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方案

本发明专利技术公开了一种压电主动隔振机构，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，第二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第二力传感器、弹簧波纹管、中间质量块、第二柔性铰链、压电执行器、第一力传感器、第一柔性铰链；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。本发明专利技术采用双级串联式悬置结构，有效的降低了结构的固有频率，能够有效的抑制精密设备中的微振动低频干扰。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。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。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。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术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。为实现上述目的，按照本专利技术，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：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；所述压电执行器和力传感器均与所述控制器连接；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；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。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。按照本专利技术的另一个方面，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，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；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；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。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。按照本专利技术的另一个方面，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；获得所述振动系统的传递率G1：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，ki为系统积分系数，s为拉普拉斯变换的变量；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。按照本专利技术的另一个方面，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；获得所述振动系统的传递率G4：其中，C0为靠近基础平台的第一级隔振单元的阻尼，K0为靠近基础平台的第一级隔振单元的刚度，C1为靠近负载平台的第二级隔振单元的阻尼，K1为靠近负载平台的第二级隔振单元的刚度，M0为中间质量块的质量，M1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，ki为系统积分系数，s为拉普拉斯变换的变量；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。总体而言，通过本专利技术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：(1)本专利技术采用压电执行器，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。(2)本专利技术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。(3)本专利技术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。附图说明图1(a)和图1(b)分别为本专利技术实施例1和实施例2的结构示意图；图2为本专利技术实施例1与对比例1、实施例2与对比例2的传递率曲线对比图；图3(a)为本专利技术实施例1的原理简图；图3(b)为本专利技术实施例2的原理简图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术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。实施例1参照图1(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；所述压电执行器和力传感器13a均与所述控制器连接；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；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。优选地本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：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；所述压电执行器和力传感器均与所述控制器连接；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；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。

【技术特征摘要】
1.一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、负载平台和压电主动隔振机构，所述压电主动隔振机构包括第一柔性铰链、压电执行器、力传感器、第二柔性铰链和控制器，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；所述压电执行器和力传感器均与所述控制器连接；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；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；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；获得所述振动系统的传递率G1：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，ki为系统积分系数，s为拉普拉斯变换的变量；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。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：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。3.一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，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、...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈学东，陶业英，李小清，王敏，明平光，李明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42