CN102459946B

CN102459946B - 主动式隔振阻尼系统

Info

Publication number: CN102459946B
Application number: CN201080026064.9A
Authority: CN
Inventors: N·里恩维尔德; T·科内尼斯·范登杜尔
Original assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Current assignee: Mecal Intellectual Property And Standards BV
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: US9488247B2; KR20120028917A; EP2261530A1; EP2440807A1; CN102459946A; JP2012529607A; TWI554694B; KR101719380B1; WO2010143959A1; TW201043806A; SG176803A1; JP5557906B2; EP2440807B1; US20120158191A1

Abstract

一种主动式隔振阻尼系统(11)包括：需被隔离或阻尼的有效载荷(12)；振动传感器(14)，用于检测该有效载荷振动；致动器(15)，用于相对于支撑该有效载荷的轴承体(13)移动该有效载荷；以及控制器(16)，用于为该致动器提供表示该振动的信号。该系统通过使用振动传感器而为倾斜问题提供解决方法，该振动传感器具有至该有效载荷(12)的低刚性连接，用于沿垂直于重力(18)的轴线(17)转动，并且该振动传感器还具有至该有效载荷(12)的高刚性连接，用于产生该振动传感器可检测的振动。

Description

主动式隔振阻尼系统

技术领域

本发明涉及一种主动式隔振阻尼系统，该主动式隔振阻尼系统包括需被隔离或阻尼的有效载荷、用于检测该有效载荷的振动的振动传感器、用于相对于支撑该有效载荷的轴承体移动该有效载荷的致动器、以及用于为该致动器提供表示该振动的信号的控制器。

背景技术

对于要求环境免于干扰振动的应用而言，地面振动及其他机械干扰逐渐成为此应用的限制因素。在地球上所开发的太空设备需要类似于太空中工作环境的测试环境。预期的用于诸如处理器及存储器之类的半导体产品的进一步减小的尺寸，要求用于制造这些产品的光刻设备比目前所使用的光刻设备具有更佳的稳定性。此外，振动妨碍了进一步改善电子显微镜及原子力显微镜的分辨率。通过使用机械弹簧、弹性体、空气轴承或磁性轴承将平台或者放置于其上的有效载荷及载荷与地面振动隔离开的简单被动式方法，不能满足目前的需求。

基于振动测量的主动式控制，与被动式隔离相比，能够更好地隔离不想要的振动，而不需要增大(被动式或主动式)隔离技术中的柔性；其中，该隔离技术仅仅调整振动源(例如地板)与有效载荷之间的刚性耦合。主动式振动控制系统补偿实际的机械干扰。能够检测不想要的振动的传感器装置可被设置在振动源(通常为地面或地板)上，或被设置在需与地面振动或其他机械干扰隔离的有效载荷上。相对于地板或支撑结构的、或相对于惯性参考质量块的有效载荷的振动可通过机械、电子、光学或电磁等方式来检测。为了此目的，传感器可包括公众所熟知的用于检测加速度、速度、位置或距离的装置。该有效载荷由弹簧或其他轴承所支撑，且该有效载荷可由诸如伺服马达之类的致动器沿该传感器的量测轴线所驱动。该传感器的电子输出(经过滤并且)被反馈到致动器；其中，该致动器补偿不想要的振动。

国际专利申请WO 2004/029475公开了一种用于主动式隔振及消振的系统及方法。振动传感器测量某个方向上的相对于惯性参考质量块的有效载荷的振动；其中，该惯性参考质量块柔顺地连接至该有效载荷。所测量的振动信号被馈入控制器，该控制器计算需在该方向上施加的力。所使用的传感器通常在一个方向上表现柔性(高刚性)，用于检测该方向上的振动。更具体地说，传感器可具有一个平动自由度。欧洲专利申请公开EP 1 870 614A1公开了这样一种主动式隔振系统，其包括传感器及致动器，其中该传感器的有效轴线与致动器的有效轴线基本上相互平行。本技术领域的技术人员熟知，为获得在一个以上自由度上的隔振，传感器与致动器可进行多种组合。

为获得小幅度的良好隔振，振动传感器优选地设置在或固定于需隔离的有效载荷上。更具体地说，使用绝对振动传感器且包括惯性参考质量块的主动式振动系统，允许在低频处具有良好隔振。该参考质量块连接至传感器机架。可在一个平动自由度上记录该质量块相对该传感器机架的位移。如果在测量方向并没有动力直接施加在该参考质量块上，除了通过刚性耦合到该传感器机架，那么所记录的信号为此方向上的该传感器机架的绝对振动的测量。但是，由于传感器机架与有效载荷之间所有自由度上的高刚性耦合，所以该传感器以与该有效载荷相同的方式进行平动及转动。

当振动传感器测量具有水平自由度的振动时，重力(或重力矢量)垂直于所测量的方向，这就意味着由于缺少其他的自由度，该传感器对此垂直力不敏感。在传感器包括惯性参考质量块的情况下，该质量块在测量方向(即水平方向)上不会因重力而发生位移。由传感器(更具体地说，是该传感器的壳体)与有效载荷之间的刚性耦合所导致的问题被称为“水平倾斜问题”，因为此问题主要是当有效载荷以及随后的传感器表现出沿着水平轴线的转动振动时产生的。

当该有效载荷围绕水平轴线倾斜时，测量方向亦以相同的方式倾斜。在倾斜方向，由于重力，参考质量块在该测量方向上确实发生了位移。这就意味着对于有效载荷围绕水平轴线倾斜的自由度而言，在水平方向上所测量的振动已不再像绝对振动那样有效。倾斜方向上对有效载荷的干扰在另一水平方向上产生假振动信号，从而降低在此方向上的隔振性能。

国际专利申请WO 2005/047728公开了一种水平运动隔振系统，该系统可获得低水平固有频率。该系统的轴承构件(柱)为有效载荷与机架之间的刚性构件，其包含倾斜机构，该倾斜机构具有用于围绕水平轴线进行倾斜转动的刚性，并且该倾斜机构允许该有效载荷进行水平平动。该申请公开了一种具有单一自由度的弹簧质量块系统，该系统可减弱高于某一频率的有效载荷与机架之间振动。例如，由于质量块靠近有效载荷的轴承构件中的一个，所以该被动式系统可被动地防止有效载荷的倾斜。但是，该系统并不提供可通过主动式隔振获得的隔振等级。

目前已知有若干可用于测量有效载荷的倾斜的传感器。例如J.Winterflood，Z.B.Zhou，L.Lu及D.G.Blair发表的“Tilt suppression for ultra-low residual motionvibration isolation in gravitational wave detection”(Physics Letter(物理通讯)A 277(2000)143-155页)一文中，公开了一种复杂的传感器。这种特别设计的传感器包括激光束，该激光束在镜像表面之间来回反弹，进入四象光电二极管。这种传感器虽可应用于主动式振动系统，但并不能提供一种相对简单的解决方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主动式隔振阻尼系统，该系统更好地将有效载荷与由环境施加在有效载荷上的干扰振动隔离开，并更好地阻尼了该有效载荷的振动。

通过上述系统达到本发明的目的，该系统包括振动传感器，其具有至有效载荷的低刚性连接，用于沿垂直于重力的轴线进行转动，并且具有至该有效载荷的高刚性连接，用于产生该振动传感器可检测的振动。

用于沿垂直于重力的轴线转动的至有效载荷的低刚性连接的作用在于，有效载荷的倾斜不会在测量方向上产生对该振动传感器的附加力，因此实际上该传感器从倾斜振动中解耦。在根据现有技术的主动式振动系统中，该附加力被理解为具有不同于转动的自由度的振动。在这种包括被设计成测量比如水平振动的振动传感器的主动式隔振系统中，倾斜振动会被错误地理解为有效载荷的水平振动。因此，根据现有技术的系统的控制器为水平致动器提供信号，以水平位移该有效载荷。根据本发明的解耦可防止这种错误位移。

本发明基于以下认识：当相关振动传感器的移动至少部分地从有效载荷的移动中解耦时，已知的主动式隔振系统的进一步改良是可能的。

用于某个自由度的振动传感器的高刚性连接，意味着该传感器主要跟踪或测量该有效载荷、机架、轴承体或地面在该特定自由度上的振动。例如，在水平方向上的高刚性意味着该传感器跟踪或测量轴承的水平位移；其中，该传感器在某个频率范围内相当精确地固定于该轴承上。一般而言，高刚性连接会产生高于25Hz的共振频率。

用于某个自由度的振动传感器的低刚性连接，意味着该传感器主要独立于有效载荷、机架、轴承体或地面在该特定自由度上的振动。例如，用于围绕轴线转动的低刚性连接，意味着该传感器在某个频率范围内，并不会或仅在无关紧要的测量中跟踪或测量该转动。一般而言，低刚性连接比高刚性连接低十倍。

附图说明

图1为根据现有技术的主动式隔振阻尼系统的示意图；

图2为根据本发明的主动式隔振阻尼系统的实施例的示意图，该系统的一个振动传感器在大部分自由度下固定到支撑有效载荷的机架；

图3为根据本发明的主动式隔振阻尼系统的实施例的示意图，该系统的振动传感器在大部分自由度下固定到有效载荷；

图4示出了本发明中水平振动的特定关联性；

图5为根据本发明的具有附加传感器的主动式隔振阻尼系统的实施例的示意图；

图6示出了用于致动器到传感器的开环传递函数的模型计算，以说明图5所示的实施例的性能；

图7示出了用于干扰力到有效载荷的重心运动的闭环传递函数的模型计算，以说明图5所示的实施例的性能；

图8示出了实现高转动刚性的实施例；

图9示出了在低频和高频处具有不同转动刚性的实施例；

图10示出了主动式隔振阻尼系统中，传感器及致动器的一种可能的方向。

具体实施方式

图1为根据现有技术的主动式隔振阻尼系统的示意图。该系统包括需被隔离或阻尼的有效载荷(2)、支撑该有效载荷的轴承体(3，3′)、至少一个用于检测有效载荷的振动的振动传感器(4或4′)、至少一个用于移动有效载荷的致动器(5或5′)、以及用于为致动器提供信号的控制器(6或6′)；其中，该信号表示具有相关自由度(平动或转动方向)的振动。该振动传感器(4′)可设置或固定在该有效载荷(2)上、或者该传感器(4)可设置或固定在该轴承体(3)上，用于测量有效载荷相对于轴承体的相对位移。该有效载荷可由诸如机械弹簧或弹性体之类的常规悬挂装置(7)支撑。该轴承体可为用于有效载荷的任何支撑结构，包含机架、地板、墙壁或天花板。该致动器设置或固定在该轴承体上。该致动器可为比如压电陶瓷类型的压电致动器、磁致伸缩马达、洛伦兹(Lorentz)马达(音圈)或任何类型的位置致动器或马达。

图2为根据本发明的主动式隔振阻尼系统的实施例的示意图，其中水平振动被隔离或阻尼。该振动传感器(14)除了在水平方向上进行平动外，在所有自由度下固定到机架(13′)上。该机架可为支撑有效载荷的机架(13)。振动传感器刚性连接至有效载荷，用于测量有效载荷的水平平动。表示水平振动的信号被发送至控制器(16)。当该振动传感器仅在一个自由度上测量振动时，只要干扰倾斜振动轴线(17，17′)具有垂直于传感器(14)的测量方向(19)的分量，即可满足需求。尽管该倾斜振动轴线可能垂直于测量方向并位于有效载荷的平面内，如轴线(17)所示，但是要理解的是，沿着具有垂直于重力(18)方向的分量的轴线(比如轴线(17′))的任何转动，都会造成沿着轴线(17)的转动。该图中仅显示了一个振动传感器，但是，当在任何方向上倾斜时，优选有两个或三个振动传感器。通过接收来自控制器(16)的输入信号的至少一个致动器(15)阻尼该水平振动。

剩余自由度上的振动可通过本技术领域的技术人员已知的振动传感器来测量。这些传感器优选地设置在有效载荷上，但这些传感器亦可设置在支撑有效载荷的地板上。因此，水平振动传感器可仅在其测量方向上比如通过双铰链或柔性梁连接至有效载荷。该振动传感器的其他五个自由度可通过线性导轨刚性连接至地面。该线性导轨可被设计为允许振动传感器机架在测量方向上进行运动，但阻止该振动传感器机架在其他方向上进行运动，包括当有效载荷倾斜时，该振动传感器产生倾斜。

图3为根据本发明的主动式隔振阻尼系统的其他实施例的示意图，该系统包括第一振动传感器(24)，其在至多五个自由度上以高刚性与有效载荷相连接，且该传感器被设计为用于测量水平振动。该第一振动传感器从该有效载荷的倾斜中解耦。表示有效载荷的水平振动的信号被发送至控制器(16)，该控制器控制水平致动器(15)的位移。该系统进一步包括第二振动传感器(25)，该第二振动传感器被设计为测量在另一自由度上的振动，例如检测垂直振动。第二传感器无需从倾斜振动中解耦，尽管该第二传感器可从倾斜振动中解耦。表示有效载荷的垂直振动的信号被发送至控制器(26)，该控制器控制垂直致动器(27)的位移。要理解的是，这两个控制器可组合成一个电子电路，以控制不同致动器的位移。尽管振动传感器可为任何类型，但在用于以低频(比如低于0.2Hz的频率)隔离及阻尼振动的系统中，优选包括惯性参考质量块的振动传感器。在此种传感器中，在该振动传感器可检测的自由度上，该参考质量块以低刚性连接至振动传感器的外壳。由于以低刚性连接至该传感器的外壳，故该参考质量块对于要检测的振动来说，为惯性质量块。

图4示出了本发明中水平振动的特定关联性，当用于测量水平振动的振动传感器以角度α的幅度倾斜时，则该倾斜产生沿着传感器的轴线(所假定的水平方向)的附加力，该附加力等于重力与该倾斜角的正弦的乘积：F_//＝Fg*sin(α)。对于较小倾斜幅度，这会产生与重力成线性比例的力。对于垂直振动传感器，该附加力与该倾斜角的余弦成正比。因此，尽管产生相同的作用，但对主动式隔振的影响要小得多。通常比水平振动小几个数量级的这种力，在小角度下可被忽略；其中，该小角度在最常见的干扰中是特有的。

图5为根据本发明的具有附加传感器的主动式隔振阻尼系统的实施例的示意图。通过该实施例，将说明根据本发明的主动式隔振阻尼系统的优点。本实施例包括刚性有效载荷(31)，其可在一个水平方向及一个垂直方向上移动，且可围绕同时垂直于水平平动及垂直平动的轴线转动。在所有自由度上，即所有平动方向和转动方向上，该有效载荷通过5Hz的悬挂装置(32)连接至刚性环境。该主动式振动系统包括三个设置于重心臂的振动传感器，两个振动传感器(34，35)可检测垂直振动，另一个振动传感器(33)可检测水平振动。这三个传感器均具有在同一方向对准的相应的力致动器(36，37，38)，该力致动器可将力施加到有效载荷。这些致动器通过一个或多个控制器(39，39′，39″)控制。

图6示出了用于致动器到传感器的开环传递函数的模型计算，以说明图5所示的实施例的性能。对于这些模型计算，这三个传感器被模型化为线性导引的质量弹簧系统。在该模型中，通过关闭相应的传感器与致动器之间的控制环路，可预测惯性反馈系统的性能。模拟了两种情况，一种情况表示现有技术中的主动式振动系统，说明了重力对传感器的作用，另一种情况表示根据本发明的系统的情况，在后一种情况的模拟中，重力省略不计。

显示了每个致动器到每个传感器的开环传递函数，实线表示包括重力作用的现有技术，虚线则表示未包括重力作用的本发明。在水平传感器的低频区域中，重力与无重力的情况之间具有明显的差异；在有重力的情况中，与围绕交叉频率的相位相结合的低频增益，限制了可获得的环路增益。在本实例中，当包含重力作用时，可获得的最大环路增益约为35dB。而在不含重力作用的情况下，在该模型中并不限制可获得的最大环路增益；实际上，此增益仅仅受到传感器噪声以及/或者更高共振的限制。

图7示出了用于干扰力到有效载荷的重心运动的闭环传递函数的模型计算，以说明图5所示的实施例的性能。这些模型计算基于图6中所示的相同假设。而且，实线表示包括重力作用(现有技术中的系统)的情况，虚线表示未包括重力作用(根据本发明的系统)的情况。在此模拟中，使用了相同(受重力限制)的控制器。

这两种情况之间的对角线传递函数大致上相同。但是，在围绕水平轴线的力矩M_θ、垂直方向上的力F_z、以及水平方向上有效载荷(payload)的运动x_payload之间的非对角线关系中，可以看到柔性的大幅提高。这就意味着在该频带中施加力矩(或在质心的臂施加力)时，从重心的水平运动方面来说，平面的反应明显大于水平力与水平运动之间的实际传递。当包含重力作用时，由于非对角线关系中的一个提高了柔性，因此，从有效载荷的绝对运动方面来说，明显降低了该惯性反馈系统的性能。没有重力作用时，或者通过实施所提议的解决方法，低频带中的性能可与有效载荷的被动式悬挂装置一样好。

图8示出了这样的实施例：对于至轴承体(例如机架)的连接来说，用于实现高转动刚性；对于至有效载荷的连接来说，用于实现低刚性。通过三个弯曲机构，每个均包括位于固定到机架的铰链(54)的刚性体(51)、和两个柔性梁(52，52′)，水平传感器(53)具有至该机架的高转动刚性连接。对于其他自由度，该传感器刚性连接至该有效载荷。转动轴线同时垂直于重力矢量(56)和检测该有效载荷(55)的水平位移的水平振动传感器的测量方向。

优选结合所降低的低频倾斜效应(即传感器到该机架的刚性连接)以及机架与振动传感器之间的高频处的弱耦合。通过位于传感器与机架之间的辅助质量块可获得这种效应。图9中显示了这种系统的实施例。在该实施例中，铰链(54)并未连接至机架，而是连接至辅助质量块(57)。通过转动刚性(58)该辅助质量块(57)被进一步连接至机架(13)，而该质量块的转动轴线与传感器(53)的转动轴线平行。通过辅助质量块(通常在1和100kg之间)和两个转动刚性，可调整辅助质量块的转动与传感器的转动之间的耦合(|M|)所转降(rolloff)的频率f_ro。一般而言，辅助质量块相对于机架的用于转动的转动刚性比传感器相对于辅助质量块的转动刚性高出至少一个数量级。

图10示出了主动式隔振阻尼系统中，传感器(61，61′，61″)及致动器(62，62′，62″)的一种可能的方向。致动器被设置在地面上或固定在支撑有效载荷(63)的机架(64)上。在包括不止一个传感器/致动器组合的系统中，传感器及致动器无需具有相同自由度。这就意味着传感器的测量方向不必对应于任何致动器的位移方向。传感器(61″)甚至可以以相对于重力的固定角度倾斜。

本发明尤其适合用于支撑测试中的仪器(例如应用于太空中的仪器)的平台。但是，本发明也可用于各种设备的隔振，包含但不限于望远镜、光刻设备及车辆等。该系统适合将有效载荷与外部振动(比如源自地面的振动)隔离开。此外，该系统也适合阻尼源自有效载荷本身的振动，即含有移动部件的设备或操作该设备的人员。振动为各种类型的移动，位移或转动，定期地或不定期地。因此，本发明不仅涉及将有效载荷与源自其环境的振动隔离开，也涉及抵消源自其他来源(比如设置于该有效载荷上的设备)的振动。

该主动式隔振系统包括至少一个传感器，用于检测需隔离或阻尼的有效载荷的振动。该传感器不必检测所有空间方向上的振动。实际上，优选使用仅仅具有有限数量(例如一个或两个)的自由度的传感器。

应注意的是，不应将本文中所用的任何术语解释为限制本发明的范围。具体地说，单词“包括(comprise(s))”和“包括(comprising)”并非表示要排除未具体描述的任何构件。单个构件或元件可被多个构件或元件或其等同物所替代。

本技术领域的技术人员要理解的是，本发明并不限于上述实施例，在不背离如所附权利要求书中所定义的本发明的范围的情况下，可进行多种修改及添加。

Claims

1.一种主动式隔振阻尼系统（11），包括：

需被隔离或阻尼的有效载荷（12）；

振动传感器（14），用于检测所述有效载荷的振动；

致动器（15），用于相对于支撑所述有效载荷的轴承体（13）移动所述有效载荷；以及

控制器（16），用于为所述致动器提供表示所述振动的信号；

其特征在于，所述振动传感器（14）具有

至所述有效载荷（12）的低刚性连接，用于沿垂直于重力（18）的轴线（17）转动；以及

至有效载荷（12）的高刚性连接，用于产生所述振动传感器可检测的振动。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述振动传感器（14）具有至所述轴承体（13）的高刚性连接，用于沿垂直于重力（18）的轴线（17）转动。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述振动传感器（14）的自由度中的至少一个通过高刚性连接至有效载荷（12）。

4.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述振动传感器（14）的自由度中的至少一个通过高刚性连接至轴承体（13）。

5.根据权利要求2所述的系统，其中，所述高刚性连接包括辅助质量块（57），其通过第一转动刚性连接至水平传感器（53）以及通过第二转动刚性连接至轴承体（13）。

6.根据权利要求1所述的主动式隔振阻尼系统，其特征在于，所述系统包括至少一个用于检测振动的附加振动传感器（25）。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，第一振动传感器（24）适用于测量垂直于重力的振动，所述附加振动传感器（25）适用于测量重力方向上的振动。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述振动传感器（14,24,25）中的至少一个包括惯性参考质量块。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述致动器（15）为洛伦兹致动器。

10.根据权利要求1所述的系统，包括三个水平振动传感器以及三个垂直振动传感器。