CN1219163C - 减振装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明所提出的减振装置及其控制方法，涉及对机械振动进行减振的装置及方法，尤其是涉及采用主动控制的手段进行减振的装置及方法。减振装置包括主动控制部件和机械执行部件两部分，机械执行部件由直线电机、导杆、弹簧、配重块、盖板、底座等组成，主动控制部件由振动传感器、信号预处理器、数据采集器、运算决策器、电机驱动器组成。能根据所得到的振动源及减振对象的实际振动情况，对执行部件进行控制，使其产生与振动源同频、等幅、反相的振动，从而在减振对象上实现有效减振。本发明可以在减振对象与振动源刚性连接的情况下使用，与采用两个振动源对称布置的方式相比，具有能耗少、体积小、重量轻、成本低，可靠性好的优点。

Description

减振装置及其控制方法

技术领域：

本发明涉及对机械振动进行减振的装置及方法，龙其是涉及采用主动控制的手段进行减振的装置及方法。

背累技术：

随着现代工业对精密机械、设备等的运动精度及运动稳定性要求的提高，各种减振装置应运而生。目前已有的减振装置可分为两类：①利用大阻尼、粘弹性等材料进行隔振处理(例如：由弹簧、海绵等弹性元件或材料实现减振)。该方法由于原理简单、无能耗、可靠性好，得到了广泛应用。但它在有些情况下减振效果难以达到要求，或在有些情况下不能使用(例如：当减振对象与振动源刚性连接、无法隔离时)。②采用完全相同的两个振动源对称布置，利用它们同频、等幅、反相的振动相互抵消来解决振动问题。这种方法减振效果好，可以在减振对象与振动源刚性连接的情况下使用，但装置的体积、重量、能耗、成本等往往会成倍增加，而可靠性降低(如果某个振动源出现故障，就会完全丧失减振作用)。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种可以在减振对象与振动源刚性连接的情况下使用、能耗少、可靠性好的减振装置。

本发明的解决方案如下：

整个减振装置包括主动控制部件和机械执行部件，主动控制部件由传感器、信号预处理器、数据采集器、运算决策器、电机驱动器组成，传感器的输出端经信号预处理器(15)与数据采集器(16)相连，数据采集器连接运算决策器(17)，再经电机驱动器(18)与机械执行部件中的直线电机的输入端相连，其特征在于：机械执行部件由直线电机、导杆、弹簧、配重块、盖板、底座等组成，直线电机(1)固定在底座(3)上、其动子与盖板(5)相连，沿电机的轴向安装可自由滑动的导杆(6)，导杆的端部安装配重块(8)，配重块与盖板或底座之间安装弹簧(9)；主动控制部件中的传感器为振动传感器，振动传感器(14)与减振对象(19)、振动源(20)相连，而其中使该直线电机致动的驱动信号则是由具体控制中获取的振动信号经运算决策器(17)按该振动信号转换的数字信号结合预先设计的控制律计算出控制信号，再由该电机驱动器(18)转换得到的。

在上述减振装置中所采用的控制方法为：由传感器获取信号，信号预处理器、数据采集器将之转化成运算决策器能直接处理的数字信号，运算决策器根据该数字信号计算出控制信号，再由电机驱动器转换成直线电机所需的驱动信号，驱动直线电机运动，其特征在于：具体控制过程中获取的信号为振动源及减振对象的振动信号，运算决策器根据该振动信号转换成的数字信号、结合预先设计的控制律计算出控制信号，电机驱动器再将之转换成直线电机所需的、带动振子运动使振子产生与振动源同频、等幅、反相的振动的驱动信号。

也就是说，本发明提出的减振装置包括主动控制部件和机械执行部件两部分，能根据所得到的振动源及减振对象的实际振动情况，对执行部件进行控制，使其产生与振动源同频、等幅、反相的振动。根据动量守恒的原理，减振装置与振动源的对峙运动，可使减振对象实现有效减振。

机械执行部件的具体结构如图1所示：直线电机1的基座及定子用紧固件2固定在底座3上，电机的动子用螺钉4与盖板5相连，在电机的轴线位置上沿轴向安装一根导杆6，即电机的轴向设置通孔、并装有衬套7，导杆装在衬套内、可以自由滑动，导杆从电机上下端面处的盖板和底座中伸出，两端安装配重块8，配重块与盖板或底座之间安装弹簧9，使导杆、配重块及弹簧形成一个振子，可以沿电机轴向作自由运动。当电机被驱动时，即通过与动子相连的盖板带动振子运动。配重块、盖板及底座上可以设计合适的凹槽或凸台，以使弹簧定位。振子的固有频率应设计在振动源的振动频率附近，以有效地降低减振装置的能耗。整个机械执行部件用螺栓12、螺母13固定在与减振对象刚性相连的合适的底板上。还可以设置一个用螺钉11固定在底座上的外壳10将整个部件罩住、以遮挡灰尘并使之美观。电机的输入端由不影响振子运动的部位(例如底部)引出，与主动控制部件相连。

主动控制部件中各器件的相互连接关系、以及减振装置与振动源和减振对象之间的连接关系如图2所示：振动传感器14分别安装在减振对象19及振动源20上合适的位置(如：外壳或底板)，以感受实际的振动状况，它可以是加速度传感器、速度传感器或位移传感器等。传感器将所测得的振动信号转变为电信号，由其输出端送入信号预处理器15(如果描述振动源或减振对象的振动状况的电信号可以直接得到，也可省却相应的传感器)，经信号放大、滤波、极性转化等处理后送入数据采集器16。数据采集器将所接收的模拟信号转化为数字信号(即数据)、由运算决策器17读取。在运算决策器中，根据从数据采集器所得的数据以及所设计的控制律进行信息处理，得到所需的控制信号，经电机驱动器18驱动直线电机1。这样，可以有效地控制振子的运动方式，使之产生与振动源同频、等幅、反相的振动，从而有效地减小减振对象的振动。其中，信号预处理器、数据采集器、电机驱动器等可采用现有的器件或芯片。信号预处理器与输入的电信号类型有关，输入电荷信号时，信号预处理器应包含信号调理，放大、滤波等电路，若是幅值恰当的电压信号，则无需信号调理和放大；数据采集器可用通常的单片AD转换器，有些运算决策器中集成了AD转换器则无需单独的数据采集器；运算决策器可采用单片机或数字信号处理芯片(简称DSP)，也可以用计算机实现。电机驱动器可以采用大功率运算放大器或者脉宽调制控制器(视控制信号的形式而定)。

在上述减振装置中所采用的控制方法即整个装置所执行的具体控制过程：首先，通过传感器或其它合适的手段获取振动源及减振对象的振动信号；然后，通过信号预处理器、数据采集器转化成运算决策器能直接处理的数字信号，运算决策器根据该数字信号，结合预先设计的控制规律，计算出控制信号；电机驱动器再将之转换成直线电机所需的驱动信号，驱动直线电机带动振子运动，使振子产生与振动源同频、等幅、反相的振动。在运算决策器中是通过相应的软件进行计算的，其具体执行过程为(见附图3)：①程序初始化；②当时钟中断时，读取数据采集器中的数据；③根据传感器的类型及相应计算公式，对于振动源数据及减振对象数据进行计算、得到所需的振动信息(如：两振动的频率、幅值、相位差等)；④根据该振动信息及所设计的控制律进行计算，得到控制信号，⑤送出给电机驱动器。上述程序可由计算机、单片机或DSP实现。其中所采用的控制律可根据被控对象的实际情况具体设计，如自校正调节、极点配置，最优控制等。

综上所述，本发明采用了一个独立的减振装置并使用主动控制方式进行减振。它具有如下优点：①由于减振装置由机械部件和电子部件组成、并且减振作用直接施加于减振对象，因而可以在减振对象与振动源刚性连接的情况下使用；②由于使用主动控制方式进行减振，产生与振动源对峙的振动，因而减振效果明显、使减振对象上的振动降低一个数量级以上；③由于装置中采用弹簧构成振子、具有很强的储能作用，使得装置的能量消耗很少，而且振子结构简单、安装调整方便，可以实现重量轻、尺寸小，因而与采用两个振动源对称布置的方式相比，其能耗、体积、重量、成本等均大大降低。④由于上述振子结构及储能作用，即使装置中的直线电机突然发生故障，振子也能保持运动、不至于使减振作用完全消失，因而使得可靠性大大提高。也就是说，本发明集中了现有技术中两种减振方式的优点。尤其是对一些工作频率相对稳定的有限振幅的振动源，可以使与其刚性连接的减振对象的振动得到很好的控制。

附图说明：

附图1为减振装置的机械执行部件的结构示意图。

附图2为减振装置及其与振动源、减振对象的连接示意图。

附图3为运算决策器中的执行程序流程图。

具体实施方式：

本发明的实施例如下：对某斯特林制冷机上的40Hz的定频率振动进行减振。振动传感器采用PCB公司的Model 352C65加速度传感器；信号预处理器由信号调理器、信号放大器和滤波器组成：其中信号调理器采用PCB公司的信号调理器Model 485B，信号放大器为AD公司的AD620芯片，滤波器为常用的RC网络；运算决策器采用Ti公司的TMS320F240型DSP，它同时具有数据采集的功能、因此可省却数据采集器；电机驱动器为ALLEGRO公司的A3952SB芯片。直线电机为普通的直流直线电机，有效运动距离为±2mm，最大输出功率为3W；振子的具体设计如下：导杆的直径为5mm、两个配重块的质量均为150g，导杆、电机动子等其它运动部分的总重量为80g，弹簧的刚度为24N/mm。该振子的固有频率与振动源频率相同。制冷机的重量约为10kg，功率为20W，而整个减振装置的总重量不足1.5kg，总能耗不足2W。减振装置正常工作时，减振对象上的振动力减小至未经减振时的7％以下；而当主动控制部件不工作、仅由振子自由运动时，减振对象上的振动力仍可减小至未经减振时的50％以下。

Claims (2)

1、一种减振装置，包括主动控制部件和机械执行部件，主动控制部件由传感器、信号预处理器、数据采集器、运算决策器、电机驱动器组成，传感器的输出端经信号预处理器(15)与数据采集器(16)相连，数据采集器连接运算决策器(17)，再经电机驱动器(18)与机械执行部件中的直线电机的输入端相连，其特征在于：机械执行部件由直线电机、导杆、弹簧、配重块、盖板、底座等组成，直线电机(1)固定在底座(3)上、其动子与盖板(5)相连，沿电机的轴向安装可自由滑动的导杆(6)，导杆的端部安装配重块(8)，配重块与盖板或底座之间安装弹簧(9)；主动控制部件中的传感器为振动传感器，振动传感器(14)与减振对象(19)、振动源(20)相连，而其中使该直线电机致动的驱动信号则是由具体控制中获取的振动信号经运算决策器(17)按该振动信号转换的数字信号结合预先设计的控制律计算出控制信号，再由该电机驱动器(18)转换得到的。

2、在权利要求1所述的减振装置中所采用的控制方法，由传感器获取信号，信号预处理器、数据采集器将之转化成运算决策器能直接处理的数字信号，运算决策器根据该数字信号计算出控制信号，再由电机驱动器转换成直线电机所需的驱动信号，驱动直线电机运动，其特征在于：具体控制过程中获取的信号为振动源及减振对象的振动信号，运算决策器根据该振动信号转换成的数字信号、结合预先设计的控制律计算出控制信号，电机驱动器再将之转换成直线电机所需的、带动振子运动使振子产生与振动源同频、等幅、反相的振动的驱动信号。

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