CN206833274U - 一种旋转和移动直接驱动的双柔性梁控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种旋转和移动直接驱动的双柔性梁控制装置，包括柔性梁本体部分、振动检测部分及驱动控制部分，所述柔性梁本体部分包括两根柔性梁，在每根柔性梁上设置加速度传感器、压电片传感器及压电驱动器，本实用新型使用压电片传感器和加速度传感器检测柔性梁结构的振动信号，直线电机、直接驱动旋转电机以及压电驱动器作为抑制振动的作动器。相比于其它振动控制装置，该装置具有响应快、控制精度高、稳定性好等优点，可以快速控制双柔性梁的面对称和轴对称模态的振动。

Description

一种旋转和移动直接驱动的双柔性梁控制装置

技术领域

本实用新型涉及柔性结构的定位及振动控制领域，具体涉及一种旋转和移动直接驱动的双柔性梁控制装置。

背景技术

柔性结构在航天及工业生产领域应用广泛，相对于刚性结构，具有质量轻、能耗低、效率高、操作灵活等优点，但柔性结构的固有频率低，低频模态振动易被激起等特点限制了其在某些领域内的应用与发展。

近年来，柔性结构的振动主动控制成为当今世界研究的重点及热点课题。加速度传感器质量轻，易安装，并且频带较宽，利用加速度传感器反馈控制可在较宽频带范围增加系统的主动阻尼，增强系统鲁棒性。由于加速度传感器的应用会给系统引进大量的高频噪声信号，因此要进行滤波处理。压电陶瓷材料具有响应快、频带宽、线性度好、容易加工等优点，特别适合用于柔性梁等挠性结构的振动控制应用。

直线电机结构简单，无需运动转换机构，运动惯量小，动态响应性能和定位精度高；直线电机运动时无机械接触，无摩擦和噪声，能实现高速和低速的运动；直线电机在径向上拉力互相抵消，无单边磁拉力问题；直线电机通过调节电压或频率，或更换次级材料，能得到不同的速度和电磁推力，能适应多种应用场合；相比于其它丝杠、同步带和齿轮齿条驱动，直线电机驱动能够获得高加速度，不过直线电机仍无法应用在大负载的情况下。

直接驱动电机除延续了伺服电机的特性外，因为其低速大扭矩、高精度定位、高响应速度、结构简单，减小机械损耗、低噪声、少维护等独有的特点，被广泛应用于各行各业。

在传统振动控制装置中，振动控制效果总会受到机械传动机构固有特性的影响，故考虑采用直线电机和直接驱动旋转电机对振动进行控制，来提高振动控制系统的精度和稳定性，可以快速控制双柔性梁的面对称和轴对称模态的振动。

实用新型内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本实用新型提供一种旋转和移动直接驱动的双柔性梁控制装置。

本实用新型采用如下技术方案：

一种旋转和移动直接驱动的双柔性梁控制装置，包括柔性梁本体部分、振动检测部分及驱动控制部分；

所述柔性梁本体部分包括两根相同的柔性梁，两根柔性梁沿水平方向对称安装在机械装置支座上，两根柔性梁的一端分别与机械装置支座固定称为固定端，另一端为自由端；

所述振动检测部分包括压电片传感器、加速度传感器、电荷放大器、端子板、运动控制卡及计算机，所述压电片传感器安装在每根柔性梁宽度方向的中线上，单面粘贴，且靠近固定端，所述加速度传感器安装在每根柔性梁宽度方向的中线上，且靠近自由端，所述端子板与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与计算机相互连接；

所述压电片传感器检测的振动信号经过电荷放大器放大后，经过端子板传输至运动控制卡，进一步输入到计算机中；

加速度传感器检测柔性梁振动信号经端子板传输至运动控制卡，进一步输入到计算机中；

驱动控制部分包括直线电机驱动控制系统、直接驱动旋转电机驱动控制系统及压电驱动振动控制系统；

所述直线电机驱动控制系统包括基座、直线电机、滑轨、精密光栅尺及直线电机伺服单元，所述直线电机和精密光栅尺采用速度控制或位置控制的方式连接直线电机伺服单元，所述直线电机伺服单元与端子板相互连接；

所述直线电机、滑轨和精密光栅尺安装在基座上，直线电机与精密光栅尺分别与滑轨上的滑块机械连接，随着滑块移动；

所述直接驱动旋转电机驱动控制系统包括直接驱动旋转电机及直接驱动旋转电机伺服单元，所述直接驱动旋转电机的输出端与机械装置支座连接，所述直接驱动旋转电机与直接驱动旋转电机伺服单元连接，所述直接驱动旋转电机伺服单元与端子板相互连接，所述直接驱动旋转电机与滑轨上的滑块机械连接；

所述压电驱动振动控制系统包括压电驱动器及压电放大电路，所述计算机将控制信息通过运动控制卡及端子板输出到压电放大电路，所述压电放大电路驱动压电驱动器，所述压电驱动器粘贴在两根柔性梁上。

所述压电驱动器具体为两个，每根柔性梁粘贴一个，粘贴在靠近柔性梁固定端一侧，所述压电驱动器由四片压电陶瓷片构成，正反两面粘贴，且关于柔性梁宽度方向中线对称。

所述压电片传感器由一片压电陶瓷片构成，每根柔性梁各粘贴一片。

一种双柔性梁控制装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步利用压电传感器和加速度传感器分别检测两个柔性梁的振动得到相应的测量信号；

第二步压电传感器检测的振动信号经由电荷放大器放大，经由端子板传输，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；

同时加速度传感器检测的振动信号输至运动控制卡，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；

第三步计算机根据步第二步得到的检测信号，得到相应的振动反馈信号，经由运动控制卡的D/A模块输出，经由端子板输出到压电放大电路放大信号，进一步驱动压电驱动器用于控制柔性梁的振动；

同时振动反馈信号经过运动控制卡的D/A模块、端子板输出给直线电机伺服单元及直线驱动旋转电机伺服单元，分别控制驱动直线电机动子的移动和直线驱动旋转电机的转动，从而控制柔性梁本体部分的移动和振动。

当两个柔性梁的振动是同相的，即面对称振动模态，驱动直线电机使柔性梁本体部分在直线方向移动控制振动；

当两个柔性梁的振动是反相的，即轴对称振动模态，驱动旋转电机使柔性梁本体部分在水平面上绕轴转动控制柔性梁的振动。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型所述控制装置不包含减速器等机械传动机构，再加上直线电机和直接驱动控制电机本身在驱动过程中摩擦很小、运动平稳，这使得控制系统的响应速度、精度、稳定性有了大幅度的提升，控制效果也会更好；

(2)本实用新型采用直线电机、直接驱动旋转电机和压电驱动器复合驱动柔性梁结构，使得控制系统能够应对双梁同相和反相振动多种振动情况，直线电机能够快速抑制双梁的同相振动，直接驱动旋转电机能够快速抑制双梁的反相振动，压电驱动器能够快速有效地消除梁的残余振动，这三个驱动部分协同工作，能高效地抑制住柔性梁的振动；

(3)本实用新型使用压电陶瓷片检测和加速度传感器检测相结合的方法对柔性梁的振动进行检测比较，有利于提高检测精度。

附图说明

图1是本实用新型一种旋转和移动直线驱动的双柔性梁控制装置的结构示意图；

图2是图1中的局部放大图；

图3是图1的主视图；

图4是图1的俯视图；

图5是图1的左视图；

图6是两个柔性梁同相振动示意图；

图7是两个柔性梁反相振动示意图；

图8是本实用新型控制方法的工作流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1-图8所示，一种旋转和移动直接驱动的双柔性梁控制装置，包括柔性梁本体部分、振动检测部分及驱动控制部分；

所述柔性梁本体部分包括两根尺寸、材料结构完全相同的柔性梁，分别为第一柔性梁2及第二柔性梁10，两根柔性梁沿水平方向对称安装在机械装置支座上，与机械装置支座固定的一端称为固定端，另一端为自由端。

所述机械装置支座与直接驱动旋转电机5的输出端连接，第一及第二柔性梁上安装压电片传感器3及加速度传感器1在每根柔性梁的安装位置及选用的型号完全一致。在每根柔性梁上，压电片传感器3安装在宽度方向的中线上且距离固定端80mm的位置，姿态角为0度单面粘贴，每根柔性梁粘贴一片，一共两片；

压电驱动器4粘贴在柔性梁靠近固定端20mm的位置，且关于宽度方向中线对称，姿态角为0度双面对称粘贴，每根柔性梁粘贴四片。

另外在每根柔性梁靠近自由端边缘的宽度中线上安装一只及速度传感器。

所述振动检测部分：

压电片传感器和加速度传感器用于检测所依附的柔性梁的振动信号，通过自身的传感特性将检测到的振动信号转化为电信号输出，所述压电片传感器3 检测的振动信号经过电荷放大器12放大以后，经过端子板15传输至运动控制卡16，通过运动控制卡16内部的A/D转换模块将模拟标准电信号按比例转换成数字信号输入到计算机17中；同时加速度传感器1检测的振动信号传输至运动控制卡16，通过运动控制卡16内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机17中。

所述驱动控制部分包括直线电机驱动控制系统、直接驱动旋转电机驱动控制系统及压电驱动振动控制系统；

所述直线电机驱动控制系统包括基座、直线电机9、滑轨6、精密光栅尺7 及直线电机伺服单元14，所述直线电机9和精密光栅尺7采用速度控制或者位置控制的方式连接至直线电机伺服单元14，所述直线电机的定子、滑轨和精密光栅尺的定子均安装在基座上，所述基座安装在实验台8上，直线电机的动子、精密光栅尺的动子均与滑轨6上的滑块机械连接，随着滑块一起移动，直线电机驱动滑块移动，滑块将带动光栅尺的动子移动，从而测量滑块的位置信息。直线电机伺服单元的输出端与端子板连接，所述端子板15与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与计算机相互连接，计算机17根据反馈信息运行相应算法后发出相应控制量，经过运动控制卡16、端子板15传给直线电机伺服单元，驱动直线电机动子的移动，所述直线电机动子的移动带动滑块的移动，从而控制柔性梁本体的移动和振动。

所述直接驱动旋转电机控制系统包括直接驱动旋转电机5及直接驱动旋转电机伺服单元13，所述直接驱动旋转电机5的输出端与机械装置支座连接驱动双柔性梁的转动，定子与滑轨上的滑块连接。所述直接驱动旋转电机采用速度控制或位置控制的方式连接直接驱动旋转电机伺服单元，将直接驱动旋转电机伺服单元连接到端子板上，直接驱动旋转电机自带的编码器可以将电机的转动信息反馈给直接驱动旋转电机伺服单元，通过端子板传输至运动控制卡，进一步传输到计算机中，计算机17根据反馈信息运行相应算法后发出相应控制量，经过运动控制卡16、端子板15传给直接驱动旋转电机伺服单元13，驱动直接驱动旋转电机5的转动，直接驱动旋转电机5的转动直接控制柔性梁本体部分的转动和振动；

所述压电驱动振动控制系统：压电片传感器和加速度传感器将振动信号输入计算机中，运行相应的主动控制算法，然后将控制信号经由运动控制卡16的 D/A输出模块输出，通过端子板15的信息传递，经过压电放大电路11放大信号，输出到压电驱动器4，用于抑制柔性梁的振动。

本装置不包含减速器等影响控制精度的机构，所述的柔性梁本体部分由直线电机和直接驱动旋转电机直接驱动控制，消除了传动机构给控制系统带来的影响。该振动控制装置能够有效地提升控制系统的响应速度、精度、稳定性。

如图8所示，本实用新型一种旋转和移动直接驱动的双柔性梁控制装置的控制方法，包括如下步骤：

第一步利用压电传感器和加速度传感器分别检测两个柔性梁的振动得到相应的测量信号；

第二步压电传感器检测的振动信号经由电荷放大器放大，经由端子板传输，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；

同时加速度传感器检测的振动信号输至运动控制卡，通过运动控制卡内部的A/D转换模块将模拟信号转换成数字信号输入到计算机中；

第三步计算机根据步第二步得到的检测信号，得到相应的振动反馈信号，经由运动控制卡的D/A模块输出，经由端子板输出到压电放大电路放大信号，进一步驱动压电驱动器用于控制柔性梁的振动；

同时振动反馈信号经过运动控制卡的D/A模块、端子板输出给直线电机伺服单元及直线驱动旋转电机伺服单元，分别控制驱动直线电机动子的移动和直线驱动旋转电机的转动，从而控制柔性梁本体部分的移动和振动。

本实用新型可以控制双柔性梁同相的振动和反相的振动，当第一、第二柔性梁的振动是同相的，即面对称振动模态，驱动直线电机使柔性梁本体部分在直线方向移动能有效控制地控制振动；当第一、第二柔性梁的振动是反相的，即轴对称振动模态，驱动直接驱动旋转电机使柔性梁本体部分在水平面上绕轴转动能有效地控制振动，此外，可以用直线电机和直接驱动旋转电机抑制柔性梁的移动和振动，也同时可以用压电驱动器抑制柔性梁的振动，协调这三部分的驱动，能有效地抑制柔性梁的振动。

图1中的虚线指示了各个设备之间的连线关系，方向箭头表明了检测和控制信号流的传递方向。

在本实施例中，第一和第二柔性梁的材料、尺寸等参数完全相同，均为环氧树脂材料薄板，几何尺寸为900mm×100mm×2mm。环氧树脂的弹性模量为 E_p＝34.64Gpa，密度为ρ＝1840kg/m³。

压电驱动器4由压电陶瓷材料制成，几何尺寸为50mm×15mm×1mm，成片状粘贴在柔性梁上，距离固定端20mm，距离梁宽度方向上下边缘10mm，压电陶瓷材料的弹性模量为E_p＝63Gpa，d31＝-166pm/V。

压电片传感器3由压电陶瓷材料构成，几何尺寸为30mm×10mm×1mm，成片状粘贴在柔性梁宽度方向中线上，距离固定端50mm。

加速度传感器1选用Kistler公司的型号为8310B10的电容式传感器，其标称灵敏度为200mv/g，测量频率范围为0-180Hz。

实验台8由三种长度分别为680mm、480mm、500mm的铝型材组装而成，台面为一块800mm×600mm×8mm的不锈钢板，通过螺钉与型材连接，型材的每个连接处都有角铁固定。

直线电机9可选用由郑州微纳科技有限公司生产的WMU系列U型卧式直线电机，额定输出力为90N，最大运行速度为2.5m/s。

精密光栅尺7选用PASEKIAI公司生产的型号为PLS35的封闭式光栅尺，其量测精度达到35μm/m。

直接驱动旋转电机5选用德玛特电机制造有限公司生产的型号为 DDR112-AL30A1-G11S的高动态响应直驱电机，其额定转矩为4Nm，额定转速为300rpm。

电荷放大器12选用江苏联能电子有限公司的YE5850型电荷放大器；运动控制卡16选用美国GALIL公司生产的DMC-2x00数字运动控制器，提供标准的PCI总线接口；选用的计算机17的CPU型号为core76650U2.2GHz，内存4G，主板中有PCI-e插槽，可安装运动控制卡。

压电放大电路11可选用型号为APEX-PA241DW或APEX-PA240CX的压电放大器等零件组成，其研制单位为华南理工大学，在申请人申请的名称为“太空帆板弯曲和扭转模态振动模拟主动控制装置与方法”，申请号为200810027186.4 的专利中有详细介绍。放大倍数可达到52倍，即将-5V～+5V放大到-260～+260V。

如图6和图7所示，本实用新型所述基于直线电机和直接驱动旋转电机驱动的双柔性梁振动分析与控制装置，其柔性梁本体部分存在同相振动和反相振动两种振动情况。如图6所示，当双梁的振动为同相时，采用直线电机驱动控制和压电复合驱动控制，控制直线电机运动方向如图中箭头所示。如图7所示，当双梁的振动为反相时，采用直接驱动旋转电机和压电复合驱动控制，控制直接驱动旋转电机转动方向如图中箭头所示。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种旋转和移动直接驱动的双柔性梁控制装置，其特征在于，包括柔性梁本体部分、振动检测部分及驱动控制部分；

所述柔性梁本体部分包括两根相同的柔性梁，两根柔性梁沿水平方向对称安装在机械装置支座上，两根柔性梁的一端分别与机械装置支座固定称为固定端，另一端为自由端；

所述振动检测部分包括压电片传感器、加速度传感器、电荷放大器、端子板、运动控制卡及计算机，所述压电片传感器安装在每根柔性梁宽度方向的中线上，单面粘贴，且靠近固定端，所述加速度传感器安装在每根柔性梁宽度方向的中线上，且靠近自由端，所述端子板与运动控制卡相互连接，所述运动控制卡与计算机相互连接；

所述压电片传感器检测的振动信号经过电荷放大器放大后，经过端子板传输至运动控制卡，进一步输入到计算机中；

加速度传感器检测柔性梁振动信号经端子板传输至运动控制卡，进一步输入到计算机中；

驱动控制部分包括直线电机驱动控制系统、直接驱动旋转电机驱动控制系统及压电驱动振动控制系统；

所述直线电机驱动控制系统包括基座、直线电机、滑轨、精密光栅尺及直线电机伺服单元，所述直线电机和精密光栅尺采用速度控制或位置控制的方式连接直线电机伺服单元，所述直线电机伺服单元与端子板相互连接；

所述直线电机、滑轨和精密光栅尺安装在基座上，直线电机与精密光栅尺分别与滑轨上的滑块机械连接，随着滑块移动；

所述直接驱动旋转电机驱动控制系统包括直接驱动旋转电机及直接驱动旋转电机伺服单元，所述直接驱动旋转电机的输出端与机械装置支座连接，所述直接驱动旋转电机与直接驱动旋转电机伺服单元连接，所述直接驱动旋转电机伺服单元与端子板相互连接，所述直接驱动旋转电机与滑轨上的滑块机械连接；

所述压电驱动振动控制系统包括压电驱动器及压电放大电路，所述计算机将控制信息通过运动控制卡及端子板输出到压电放大电路，所述压电放大电路驱动压电驱动器，所述压电驱动器粘贴在两根柔性梁上。

2.根据权利要求1所述的双柔性梁控制装置，其特征在于，所述压电驱动器具体为两个，每根柔性梁粘贴一个，粘贴在靠近柔性梁固定端一侧，所述压电驱动器由四片压电陶瓷片构成，正反两面粘贴，且关于柔性梁宽度方向中线对称。

3.根据权利要求1所述的双柔性梁控制装置，其特征在于，所述压电片传感器由一片压电陶瓷片构成，每根柔性梁各粘贴一片。