CN209895145U - 一种三维主动减振控制系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种三维主动减振控制系统，应用于三维主动减振装置，所述系统包括：反馈控制系统，用于对三维主动减振装置输出的一个竖直方向和两个水平方向的三个维度的振动信号进行反馈运算，输出三个维度的电压信号；压控电流源模块，用于将电压信号转换为电流信号，电流信号用于三维主动减振装置减振。本申请能够对测量得到平台上的振动进行计算，得到反馈信号，基于反馈信号驱动三维主动减振装置抵消残余的振动，来提高隔振效果，从而提高精密仪器的测量精度，相对于现有的被动隔振，其隔振能力大大增强，从而能够满足非常严苛的隔振需求。

Description

一种三维主动减振控制系统

技术领域

本申请涉及减振技术领域，尤其涉及一种三维主动减振控制系统。

背景技术

对高精密的设备而言，振动会对其产生不可忽视的影响，特别对于那些对微弱的地面振动敏感的精密设备而言。由于所有的仪器都会直接或间接接触地面，只能通过隔振设备来脱离与地面振动的耦合。

目前，主要通过被动减振装置来减小振动对仪器的影响。被动减振装置虽然结构比较简单，机械性质比较稳定，但是其所能达到的最低本征频率有限，由于其只能对其本征频率以上的振动进行隔除或抑制，对其本征频率处的振动，其反而会加强，这就大大限制了其隔振能力。

因此，如何有效的减小振动对测量仪器的影响，是一项亟待解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本申请提供了一种三维主动减振控制系统，能够对测量得到平台上的振动进行计算，得到反馈信号，基于反馈信号驱动三维主动减振装置抵消残余的振动，来提高隔振效果，从而提高精密仪器的测量精度，相对于现有的被动隔振，其隔振能力大大增强，从而能够满足非常严苛的隔振需求。

本申请提供了一种三维主动减振控制系统，应用于三维主动减振装置，所述系统包括：

反馈控制系统，用于对所述三维主动减振装置输出的一个竖直方向和两个水平方向的三个维度的振动信号进行反馈运算，输出三个维度的电压信号；

压控电流源模块，用于将所述电压信号转换为电流信号，所述电流信号用于所述三维主动减振装置减振。

优选地，所述系统还包括：

人机交互模块，用于设置反馈参数。

优选地，所述反馈控制系统包括：

低噪声电压放大模块，用于对所述三维主动减振装置输出的一个竖直方向和两个水平方向的三个维度的振动信号分别进行低噪声电压放大；

模数转换模块，用于将经过低噪声电压放大后的信号转换成数字信号；

反馈运算模块，用于基于设置的所述反馈参数，对所述数字信号进行反馈运算，得到三个输出信号；

数模转换模块，用于将所述三个输出信号转换成三个电压信号输出。

优选地，所述人机交互模块，还用于：

监控和/或记录振动信号。

优选地，所述三维主动减振装置包括：减振平台台面、振动测量模块、竖直音圈电机、水平音圈电机、主减振弹簧、水平减振弹簧和减振平台底座；其中：

所述减振平台台面通过所述主减振弹簧和所述水平减振弹簧与所述减振平台底座相连；

所述振动测量模块固定在所述减振平台台面上，所述振动测量模块用于测量并输出一个竖直方向和两个水平方向的三个维度的振动信号；

所述主减振弹簧一端与所述减振平台台面相连，一端与所述减振平台底座相连；

所述竖直音圈电机一端与所述减振平台台面相连，一端与所述减振平台底座相连，与所述减振平台台面垂直，所述竖直音圈电机用于根据电流信号产生与所述减振平台台面竖直运动方向相反的力；

所述水平音圈电机一端与所述减振平台台面相连，一端与所述减振平台底座相连，与所述减振平台台面平行，所述竖直音圈电机用于根据电流信号产生与所述减振平台台面水平运动方向相反的力。

优选地，所述竖直音圈电机为两个，所述水平音圈电机为两个。

综上所述，本申请公开了一种三维主动减振控制系统，当需要进行三维主动减振时，首先反馈控制系统对三维主动减振装置输出的一个竖直方向和两个水平方向的三个维度的振动信号进行反馈运算，输出三个维度的反馈电压信号，然后压控电流模块将输出的三个维度的电压信号分别转换为三个电流信号，通过三个电流信号控制三维主动减振装置进行减振操作。本申请能够对测量得到平台上的振动进行计算，得到反馈信号，基于反馈信号驱动三维主动减振装置抵消残余的振动，来提高隔振效果，从而提高精密仪器的测量精度，相对于现有的被动隔振，其隔振能力大大增强，从而能够满足非常严苛的隔振需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请公开的一种三维主动减振控制系统的结构示意图；

图2为本申请公开的一种三维主动减振控制系统反馈控制算法的结构示意图；

图3为本申请公开的一种三维主动减振控制系统的水平力学原理示意图；

图4为本申请公开的一种三维主动减振控制系统的竖直力学原理示意图；

图5为本申请公开的一种三维主动减振控制系统的竖直方向减振效果对比图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，为本申请公开的三维主动减振控制系统，适用于隔除地面振动对高精密仪器的影响，包括：减振平台台面1，是三维主动减振系统中的重要隔震的元件；

振动测量模块2，用于测量一个竖直方向和两个水平方向的三个维度的振动；

反馈控制系统3，用于输入电压信号的反馈运算得到输出反馈电压信号；

人机交互模块4，用于监控、记录振动信号以及设置反馈参数；

压控电流源模块5，用于将电压信号转为电流信号驱动音圈电机；

竖直音圈电机6，用于产生与减振平台台面1竖直运动方向相反的力；

水平音圈电机7，用于产生与减振平台台面1水平运动方向相反的力；

主减振弹簧8，用于竖直方向的被动减振；

水平减振弹簧9，用于两个正交水平方向的被动减振；

被动减振平台底座10，用于固定竖直音圈电机6以及水平音圈电机7。

所述的减振平台台面1通过主减振弹簧8和水平减振弹簧9与被动减振平台底座10相连，实现一个竖直两个水平共三个维度的被动减振，完成对减振平台台面1的初步减振。

所述的振动测量模块2刚性固定在减振平台台面1上，振动测量模块2测量并输出一个竖直和两个水平共三个正交方向的振动，这三个维度的信号进入反馈控制系统3。反馈控制系统3利用三个维度的输入信号进行反馈运算得到三个维度的反馈信号，人机交互模块4设置反馈控制系统3中反馈运算模块中的反馈参数，同时监控并实时存储当前的振动信号。反馈控制系统3输出三个维度的电压信号，通过压控电流源模块5分别转换成对应于三个维度的电流信号驱动竖直音圈电机6与水平音圈电机7产生三个维度的作用力来抵消残余的振动。

所述的反馈控制系统3包含低噪声电压放大模块、模数转换模块、反馈运算模块以及数模转换模块。三个维度的信号进入反馈控制系统3后首先由低噪声电压放大模块对三个方向的信号分别进行低噪声电压放大，然后经过模数转换模块分别转换成数字信号送入反馈运算模块，反馈运算模块会利用反馈控制算法对三个方向的输入信号进行反馈运算从而得到三个输出信号，三个输出数字信号经过数模转换模块分别转换成三个电压信号输出。

如图2所示，为所述的反馈控制算法结构图，所述的反馈控制算法有三路输入信号输入1、输入2、和输入3分别标记为u₁、u₂、u₃，其频域表示分别为U₁、U₂、U₃，以及三路输出信号输出1、输出2、和输出3分别标记为v₁、v₂、v₃，其频域表示分别为V₁、V₂、V₃。输入1和输出1分别对应于竖直方向的输入信号和反馈输出信号。输入2和输出2分别对应于水平方向的输入信号和反馈输出信号。输入3和输出3分别对应于与输入2正交的水平方向的输入信号和反馈输出信号。图中的高通滤波器1-5分别标记为H₁、H₂、H₃、H₄、H₅，低通滤波器1-2分别标记为L₁、L₂，耦合系数1-3分别标记为α₁、α₂、α₃，反馈增益1-4分别标记为A₁、A₂、A₃、A₄。地面振动中对高精密仪器产生影响的主要为竖直成分，竖直振动是主动减振抑制的主要目标，这要求输出1的反馈信号对振动有更强的抑制效果，所述反馈控制算法中利用两路反馈信号相加来实现更强的反馈抑制效果。输出2的反馈信号与输出3的反馈信号各只包含一路反馈信号。

本申请的水平方向的理论原理示意图，如图3所示，水平方向的力学方程如下：

减振平台台面1与振动测量模块2的总质量为m，水平减振弹簧9的刚度为k_x、阻尼系数为c_x，减振平台台面1水平方向的位移为x，被动减振平台底座10水平方向的位移为x_g，由于被动减振平台底座10直接放置于地面上，所以其位移即代表地面的振动，水平音圈电机7施加到减振平台台面1的力为F_x。当F_x与

成比例时，就相当于改变了力学体系的阻尼，而当F_x与

的积分项成比例时，就相当于改变了力学体系的本征频率。

所述反馈控制系统水平方向的反馈控制算法为水平的信号经过一个高通滤波器，再乘以增益系数得到，此高通滤波器用于滤除振动测量模块2输出信号低频段的虚假信号，可以根据特定的振动测量模块调节此截止频率，水平反馈控制算法为：

V₂＝A₃H₄U₂

V₃＝A₄H₅U₃

本申请的竖直方向的理论原理示意图，如图4所示，竖直方向的力学方程如下：

减振平台台面1与振动测量模块2的总质量为m，竖直方向的主减振弹簧8的刚度为k_z、阻尼系数为c_z，减振平台台面1竖直方向的位移为z，被动减振平台底座10竖直方向的位移为z_g，由于被动减振平台底座10直接放置于地面上，所以其位移即代表地面的振动，音圈电机施加到减振平台台面1的力为F_z。反馈控制算法就是通过测量到的

来控制力F_z来实现反馈控制的目的，当F_z与

成比例时相当于改变了体系的阻尼系数c_z，当F_z与

的积分成比例时相当于改变了体系的本征频率，而当F_z为

以及

的高阶导数或积分的组合时就可以实现更复杂的控制。

所述反馈控制系统竖直方向的反馈控制算法由如下的两路反馈信号组成：

第一路反馈信号为将一路竖直信号，两路正交的水平信号分别乘以各自系数以后相加再经过一个高通滤波器，再乘以增益系数得到，即为A₂H₃(α₁U₁+α₂U₂+α₃U₃)。特别要说明的是当不将水平信号耦合到竖直方向而单独对竖直方向进行高增益的反馈控制时发现水平方向与竖直方向会产生低频的振荡并会相互激发导致反馈崩溃，这说明被动平台机械方面水平与竖直方向上的振动耦合会导致三个方向的相互影响，为了解决这个问题，所述反馈控制算法中除了直接将竖直信号滤除低频虚假成分反馈回去的信号A₂H₃α₁U₁，还加上了水平的成分A₂H₃(α₂U₂+α₃U₃)，该项的作用主要有两个，一是在水平低频起振以后马上反馈到竖直方向，压制竖直方向的低频起振信号从而切断水平方向与竖直方向低频振荡的相互激发从而保证了反馈系统的稳定，二是利用测量的三个维度的信号的线性组合来得到相应于反馈力方向的振动从而达到更好的振动抑制效果；

第二路反馈信号为将一路竖直信号分别通过两个高通滤波器，两个低通滤波器后，再乘以增益系数得到，即为A₁L₂L₁H₂H₁U₁，该信号利用两个高通滤波器和两个低通滤波器组成一个带通滤波器来进一步压制某一个特定频段的振动，从而取得更好的减振效果；

最终的竖直反馈信号为两路信号相加，即为：

V₁＝A₂H₃(α₁U₁+α₂U₂+α₃U₃)+A₁L₂L₁H₂H₁U₁

下面用一个具体的实施例来进一步阐述本实用新型。需要说明的是在这个实施例中出现的数值并不限制本实用新型的范围，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

在一个具体的实施例中，本申请使用了下述参数实施反馈控制，下面表格为本实施例水平方向上滤波器所用的具体的参数：

滤波器	增益	截止频率(Hz)
			H<sub>4</sub>	10	0.1
H<sub>5</sub>	10	0.1

水平反馈系数A₃＝0.03，A₄＝0.03。

下面表格为本实施例竖直方向上滤波器所用的具体的参数：

反馈系数A₁＝0.09，A₂＝11，耦合系数α₁＝1，α₂＝0.01，α₃＝0.01。

运用如上参数值运行所述三维主动减振系统以后，对其环境振动的隔除能力进行了对比。

如图5所示，为所述三维主动减震控制系统竖直方向减振效果对比图。用地面上、被动平台上不运行反馈控制系统以及被动平台上运行反馈控制系统测量得到的振动信号作出了功率谱密度的比较图，其横坐标为地面振动的频率，纵坐标代表对应频率处振动的强度。从图中可以看到，本申请对地面振动具有非常好的隔离效果，特别是对于0.1到10Hz的地面振动，本申请更是将其抑制了约3到4个数量级。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，

而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种三维主动减振控制系统，其特征在于，应用于三维主动减振装置，所述系统包括：

反馈控制系统和压控电流源模块，所述反馈控制系统的信号输入端与所述三维主动减震装置的振动信号输出端电连接，所述反馈控制系统的信号输出端与所述压控电流源模块的信号输入端电连接，所述压控电流源模块的信号输出端与所述三维主动减振装置的控制信号输入端电连接；其中，

反馈控制系统，用于对所述三维主动减振装置输出的一个竖直方向和两个水平方向的三个维度的振动信号进行反馈运算，输出三个维度的电压信号；

压控电流源模块，用于将所述电压信号转换为电流信号，所述电流信号用于所述三维主动减振装置减振。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

人机交互模块，用于设置反馈参数。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述反馈控制系统包括：

低噪声电压放大模块，用于对所述三维主动减振装置输出的一个竖直方向和两个水平方向的三个维度的振动信号分别进行低噪声电压放大；

模数转换模块，用于将经过低噪声电压放大后的信号转换成数字信号；

反馈运算模块，用于基于设置的所述反馈参数，对所述数字信号进行反馈运算，得到三个输出信号；

数模转换模块，用于将所述三个输出信号转换成三个电压信号输出。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述人机交互模块，还用于：

监控和/或记录振动信号。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述三维主动减振装置包括：减振平台台面、振动测量模块、竖直音圈电机、水平音圈电机、主减振弹簧、水平减振弹簧和减振平台底座；其中：

所述减振平台台面通过所述主减振弹簧和所述水平减振弹簧与所述减振平台底座相连；

所述振动测量模块固定在所述减振平台台面上，所述振动测量模块用于测量并输出一个竖直方向和两个水平方向的三个维度的振动信号；

所述主减振弹簧一端与所述减振平台台面相连，一端与所述减振平台底座相连；

所述竖直音圈电机一端与所述减振平台台面相连，一端与所述减振平台底座相连，与所述减振平台台面垂直，所述竖直音圈电机用于根据电流信号产生与所述减振平台台面竖直运动方向相反的力；

所述水平音圈电机一端与所述减振平台台面相连，一端与所述减振平台底座相连，与所述减振平台台面平行，所述竖直音圈电机用于根据电流信号产生与所述减振平台台面水平运动方向相反的力。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述竖直音圈电机为两个，所述水平音圈电机为两个。

Images