专利名称：机械移频式动力吸振器及控制方法
技术领域：
本发明涉及减振装置及控制方法，特别涉及利用机械原理进行移频的动力吸振器及控制方法。
背景技术：
传统的动力吸振器是对振动进行被动控制的一种主要执行件，具有结构简单、安装方便以及抑制单频振动效果显著等特点。但是这种动力吸振器通常其控制频带都很窄且不可调，所以一台吸振器通常只能对一个固定的激振频率的稳态振动进行减振。当被减振对象的激振频率偏离其控制频带，减振效果就会急剧劣化，甚至会变得更差。如果使用增加带宽的办法来解决，必将会使其变得非常粗笨而不可取。
CN96107066.8专利中公开了一种采用动力吸振器原理设计的动力吸振装置。该装置的减振带宽仍然较窄，如果采用增加阻尼或减振器重物质量以及采用多个减振重物质量的方式来解决，其效果将不尽人意。因为增加阻尼会降低减振效果，增加减振重物的质量和数目会使减振器变得粗笨，而且这些方法对减振带宽的增加值是非常有限的，一般仅有几个赫兹。CN 02131043.2专利中公开了一种磁流变液阻尼式动力吸振器及安装方法，它能够使用直线电动机、金属弹簧和磁流变液阻尼器来主动改变系统控制力和阻尼等参数来达到“最佳调谐”目的。但是这种控制方法较为复杂，因为它不仅需要推动直线电动机，消耗较多能量，并且根据吸振器原理，改变这些参数对动力吸振器的减振特性影响并不显著。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的不足，提供一种机械移频式动力吸振器及控制方法，它能根据减振对象的主振动频率，自动调节吸振器子系统自身的固有频率，从而在较宽的频率范围内都达到最佳的吸振效果。
本发明的目的通过以下方式实现。
本发明的机械移频式动力吸振器，包括机械装置和控制系统两部分，其特征在于，所述机械装置包括一个由螺杆、螺母构成的运动付，其中螺杆一端与电动机主轴连接，在该电动机机座上铰接有一弹性杆；所述螺母外缘上也铰接有一弹性杆，两根等长的弹性杆的另一端分别铰接在集中质量块的同一销轴上，使两根弹性杆和部分螺杆构成一个底边长可变的等腰三角形；在螺杆上还安装有一角度传感器(码盘)，该角度传感器以及安装在被减振对象上的加速度传感器均由导线与控制系统中的信号采集输入口导通。
在实际制作本吸振器时，所述集中质量块的质量可选择为被减震对象质量5％～60％；所述弹性杆的长度可根据具体安装位置的尺寸选定，通常可使弹性杆杆长l在安装位置尺寸的1/3-1/4范围内，并根据y1＝0.2l设定两弹性杆在螺杆上的最小跨距(即上述等腰三角形的最小底边长)y1的值，然后将被减振对象的主振动频率f1～f2，及上述选定的m、l、y1代入下列公式f1=y12πlk2mf2=y22πlk2m,]]>计算得到两弹性杆在螺杆上的最大跨距y2值及弹性杆的刚度系数k，最后由值y2来确定所需螺杆长度，根据刚度系数k确定合适的弹性杆。
以上式中，f1是适用的被减振对象的最小振动频率，f2是适用的被减振对象的最大振动频率，l为弹性杆长，m为集中质量块的质量。
本发明的机械移频式动力吸振器，为了保证整体结构的平衡，在实际制作时可以左右对称地布置两个完全一样的等腰三角形机构。
本发明的机械移频式动力吸振器的控制系统包括现有技术中使用的信号采集与预处理系统、数据分析和决策系统、后处理系统。其中，信号采集与预处理系统包括加速度传感器、角速度传感器及其相应的功率放大器。数据分析和决策系统包括A/D转换及运算决策器。后处理系统是指相应的驱动电路。
本发明的机械移频式动力吸振器的控制方法，包括首先将本吸振器机械装置中的电动机机座安装在被减振对象上，采集被减振对象上的加速度传感器的振动信号，输入到控制系统，控制系统分析得到被减振对象的主振动频率f；其特征在于，然后的步骤为(1)控制系统根据以下公式计算确定跨距y值(即两弹性杆在螺杆上的跨距，也即上述等腰三角形的底长)f=y2πlk2m]]>
其中，l为弹性杆杆长，m为集中质量块的质量，k为弹性杆的刚度系数，f为被减振对象的主振动频率；(2)控制系统将跨距y值转换成转动信号，并使电动机启动运行；(3)电动机带动螺杆旋转，使螺母上下移动，即改变两根弹性杆之间的跨距，直到跨距等于上述公式计算值y时，控制系统令电动机停止转动。
在实际使用中，如果被减振对象包含多个需要控制的基本振动频率，可以同时使用组合的多个吸振器，分别来控制每一个频率的振动。
本发明能通过调节吸振器固有频率，在较宽范围内跟踪减振对象的振动频率，始终达到最佳的减振效果。和传统的减振系统相比，具有以下显著优点1.吸振效果好，在被减振对象的振动频率基本稳定的情况下，可以有效控制减震对象的振动；2.由于二力杆跨距和系统固有频率之间的线性关系，本装置能够实现线性调频，便于设计控制律；3.减振频带较宽；4.消耗能量少，只要根据要求改变吸振器的几何参数，不需要提供能量来抵消振动能量；5.由于频率可调，使用较小的吸振质量也能达到需要的减振带宽，所以质量和体积较小；6.机械结构简单，因此系统可靠性高；而且由于是对常规的机械结构进行控制，所以控制方法容易；7.容易实现模块化，易于根据不同频段的减振要求组合使用多个吸振器。
下面通过实施例及其附图作进一步描述。
附图1为本发明的机械移频式动力吸振器的一种实施例的结构示意图。
附图2是附图1的吸振器中所述弹性杆的一种实施例的结构示意图。
附图3是将附图1的实施例使用于被减振对象的总体示意图。
具体实施例方式参见图1，螺杆1和螺母2构成一个螺杆螺母运动付。在螺杆1的下端部安装有用于测量螺杆转动角度的角速度传感器(码盘)6，该螺杆的下端头与电动机7的转轴固定连接，电动机的机座8固定安装在被减振对象上。集中质量块5通过两根弹性杆3和4分别与螺母2和电动机机座8相连，弹性杆件3的一端由销轴铰接在螺母2外缘上，弹性杆件4的一端由销轴铰接在电动机机座8上。两弹性杆3和4的另一端分别铰接在集中质量块5的中轴上，两根弹性杆3、4和螺杆1构成一个底边长可变的等腰三角形。当电动机7转动时，带动螺杆1旋转，由于螺杆螺母的啮合，使螺母2上下移动，则使两根弹性杆3和4之间的跨距y改变，即等腰三角形的底边长度改变。根据计算公式，吸振器的固有频率与跨距y成正比关系，随着跨距y的改变，该吸振器的固有频率也将随之改变。如果选择合适的y值，则该吸振器的固有频率将会被减振对象的主振动频率相同，从而达到最好的吸振效果。
为了保证整体结构的平衡，本实施例左右对称地布置两个完全一样的系统，使用计算公式时，其集中质量块的质量m应为单边质量块质量。
本实施例中，吸振器的参数为(1)单边质量块的质量为6kg，即m＝6kg，占被减震对象质量的24％；(2)l＝100mm；(3)初始跨据y1＝0.2l＝20mm；(4)被减振对象的主振动频率的变化范围20Hz～54Hz；(4)求解方程组，f1=y12πlk2mf2=y22πlk2m]]>得到k＝4.733MPa和最大跨据y2＝54mm，则选定螺杆长度为80mm，弹性杆的弹簧刚度为k＝4.733MPa。
参见图2，所述的弹性杆由中间的拉簧9及分设两边的圆柱体10、11构成，两圆柱体分别与拉簧的两端固连，两圆柱体的两外端均被加工成片状，并设有用于穿套销轴的孔，两内端均设有一段细圆柱，用于穿套拉簧。在实际使用中，所述的弹性杆也可以直接使用弧形的弹簧板来制作。
参见图3，图1所示的机械装置通过其电动机机座固定在被减振对象12上，16是设置在被减振对象12上的加速度传感器。角速度传感器6的转角信号和经电荷放大器13放大后的加速度传感器16采集的振动信号，分别经导线输送到主控制器14中，驱动电路15的输入端与主控制器14相连，它的输出端与电动机7连通。
其具体工作过程是首先将被减振对象12上的加速度传感器16的振动信号输入到主控制器14，主控制器14分析得到减振对象12的振动主频率f，并利用公式(1)计算出跨据值y；将该跨据值与吸振器初始跨据值进行比较，如果其大于初始值，则主控制器14给出+信号，控制驱动电路15输出正向电压，输出端和吸振器电动机7的输入端相连，使电动机7正转扭转螺杆，推动螺母增加跨距，一直到两值相同；如果其小于初始值，则主控制器14给出信号，控制驱动电路15输出反向电压，使电动机7反转缩小跨距，直到两值相同。两个跨据值相同后即可停止电动机7运转。
本实施例中，电动机7选用普通汽车用雨刷电机(江西瑞安市东大摩托车实业公司生产的永磁刮水器电机，型号12V，30W)；加速度传感器16为江苏省联能电子技术有限公司的CA-YD-107；主控制器14为TMS320F240型DSP电路，电荷放大器型号YE5858；驱动电路15为AS3952SB芯片。
权利要求
1.一种机械移频式动力吸振器，包括机械装置和控制系统两部分，其特征在于，所述机械装置包括一个由螺杆、螺母构成的运动付，其中螺杆一端与电动机主轴连接，在该电动机机座上铰接有一弹性杆；所述螺母外缘上也铰接有一弹性杆，两根等长的弹性杆的另一端分别铰接在集中质量块的同一销轴上，使两根弹性杆和部分螺杆构成一个底边长可变的等腰三角形；在螺杆上还安装有一角度传感器，该角度传感器以及安装在被减振对象上的加速度传感器均由导线与控制系统中的信号采集输入口导通。
2.如权利要求1所述的机械移频式动力吸振器，其特征在于，所述机械装置中左右对称地布置有两个完全一样的等腰三角形机构。
3.如权利要求1所述的机械移频式动力吸振器的控制方法，包括首先将本吸振器机械装置中的电动机机座安装在被减振对象上，采集被减振对象上的加速度传感器的振动信号，输入到控制系统，由控制系统分析得到被减振对象的主振动频率f；其特征在于，然后的步骤为(1)控制系统根据以下公式计算确定跨距y值f=y2πlk2m]]>其中，l为弹性杆杆长，m为集中质量块的质量，k为弹性杆的刚度系数，f为被减振对象的主振动频率；(2)控制系统将跨距y值转换成转动信号，并使电动机启动运行；(3)电动机带动螺杆旋转，使螺母上下移动，即改变两根弹性杆之间的跨距，直到跨距等于上述公式计算值y时，控制系统令电动机停止转动。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，被减振对象包含多个需要控制的基本振动频率时，同时使用组合的多个吸振器，分别来控制每一个频率的振动。
全文摘要
本发明涉及减振装置及控制方法，该吸振器包括机械装置和控制系统两部分，其机械装置包括一个由螺杆、螺母构成的运动副，螺杆与电动机主轴连接，在该电动机机座上铰接有一弹性杆；螺母外缘上也铰接有一弹性杆，两根等长的弹性杆的另一端分别铰接在集中质量块的同一销轴上，构成一底边长可变的等腰三角形；螺杆上的角度传感器及被减振对象上的加速度传感器均由导线与控制系统中信号采集输入口导通。其控制方法是先将被减振对象振动信号输入控制系统，分析得被减振对象主振动频率并计算跨距值，然后将跨距值转换成转动信号，使电动机带动螺杆旋转，改变两弹性杆跨距直到与计算值相同。本发明通过调节吸振器固有频率，在较宽范围内跟踪被减振对象的振动频率，达到最佳减振效果。
文档编号F16F15/06GK1978939SQ200510122949
公开日2007年6月13日 申请日期2005年12月6日 优先权日2005年12月6日
发明者李剑锋, 张先舟, 龚兴龙, 张培强 申请人:中国科学技术大学