CN110017959A - 利用音圈型直线电机进行微振动模拟的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微振动模拟、微振动测量以及微振动传递特性分析技术领域的利用音圈型直线电机进行微振动模拟的方法，所述方法包括如下步骤：步骤1：进行微振动模拟需求分析与参数描述；步骤2：直线电机选型；步骤3：确定振动模拟连接方案；步骤4：微振动模拟测定；在被激振体上，沿振动方向安装高带宽高精度的加速度计，测量振动加速度，对测量得到加速度数据进行处理得到被激振体实际振动参数，进而实现利用音圈型直线电机对微振动的模拟。本发明的方法涉及的方案简单易行，且能够满足高精度高带宽模拟需求，可以在卫星微振动影响测定以及分离式航天器线缆影响试验中使用，也可以在其他高精度微振动模拟中推广使用。

Description

利用音圈型直线电机进行微振动模拟的方法

技术领域

本发明涉及微振动模拟、微振动测量以及微振动传递特性分析技术领域，具体涉及一种利用音圈型直线电机进行微振动模拟的方法。

背景技术

航天器在轨运行期间，其转动部件高速转动、有效载荷中扫描机构运动、驱动机构步进运动、低温制冷器压缩机等机械运动、大型柔性结构受激振动和进出阴影时冷热交变产生的热变形扰动等原因会导致航天器产生随机振动和谐波振动。航天器的内部振动源和外部干扰引起的微振动具有频带宽(0～200Hz以上)和振幅小(1.0×10^-5g～1.0×10^-2g)的特点。微振动的存在破坏卫星的安静环境，进而影响航天器的姿控精度和稳定度。因此需要在地面对航天器微振动进行模拟，分析传递特性，消减在轨影响。

为了实现卫星在轨高精度高稳定性指标要求，可以设计一种通过非接触磁浮作动器实现载荷舱和平台舱动静隔离的航天器平台，进而直接消除平台舱高频微振动对载荷舱的不利影响，为实现超高精度超高稳定性的要求，提供了很好的解决思路。但是实际情况不容乐观，因为两舱之间能源和信息交互的舱间线缆使得平台舱微振动传递到载荷舱，进而会影响载荷舱的指向和稳定度性能。因此有必要在地面对卫星平台舱微振动进行模拟，以研究两舱间连接线缆的微振动传递特性，进而需要给出一种微振动模拟的试验方法。

目前，地面振动试验中采用的激振设备主要用来模拟较大幅度的振动，以考验航天器的抗力学性能，如卫星整星力学和噪声试验等，其振动模拟设备十分复杂昂贵。由于微振动高带宽和小振幅的特性，利用目前常见的激振设备精确模拟具有较大难度。因此需要一种具有较高带宽的能够精确模拟微振动的方法。

经对现有技术的检索，中国专利实用新型专利201820926346.8披露了一种磁阻抑制型电机绕线骨架及直线音圈电机，该专利中记载了如下内容：直线音圈电机是位于径向电磁场内的一个管状线圈绕组。铁磁圆筒内部是由永久磁铁产生的磁场，这样的布置可使贴在线圈上的磁体具有相同的极性。铁磁材料的内芯配置在线圈轴向中心线上，与永久磁体的一端相连，用来形成磁回路。当给线圈通电时，根据安培力原理，它受到磁场作用，在线圈和磁体之间产生沿轴线方向的力，通电线圈两端电压的极性决定力的方向。一般将绕有线圈的直线运动部分称为电机动子，其固定并提供磁场的部分称为电机定子，用于缠绕线圈并直线运动的部分称为绕线骨架。由于音圈电机的普遍性，可以利用其模拟微振动以降低成本。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种利用音圈型直线电机进行微振动模拟的方法。本方法利用音圈型直线电机具有较高带宽、控制简单、精度高等特点，实现微振动的精确模拟，并通过加速度计测量值对振动模拟效果进行精确评估，有效分析微振动的影响以及舱间线缆的传递特性。

本发明涉及一种利用音圈型直线电机进行微振动模拟的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：进行微振动模拟需求分析与参数描述；所述步骤具体包括：

步骤1-1：根据卫星在轨实际微振动来源，分析卫星微振动频率与幅值；

步骤1-2：根据分析结果确定微振动描述的数学表达式，即振动加速度、振动速度、振动位移的关于振动幅值和振动频率的时域表达式；

步骤2：直线电机选型；

步骤3：确定振动模拟连接方案；

步骤4：微振动模拟测定；在被激振体上，沿振动方向安装高带宽高精度的加速度计，测量振动加速度，对测量得到加速度数据进行处理得到被激振体实际振动参数，进而实现利用音圈型直线电机对微振动的模拟。

优选地，步骤1-2中，所述数学表达式具体为：针对评估振动加速度的微振动模拟试验，依据需要模拟的振动加速度a与振动频率f，确定微振动的振动位移s；

a(t)＝Asin(2πft)

其中v₀＝0

其中s₀＝0

上述公式中t表示时间，v₀、s₀分别表示振动的速度初始和位移初值；A表示振动加速度幅值；根据上述公式，在已知振动幅值和振动频率需求的情况下，能够确定振动加速度。

优选地，步骤2中，所述直线电机选型具体包括：卫星微振动频带宽，范围覆盖0.01-200Hz以上；对微振动进行模拟需要选取带宽较高的直线型音圈电机；直线电机关键参数是推力大小和行程，根据步骤1确定微振动参数来选取；被激振负载质量为m，则要求直线电机峰值推力F_m≥mA，直线电机运动行程L≥2S；根据带宽、峰值推力、运动行程三项参数确定直线电机选型。

优选地，步骤2中，当地面试验中被激振负载质量为30kg，要求直线电机峰值推力F_m≥946N；直线电机运动行程L≥4mm；

优选地，所述直线电机为LA650-65-001Z型号直线电机，所述电机峰值推力1000.8N，最大行程25.4mm。

优选地，步骤3中，所述确定振动模拟连接方案包括如下步骤：

步骤3-1：确定电机与振动负载连接方式，模拟线振动时，为保证电机输出推力引起的角振动尽可能小，设计直线电机驱动力输出方向过被激振体过质心；

步骤3-2：确定振动负载与重力承载连接方式，振动模拟时考虑设定方向的振动产生的影响，因此设计光滑导轨实现振动方向唯一性。

本发明由于采取上述方法，可以根据任务不同需求实现对微振动的精确模拟；本发明的方法通过对卫星微振动需求参数精确分析，确定出音圈型直线电机的选型，保证覆盖频率范围。通过在被激振体安装加速度计来对实际振动情况进行测定，保证振动模拟的准确性。在本发明的方法中，直接选用易于精确控制且带宽较高的音圈电机，进行微振动模拟能够取得更好的效果。在本发明的方法中，基于基本力学与运动学原理，将微振动指标进行量化分解为振动幅值、振动加速度、振动频率。在本发明的方法中，针对振动精确模拟需求，安装加速度计进行振动模拟效果评估；通过工装设计限定微振动方向，实现微振动的定向定量模拟，以分别测量分析产生的影响。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明的方法涉及的方案简单易行，且能够满足高精度高带宽模拟需求，可以在卫星微振动影响测定以及分离式航天器线缆影响试验中使用，也可以在其他高精度微振动模拟中推广使用。

2、本发明的方法可以实现高频率小幅值振动的精确模拟，结果可用于高精度卫星微振动影响分析与抑制、分离式航天器连接线缆振动传递特性分析以及系统的基频测定等，并能够用于指导微振动测量与抑制的设计和试验、姿态控制方案设计。

3、本方法利用音圈型直线电机具有较高带宽、控制简单、精度高等特点，简单高效地实现了对微振动的精确模拟，并通过加速度计测量值对振动模拟效果进行精确评估。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明涉及方法的流程示意图。

图2为实施例中振动模拟连接方式确定过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例中，本发明涉及的利用音圈型直线电机进行微振动模拟的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：进行微振动模拟需求分析与参数描述；所述步骤具体包括：

步骤1-1：根据卫星在轨实际微振动来源，分析卫星微振动频率与幅值；

步骤1-2：根据分析结果确定微振动描述的数学表达式，即振动加速度、振动速度、振动位移的关于振动幅值和振动频率的时域表达式；

步骤2：直线电机选型；

步骤3：确定振动模拟连接方案；

步骤4：微振动模拟测定；在被激振体上，沿振动方向安装高带宽高精度的加速度计，测量振动加速度，对测量得到加速度数据进行处理得到被激振体实际振动参数，进而实现利用音圈型直线电机对微振动的模拟。

接下来对本发明进行详细的描述。下面结合图1说明本发明的具体实施方式。内容包括4个部分，分别为：微振动模拟需求分析与参数描述、直线电机选型、振动模拟连接方式确定以及微振动模拟测定。

1、微振动模拟需求分析与参数描述。该步骤包括：

步骤1-1：根据卫星在轨实际微振动来源，分析卫星微振动频率与幅值。微振动主要来源包括飞轮转动、有效载荷扫描机构转动、驱动机构步进运动、变轨调姿期间推力器点火工作、低温制冷器压缩机机械运动、大型柔性结构受激振动和进出阴影时冷热交变产生的热振动等。根据航天器实际配置情况以及工作工况，依次对微振动进行分析。微振动的描述包括振动加速度、振动幅值、振动频率三个参数，需要根据需求对模拟的振动确定三项参数。

步骤1-2：针对评估振动加速度的微振动模拟试验，依据需要模拟的振动加速度a与振动频率f，确定微振动的振动位移s。

a(t)＝Asin(2πft)

其中v₀＝0

其中s₀＝0

上述公式中t表示时间，v₀、s₀分别表示振动的速度初始和位移初值。A表示振动加速度幅值。同样根据上述公式，在已知振动幅值和振动频率需求的情况下，可以确定振动加速度。

某型号卫星稳定运行阶段微振动主要是由飞轮转动引起，稳态情况下飞轮转速在1200rpm一下，引起的振动频率在0～20Hz，振动幅值在0～2mm范围。可以确定需要模拟的微振动需求如下

s(t)＝0.002sin(2π×20t)

v(t)＝2π×20×0.002cos(2π×20t)

a(t)＝-(2π×20)²×0.002sin(2π×20t)

即振动最大需求为：振动幅值为2mm，振动频率20Hz，振动加速度31.55m/s²。

2、直线电机选型

卫星微振动频带宽，范围覆盖0.01～200Hz以上，对微振动进行模拟需要选取带宽较高的直线型音圈电机。直线电机选型关键参数是推力大小和行程，根据步骤1分析确定微振动参数A、S、f来选取。被激振负载质量为m，则要求直线电机峰值推力F_m≥mA，直线电机运动行程L≥2S。根据带宽、峰值推力、运动行程三项参数确定直线电机选型。只通过直线电机的电流环驱动实现微振动输出。

地面试验中被激振负载质量为30kg，要求直线电机峰值推力F_m≥946N；直线电机运动行程L≥4mm。根据电机参数手册中可以选择LA650-65-001Z型号直线电机，该电机峰值推力1000.8N，最大行程25.4mm。

3、振动模拟连接方式确定，该步骤包括：

步骤3-1：电机与振动负载连接方式，模拟线振动时，为保证电机输出推力引起的角振动尽可能小，设计直线电机驱动力输出方向过被激振体过质心。直线电机驱动杆要求能够满足运动量程需求；具体如图2所示。

步骤3-2：振动负载与重力承载连接确定，振动模拟时考虑设定方向的振动产生的影响，因此设计光滑导轨实现振动方向唯一性。考虑通用性导轨上设计滑动托盘，被激振体通过螺钉紧固在滑动托盘。电机驱动过程被激振体和滑动托盘同步运动。

4、微振动模拟测定；

在被激振体上，沿振动方向安装高带宽高精度的加速度计，测量振动加速度。从带宽、精度与量程等方面确定加速度计以满足测量需求。对测量得到的加速度数据进行积分、频率分析得到被激振体实际振动参数。由于电机驱动只是通过电流环实现振动输出，通过加速度测量数据评估直线电机输出的准确性，如不准确可以进行标定。通过比对加速度计测定的振动数据与实际输入的期望振动数据对直线电机进行补偿，实现精确模拟需求的微振动。以上是对本发明模拟测试方法的步骤说明，本发明能够对不同频率(0～100Hz)的振动进行精确的模拟，可以为微振动影响分析以及舱间线缆振动传递特性分析提供支撑。

本领域技术人员知晓，音圈电机是一种特殊形式的直接驱动电机，具有结构简单体积小、高速、高加速响应快等特性，可以按照设定的频率和运动曲线进行运动的精密电机。音圈电机工作原理是，通电线圈(导体)放在磁场内就会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流成比例。基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直线或者圆弧。随着对高速高精度定位系统性能要求的提高和音圈电机技术的迅速发展，音圈电机不仅被广泛用在磁盘、激光唱片定位等精密定位系统中，在许多不同形式的高加速、高频激励上也得到广泛应用，如：光学系统中透镜的定位；机械工具的多坐标定位平台；医学装置中精密电子管、真空管控制；在柔性机器人中，为使末端执行器快速、精确定位，还可以用音圈电机来有效地抑制振动。而本发明的方法创造性地使用音圈电机，将其应用于微振动模拟、微振动测量以及微振动传递特性分析领域，用其模拟微振动的方法。利用音圈型直线电机直驱、无磁滞、高带宽的响应特性，基于牛顿力学基本原理与运动学原理，根据振动加速度、振动幅值、振动频率等参数选择合适直线电机，给出微振动模拟试验方法，巧妙地通过分解振动频率和方向实现微振动精确模拟。本方法利用音圈直线电机的高带宽高控制精度的特性，对不同需求的微振动振源特性进行精确模拟。微振动振源特性包括幅值(振动加速度、振动幅值)和频率；再结合被激振物体质量确定音圈电机选型；设计电机和被激振体之间的连接工装和滑动导轨，保证被激振物体按照设定的方向振动。被激振体上安装加速度计，其测量值精准评估振动源的特性以及振动效果。本发明以基本力学和运动学原理为基础，能够准确地根据需求对微振动进行模拟，为基于微振动开展的各项试验与研究提供全新的方法，具有意想不到的技术效果。

综上所述，本发明的方法涉及的方案简单易行，且能够满足高精度高带宽模拟需求，可以在卫星微振动影响测定以及分离式航天器线缆影响试验中使用，也可以在其他高精度微振动模拟中推广使用。本发明的方法可以实现高频率小幅值振动的精确模拟，结果可用于高精度卫星微振动影响分析与抑制、分离式航天器连接线缆振动传递特性分析以及系统的基频测定等，并能够用于指导微振动测量与抑制的设计和试验、姿态控制方案设计。本方法利用音圈型直线电机具有较高带宽、控制简单、精度高等特点，简单高效地实现了对微振动的精确模拟，并通过加速度计测量值对振动模拟效果进行精确评估。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种利用音圈型直线电机进行微振动模拟的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤1：进行微振动模拟需求分析与参数描述；所述步骤具体包括：

步骤1-1：根据卫星在轨实际微振动来源，分析卫星微振动频率与幅值；

步骤1-2：根据分析结果确定微振动描述的数学表达式，即振动加速度、振动速度、振动位移的关于振动幅值和振动频率的时域表达式；

步骤2：直线电机选型；

步骤3：确定振动模拟连接方案；

步骤4：微振动模拟测定；在被激振体上，沿振动方向安装高带宽高精度的加速度计，测量振动加速度，对测量得到加速度数据进行处理得到被激振体实际振动参数，进而实现利用音圈型直线电机对微振动的模拟。

2.如权利要求1所述的利用音圈型直线电机进行微振动模拟的方法，其特征是，步骤1-2中，所述数学表达式具体为：针对评估振动加速度的微振动模拟试验，依据需要模拟的振动加速度a与振动频率f，确定微振动的振动位移s；

a(t)＝Asin(2πft)

其中v₀＝0

其中s₀＝0

上述公式中t表示时间，v₀、s₀分别表示振动的速度初始和位移初值；A表示振动加速度幅值；根据上述公式，在已知振动幅值和振动频率需求的情况下，能够确定振动加速度。

3.如权利要求1所述的利用音圈型直线电机进行微振动模拟的方法，其特征是，步骤2中，所述直线电机选型具体包括：卫星微振动频带宽，范围覆盖0.01-200Hz以上；对微振动进行模拟需要选取带宽较高的直线型音圈电机；直线电机关键参数是推力大小和行程，根据步骤1确定微振动参数来选取；被激振负载质量为m，则要求直线电机峰值推力F_m≥mA，直线电机运动行程L≥2S；根据带宽、峰值推力、运动行程三项参数确定直线电机选型。

4.如权利要求1所述的利用音圈型直线电机进行微振动模拟的方法，其特征是，步骤2中，当地面试验中被激振负载质量为30kg，要求直线电机峰值推力F_m≥946N；直线电机运动行程L≥4mm。

5.如权利要求1所述的利用音圈型直线电机进行微振动模拟的方法，其特征是，所述直线电机为LA650-65-001Z型号直线电机，所述电机峰值推力1000.8N，最大行程25.4mm。

6.如权利要求1所述的利用音圈型直线电机进行微振动模拟的方法，其特征是，步骤3中，所述确定振动模拟连接方案包括如下步骤：

步骤3-1：确定电机与振动负载连接方式，模拟线振动时，为保证电机输出推力引起的角振动尽可能小，设计直线电机驱动力输出方向过被激振体过质心；

步骤3-2：确定振动负载与重力承载连接方式，振动模拟时考虑设定方向的振动产生的影响，设计光滑导轨实现振动方向唯一性。