一种压电主动隔振机构及其降低振动系统固有频率的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微振动抑制领域，更具体地，涉及一种压电主动隔振机构及其降低振 动系统固有频率的方法。
【背景技术】
[0002] 传统的被动隔振器由质量-弹簧-阻尼元件构成，由于其在低频振动传递率与高 频振动衰减率之间存在的固有矛盾，而无法满足精密微振动的隔振需求，因此迫切需要一 些新技术、新方法来改善这一现状。如卫星在轨运行期间，由于搭载设备正常工作会造成卫 星整体及局部幅度较小的往复运动，这些微振动是影响高精度遥感卫星指向精度和成像质 量等关键性能的主要因素。
[0003] 结构上，目前主流的微振动隔振器均采用被动隔振元件与主动执行器以一定连接 方式组合而成。如空气弹簧与音圈电机的主被动混合并联使用、膜片弹簧与音圈电机的主 被动混合串联使用等都手段都极大提高了这类精密减振器的低频减振与高频衰减能力。
[0004] 空气弹簧与音圈电机的主被动并联结构使得隔振器具有工作行程大、负载高和固 有频率低的特点，但其结构也较为复杂，空气弹簧需持续供气，音圈电机耗能大，且该机构 为软式结构，且空间设备发射时需要额外的锁定装置，以上因素制约了其在太空环境中的 应用。压电智能材料的应用为隔振器的设计开拓了新领域，其定位精度高且动态响应好，作 动行程较小，可应用于微动定位及振动抑制平台。采用压电陶瓷为执行器的主动隔振机构 多为硬式结构，空间设备发射时不需要锁定装置，大大扩大使用远景。但压电陶瓷刚度大， 导致结构固有频率较高，难以有效的衰减低频干扰，因此提出一种双层串联式压电主动执 行器结构，可以有效的衰减低频振动，提高多频段振动主动控制能力。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种压电主动隔振机构其降 低振动系统固有频率的方法，该主动隔振机构结构紧凑、安装简便，具有较低的固有频率， 能够有效的衰减微振动信号，是一种主、被动隔振元件混合使用的微振动隔振机构，其不仅 对高频振动干扰具有良好的高衰减率隔振效果，还能有效的实现低频共振抑制，隔离低频 振动，该主动隔振器可有效抑制卫星微振动，为遥感卫星高分辨率观测成像提供稳定的工 作环境。
[0006] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种压电主动隔振机构，其特征在于：包括 第一柔性铰链、压电执行器、力传感器、第二柔性铰链和控制器，其特征在于：
[0007] 所述第一柔性铰链的一端用于连接基础平台，其另一端依次连接所述压电执行 器、力传感器和第二柔性铰链，所述第二柔性铰链的另一端用于连接负载平台；
[0008] 所述压电执行器和力传感器均与所述控制器连接；
[0009] 所述力传感器用于检测负载平台的振动信号，并将振动信号传递给控制器，控制 器采用PI反馈控制方法控制压电执行器施加作用力在负载平台上，从而对负载平台进行 补偿以减小负载平台的振动；
[0010] 所述压电执行器包括压电单元及力放大机构，所述力放大机构用于放大压电单元 的输出力以减小负载平台的振动。
[0011] 优选地，所述控制器包括比例控制器和积分器，以保证控制器获得高增益，提高其 控制效果。
[0012] 按照本发明的另一个方面，还提供了一种压电主动隔振机构，其特征在于：包括第 一力传感器、弹簧波纹管、中间质量块、第一柔性铰链、压电执行器、第二力传感器、第二柔 性铰链和控制器，其中，
[0013] 所述第一力传感器的一端用于连接基础平台，其另一端依次连接所述弹簧波纹 管、中间质量块、第一柔性铰链、压电执行器、第二力传感器和第二柔性铰链，所述第二柔性 铰链的另一端用于连接负载平台；
[0014] 所述第一力传感器、压电执行器和第二力传感器均与所述控制器连接；
[0015] 所述第一力传感器和第二压力传感器分别用于检测基础平台和负载平台的振动 信号，并分别将检测的振动信号传递给控制器，以使控制器控制压电执行器施加作用力在 负载平台上，从而对负载平台进行补偿以减小负载平台的振动。
[0016] 优选地，所述控制器包括比例控制器和积分器，以保证控制器获得高增益。
[0017] 按照本发明的另一个方面，还提供了一种降低振动系统固有频率的方法，其特征 在于：所述振动系统包括基础平台、负载平台和隔振机构，其中，所述隔振机构的第一柔性 铰链与基础平台连接，所述第二柔性铰链与负载平台连接；
[0018] 获得所述振动系统的传递率G1:
[0020] 其中，C为系统阻尼，K为系统刚度，M为负载质量，即第二柔性铰链上所承载的物 体的质量，kp为控制器比例系数，k i为系统积分系数，s为拉普拉斯变换的变量；
[0021] 然后通过传递率获取系统的固有频率，则调节上述kp的值，能降低系统的固有频 率。
[0022] 按照本发明的另一个方面，还提供了一种降低振动系统固有频率的方法，其特征 在于：所述振动系统包括基础平台、负载平台和隔振机构，其中，所述隔振机构的第一力传 感器与基础平台连接，所述第二柔性铰链与负载平台连接；
[0023] 获得所述振动系统的传递率G4:
[0025] 其中，C。为靠近基础平台的第一级隔振单元的阻尼，K。为靠近基础平台的第一级 隔振单元的刚度，C1S靠近负载平台的第二级隔振单元的阻尼，K1S靠近负载平台的第二 级隔振单元的刚度，M。为中间质量块的质量，M i为负载质量，即第二柔性铰链上所承载的物 体的质量，kp为控制器比例系数，k i为系统积分系数，s为拉普拉斯变换的变量；
[0026] 然后通过传递率获取系统的固有频率，则调节上述kp的值，能降低系统的固有频 率。
[0027] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0028] (1)本发明采用压电执行器，压电执行器能够使主动隔振系统达到纳米级定位精 度，可有效应用于精密微振动抑制及隔离领域；加之压电执行器耗能小且为硬式结构，设备 发射时不需要额外的锁定装置，相比于音圈电机能够更为有效的在太空环境中使用，扩大 了使用场景。
[0029] (2)本发明设置了由中间质量块及弹簧波纹管构成的悬置系统，所组成的双层串 联式悬置系统能够有效的降低结构的固有平率，因此能有效的抑制精密设备中的微振动低 频干扰。
[0030] (3)本发明采用主被动隔振系统并联使用，主被动隔振系统混合使用可有效抑制 低频振动，在保证低频振动传递率，同时提供高频振动的高衰减性，因此能有效的抑制精密 设备中的振动干扰。
【附图说明】
[0031] 图I (a)和图I (b)分别为本发明实施例1和实施例2的结构示意图；
[0032] 图2为本发明实施例1与对比例1、实施例2与对比例2的传递率曲线对比图；
[0033] 图3(a)为本发明实施例1的原理简图；
[0034] 图3 (b)为本发明实施例2的原理简图。
【具体实施方式】
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0036] 实施例1
[0037] 参照图I (a)、图2和图3 (a)，一种压电主动隔振机构，包括第一柔性铰链12b、压电 执行器、力传感器13a、第二柔性铰链12a和控制器，所述第一柔性铰链12b的一端用于连接 基础平台16,其另一端依次连接所述压电执行器、力传感器13a和第二柔性铰链12a，所述 第二柔性铰链12a的另一端用于连接负载平台11 ;
[0038] 所述压电执行器和力传感器13a均与所述控制器连接；
[0039] 所述力传感器13a用于检测负载平台11的振动信号，并将振动信号传递给控制 器，控制器采用PI反馈控制方法控制压电执行器施加作用力在负载平台11上，从而对负载 平台11进行补偿以减小负载平台11的振动；
[0040] 所述压电执行器包括压电单元14及力放大机构15,所述力放大机构15用于放大 压电单元14的输出力以减小负载平台11的振动。
[0041] 优选地，所述控制器包括比例控制器和积分器，以保证控制器获得高增益，提高其 控制效果。
[0042] 将本隔振机构连接基础平台16和负载平台11后，就组成了振动系统，此振动系统 为单层主动系统。
[0043] 所述振动系统的传递率G1:
[0045] 其中，C为系统阻尼，K为系统刚度，M为负载质量，即第二柔性铰链12a上所承载 的物体的质量，kp为控制器比例系数，k i为系统积分系数，s为拉普拉斯变换的变量。
[0046] 然后通过传递率获取系统的固有频率，则调节上述kp的值，能降低系统的固有频 率。
[0047] 图3(a)所示为单层压电主动隔振单元的原理简图。第一柔性铰链和第二柔性铰 链可实现微小范围内的旋转，消除了传动过程中的空程和机械摩擦，提高了位移分辨率。力 传感器13a布置在第二柔性铰链与压电执行器之间，用于检测负载平台11上的微振动信 号，并将力信号传递给压电执行器做主动隔振单元输出力补偿。
[0048] 其中压力执行器施加在卫星平台上的控制力F。计算如下：
[0049] F0= (kp+ki/s)Mx1s2
[0050] 其中kp为PI主动控制中的比例系数，k i为积分系数，X i为负载平台的振动幅值， s为拉普拉斯变换的变量。
[0051] 对比例1