260~+260V。

Claims (5)

1.一种柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置与方法，其特征在于该装置包括铰接板本体部分、检测部分和控制部分；

——铰接板本体部分包括：

柔性板Ⅰ（3）通过机械支架夹持装置固定为悬臂板，柔性板Ⅰ（3）、柔性板Ⅱ（7）通过铰链Ⅰ（5）和铰链Ⅱ（18）连接，柔性板Ⅱ（7）和柔性板Ⅲ（11）通过铰链Ⅲ（9）和铰链Ⅳ（15）连接；

压电陶瓷片传感器Ⅰ（2）粘贴在柔性板Ⅰ（3）的长度方向固定端一侧，宽度方向的中线处；压电陶瓷片传感器Ⅱ（10）、压电陶瓷片传感器Ⅲ（14）分别粘贴在柔性板Ⅲ（11）上，铰链Ⅲ（9）和铰链Ⅳ（15）的右侧；压电陶瓷片驱动器Ⅰ（1）、压电陶瓷片驱动器Ⅱ（20）分别粘贴在柔性板Ⅰ（3）在长度方向固定端一侧，宽度方向的中线两侧的对称位置；

加速度传感器Ⅰ（12）、加速度传感器Ⅱ（13）分别安装在柔性板Ⅲ（11）自由端的两个边角处，加速度传感器Ⅰ（12）位于柔性板Ⅲ（11）背面的上端边角处，加速度传感器Ⅱ（13）位于柔性板Ⅲ（11）正面的下端边角处；加速度传感器Ⅰ（12）、加速度传感器Ⅱ（13）分别距离柔性板长度边沿和宽度边沿各20-50mm；

SMA驱动器Ⅰ（4）、SMA驱动器Ⅱ（19）的两端分别固定在柔性板Ⅰ（3）和柔性板Ⅲ（11）上，且宽度方向的中线两侧对称位置；

压电堆驱动器Ⅰ（6）、压电堆驱动器Ⅱ（17）连接柔性板Ⅰ（3）和柔性板Ⅱ（7），且在宽度方向沿中线两侧双面对称位置；压电堆驱动器Ⅲ（8）、压电堆驱动器Ⅳ（16）连接柔性板Ⅱ（7）和柔性板Ⅲ（11）；

——检测部分包括：

压电陶瓷片传感器Ⅰ（2）、压电陶瓷片传感器Ⅱ（10）和压电陶瓷片传感器Ⅲ（14）检测铰接柔性板的弯曲模态振动，检测到的振动信号经过电荷放大器（23）放大以后，通过A/D转换电路（24）输入到ARM控制器（25）；

加速度传感器Ⅰ（12）和加速度传感器Ⅱ（13）分别检测其安装位置的加速度变化，其检测的信号经过多路A/D转换电路（24）输入到ARM控制器（25）；

——控制部分：用于处理检测到的铰接柔性板Ⅰ（3）、柔性板Ⅱ（7）和柔性板Ⅲ（11）的振动信息，并做出相应的处理。

2.根据权利要求1所述的柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置，其特征在于所述的压电陶瓷片驱动器Ⅰ（1）、压电陶瓷片驱动器Ⅱ（20）各由4片压电陶瓷片构成，并分别在柔性板Ⅰ（3）的两面对称粘贴，每面2片且并联连接；

压电陶瓷片传感器Ⅰ（2）、压电陶瓷片传感器Ⅱ（10）和压电陶瓷片传感器Ⅲ（14）各为一片，分别粘贴在柔性板Ⅰ（3）和柔性板Ⅲ（11）上，

加速度传感器Ⅰ（12）、加速度传感器Ⅱ（13）各一个，分别安装在柔性板Ⅲ（11）的正面、背面。

3.根据权利要求1或2所述的柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置，其特征在于所述的控制部分包括压电陶瓷片驱动控制系统、压电堆驱动控制系统和SMA驱动控制系统：

——所述压电陶瓷片驱动控制系统：

压电陶瓷片传感器Ⅰ（2）检测到的弯曲模态振动信号，经过ARM控制器（25）处理后输入多路D/A转换电路（22），再经过多通道压电放大电路（21）后分别输入到压电陶瓷片驱动器Ⅰ（1）、压电陶瓷片驱动器Ⅱ（20），用于抑制柔性板Ⅰ（3）、柔性板Ⅱ（7）和柔性板Ⅲ（11）的弯曲模态振动；

——所述压电堆驱动控制系统：

压电陶瓷片传感器Ⅱ（10）、压电陶瓷片传感器Ⅲ（14）检测到的弯曲模态振动信号，经过ARM控制器（25）处理后输入D/A转换电路（22），再经过多通道压电放大电路（21）后分别输入到压电堆驱动器Ⅲ（8）、压电堆驱动器Ⅳ（16），用于抑制铰接柔性板Ⅰ（3）、柔性板Ⅱ（7）和柔性板Ⅲ（11）的弯曲模态振动；

加速度传感器Ⅰ（12）、加速度传感器Ⅱ（13）检测安装位置加速度变化，再解耦得到扭转模态振动信号，经过ARM控制器（25）处理后输入D/A转换电路（22），再经过多通道压电放大电路（21）后输出到压电堆驱动器Ⅰ（6）和压电堆驱动器Ⅱ（17），用于抑制柔性板Ⅰ（3）、柔性板Ⅱ（7）和柔性板Ⅲ（11）引起的扭转模态振动；

——所述SMA驱动控制系统：

压电陶瓷片传感器Ⅰ（2）检测到的弯曲模态振动信号，经过ARM控制器（25）处理后，产生控制信号控制开关驱动电路（27）的开启和关闭，SMA驱动电源（26）驱动SMA驱动器Ⅰ（4）和SMA驱动器Ⅱ（19），用于抑制柔性板Ⅰ（3）、柔性板Ⅱ（7）和柔性板Ⅲ（11）引起的弯曲模态振动。

4.应用权利要求1~3之一所述装置进行柔性铰接板弯曲和扭转振动的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

第一步 压电陶瓷片传感器Ⅰ（2）、压电陶瓷片传感器Ⅱ（10）和压电陶瓷片传感器Ⅲ（14）检测铰接柔性板的弯曲模态振动，加速度传感器Ⅰ（12）和加速度传感器Ⅱ（13）分别检测其安装位置的加速度变化；

第二步 将步骤一检测的信号分别经过电荷放大器（23）、A/D转换电路（24）输入到ARM控制器（25）进行处理，并得到相应的弯曲和扭转振动反馈信号；

第三步 将步骤二得到的反馈信号经过D/A转换电路（22）后，再经相应的放大电路后输入到压电陶瓷片驱动器、压电堆驱动器，或直接控制开关驱动电路（27）的开启和关闭，通过SMA驱动电源（26）驱动SMA驱动器，从而抑制铰链、柔性板的弯曲模态和扭转模态低频振动。

5.根据权利要求4所述的柔性铰接板弯曲和扭转振动多通道控制装置的控制方法，其特征在于所述方法为多通道的检测和控制。

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