CN102705434A

CN102705434A - 一种超低频主动隔振装置及其控制方法

Info

Publication number: CN102705434A
Application number: CN2012102090997A
Authority: CN
Inventors: 李永刚; 齐豪; 刘亦工; 徐宁; 许博; 刘坤
Original assignee: JIANGXI LIANSHENG TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: JIANGXI LIANSHENG TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明公开一种超低频主动隔振装置，台面固定于角条与横梁连接成的框架上，角条与基面底板间安装有高度调节器，支撑块固定有霍尔高度传感器，角条与霍尔高度传感器对应位置安装有磁块，基面底板上还安装有音圈电机，音圈电机的上端连接加速度传感器的一端，加速度传感器的另一端固定于横梁，横梁固定有限位棒。当台面因外部振动干扰发生振动时，台面通过霍尔高度传感器和加速度传感器分别向通过高度调节器和音圈电机输出控制信号，给台面提供一个相位相反、大小相近的力，保持台面和基面底板距离相对固定，最终达到超低频主动隔振的目的。

Description

一种超低频主动隔振装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及隔振装置，是用于主动隔振平台中抑制机械装置运动时产生的振动，特别涉及一种超低频主动隔振装置。

技术背景

随着超精密加工与测量、微纳米技术的不断提高，外部环境干扰振动和设备自身产生的振动都严重影响着精密设备的技术精度和使用寿命。为此需要提供与之相配套的各种隔振装置来保证精密设备的正常使用，同时对有关隔振装置的隔振性能——特别是超低频领域提出了更高的要求。弹簧作为常用的弹性元件，广泛用于各种振动设备的减震部件，其具有稳定性好，噪音低，隔振效果明显，使用寿命长等特点。然而目前的弹簧隔振在低频隔振方面性能还不理想，导致很大的程度上限制了其在超低频领域的进一步应用。目前，在低频隔振方面有二种解决方法。

美国专利US6,402,118，B1“Magnetic Support System” （磁性支持系统）提出了一种磁支撑系统。该系统利用具有正负刚度的两种永磁铁布置在平台的两侧，使正负刚度相互抵消而实现超低频隔振。但是它的缺点在于调节精度差，不具有可编程性。另外它要求两个永磁铁正负刚度抵消，这对制造精度提出了苛刻的要求，难以实现，而且整个系统很难适应不同工作条件和负载变化的影响。

公开号为CN 1529407 A的中国专利，名称为“主动隔振平台用双永磁体并联型非接触式电磁作动器”, 它是一种主动隔振平台用双永磁体并联型非接触式电磁作动器，它主要由上部的电磁铁组件、下部永磁体组件及导磁构基础构件组成。它的缺点电磁铁的控制精度差，磁路容易受位置的摆动而发生改变，从而使电磁力发展改变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超低频主动隔振装置，利用霍尔高度传感器反馈台面和基面底板的距离，随着负载的变化，实时通过高度调节器调节台面和基面底板距离，始终保持台面和基面底板的距离相对固定，利用加速度传感器反馈外部振动干扰力的大小，控制音圈电机提供一个相位相反，大小相近的力，从而抵消掉外部的振动干扰。

为实现上述目的，本发明的技术方案是，一种超低频主动隔振装置，台面固定于角条与横梁连接成的框架上，角条与基面底板间安装有高度调节器，且基面底板安装有支撑块，支撑块固定有霍尔高度传感器，角条与霍尔高度传感器对应位置安装有磁块，基面底板上还安装有音圈电机，音圈电机的上端连接加速度传感器的一端，加速度传感器的另一端固定于横梁，横梁固定有限位棒；电源、加速度传感器、霍尔高度传感器的输出端分别连接模/数转换器输入端，模/数转换器和人机交互界面的输出端均连接控制器输入端，控制器输出端分别连接控制模块和驱动模块的输入端，控制模块输出端连接音圈电机输入端，驱动模块输出端连接高度调节器输入端。

一种超低频主动隔振装置的控制方法：

1）电源为模/数装换器提供基准电源，为音圈电机提供驱动电源，为控制模块和控制器提供电源；

2）加速度传感器安装在台面的底面，感应台面的加速度大小；

3）霍尔传感器安装在台面与基面底板之间,测量台面相对于基面底板的高度；

4）模/数装换器把霍尔传感器和加速度传感器的模拟量转换成数字量，其模拟前端接收霍尔传感器和加速度传感器放大后的信号，并将数字化后的信号发送到控制器；

5）控制器处理模/数转换器的数据后，将调整后的数据输送到驱动模块和控制模块，控制器同时也对人机交互界面的信息进行处理；

6）人机交互界面进行按键采集和数据显示的处理，并与控制器连接；

7）控制模块是音圈电机功率驱动模块，受控制器控制，调节驱动的电流的大小和电流的方向；

8) 驱动模块驱动高度调节器的运动，受控制器控制；

9）高度调节器位于基面底板与台面之间，并根据霍尔传感器感应的高度进行台面相对于基面底板的距离调节；

10）音圈电机位于基面底板与台面之间，由控制模块控制，补偿外界的振动干扰。

本发明的优点是：（1）利用高度调节器很好高频隔振性能和很好的承载性能，对隔振装置系统起到粗调的作用。同时，高度调节器又采用了调节弹簧的压缩量，可以保证音圈电机受到的力在一个最小的状态，这样有利于音圈电机发挥最大的作用。（2）音圈电机在低频和超低频有良好的隔振系能，尤其对一些微小的振动，音圈电机有很好的分辨率。（3）由于采用了特殊结构的音圈电机，随着反馈深度的调节，改变了系统的刚度，降低系统的固有频率。通过将高度调节器与音圈电机的结合起来，较好地拓宽了隔振装置的有效频带范围。

附图说明

图1 是本发明的原理示意图。

图2 是本发明的结构示意图。

图3是图2中A向结构示意图。

图4是图2中B—B剖面结构示意图。

图5 是本发明的理论原理示意图。

图6 是本发明的振动传递率曲线图。

图中：1—电源， 2—模/数转换器，3—加速度传感器，4—霍尔高度传感器，5—台面，6—高度调节器，7—基面底板，8—控制器，9—人机交互界面，10—音圈电机，11—控制模块，12—驱动模块，13—角条，14—横梁、15—支撑块，16—磁块，17—限位棒。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，参见图1～4，一种超低频主动隔振装置，台面5固定于角条13与横梁14连接成的框架上，角条13与基面底板7间安装有高度调节器6，且基面底板7安装有支撑块15，支撑块15固定有霍尔高度传感器4，角条13与霍尔高度传感器4对应位置安装有磁块16，基面底板7上还安装有音圈电机10，音圈电机10的上端连接加速度传感器3的一端，加速度传感器3的另一端固定于横梁14，横梁14固定有限位棒17；电源1、加速度传感器3、霍尔高度传感器4的输出端分别连接模/数转换器2输入端，模/数转换器2和人机交互界面9的输出端均连接控制器8输入端，控制器8输出端分别连接控制模块11和驱动模块12的输入端，控制模块11输出端连接音圈电机10输入端，驱动模块12 输出端连接高度调节器6输入端。

超低频主动隔振装置的控制方法：

1）电源1为模/数装换器2提供基准电源，为音圈电机10提供12V的驱动电源，为控制模块11和控制器8提供5V的电源；

2）加速度传感器3安装在台面5的底面，感应台面5的加速度大小；

3）霍尔传感器4安装在台面5与基面底板7之间,测量台面5相对于基面底板7的高度；

4）模/数装换器2把霍尔传感器4和加速度传感器3的模拟量转换成数字量，其模拟前端接收霍尔传感器4和加速度传感器3放大后的信号，并将数字化后的信号发送到控制器8；

5）控制器8处理模/数转换器2的数据后，将调整后的数据输送到驱动模块12和控制模块11，控制器8同时也对人机交互界面9的信息进行处理；

6）人机交互界面9进行按键采集和数据显示的处理，并与控制器8连接；

7）控制模块11是音圈电机10功率驱动模块，受控制器8控制，调节驱动的电流的大小和电流的方向；

8) 驱动模块12驱动高度调节器6的运动，受控制器8控制。

9）高度调节器6位于基面底板7与台面5之间，并根据霍尔传感器4感应的高度进行台面5相对于基面底板7的距离调节；

10）音圈电机10位于基面底板7与台面5之间，由控制模块11控制，补偿外界的振动干扰。

本发明的理论原理示意图，参见图5所示，动力学方程如下：

台面5仪器的质量为m，高度调节器6的刚度为k，阻尼系数为c，隔振对象的垂直位移为x，基面底板7的垂直位移为u，f为外部施加的作用力。

如果用加速度传感器3的反馈信号表示，即：

，则方程化为：

将上式两端进行Laplace变换得：

整理得：

其频率特性为

可得到其振动传递率为：

其中

，

。

如图6所示，对于不同的反馈下主动隔振系统的振动传递率有所变化。随着反馈增益k3的增大，系统振动传递率曲线朝频率比w/wn增大的方向移动,这说明增加系统的反馈增益相当于增大了系统的刚度因而增大了系统的固有频率,进而可以使得在低频段振动传递率明显降低,即低频段干扰减振效率明显提高。

实施例：本发明的一种最佳方式，参见图2～4，将两根角条13和四根横梁14用螺栓组合成长方形框架，基面底板7为合金铝材料，台面5为非金属蜂窝状材料，在基面底板7距离每边沿50mm的四个角上安装高度调节器6，将长方形框架的两根角条13沿基面底板7两条宽边分别固定在对应的2只高度调节器6上，台面5用螺栓固定在角条13和横梁14组合的长方形框架上面，在基面底板7四角靠近高度调节器6的部位安装了支撑块15，霍尔高度传感器4与支撑块15固定，在角条13与霍尔高度传感器4对应位置安装了磁块16，将音圈电机10的上端面固定到了加速度传感器3的底端，加速度传感器3安装在两根横梁14之间靠近高度调节器6，使音圈电机10的接触头与基面底板7的上端面接触，在靠外端的二根横梁14各固定有二只限位棒17。

当台面5因外部振动干扰发生振动时，台面5和基面底板7之间的距离即出现变化，霍尔高度传感器4将感应测量到的这种距离变化转换成电信号，以模拟信号输至模/数转换器2，同时加速度传感器3也将测量到的台面5外部振动干扰力的大小转换成电信号，以模拟信号输至模/数转换器2, 距离变化和振动干扰力大小的信号通过模/数转换器2向控制器8输出数字信号，在与人机交互界面9的输入控制信号比对处理后，霍尔高度传感器4测量的的距离变化数字信号输向驱动模块12，通过驱动模块12控制高度调节器6，高度调节器6实时调整台面5和基面底板7距离，起到始终保持台面5和基面底板7的距离相对固定作用，台面5达到设定的距离阈值之内时高度调节器6停止工作，加速度传感器3测量的振动干扰力大小数字信号输向控制模块11，控制模块11控制音圈电机10给台面5提供一个相位相反，大小相近的力，从而抵消掉外部的振动干扰，若出现外部作用力过大，限位棒17起到了支撑台面5的作用，以避免损坏高度调节器6和使音圈电机10。

Claims

1.一种超低频主动隔振装置，其特征在于，台面（5）固定于角条（13）与横梁（14）连接成的框架上，角条（13）与基面底板（7）间安装有高度调节器（6），且基面底板（7）安装有支撑块（15），支撑块（15）固定有霍尔高度传感器（4），角条（13）与霍尔高度传感器（4）对应位置安装有磁块（16），基面底板（7）上还安装有音圈电机（10），音圈电机（10）的上端连接加速度传感器（3）的一端，加速度传感器（3）的另一端固定于横梁（14），横梁（14）固定有限位棒（17）；电源（1）、加速度传感器(3)、霍尔高度传感器(4)的输出端分别连接模/数转换器(2)输入端，模/数转换器(2)和人机交互界面(9)的输出端均连接控制器(8)输入端，控制器(8)输出端分别连接控制模块（11）和驱动模块(12)的输入端，控制模块（11）输出端连接音圈电机（10）输入端，驱动模块(12) 输出端连接高度调节器（6）输入端。

2.一种如权利要求1所述的超低频主动隔振装置的控制方法，其特征在于，

1）电源（1）为模/数装换器（2）提供基准电源，为音圈电机（10）提供驱动电源，为控制模块（11）和控制器（8）提供电源；

2）加速度传感器（3）安装在台面（5）的底面，感应台面（5）的加速度大小；

3）霍尔传感器（4）安装在台面（5）与基面底板（7）之间,测量台面（5）相对于基面底板（7）的高度；

4）模/数装换器（2）把霍尔传感器（4）和加速度传感器（3）的模拟量转换成数字量，

其模拟前端接收霍尔传感器（4）和加速度传感器（3）放大后的信号，并将数字化后的信号发送到控制器（8）；

5）控制器（8）处理模/数转换器（2）的数据后，将调整后的数据输送到驱动模块（12）和控制模块（11），控制器（8）同时也对人机交互界面（9）的信息进行处理；

6）人机交互界面（9）进行按键采集和数据显示的处理，并与控制器（8）连接；

7）控制模块（11）是音圈电机（10）功率驱动模块，受控制器（8）控制，调节驱动的电流的大小和电流的方向；

8) 驱动模块（12）驱动高度调节器（6）的运动，受控制器（8）控制；

9）高度调节器（6）位于基面底板（7）与台面（5）之间，并根据霍尔传感器(4)感应的高度进行台面（5）相对于基面底板（7）的距离调节；

10）音圈电机（10）位于基面底板（7）与台面（5）之间，由控制模块（11）控制，补偿外界的振动干扰。