CN102981522B - 基于压电陶瓷和压电加速度计的小型主动振动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于压电陶瓷和压电加速度计的小型主动振动控制系统，涉及精密机械和现代控制技术领域。本发明包括微振动源（00）、传感器（10）、加速度模块（20）、位移模块（30）、速度模块（40）、第一加法器（50）、放大和滤波模块（60）、第二加法器（70）、驱动模块（80）和压电陶瓷（90）。本发明结构简单，体积小，易于集成；可获得较宽的控制带宽，控制频率可到200Hz甚至更高；采用电阻尼代替机械阻尼，在实现上较为简单；采用位移信号作为低频漂移补偿而不是采用直流反馈的方法进行直流稳定，保证了足够的低频增益和相位裕度，有效提高了控制带宽和压制比。

Description

基于压电陶瓷和压电加速度计的小型主动振动控制系统

技术领域

本发明涉及精密机械和现代控制技术领域，尤其涉及一种基于压电陶瓷和压电加速度计的小型主动振动控制系统；该系统是一种结构简单、体积小、实用性和可扩展性强的一维主动振动隔离系统，可广泛应用于原子力显微镜(AFM)、激光干涉和引力波探测等对振动敏感的系统中。

背景技术

随着精密测量、高分辨率观测和激光技术的广泛应用，好的隔振技术和隔振平台被迫切需要。在许多精密测量实验中如高精度光学、激光频率稳定、激光干涉引力波探测等，地面振动甚至是声音或是气流引起的微振动，即使在10^-5g以下，也对测量结果产生很大的影响。在这些实验中商用的被动隔振平台被广泛地应用。但是大部分的被动隔振平台只能对10Hz以上的振动频率才能达到100倍最好到1000倍的效果，而对于10Hz以下的隔离不强，一般对1Hz有不到10倍的抑制，对于1Hz以下几乎是不起作用；另外被动隔离平台对环境的声音和气流没有隔离效果。然而10Hz以下的振动是对上述实验产生巨大影响的主要来源。因此研究开发主动隔振技术成为进一步压制低频(<10Hz)振动的主要技术。

目前的主动隔振技术主要是通过传感器来检测振动，在伺服系统下对信号进行处理并反馈给执行机构用于抵消振动。从执行机构上来看，现在大部分的主动振动隔离的执行器件是直接的力产生装置如直线电机，螺线管等，并加上复杂的机械阻尼结构来消除机械谐振，来达到系统的稳定。这些器件一般谐振频率较低(几百Hz以下)，系统在体积上相对较大，结构相对复杂些。首先对于许多需要小体积的实验或应用不适用；其次由于较低的谐振使得控制带宽严重受限，在实现上对其进行相位补偿也相对很困难，这种执行机构一般控制带宽在高频只能到几十Hz。

压电陶瓷作为执行机构，相对于直线电机由于压电陶瓷较小的位移量和低频增益，在目前的许多主动振动控制中都放弃采用其作为执行机构，而采用音圈电机去控制振动。但是由于压电陶瓷和压电加速度计体积小而且模块化，结构简单并且谐振频率较高(几kHz甚至更高)的优点，对于振动控制是一个很好的选择。由于压电陶瓷的这种体积小并且模块化结构可广泛地适用于精密测量的许多微型结构之中。例如它可以被放在原子力显微镜(AFM)中来控制探测样本平台的振动，从而提高原子力显微镜的成像质量和扫描速度；也能够用在超稳光腔上，降低光腔的振动，提高激光的频率稳定度。另外它也可以方便地进行多维拓展，来实现振动的多维度控制。

如果使用压电陶瓷来进行振动控制也存在以下两方面的困难：首先压电陶瓷虽然有很好的高频特性但是其谐振以及机械结构的谐振会产生很大的相移，严重影响系统的稳定性；其次是由于压电陶瓷是一种位移产生装置，其产生的加速度随频率的降低而急剧减小(12dB/oct)导致低频增益很小，需要在很大的电路增益作为弥补，这直接导致了电路部分的直流漂移严重甚至饱和，系统无法工作。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在缺点和不足，提供一种基于压电陶瓷和压电加速度计的小型主动振动控制系统。

本发明机械结构部分简单，可扩展空间大，其伺服电路和控制方法可用于其他类似的振动控制系统，其方法在原理上具有普遍适用性。

本发明采用的压电陶瓷作为执行机构来进行主动振动隔离，形成一种结构简单、模块化、体积小、易于集成的隔振系统，并且获得一个稳定的振动主动控制系统，其控制带宽是1～200Hz，在20Hz处有60倍的压制效果。

本发明的目的是这样实现的：

在现有技术的基础上，通过外部伺服系统的设计和改进，来克服上述的困难。

一、本系统的结构是：

压电加速度计与微振动源连接，获得振动信号；

压电加速度计和电荷放大器连接，电荷放大器与偏置补偿电路的一输入端连接，参考电压的输出端与偏置补偿电路的另一输入端连接，用于检测和处理加速度信号；

应变片、前置放大器、第一积分器和微分器依次连接，用于压电陶瓷产生的位移信号的检测和处理；

偏置补偿电路和微分器的输出在第一加法器处相加，第一加法器的输出端、斩波器和锁相放大器、第一滤波电路和第二滤波电路依次连接，得到和信号，并进行放大和滤波；

电荷放大器的输出端、第二积分器和同相放大器依次连接，得到速度信号并进行放大；

同相放大器的输出和第二滤波电路的输出在第二加法器处相加，第二加法器的输出端、陷波器、高压放大器和压电陶瓷依次连接，用于驱动压电陶瓷；

压电陶瓷固定于微振动源内，来抵消其振动。

二、本系统的操作方法

①将压电陶瓷固定在所需要进行控制的平台下面，将压电加速度计固定在平台的上面，来检测平台的振动；

②打开本系统各部分的电源，待加速度模块的直流稳定后，调节参考电压值使得加速度模块的输出直流很小；

③把放大和滤波模块中的锁相放大器的增益调节到最小，时间常数设置为300ms，斜率为12dB/oct；

④速度模块的增益先加少量，来保证有很小的谐振压制效果；

⑤闭合回路，待系统稳定后，逐步提高锁相放大器和速度模块的增益，直到压制效果最好，系统也不振荡。

本系统具有以下优点和积极效果：

①结构简单，体积小，易于集成；

②可获得较宽的控制带宽，控制频率可到200Hz甚至更高；

③采用电阻尼代替机械阻尼，在实现上较为简单，且适用于不同振动控制系统中的谐振峰压制，在原理上具有普遍适用性。

④采用位移信号作为低频漂移补偿而不是采用直流反馈的方法进行直流稳定，保证了足够的低频增益和相位裕度，有效提高了控制带宽和压制比。

附图说明

图1是本系统的结构方框图；

图2是微振动源和传感器及执行器的结构示意图(剖面图)；

图中：

00—微振动源，

01—铝支架，02—铝底盘，03—钢珠，04—钢珠套，05—平头挡；10—传感器，

11—压电加速度计，12—应变片；

20—加速度模块，

21—电荷放大器，22—偏置补偿电路，23—参考电压；

30—位移模块，

31—前置放大器，32—第一积分器，33—微分器；

40—速度模块；

41—第二积分器，42—同相放大器；

50—第一加法器；

60—放大和滤波模块，

61—斩波器和锁相放大器，62—第一滤波电路，63—第二滤波电路；

70—第二加法器；

80—驱动模块，

81—陷波器，82—高压放大器。

90—压电陶瓷(执行结构)。

图3是两传感器对压电陶瓷的响应曲线；

图中：

a是幅频响应，

b是相频响应，

曲线1—加速度计和压电陶瓷的响应，

曲线2—应变片及前置放大器和压电陶瓷的响应；

图4是谐振峰压制曲线；

图中：

a是幅频响应，

b是相频响应，

曲线1—没有速度反馈的压电陶瓷的响应，

曲线2—有速度反馈的压电陶瓷的响应；

图5是振动控制谱；

图中：

曲线1—地面的振动谱，

曲线2—闭环控制后的振动谱，

曲线3—通过地面振动谱和环路增益计算的振动谱，

曲线4—闭环后电路部分贡献的噪声，

曲线5—电荷放大器独立工作的噪声谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本系统详细说明：

一、总体

如图1，本系统包括微振动源00、传感器10、加速度模块20、位移模块30、速度模块40、第一加法器50、放大和滤波模块60、第二加法器70、驱动模块80和压电陶瓷(执行器)90；

微振动源00包括铝支架01、铝底盘02、钢珠03、钢珠套04和平头挡05；

传感器10包括压电加速度计11和应变片12；

加速度模块20由电荷放大器21、偏置补偿电路22和参考电压23组成；

位移模块30由前置放大器31、第一积分器32和微分器33组成；

速度模块40由第二积分器41和同相放大器42组成；

放大和滤波模块60由斩波器和锁相放大器61、第一滤波电路62和第二滤波电路63组成；

驱动模块80由陷波器81和高压放大器82组成；

其连接关系是：

压电加速度计11与微振动源00连接，获得振动信号；

压电加速度计11和电荷放大器21连接，电荷放大器21与偏置补偿电路22的一输入端连接，参考电压23的输出端与偏置补偿电路22的另一输入端连接，用于检测和处理加速度信号；

应变片12、前置放大器31、第一积分器32和微分器33依次连接，用于压电陶瓷产生的位移信号的检测和处理；

偏置补偿电路22和微分器33的输出在第一加法器50处相加，第一加法器50的输出端、斩波器和锁相放大器61、第一滤波电路62和第二滤波电路63依次连接，得到和信号，并进行放大和滤波；

电荷放大器21的输出端、第二积分器41和同相放大器42依次连接，得到速度信号并进行放大；

同相放大器42的输出和第二滤波电路63的输出在第二加法器70处相加，第二加法器70的输出端、陷波器81、高压放大器82和压电陶瓷90依次连接，用于驱动压电陶瓷90；

压电陶瓷90固定于微振动源00内，来抵消其振动。

其工作原理是：

1、主环路

主环路由压电加速度计11、加速度模块20、第一加法器50、放大和滤波模块60、第二加法器70、驱动模块80和压电陶瓷90依次闭环连接组成。

主环路是使用压电加速度计11和压电陶瓷90作为传感器和执行机构来进行振动的探测和抵消。

压电陶瓷90使用的是一种由金属外壳封装的压电陶瓷，其内部本身就给压电陶瓷加了预负载，可直接用作动态应用而不至于损坏压电陶瓷。输入电压是0～150V，行程是16μm，在其内部还集成有应变片12，来检测压电陶瓷90的位移量并通过前置放大器31转换为电压信号。压电加速度计11采用的是一种电荷输出型的加速度计，灵敏度为10858.4pC/g(C为库仑，g为重力加速度)，在0.2～500Hz有很平坦的响应，后面使用一个低噪声的电荷放大器21作为前置放大后可以获得一个4.936V/g的振动转化系数。在这里斩波器和锁相放大器61主要是作为两次积分器使用并提供很高的放大倍数(>10⁴),滤波电路(包括第一滤波电路62和第二滤波电路63)主要用于滤波，降低高频部分的增益保证环路的稳定，并提供较小的增益(2000倍左右)。陷波器81的中心频率在9kHz，主要用于滤除无法被速度反馈压制的谐振峰。

2、位移环路

位移环路由应变片12和位移模块30连接组成，用于通过检测由于漂移引起的压电陶瓷伸长量的变化后反馈到输入端来抵消低频漂移。

应变片12和前置放大器31对压电陶瓷90输入电压的响应在2kHz以前有0.065倍的增益。第一积分器32和微分器33主要用于改变位移响应的增益大小和斜率，来匹配加速度的响应，保证位移信号只对0.6Hz以前的低频部分起作用，而0.6Hz以后是加速度信号占主导用于振动控制。加速度响应和位移响应在相交处的斜率差必须较小，以免相加后的联合响应出现较大的相移。

3、速度反馈环路

速度反馈环路就是速度模块40。其原理可以类比于带阻尼的受迫振动，只不过将机械阻尼换成电阻尼来抑制谐振峰。其主要方法是将加速度信号进行一次积分得到速度信号后反馈到输入端进行控制。

二、功能部件

0、微振动源00

如图2，微振动源00包括铝支架01、铝底盘02、钢珠03、钢珠套04和平头挡05；为压电陶瓷90提供一个预负载，并且保证压电陶瓷90尽可能地垂直移动，以免产生剪切力损坏压电陶瓷。

*铝支架01

铝支架01是一种方形铝块，其尺寸为90×40×59mm；

在铝支架01的上部切割有一长槽A，长槽A的尺寸约为88×40×1.5mm；

在长槽A上方的铝支架01的右端，设置有小孔B；

在长槽A下方的铝支架01的右端，设置有与小孔B同轴的长孔C；

在铝支架01底部的右端，设置有与小孔B同轴的浅孔D

*铝底盘02

铝底盘02是一种和浅孔D适配的圆盘。

*钢珠03

钢珠03是一种通用型的钢珠。

*钢珠套04

钢珠套04其下部设置有螺纹孔，其上部设置有V型槽。

*平头挡05

平头挡05是一种和小孔B适配的不锈钢圆柱，其顶部设置有螺纹孔。

微振动源00的具体结构：

因为在铝支架01的上端切有1.5mm厚的长槽A，故铝支架01相当于一个刚度系数很大的弹簧；

将平头挡05用金属胶粘在铝支架01的小孔B上，将压电加速度计11安装在平头挡05的上部；

钢珠03和钢珠套04用金属胶连接并置于压电陶瓷90上部的移动端(有螺纹固定)，又铝底盘02安装在压电陶瓷90的底部，形成一个整体；该整体从下至上插入铝支架01的浅孔D和长孔C中，再施加压力使压电陶瓷90将铝支架01上部稍微顶起并用螺丝固定，产生一预应力；

最后用尖头螺丝从铝支架01四周的螺丝孔夹紧压电陶瓷90，避免压电陶瓷90在长孔C里晃动而损坏压电陶瓷90。

1、传感器10

传感器10包括压电加速度计11和应变片12。

2、加速度模块20

前述，系统的伺服电路由三部分组成：主环路、位移环路和速度反馈环路。

加速度模块20是主环路中的一部分，由电荷放大器21、偏置补偿电路22和参考电压23组成；其功能是将压电加速度计11产生的电荷转换为电压，消除直流偏置并进行放大。

电荷放大器21的输入端直接连接到压电加速度计11的输出端来获取加速度电压信号，并与参考电压23相加于偏置补偿电路22来消除电路输出的偏置电压。

所述的压电加速度计11是一种电荷输出型的压电加速度计。

所述的电荷放大器21是一种通用型产品。

电荷放大器21和压电加速度计11所提供的加速度对电压的转换系数为4.936V/g。

所述的偏置补偿电路22是一种通用型加法器；除了进行偏置补偿外，还对加速度进行12倍的放大。

3、位移模块30

位移环路包括应变片12和位移模块30，主要用于检测压电陶瓷的伸长量的变化后转换为电压输出，并经过积分和微分后匹配加速度一路。

前述，位移模块30由前置放大器31、第一积分器32和微分器33组成；

前置放大器31直接与应变片12的输出端相连，获得位移的电压信号，并通过第一积分器32和微分器33来改变位移响应增益和斜率，用于匹配加速度一路的响应，以免出现环路振荡。

所述的应变片12封装在压电陶瓷里面。

前置放大器31、第一积分器32和微分器33均为通用型电路。

前置放大器31将应变片12的位移信号转换为电压信号输出。若给压电陶瓷90一个扫频的正弦输入电压，其输出的响应增益为0.065，在2kHz以前有很平坦的增益，在2kHz后增益逐渐下降。

位移响应通过第一积分器32来保证低频部分的增益，微分器33来改变响应斜率保证在相交点加速度响应曲线与位移响应曲线的斜率差很小，以免出现振荡情况。

4、第一加法器50

第一加法器50是一种通用型反相加法器，如选用运放放大器LF356。

偏置补偿电路22的输出与微分器33的输出在第一加法器50处相加，获得加速度和位移的联合响应信号。

5、放大和滤波模块60

放大和滤波模块60属于主环路，用于信号的放大和滤波。

前述，放大和滤波模块60包括依次连接的斩波器和锁相放大器61、第一滤波电路62和第二滤波电路63。

通过斩波和锁相放大61后，信号被进行了两次积分，再连接第一滤波电路62和第二滤波电路63进一步放大和滤波，获得足够的信号增益并滤除高频的谐振峰，保证环路的稳定。

所述的斩波器和锁相放大器61中，斩波器的芯片可选用MAX319，斩波频率为75kHz；锁相放大器可选用Stanford MODEL SR830或其它锁相放大芯片，其被使用作为一个两级积分器。

所述的第一滤波电路62和第二滤波电路63均为通用型积分滤波电路，其斜率分别为6dB/oct和3dB/oct。所提供的整体增益为2000倍，转角约为2Hz。

6、速度模块40

速度反馈环路由速度模块40组成，主要用于速度信号的获取和可调放大的功能。

前述，速度模块40由前后连接的第二积分器41和同相放大器42组成。

第二积分器41和同相放大器42均为通用型电路；第二积分器41的转角频率设置较低，直流增益为100倍；同相放大器42提供一个几倍到十几倍的可调增益。

抽取电荷放大器21的加速度信号后，通过第二积分器41后获得速度阻尼信号，再经过同相放大器42进一步放大此信号，并提供一个可调节增益，保证在有足够的阻尼下系统不至于振荡。

7、第二加法器70

第二加法器是一种通用型反相加法器，如选用运放放大器LF356，用于将第二滤波电路63的输出与同相放大器42的输出相加。

8、驱动模块80

放大和滤波模块80属于主环路，用于信号变成高电压输出并驱动压电陶瓷产生振动。

前述，驱动模块80包括前后连接的陷波器81和高压放大器82。

所述的陷波器81为一个有源双T陷波器，其中心频率为9kHz，用于消除10kHz附件的谐振峰；

高压放大器82是一种通用型的高压放大器，提供-20倍的增益，为压电陶瓷提供0～200V的驱动电压。

二、实际测量所得的结果

图3显示了两传感器(压电加速度计11和应变片12)对压电陶瓷90的响应情况，a为幅频响应，b为相频响应，曲线1为压电加速度计11和压电陶瓷90的响应，曲线2为应变片12及前置放大器31和压电陶瓷90的响应。测量方法：给压电陶瓷90输入一扫频的正弦驱动信号，分别测量电荷放大器21和前置放大器31的输出，增益为输出比输入。压电加速度计11对压电陶瓷90的响应(曲线1)在200Hz以前呈现12dB/oct的上升斜率，这与加速度为位移的二次微分很符合。200Hz以后有许多谐振峰，并伴随着较大的相移。应变片12及前置放大器31对压电陶瓷90的响应(曲线2)在2kHz以前很平坦，并具有0.065倍的增益和很小的相移。

图4给出了加入速度模块40反馈后压电陶瓷90的谐振峰被压制的情况，a为幅频响应，b为相频响应，曲线1为没有速度模块40的压电陶瓷的响应，曲线2为加入速度模块40后的压电陶瓷的响应。作为方法上的验证，用于测试的压电陶瓷90是一个裸的压电陶瓷环，测量上在一个62g的加速度计(与之前不同，灵敏度为981.3pc/g)粘在压电陶瓷90上部，在其上面还粘有一个420g的重物。测量方法：给压电陶瓷注入一扫频的正弦驱动信号，测量斩波器和锁相放大器61的输出，在没有加入了速度模块40和加入了速度模块40两种条件下测量。图中显示了曲线2相对曲线1在1.8kHz和6.3kHz处的谐振被压制了大约10倍，相位相应的变得平缓。

图5显示了使用本发明的方案后，闭环控制的振动谱。其中曲线1为地面的振动谱，曲线2是闭环控制后的振动谱，曲线3是通过地面振动谱和环路增益计算的振动谱，曲线4是闭环后电路部分贡献的噪声，曲线5是电荷放大器独立工作的噪声谱。从图中可以看出振动控制带宽为1～200Hz，最大压制比在20Hz处为～60倍。计算的曲线与实验符合抑制说明这种方案能够达到计算的带宽和压制比，对于进一步调整和改进环路提供可靠的依据。电荷放大器的噪声是这种方案能达到的噪声极限，也是加速度探测的极限。

Claims (2)

1.基于压电陶瓷和压电加速度计的小型主动振动控制系统，其特征在于：

压电加速度计(11)与微振动源(00)连接，获得振动信号；

压电加速度计(11)和电荷放大器(21)连接，电荷放大器(21)与偏置补偿电路(22)的一输入端连接，参考电压(23)的输出端与偏置补偿电路(22)的另一输入端连接，用于检测和处理加速度信号；

应变片(12)、前置放大器(31)、第一积分器(32)和微分器(33)依次连接，用于压电陶瓷产生的位移信号的检测和处理；

偏置补偿电路(22)和微分器(33)的输出在第一加法器(50)处相加，第一加法器(50)的输出端、斩波器和锁相放大器(61)、第一滤波电路(62)和第二滤波电路(63)依次连接，得到和信号，并进行放大和滤波；

电荷放大器(21)的输出端、第二积分器(41)和同相放大器(42)依次连接，得到速度信号并进行放大；

同相放大器(42)的输出和第二滤波电路(63)的输出在第二加法器(70)处相加，第二加法器(70)的输出端、陷波器(81)、高压放大器(82)和压电陶瓷(90)依次连接，用于驱动压电陶瓷(90)；

压电陶瓷(90)固定于微振动源(00)内，来抵消其振动。

2.按权利要求1所述的小型主动振动控制系统，其特征在于：

微振动源(00)为压电陶瓷(90)提供一个预负载，包括铝支架(01)、铝底盘(02)、钢珠(03)、钢珠套(04)和平头挡(05)；

将平头挡(05)用金属胶粘在铝支架(01)的小孔(B)上，将压电加速度计(11)安装在平头挡(05)的上部；

钢珠(03)和钢珠套(04)用金属胶连接并置于压电陶瓷(90)上部的移动端，又铝底盘(02)安装在压电陶瓷(90)的底部，形成一个整体；该整体从下至上插入铝支架(01)的浅孔(D)和长孔(C)中，再施加压力使压电陶瓷(90)将铝支架(01)上部稍微顶起并在底部用螺丝固定，产生一预应力；

最后用尖头螺丝从铝支架(01)四周的螺丝孔夹紧压电陶瓷(90)，避免压电陶瓷(90)在长孔(C)里晃动而损坏压电陶瓷(90)。