三轴向集成式惯性式作动系统及其作动方法与流程

本发明涉及一种振动与噪声控制领域，特别是一种三轴向惯性式作动系统及其作动方法。

背景技术：

随着科学技术的不断发展，航空航天、精密制造、医疗等领域的机械设备设计精度大幅提高，随之而来的是对设备振动控制效果更为严格的要求。传统的被动控制，如今已经无法满足现有精密设备对振动控制效果的要求，而具有低频控制效果好、适应性强、附加质量小等优势的主动控制技术被广泛采用。

振动主动控制的效果不仅与控制算法有关，还取决于执行器，执行器性能的好坏直接影响振动控制的效果。作动器是一种按照确定的控制律对控制对象施加控制力的执行器，是实施主动控制的关键部件，是主动控制系统的重要环节。目前，应用于主动控制领域的作动器主要有压电陶瓷作动器、电致伸缩陶瓷作动器、磁致伸缩合金作动器、形状记忆合金作动器、液体作动器和气体作动器等，但这些作动器或是输出位移、力较小，或是响应慢，或是需要强磁场、强电场，且适用场合单一。而电磁作动器具有输出力、位移较大，响应快，驱动电流小，适用场合多样等优点，在主动控制领域得到较快的发展。惯性式电磁作动器是电磁作动器的一种，不仅具有传统电磁作动器的优点，而且无需独立支撑，直接附加在受控对象上通过底壳激励提供作动力。惯性式电磁作动器这一特点，可以减少占用空间，使其在诸如汽车发动机减振、浮筏隔振等结构紧凑、安装空间有限的环境下具有比普通电磁作动器更广阔的应用前景。目前的惯性式作动器主要都是单向设计，无法适应多向振动控制的需求。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，特别是现有惯性式作动器不具备多向激励的能力，本发明提供一种三轴向惯性式作动系统及其作动方法，保证多向激励且作动器同步工作。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现。

本发明的一个方面，提出了一种三轴向惯性式作动系统，其包括，

壳体，其配置成可直接固定于作动对象上，

三向振动传感器，其配置成测取第一、第二和第三方向的振动信号，所述三向振动传感器设在壳体上，

控制器，其连接所述三向振动传感器，所述控制器基于所述振动信号生成控制信号，

功率放大器，其连接所述控制器，所述功率放大器放大所述控制信号，

第一、第二和第三惯性作动器，其分别布置在壳体的第一方向、第二方向和第三方向上，其基于所述控制信号分别朝第一、第二和第三方向经由壳体激励输出作动力。

优选的，在所述的三轴向惯性式作动系统中，所述三轴向惯性式作动系统还包括，

三向振动传感器输出接口，设在所述壳体上，配置成输出所述振动信号，

外部控制信号接口，设在所述壳体上，配置成接收外部控制器的外部控制信号；

所述作动系统通过所述三向振动传感器输出接口和所述外部控制信号接口可连接一外部控制器，所述外部控制器能够基于所述振动信号和/或设定命令生成外部控制信号，用于对所述作动系统进行调试。

优选的，在所述的三轴向惯性式作动系统中，第一、第二和/或第三惯性作动器包括固定部分和运动部分，其中，

所述固定部分包括，

线圈架，其设在壳体上，

线圈，其支承在所述线圈架上，

端盖，其连接所述壳体以形成大致封闭的固定部分，

所述运动部分包括设在固定部分内闭合磁路和质量弹性系统，其中，导磁筒、永磁体和导磁板形成两个上下对称的闭合磁路，每个磁路均存在环形气隙，导杆和固定在固定部分的片状弹簧组成质量弹性系统，当线圈位于环形气隙中且通有交变电流时，经由导杆固定的导磁筒、永磁体、导磁板在电磁反力的作用下沿轴向作往复运动使得质量弹性系统作动，质量弹性系统经由壳体激励输出作动力。

优选的，在所述的三轴向惯性式作动系统中，第一、第二和/或第三惯性作动器包括动圈式或动铁式结构，所述外部控制器包括调试接口、调试单元和显示单元。

优选的，在所述的三轴向惯性式作动系统中，控制器和/或外部控制器包括信号调理单元和自适应反馈控制单元，所述自适应反馈控制单元基于三向振动传感器实时测量的振动信号调整控制信号和/或外部控制信号。

优选的，在所述的三轴向惯性式作动系统中，第一、第二和/或第三惯性作动器基于所述控制信号分别同步组合以在多向上输出作动力。

优选的，在所述的三轴向惯性式作动系统中，三向振动传感器、控制器和功率放大器集成为第一模块化部件，其中，控制器与功率放大器集成为模块化板卡，所述第一模块化部件上设有电源接口和风扇，第一、第二和第三惯性作动器为分别为邻接所述第一模块化部件的第二、第三和第四模块化部件。

优选的，在所述的三轴向惯性式作动系统中，第一、第二、第三和第四模块化部件经由连接件形成立方体结构。

优选的，在所述的三轴向惯性式作动系统中，三向振动传感器包括三向加速度传感器，所述功率放大器为d类功率放大器，所述第一、第二和第三方向分别为x、y、z轴向方向，所述导磁筒中间厚度大于导磁筒侧壁的厚度以及大于导磁体的厚度，所述线圈上设有导线和可插入电源的插头，所述端盖设有通过导杆的通孔，所述线圈架一端固定在壳体上，一端位于闭合磁路的气隙中。

本发明的另一方面，提出了一种利用所述的三轴向惯性式作动系统的作动方法步骤包括：

第一步骤(s1)中：三轴向惯性式作动系统经由壳体直接固定于作动对象上；

第二步骤(s2)中：三向振动传感器测取第一、第二和第三方向的振动信号，基于所述振动信号生成控制信号，所述功率放大器放大所述控制信号；

第三步骤(s3)中：第一、第二和第三惯性作动器基于所述控制信号分别朝第一、第二和第三方向经由壳体激励输出作动力，或者第一、第二和/或第三惯性作动器基于所述控制信号分别同步组合以在多向上输出作动力。

本发明将惯性式作动器设计为具备三个惯性作动部件独立工作，既可为三个正交方向独立提供作动力，也可以联合实现任意方向的作动力合成。本发明还包含集成控制系统，将功率放大器、信号调理器、控制器、反馈传感器等全部集成在一个装置内部，在仅需外部提供驱动电源的情况下，自主实现复杂环境多向振动的检测与控制。本发明通过与受控对象刚性连接进行安装使用，通过感知受控对象传递给其的振动，计算出合适的驱动信号，驱动作动部件产生反相振动抵消受控对象的振动。本发明具备一次安装，自主控制多向振动，无需额外支撑，无需人工干预等优点。

本发明包含三个独立的惯性作动部件，惯性作动部件分别朝向x、y、z三个方向，均可利用电磁作用提供作动力，由控制器进行独立控制或联合控制。每个惯性作动部件均包含外壳、导磁板、永磁体、导杆、线圈、弹簧等主要结构，根据需要可设计为动圈式或动铁式。当接入电源后，线圈内会通入交变电流，在磁场中受到电磁力的作用，作用力使部分结构作往复运动。同时，运动部件产生反作用力，通过底壳激励受控对象，提供作动力。

本发明包含集成控制系统，由三向传感器、功率放大器、控制器(包含信号调理)等组成。该控制系统可以通过内置三向传感器获取振动信号(如加速度信号等)，并将振动信号传送到内置控制器。控制器根据设定的控制目标，对振动信号进行处理，输出控制信号。控制信号经d类功率放大器进行放大，控制惯性作动部件输出相应的作动力。此外，还可以通过传感信号接口将内置三向传感器获取的振动信号传输到外部控制器，外部控制器经过计算输出外部控制信号，由外部控制信号接口输入，调试所述作动系统。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。

在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的三轴向惯性式作动系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的三轴向惯性式作动系统的使用外部控制器的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的三轴向惯性式作动系统的惯性作动器的内部结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的三轴向惯性式作动系统的集成控制器模块化示意图；

图5是根据本发明一个实施例的三轴向惯性式作动系统的集成控制逻辑示意图；

图6是根据本发明一个实施例的三轴向惯性式作动系统的集成控制算法示意图；

图7是根据本发明一个实施例的三轴向惯性式作动系统的安装模式示意图；

图8是根据本发明一个实施例的利用三轴向惯性式作动系统的作动方法步骤示意图。以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图1至附图8更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

为了更好地理解，图1是根据本发明一个实施例的三轴向惯性式作动系统的结构示意图，如图1所示，三轴向惯性式作动系统包括，

壳体5，其配置成可直接固定于作动对象上，

三向振动传感器10，其配置成测取第一、第二和第三方向的振动信号，所述三向振动传感器设在壳体5上，

控制器11，其连接所述三向振动传感器10，所述控制器11基于所述振动信号生成控制信号，

功率放大器12，其连接所述控制器11，所述功率放大器12放大所述控制信号，

第一、第二和第三惯性作动器13、14、15，其分别布置在壳体5的第一方向、第二方向和第三方向上，其基于所述控制信号分别朝第一、第二和第三方向经由壳体5激励输出作动力。

本发明所述的三轴向惯性式作动系统的优选实施例中，图2是根据本发明一个实施例的使用三轴向惯性式作动系统的使用外部控制器的结构示意图，如图所示，所述三轴向惯性式作动系统还包括，

三向振动传感器输出接口，设在所述壳体上，配置成输出所述振动信号，

外部控制信号接口，设在所述壳体上，配置成接收外部控制器的外部控制信号；

所述作动系统通过所述三向振动传感器输出接口和所述外部控制信号接口可连接一外部控制器，所述外部控制器能够基于所述振动信号和/或设定命令生成外部控制信号，用于对所述作动系统进行调试。

本发明为使用外部控制器预留必要的信号交互接口，即所述三向振动传感器输出接口和外部控制信号接口。所述作动系统通过所述三向振动传感器输出接口和所述外部控制信号接口可连接一外部控制器，所述外部控制器能够基于所述振动信号和/或设定命令生成外部控制信号，用于对所述作动系统进行调试。使用外部控制器对作动系统进行调试时，集成控制器不工作或只进行信号监视不进行控制。使用外部控制器的目的在于使得使用者可以快速进行系统调试或使用自己已有的控制器。

本发明所述的三轴向惯性式作动系统的优选实施例中，图3是根据本发明一个实施例的三轴向惯性式作动系统的惯性作动器的内部结构示意图，如图所示，第一、第二和/或第三惯性作动器包括固定部分和运动部分，其中，

所述固定部分包括，

线圈架6，其设在壳体5上，

线圈7，其支承在所述线圈架6上，

端盖9，其连接所述壳体5以形成大致封闭的固定部分，

所述运动部分包括设在固定部分内闭合磁路和质量弹性系统，其中，导磁筒1、永磁体2和导磁板4形成两个上下对称的闭合磁路，每个磁路均存在环形气隙，导杆3和固定在固定部分的片状弹簧8组成质量弹性系统，当线圈7位于环形气隙中且通有交变电流时，经由导杆3固定的导磁筒1、永磁体2、导磁板4在电磁反力的作用下沿轴向作往复运动使得质量弹性系统作动，质量弹性系统经由壳体5激励输出作动力。

本发明所述的三轴向惯性式作动系统的优选实施例中，第一、第二和/或第三惯性作动器包括动圈式或动铁式结构，所述外部控制器包括调试接口、调试单元和显示单元。

本发明所述的三轴向惯性式作动系统的优选实施例中，控制器和/或外部控制器包括信号调理单元和自适应反馈控制单元，所述自适应反馈控制单元基于三向振动传感器实时测量的振动信号调整控制信号和/或外部控制信号。

本发明所述的三轴向惯性式作动系统的优选实施例中，第一、第二和/或第三惯性作动器基于所述控制信号分别同步组合以在多向上输出作动力。

本发明所述的三轴向惯性式作动系统的优选实施例中，三向振动传感器、控制器和功率放大器集成为第一模块化部件，其中，控制器与功率放大器集成为模块化板卡，所述第一模块化部件上设有电源接口和风扇，第一、第二和第三惯性作动器为分别为邻接所述第一模块化部件的第二、第三和第四模块化部件。

本发明所述的三轴向惯性式作动系统的优选实施例中，第一、第二、第三和第四模块化部件经由连接件形成立方体结构。

本发明所述的三轴向惯性式作动系统的优选实施例中，三向振动传感器包括三向加速度传感器，所述功率放大器为d类功率放大器，所述第一、第二和第三方向分别为x、y、z轴向方向，所述导磁筒中间厚度大于导磁筒侧壁的厚度以及大于导磁体的厚度，所述线圈上设有导线和可插入电源的插头，所述端盖设有通过导杆的通孔，所述线圈架一端固定在壳体上，一端位于闭合磁路的气隙中。

为了进一步理解本发明，在一个实施例中，三轴向惯性式作动器及其集成控制系统包括三个惯性作动部件和一个集成控制系统。三个惯性作动部件分别沿x、y、z轴向布置，可以分别为三个轴向独立提供作动力或联合提供多向作动力。集成控制系统用于获取振动信号(如加速度信号)，并通过控制器输出控制信号，对三个惯性作动部件进行控制。

在一个实施例中，三个惯性作动部件的结构为对称动铁式，包含导磁筒1、永磁体2、导杆3、导磁板4、壳体5、线圈架6、线圈7、片状弹簧8、端盖9。其中，壳体5、线圈架6、线圈7、端盖9构成惯性作动部件固定部分，通过底壳固定在受控对象上。导磁筒1、永磁体2、导杆3、导磁板4、片状弹簧8构成惯性作动部件运动部分，通过片状弹簧8与固定部分连接。当惯性作动部件工作时，线圈7内通入交变电流，在磁场中受到电磁力作用，使运动部分作往复运动，反作用力经壳体作用在受控对象上，提供作动力。

在一个实施例中，图4是根据本发明一个实施例的三轴向惯性式作动系统的集成控制器模块化示意图，如图4所示，本发明的三轴向惯性式作动器及其集成控制系统的集成控制系统设计成为模块化板卡，主要包含内置三向加速度传感器、控制器(包含信号调理)、三个d类功率放大器、电源接口、传感信号接口、控制信号接口、调试接口和散热风扇等。其中控制器、信号调理、调试接口和传感信号接口集成到控制器板卡，d类功率放大器与控制信号接口集成到d类功率放大器板卡。可插拔的模块化板卡设计可方便进行更换和调试。

在一个实施例中，图5是根据本发明一个实施例的三轴向惯性式作动系统的集成控制的示意图，集成控制系统的信号传递关系如图5所示，内置三向加速度传感器测取三个方向振动加速度信号，并将振动加速度信号传送到内置控制器。内置控制器根据振动加速度信号和设定目标输出控制信号，分别经过三个d类功率放大器放大，对三个轴向惯性作动部件进行控制。

在一个实施例中，图6是根据本发明一个实施例的三轴向惯性式作动系统的集成控制算法示意图，控制器中控制算法采用自适应反馈控制，信号传输过程如图6所示，其中d为振源在测量点产生的振动信号，d1为d的估计，e为测量点的测量信号。首先辨识次级通道s，构建次级通道模型s1。其次，测得误差信号e，将其与次级通道模型输出相减得到d1，d1经控制器分别输入次级通道和次级通道模型，经过次级通道的输出与d叠加得到e，经过次级通道模型的输出与e相减得到d1。最后，自适应算法根据输入e和d1，调整控制器。当控制器满足w＝-1/s1，此时误差信号e理论值为零，振动控制效果最佳。

在一个实施例中，本发明的三轴向惯性式作动器及其集成控制系统的集成控制系统还可以接入外部控制器实现主动控制。通过传感信号接口将测得的振动加速度信号输出到外部控制器，外部控制器根据传感信号和设定目标进行计算输出控制信号，控制信号通过控制信号接口输入，经三个d类功率放大器放大后，分别对三个惯性作动部件进行控制。

在一个实施例中，图7是根据本发明一个实施例的三轴向惯性式作动系统的安装模式示意图，如图7所示，本发明的三轴向惯性式作动器及其集成控制系统整体结构设计成模块化，并且通过固定配件进行固定并与受控对象连接。其中，惯性作动部件与集成控制系统为模块化部件，在其八个顶点分别铣去一个立方体结构，并加工一个螺纹孔。此外，固定配件分为三种，按照通孔数量可称为两孔配件、三孔配件和四孔配件。在作动器上端面，四孔配件用于作动器中央固定连接四个相邻模块化部件，两孔配件用于作动器边缘固定连接两个相邻模块化部件。而在作动器下端面，同样选用四孔配件用于作动器中央固定连接四个相邻模块化部件。而在作动器边缘则选用三孔配件固定连接两个相邻模块化部件，这样共留出四个通孔用于与受控对象连接。配件与模块化部件间的连接方式为螺钉连接，配件与受控对象的连接方式为螺栓连接。

图8是根据本发明一个实施例的利用三轴向惯性式作动系统的作动方法步骤示意图，一种利用所述的三轴向惯性式作动系统的作动方法步骤包括：

第一步骤s1中：三轴向惯性式作动系统经由壳体直接固定于作动对象上；

第二步骤s2中：三向振动传感器测取第一、第二和第三方向的振动信号，基于所述振动信号生成控制信号，所述功率放大器放大所述控制信号；

第三步骤s3中：第一、第二和第三惯性作动器基于所述控制信号分别朝第一、第二和第三方向经由壳体激励输出作动力，或者第一、第二和/或第三惯性作动器基于所述控制信号分别同步组合以在多向上输出作动力。

在一个实施例中，三轴向惯性式作动器及其集成控制系统工作步骤如下：首先，利用固定配件将三个惯性作动部件、集成控制系统通过螺钉连接，并将固定配件与受控对象通过螺栓固定连接。其次，为三轴向惯性式作动器及其集成控制系统提供电源，惯性作动部件在电磁作用下开始工作。最后，内置三向加速度传感器测量振动加速度信号，并将振动加速度信号传送到内置控制器(或经传感信号接口传送到外接控制器)，控制器根据振动加速度信号计算输出控制信号(外接控制器将控制信号经控制信号接口输入)，控制信号经过三个d类功率放大器放大，分别对三个惯性作动部件进行控制，通过底壳激励输出相应的作动力。

本发明具备一次安装，自主控制多向振动，无需额外支撑，无需人工干预的优点。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。