CN115751787A - 基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学设备振动抑制技术，具体涉及一种基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统及设计方法，解决了光学设备中红外探测器制冷机的振动抑制比较复杂、振动耦合控制难、振动抑制成本较高的技术问题。本发明基于相位抵消技术，通过设计制冷机隔振机构，以及控制制冷机的上电功率和上电时间差，从而调整制冷机产生振动力的相位和幅值，使其产生的振动力相互抵消，进而达到抑制振动的目的，振动抑制的成本低，控制难度小，实现简单，同时适用于多制冷机工作的情景，灵活度高；同时，制冷机可以根据光学载荷空间布局随意摆放，在满足空间需要的同时，有效降低振动影响，适用性强。
Description
技术领域
本发明涉及光学设备振动抑制技术，具体涉及一种基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统及设计方法。
背景技术
目前红外光学探测手段应用广泛，特别是在中波及长波波段探测中。为保证信噪比，大部分设备所使用的红外探测器均需要制冷。而随着设备集成化水平越来越高、功能越来越强大，同一台光学设备中有时会出现多台红外探测器，从而伴随着出现了多台制冷机同时工作的情况。
根据制冷机的工作原理，在制冷过程中存在部件的相对运动，此过程往往会引入振动。随着光学设备的精度要求越来越严格，其所允许的振动量也越来越小，如果制冷机的振动量级超过了设备需求，则需要进行必要的振动抑制。
多台制冷机同时工作时，传统的振动抑制方案是分别对各制冷机进行振动控制，认为当单个制冷机的振动被控制到一定量级以后，多制冷机的振动也自然会被有效抑制。但，这种方法的振动抑制方案比较复杂，需要投入大量的资源，而且忽略了振动的耦合作用，在实际工作时往往事倍功半。
发明内容
本发明的目的是解决光学设备中红外探测器制冷机的振动抑制方案比较复杂、振动耦合控制难、振动抑制成本较高的技术问题，而提供一种基于相位抵消技术的多制冷机微振动抑制系统及设计方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统，其特殊之处在于：包括振动产生单元、振动传递及测量单元、振动接收及控制单元；
所述振动产生单元包括：制冷机控制系统1，以及分别与制冷机控制系统1电连接的N台制冷机，其中，N为不小于2的整数；
所述振动接收及控制单元包括：振动敏感机构7、与所述制冷机控制系统1电连接的振动控制系统6；
所述振动传递及测量单元包括：N个制冷机隔振机构，与振动敏感机构7连接的振动敏感机构力传感器8，用于安装N个制冷机隔振机构和振动敏感机构力传感器8的整机支撑机构9，以及振动采集仪5；所述N个制冷机隔振机构用于对应安装N台制冷机，分别为N台制冷机隔振；
所述振动敏感机构力传感器8通过振动采集仪5与振动控制系统6连接，将测量到的振动力信息通过振动采集仪5传送至振动控制系统6；所述振动控制系统6用于接收、记录振动采集仪5采集到的振动力信息，根据所采集到的振动力信息，设定能够使N台制冷机产生的振动相抵消的工作相位，通过制冷机控制系统1控制N台制冷机的工作。
进一步地，所述N台制冷机的振动基频相同。
一种基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统设计方法，用于设计上述的基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、将N台制冷机直接置于整机支撑机构9上，打开制冷机控制系统1，分别为N台制冷机设定并记录上电功率P1、P2、…、PN，采用振动控制系统6记录振动敏感机构力传感器8测得的N个制冷机单独工作时产生的振动到达振动敏感机构7后的振动力幅值A1、A2、…、AN；
步骤2、设计并加工N个制冷机隔振机构，使N个制冷机隔振机构的隔振效率比等于A1/A2/…/AN；
步骤3、安装N个制冷机隔振机构，通过制冷机控制系统1打开N台制冷机，使其同时工作；振动敏感机构力传感器8测量N台制冷机产生的振动力到达振动敏感机构7后的叠加振动力幅值A0，并将测得的叠加振动力信息传送至振动控制系统；将叠加振动幅值A0与需求指标进行对比，若叠加振动力幅值A0小于需求指标，结束控制；若叠加振动力幅值A0大于需求指标，进行步骤4；
步骤4、根据步骤3测得的叠加振动力幅值A0，振动控制系统6控制制冷机控制系统1调整N台制冷机的上电功率P1、P2、…、PN，使N台制冷机两两之间单独工作时产生的振动到达振动敏感机构7后的振动力差值小于0.04N；
步骤5、打开N台制冷机，振动控制系统6控制制冷机控制系统1对制冷机的上电时间进行控制，调整N台制冷机之间的上电时间差Δt，使其同时工作，采集、记录在不同上电时间差Δt下N台制冷机产生的振动到达振动敏感机构7后的叠加振动力幅值A0，并将其与需求指标进行对比，若叠加振动力幅值A0小于需求指标，则完成基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统的设计；若叠加振动力幅值A0大于需求指标，进行步骤6；
步骤6、返回步骤4，调整N台制冷机的上电功率P1、P2、…、PN，直至叠加振动力幅值A0小于需求指标，完成基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统的设计。
进一步地，步骤3中，所述N台制冷机单独工作时产生的振动到达振动敏感机构7后的振动力差值为0。
进一步地，步骤5中，所述N台制冷机每次断电后，内部转子位于同一位置，以确保每次上电时的振动相位相同。
进一步地，还包括步骤7：
步骤7、振动控制系统6定时监测并记录振动敏感机构7处的叠加振动力幅值A0，若叠加振动力幅值A0小于需求指标，则基于相位抵消技术的多制冷机微振动抑制系统满足工作要求；若叠加振动力幅值A0大于需求指标，则返回步骤6，直至基于相位抵消技术的多制冷机微振动抑制系统满足工作要求。
与现有技术相比，本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明提供的基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统利用需要进行振动抑制的制冷机进行相互之间的振动抑制，利用了振动的耦合作用，优化了系统配置，节约了资源，降低了控制难度；制冷机可以根据光学载荷空间布局随意摆放，在满足空间需要的同时，有效降低振动影响，适用性强；
2、本发明提供的基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统设计方法基于相位抵消技术，通过设计制冷机的隔振机构、控制制冷机的上电功率和上电时间差，从而调整制冷机产生振动力的相位和幅值，使其产生的振动力相互抵消，进而达到抑制振动的目的，振动抑制的成本低，控制难度小，实现简单，同时适用于多制冷机工作的情景，灵活度高。
附图说明
图1为本发明基于相位抵消技术的多制冷机微振动抑制系统实施例的结构示意图；
附图标记说明如下：
1-制冷机控制系统，2-第一制冷机，3-第二制冷机，4-第二制冷机隔振机构，5-振动采集仪，6-振动控制系统，7-振动敏感机构，8-振动敏感机构力传感器，9-整机支撑机构，10-第一制冷机隔振机构。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种基于相位抵消技术的多制冷机微振动抑制系统及设计方法作进一步详细说明。本实施例虽以两台制冷机为例，但其亦可推广至三台及以上制冷机的振动抑制。
如图1所示，一种基于相位抵消技术的多制冷机微振动抑制系统，包括振动产生单元、振动传递及测量单元、振动接收及控制单元。
振动产生单元是所有振动发生部件的集合，包括制冷机控制系统1，以及分别与制冷机控制系统1电连接的第一制冷机2、第二制冷机3。这一部分保证红外光学探测器制冷需要的同时，产生振动，是整个系统的振源。
振动接收及控制单元是本发明振动抑制系统的效果评判及效果偏差控制的核心，包括振动敏感机构7和振动控制系统6。振动控制系统6对振动敏感机构力传感器8测得的振动力进行分析，并将控制信号输入制冷机控制系统1。
振动传递及测量单元是振动产生后到达振动接收系统前的所有机构的组合，包括通过与第一制冷机2相连的第一制冷机隔振机构10，与第二制冷机3相连的通过第二制冷机隔振机构4，与振动敏感机构7连接的振动敏感机构力传感器8，以及安装第一制冷机隔振机构10、第二制冷机隔振机构4和振动敏感机构力传感器8的整机支撑机构9。
第一制冷机2、第二制冷机3的振动基频相同。第一制冷机隔振机构10与第二制冷机隔振机构4的隔振效率比等于第一制冷机2与第二制冷机3的振动力比。
振动敏感机构力传感器8通过振动采集仪5与振动控制系统6连接，将测量到的振动力信息通过振动采集仪5传送至振动控制系统6；振动控制系统6用于接收、记录振动采集仪5采集到的振动力信息，根据所采集到的振动力信息，设定能够使第一制冷机2、第二制冷机3振动相抵消的工作相位，通过制冷机控制系统1控制第一制冷机2、第二制冷机3的工作。
振动通过第一制冷机2、第二制冷机3产生后，经过第一制冷机隔振机构10与第二制冷机隔振机构4进行振动抑制，随后传递到整机支撑机构9，并最终传递到振动敏感机构7，完成振动传递。
本实施例中主要通过振动敏感机构力传感器8评价振动控制效果，最终评价指标是振动敏感机构力传感器8测出的振动力。通过测出的振动力与需求指标进行对比，若不满足需求指标，则通过振动控制系统6进行分析，并将控制信号输入制冷机控制系统1，制冷机控制系统1调整上电功率和上电时间差，并通过振动敏感机构力传感器8继续监测振动敏感机构7处的振动力，如此反复，直至振动敏感机构力传感器8测出的振动力满足需求指标。
本系统的工作原理如下：
首先确定第一制冷机2、第二制冷机3单独工作时对振动敏感机构7的影响，根据振动传输传递函数的特点，同一台制冷机放置在不同位置时，传递某一位置的振动也不同。优化制冷机控制系统，使制冷机每次断电后，内部转子回到同一位置，以确保每次断电重新上电后，振动相位相同。
其次，利用第一制冷机隔振机构10和第二制冷机隔振机构4分别对第一制冷机2、第二制冷机3产生的振动进行衰减，并分别对第一制冷机2和第二制冷机3的上电功率P1和P2进行控制，在保证制冷量的前提下，使第一制冷机2和第二制冷机3传递到振动敏感机构7处的振动幅值相同，分别记录第一制冷机2和第二制冷机3的上电功率P1和P2。振动量和制冷量正相关，随上电功率增加而增加。
最后，使第一制冷机2和第二制冷机3同时工作，调整第一制冷机2和第二制冷机3的上电时间。通过调整第一制冷机2和第二制冷机3的上电时间差Δt，来调整第一制冷机2与第二制冷机3产生的振动力的相位，使第一制冷机2与第二制冷机3同时工作时，产生的振动力的相位相反。测量不同上电时间差Δt下，振动敏感机构力传感器8测得的振动幅值变化，当幅值最小时，确定最优上电时间差。
在理想情况下，当两制冷机产生的振动传递到振动敏感机构7处幅值相同、相位相反时，振动被完全抵消。但实际操作时，系统的控制精度及测量精度会影响最终两振动叠加后的结果，因此在实际操作中，需要根据振动敏感机构力传感器8测得的振动幅值大小与需求指标进行对比，若不满足指标，则再通过振动控制系统6进行计算，并反馈给制冷机控制系统1，调整第一制冷机2和第二制冷机3上电功率P1、P2及上电时间差Δt，直至满足需求。
本实施例还提供一种基于相位抵消技术的多制冷机微振动抑制系统设计方法，用于设计上述的基于相位抵消技术的多制冷机微振动抑制系统，包括以下步骤：
步骤1、将第一制冷机2与第二制冷机3直接置于整机支撑机构9上，打开制冷机控制系统1，分别为第一制冷机2与第二制冷机3设定并记录上电功率P1、P2，采用振动控制系统6记录振动敏感机构力传感器8测得的第一制冷机2与第二制冷机3单独工作时产生的振动到达振动敏感机构7后的振动力幅值A1、A2。
步骤2、设计并加工第一制冷机隔振机构10与第二制冷机隔振机构4，使第一制冷机隔振机构10与第二制冷机隔振机构4的隔振效率比等于A1/A2。
通过第一制冷机隔振机构10与第二制冷机隔振机构4的设计，使第一制冷机2与第二制冷机3单独工作时产生的振动到达振动敏感机构7时的振动力幅值A1、A2接近，以便后续通过调整第一制冷机2与第二制冷机3的上电功率使使第一制冷机2与第二制冷机3单独工作时产生的振动到达振动敏感机构7时的振动力幅值A1、A2相同。
步骤3、安装第一制冷机隔振机构10与第二制冷机隔振机构4，通过制冷机控制系统1打开第一制冷机2与第二制冷机3，使其同时工作，由振动敏感机构力传感器8测量第一制冷机2与第二制冷机3产生的振动力到达振动敏感机构7时的叠加振动幅值A0，并将测得的叠加振动力信息传送至振动控制系统；将叠加振动幅值A0与需求指标进行对比，若叠加振动力幅值A0小于需求指标，结束控制；若叠加振动力幅值A0大于需求指标，进行步骤4。
此步骤中，在安装第一制冷机隔振机构10与第二制冷机隔振机构4后，先测量第一制冷机2与第二制冷机3同时工作时产生的振动到达振动敏感机构7后的振动力，若其达到系统要求的振动量级，则无需进行以下步骤。
步骤4、根据步骤3测得的叠加振动力幅值A0，振动控制系统6控制制冷机控制系统1调整第一制冷机2与第二制冷机3的上电功率P1、P2，使第一制冷机2与第二制冷机3单独工作时产生的振动到达振动敏感机构7后的振动力差值小于0.04N。
在该步骤中，应当调整第一制冷机2与第二制冷机3的上电功率P1、P2，使第一制冷机2与第二制冷机3单独工作时产生的振动到达振动敏感机构7时的振动力幅值A1、A2尽量相同。但由于系统的固有误差，A1、A2不会完全相同，因此，当第一制冷机2与第二制冷机3单独工作时产生的振动力到达振动敏感机构7时的振动量级差值小于0.04N时，可认为振动力幅值A1、A2相同。
步骤5、打开第一制冷机2与第二制冷机3，振动控制系统6控制制冷机控制系统1对第一制冷机2与第二制冷机3的上电时间进行控制，使其同时工作，调整第一制冷机2与第二制冷机3的上电时间差Δt，并采集、记录在不同上电时间差Δt下振动到达振动敏感机构7后的叠加振动力幅值A0，并将其与需求指标进行对比，若叠加振动力幅值A0小于需求指标，则完成基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统的设计；若叠加振动力幅值A0大于需求指标，进行步骤6。
步骤6、返回步骤4，调整第一制冷机2与第二制冷机3的上电功率P1、P2，直至叠加振动力幅值A0小于需求指标，完成基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统的设计。
步骤7、振动控制系统6定时监测并记录振动敏感机构7处的叠加振动力幅值A0，若叠加振动力幅值A0小于需求指标，则基于相位抵消技术的多制冷机微振动抑制系统满足工作要求；若叠加振动力幅值A0大于需求指标，则返回步骤6，直至基于相位抵消技术的多制冷机微振动抑制系统满足工作要求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统，其特征在于：包括振动产生单元、振动传递及测量单元、振动接收及控制单元；
所述振动产生单元包括：制冷机控制系统(1)，以及分别与制冷机控制系统(1)电连接的N台制冷机，其中，N为不小于2的整数；
所述振动接收及控制单元包括：振动敏感机构(7)、与所述制冷机控制系统(1)电连接的振动控制系统(6)；
所述振动传递及测量单元包括：N个制冷机隔振机构，与振动敏感机构(7)连接的振动敏感机构力传感器(8)，用于安装N个制冷机隔振机构和振动敏感机构力传感器(8)的整机支撑机构(9)，以及振动采集仪(5)；所述N个制冷机隔振机构用于对应安装N台制冷机，分别为N台制冷机隔振；
所述振动敏感机构力传感器(8)通过振动采集仪(5)与振动控制系统(6)连接，将测量到的振动力信息通过振动采集仪(5)传送至振动控制系统(6)；所述振动控制系统(6)用于接收、记录振动采集仪(5)采集到的振动力信息，根据所采集到的振动力信息，设定能够使N台制冷机产生的振动相抵消的工作相位，通过制冷机控制系统(1)控制N台制冷机的工作。
2.根据权利要求1所述的基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统，其特征在于：所述N台制冷机的振动基频相同。
3.一种基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统设计方法，用于设计如权利要求1-2任一所述的基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将N台制冷机直接置于整机支撑机构(9)上，打开制冷机控制系统(1)，分别为N台制冷机设定并记录上电功率P1、P2、…、PN，采用振动控制系统(6)记录振动敏感机构力传感器(8)测得的N台制冷机单独工作时产生的振动到达振动敏感机构(7)后的振动力幅值A1、A2、…、AN；
步骤2、设计并加工N个制冷机隔振机构，使N个制冷机隔振机构的隔振效率比等于A1/A2/…/AN；
步骤3、安装N个制冷机隔振机构，通过制冷机控制系统(1)打开N台制冷机，使其同时工作；振动敏感机构力传感器(8)测量N台制冷机产生的振动力到达振动敏感机构(7)后的叠加振动力幅值A0，并将测得的叠加振动力信息传送至振动控制系统(6)；将叠加振动力幅值A0与需求指标进行对比，若叠加振动力幅值A0小于需求指标，结束控制；若叠加振动力幅值A0大于需求指标，进行步骤4；
步骤4、根据测得的叠加振动力幅值A0，振动控制系统(6)控制制冷机控制系统(1)调整N台制冷机的上电功率P1、P2、…、PN，使N个制冷机两两之间单独工作时产生的振动到达振动敏感机构(7)后的振动力差值小于0.04N；
步骤5、打开N台制冷机，振动控制系统(6)控制制冷机控制系统(1)对制冷机的上电时间进行控制，调整N个制冷机之间的上电时间差Δt，使其同时工作，采集、记录在不同上电时间差Δt下N台制冷机产生的振动到达振动敏感机构(7)后的叠加振动力幅值A0，并将其与需求指标进行对比，若叠加振动力幅值A0小于需求指标，则完成基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统的设计；若叠加振动力幅值A0大于需求指标，进行步骤6；
步骤6、返回步骤4，调整N台制冷机的上电功率P1、P2、…、PN，直至叠加振动力幅值A0小于需求指标，完成基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统的设计。
4.根据权利要求3所述的基于相位抵消振动抑制的微振动多制冷机系统设计方法，其特征在于：步骤3中，所述N台制冷机单独工作时产生的振动到达振动敏感机构(7)后的振动力大小相同。
5.根据权利要求4所述的基于相位抵消技术的多制冷机微振动抑制系统设计方法，其特征在于：步骤5中，所述N台制冷机每次断电后，内部转子位于同一位置。
6.根据权利要求3-5任一所述的基于相位抵消技术的多制冷机微振动抑制系统设计方法，其特征在于，还包括步骤7：
步骤7、振动控制系统(6)定时监测并记录振动敏感机构(7)处的叠加振动力幅值A0，若叠加振动力幅值A0小于需求指标，则基于相位抵消技术的多制冷机微振动抑制系统满足工作要求；若叠加振动力幅值A0大于需求指标，则返回步骤6，直至基于相位抵消技术的多制冷机微振动抑制系统满足工作要求。
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