CN105511513A - 一种星载设备的电磁阻尼振动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种星载设备的电磁增强阻尼式振动控制装置包括：星载设备安装接口、活动连杆、非导磁性绝缘外壳、弹性元件组、压紧螺栓、永磁体组、线圈组、卫星平台安装接口和电磁增强电路；活动连杆顶部穿过非导磁绝缘外壳上表面的中心孔与星载设备安装接口连接；永磁体组安装于活动连杆上；压紧螺栓安装于永磁体组上表面；弹性元件组的一部分为位于非导磁绝缘外壳与永磁体组之间，另一部分为位于卫星平台安装接口上表面与活动连杆下表面之间；非导磁绝缘外壳安装于卫星平台安装接口上；线圈组位于非导磁绝缘外壳两侧外壁的凹槽内。本发明有效保证了星载设备能够经受住发射阶段各种动力学载荷的考验以及在轨的正常运行。

Description

一种星载设备的电磁阻尼振动控制装置

技术领域

本发明涉及一种星载设备的电磁增强阻尼式振动控制装置。本发明设计的一种星载设备的电磁增强阻尼式振动控制装置，为星载设备提供振动控制的有效保护措施，属于星载设备的可靠性设计技术领域。

背景技术

随着通讯技术的高速发展，星载空间设备，如大型天线、太阳帆板、星载相机等结构的需求也越来越大，此类结构普遍具用轻质、柔性、尺寸大的特点，当天线、太阳帆板等与卫星平台发生耦合振动作用时，将严重影响卫星运行的精度和姿态的稳定性，并且星载设备在火工品冲击载荷的作用下，会在极短的时间内受到幅值极大的冲击载荷，由于冲击载荷作用时间极短，载荷带宽范围大，在载荷的激励下，星载设备结构的寿命和定位精度将受到严重的影响。

一般情况下，在载荷与被控结构之间添加隔振装置是一种有效的振动控制方式。在航天领域，传统式主、被动振动控制技术也已经得到了广泛的使用。然而目前常用的振动控制装置有主动式和被动式，其中主动式抑振装置往往结构复杂、控制回路稳定性差、结构刚度低，无法吸收冲击能量，以保证星载设备的使用精度；而被动式抑振装置又往往结构笨重、阻尼效果有限、控制响应慢，当有动载荷时，其弹性元件容易失效，反映慢，影响星载设备的正常工作。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种应用于星载设备的电磁增强阻尼式振动控制装置，可以有效抑制星载设备的振动响应，实现星载设备的结构及功能安全。

本发明的技术解决方案是：

一种星载设备的电磁增强的阻尼式振动控制装置包括：星载设备安装接口、活动连杆、非导磁性绝缘外壳、弹性元件组、压紧螺栓、永磁体组、线圈组、卫星平台安装接口和电磁增强电路；

活动连杆顶部穿过非导磁绝缘外壳上表面的中心孔与星载设备安装接口连接；活动连杆为倒T型结构，永磁体组安装于活动连杆上；压紧螺栓安装于永磁体组上表面；弹性元件组分为两部分，一部分为位于非导磁绝缘外壳与永磁体组之间，另一部分为位于卫星平台安装接口上表面与活动连杆下表面之间；非导磁绝缘外壳安装于卫星平台安装接口上；线圈组位于非导磁绝缘外壳两侧外壁的凹槽内；电磁增强阻尼电路与线圈组相连。

电磁增强电路包括第一差分放大器、功率放大器、第二差分放大器、电阻R和外接电阻R；

线圈组的一端接第一差分放大器的正极输入端与第二差分放大器的负极输入端；第一差分放大器的负极输入端通过电阻R接地；第一差分放大器的输出端连接功率放大器的正极输入端；功率放大器的负极输入端连接第二差分放大器的输出端；线圈组的另一端连接第二差分放大器的正极输入端与功率放大器的输出端。

本发明与现有技术相比的有益效果为：

(1)本发明通过电磁增强阻尼式振动控制装置，解决了星载设备振动控制的问题，本发明无需测量系统、反馈系统以及控制算法，同主动式隔振技术相比，本发明具有结构简单、易于构造、成本低等特点，同被动式隔振技术相比，本发明能显著的提高系统阻尼比，其适应性更广，控制效果更加显著。

(2)本发明是一种星载设备电磁阻尼式振动控制装置，对星载天线的振动控制进行了试验验证，保证了其应用的有效性和准确性，有效保证了星载设备能够经受住发射阶段各种动力学载荷的考验以及在轨正常的运行。

(3)本发明提出的的电磁增强的振动控制装置具有一定的弹性力和阻尼力，对于作用时间极短，幅值极大的冲击载荷及持续时间较长的振动载荷,能有效的抑制其传播,并吸收振动能量转化为电能与热耗，有效地实现星载设备的振动控制问题。

附图说明

图1为本发明控制装置结构示意图；

图2为本发明电磁增强回路原理图

图3为本发明简化的单自由振动系统结构图；

图4为本发明电磁线圈与电磁增强阻尼电路闭合回路等效原理示意图；

图5为本发明天线隔振衰减特性试验原理图；

图6为本发明天线结构在振动控制对比下的幅频响应的衰减曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明针对星载设备的振动控制问题，将振动控制装置整体安置在整星舱板与星载设备结构之间，将电磁增强阻尼式振动控制装置于振源与被控结构之间，随着结构的振动电磁线圈与永磁体沿轴向发生相对运动，切割磁感线，从而，线圈中就会产生感应电动势，闭合线圈时，线圈中会存在感应电流，根据安培力定理，电磁体和永磁体之间会产生与结构运动相反的安培力，即电磁阻尼力。然后将线圈外接具有负电感特性的外接负载电路，增大线圈中的控制电流，提高了电磁控制力；同时，整个装置将星载结构的振动的能量便转换成为电能与热耗，最终实现振动控制的目标。

如图1所示，本发明一种星载设备的电磁增强阻尼式振动控制装置包括：星载设备安装接口1、活动连杆2、非导磁绝缘外壳3、弹性元件组4、压紧螺栓5、永磁体组6、线圈组7、卫星平台安装接口8和电磁增强回路9；

活动连杆2顶部穿过非导磁绝缘外壳3上表面的中心孔与星载设备安装接口1连接；活动连杆2为倒T型结构，永磁体组6安装于活动连杆2上；压紧螺栓5安装于永磁体组6上表面；弹性元件组4分为两部分，一部分为位于非导磁绝缘外壳3与永磁体组6之间，另一部分为位于卫星平台安装接口8上表面与活动连杆2下表面之间；非导磁绝缘外壳3安装于卫星平台安装接口8上；线圈组7位于非导磁绝缘外壳3两侧外壁的凹槽内；电磁增强阻尼电路9与线圈组7相连。

如图2所示，电磁增强电路9包括第一差分放大器、功率放大器、第二差分放大器、电阻R1和外接电阻R2；

线圈组7的一端接第一差分放大器的正极输入端与第二差分放大器的负极输入端；第一差分放大器的负极输入端通过电阻R1接地；第一差分放大器的输出端连接功率放大器的正极输入端；功率放大器的负极输入端连接第二差分放大器的输出端；线圈组7的另一端连接第二差分放大器的正极输入端与功率放大器的输出端。

下面具体解释下本发明的设计原理和实验效果：

本发明将整个星载设备作为一个整体结构，以星载天线为例，其在振动载荷下的响应可以简化为简单的单自由度振动系统，如图3、4所示。简化结构系统的振动控制方程为：

$m\stackrel{\·\·}{\mathrm{\δ}}+c\stackrel{\·}{\mathrm{\δ}}+k\mathrm{\δ}+C_{m}i\left(t\right)=-{\mathrm{mu}}_g\left(t\right)---\left(1\right)$

装置中电磁增强电路的控制方程为：

$(L_s+L_e)\frac{di\left(t\right)}{dt}+(R_s+R_e)i\left(t\right)=C_e\mathrm{\δ}\left(t\right)---\left(2\right)$

通过联立公式(1)、(2)，得到系统的传递函数：

$H\left(s\right)=\frac{(\frac{C_m{C}_e}{R_e+L_e+(R_s+L_s)}+c)s+k}{{\mathrm{ms}}^2+(\frac{C_m{C}_e}{R_e+L_e+(R_s+L_s)}+c)s+k}---\left(3\right)$

最终通过调整外接负载电路的电阻Rs与电感Ls数值，实现控制效果最优化。

其中，m,c,k分别为结构的质量，结构阻尼，刚度系数，

δ为相对位移；i(t)为线圈的感应电流；

L_e，R_e分别为线圈组7的等效电感，电阻；L_s，R_s分别为电磁增强电路9作用效果等效成的电感和电阻；C_m和C_e分别为电磁阻尼器的机电耦合系数以及电磁耦合系数，u_g(t)为加速度激励。

本发明的电磁增强式阻尼隔振装置主要由一系列同极正对的环形永磁体堆和电磁线圈堆、外接负载电路等构成，将装置安装于振源与被控结构之间，随着结构的振动,电磁线圈与永磁体沿轴向发生相对运动，切割磁感线，从而，线圈中产生感应电动势，闭合线圈时，线圈中会产生感应电流(即公式1、2中的i(t))，根据安培力定理，电磁体和永磁体之间会产生与结构运动相反的安培力，即电磁阻尼力。然后将线圈外接具有负电感特性的电磁增强电路，增大线圈中的控制电流，提高了电磁控制力；同时，整个装置将星载结构的振动能量转换成为电能与热耗，最终实现星载设备的振动控制目标。

将本发明的装置安装于星载设备的天线上，对天线结构进行试验验证：

为验证电磁增强阻尼式振动控制装置在星载设备的可行性，以星载天线为例进行振动控制试验。首先，给定某型号卫星天线一定初始位移后，利用电磁阻尼振动控制装置对其进行振动的抑制，主要通过结构的衰减速度来反映振动的控制效果。图5所示的为利用本发明振动控制装置进行的天线隔振衰减特性试验结构图，测试中，将4个装置的两端分别与天线结构和基础沿四个角固定，测试在给定半正弦瞬态激励情况下，未控制以及电磁增强电路的控制下，时域幅值响应衰减对比曲线如图6所示(红色曲线表示无控制装置的位移振荡曲线，蓝色曲线表示安装控制装置后的位移振荡曲线)。

本发明未公开的内容为本领域的公知常识。

Claims (2)

1.一种星载设备的电磁增强的阻尼振动控制装置，其特征在于包括：星载设备安装接口(1)、活动连杆(2)、非导磁性绝缘外壳(3)、弹性元件组(4)、压紧螺栓(5)、永磁体组(6)、线圈组(7)、卫星平台安装接口(8)和电磁增强电路(9)；

活动连杆(2)顶部穿过非导磁绝缘外壳(3)上表面的中心孔与星载设备安装接口(1)连接；活动连杆(2)为倒T型结构，永磁体组(6)安装于活动连杆(2)上；压紧螺栓(5)安装于永磁体组(6)上表面；弹性元件组(4)分为两部分，一部分为位于非导磁绝缘外壳(3)与永磁体组(6)之间，另一部分为位于卫星平台安装接口(8)上表面与活动连杆(2)下表面之间；非导磁绝缘外壳(3)安装于卫星平台安装接口(8)上；线圈组(7)位于非导磁绝缘外壳(3)两侧外壁的凹槽内；电磁增强阻尼电路(9)与线圈组(7)相连。

2.根据权利要求1所述的一种星载设备的电磁增强的阻尼振动控制装置，其特征在于：所述电磁增强电路(9)包括第一差分放大器、功率放大器、第二差分放大器、电阻R1和外接电阻R2；

线圈组(7)的一端接第一差分放大器的正极输入端与第二差分放大器的负极输入端；第一差分放大器的负极输入端通过电阻R1接地；第一差分放大器的输出端连接功率放大器的正极输入端；功率放大器的负极输入端连接第二差分放大器的输出端；线圈组(7)的另一端连接第二差分放大器的正极输入端与功率放大器的输出端。