一种基于音圈作动器的超静主动隔振平台及方法技术

本发明专利技术公开了一种基于音圈作动器的超静主动隔振平台及方法，包括下平台、上平台、8个音圈作动器；其中下平台通过底板固连在空间站上，上平台通过8个音圈作动器悬浮在下平台上；每个音圈作动器配合安装一个弹簧，进行约束限位；每个音圈作动器上同轴安装个1个加速度计，实时测量上平台载荷的加速度信息，音圈作动器和弹簧组成的8根支腿通过抗饱和控制算法进行主被动隔振控制，以实现上平台光电载荷的超静环境。本发明专利技术在保证相同隔振效果的同时能够避免控制电压长时间饱和且更平稳不易漂移，进而保证空间科学实验光学设备能够长时间运行。保证空间科学实验光学设备能够长时间运行。保证空间科学实验光学设备能够长时间运行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于音圈作动器的超静主动隔振平台及方法


[0001]本专利技术属于隔振控制
，具体涉及一种超静主动隔振平台及方法。

技术介绍

[0002]当前我国已进入探索空间的时代，以空间站为主要平台开展各类空间科学实验，然而由于宇航员活动、太阳帆板运动等各种扰动源的存在，使得空间站微振动环境问题突出，尤其是对于振动极为敏感的光电设备科学实验，需要μg量级微振动水平。而空间站在1Hz～100Hz的微振动加速度水平在mg量级，因此必须对光电设备进行隔振。由于被动隔振装置只能对频率大于其系统基频√2倍的扰动有抑制效果，对于空间站内1Hz～10Hz的低频振动，如只使用被动隔振装置进行振动抑制，将使系统的基频变得非常低，进而使系统刚度变得很低，难以对光电设备进行有效的支撑与防护，不能为光电设备提供稳定安全的工作环境。因此，随着航空航天领域高精度设备的应用，传统的被动隔振方法已不能满足要求。为了抑制低频区域的微振动，许多研究人员致力于研究超静主动隔振平台，从而满足超静微振动环境的性能要求。
[0003]超静主动隔振平台的控制方法通常采用经典的PID控制等，为了快速的抑制外界振动激励，需要尽可能地增加音圈作动器的作用力，但与之带来的负面影响就是主动隔振控制过程中会出现积分饱和现象，导致控制器出现较大的超调量，控制电压不稳定，且易出现长时间饱和现象，进而对空间科学实验的顺利开展带来负面影响。为了有效地抑制低频区域的微振动，且长时间为空间科学实验光电设备提供超静超稳的工作环境，许多研究人员致力于研究超静主动隔振控制抗饱和方法。<br/>
技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于音圈作动器的超静主动隔振平台及方法，包括下平台、上平台、8个音圈作动器；其中下平台通过底板固连在空间站上，上平台通过8个音圈作动器悬浮在下平台上；每个音圈作动器配合安装一个弹簧，进行约束限位；每个音圈作动器上同轴安装个1个加速度计，实时测量上平台载荷的加速度信息，音圈作动器和弹簧组成的8根支腿通过抗饱和控制算法进行主被动隔振控制，以实现上平台光电载荷的超静环境。本专利技术在保证相同隔振效果的同时能够避免控制电压长时间饱和且更平稳不易漂移，进而保证空间科学实验光学设备能够长时间运行。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0006]一种基于音圈作动器的超静主动隔振平台，包括顶板、上平台、安装凸耳、底板、推杆支撑块、单轴加速度传感器、控制单元、锁紧释放装置和音圈作动器；
[0007]所述安装凸耳设置在底板上，通过安装凸耳将底板固定在空间站上；所述上平台设置在底板上方；所述顶板安装在上平台上方；
[0008]所述锁紧释放装置有多个，均固定在底板上；所述锁紧释放装置用于将上平台与顶板锁紧，使上平台不能在太空中处于悬浮状态；当锁紧释放装置解锁时，上平台在太空中
处于悬浮状态；
[0009]所述推杆支撑块有两个，以底板中轴线为对称轴安装在底板上；
[0010]所述音圈作动器有8个，其中4个音圈作动器竖直放置在上平台的孔内；另外4个音圈作动器水平放置，其中2个水平放置的音圈作动器分别与一个推杆支撑块成90度角的两个侧面接触，音圈作动器的中心轴与推杆支撑块的侧面垂直，另外2个水平放置的音圈作动器分别与另一个推杆支撑块成90度角的两个侧面接触，音圈作动器的中心轴与推杆支撑块的侧面垂直；
[0011]每个音圈作动器端部安装一个弹簧，进行约束限位，音圈作动器和弹簧构成一个支腿；每个音圈作动器同轴安装1个单轴加速度传感器；
[0012]所述主动隔振平台在轨运行时，锁紧释放装置解锁，8个单轴加速度传感器测量得到扰动在加速度传感器轴向的加速度值，送入控制单元，经过隔振控制方法计算得到8个音圈作动器的控制信号，音圈作动器收到控制信号后产生沿轴向的控制力，8个音圈作动器共同作用，实现对上平台光电载荷在水平正交两个方向及竖直方向加速度扰动的振动控制。
[0013]优选地，所述底板上设置一个三轴加速度传感器，测量底板加速度值，用于进行隔振性能评估。
[0014]优选地，所述上平台上设置电源与信息接口，用于给主动隔振平台提供电源，以及进行传感器信号和控制信号的传输。
[0015]优选地，所述顶板上设置光学载荷结构安装孔，用于安装光学载荷。
[0016]优选地，所述上平台侧面设置封装版和连接板，用于封闭主动隔振平台。
[0017]优选地，所述主动隔振平台内设置横梁，用于增强稳定性。
[0018]一种基于音圈作动器的超静主动隔振方法，包括如下步骤：
[0019]步骤1：建立主动隔振平台动力学模型，如公式(1)所示
[0020][0021]式中M
p
为惯性矩阵，F为支腿的输出力矢量，J
p
和J
b
分别是上平台和下平台的雅克比矩阵，x
p
和x
b
分别是上平台和下平台的广义坐标，C为作动器阻尼矩阵，K为作动器刚度矩阵；所述下平台包括锁紧释放装置和三轴加速度传感器；
[0022]步骤2：主动隔振平台采用闭环反馈控制，被控对象是上平台的光电载荷；所述控制单元包括处理器、PID控制器、电机和驱动器；
[0023]步骤3：单轴加速度传感器采集各个支腿的实际加速度，处理器计算实际加速度和0之间的差值，得到各个支腿的加速度偏差；
[0024]步骤4：将各个支腿的加速度偏差分别输入PID控制器，PID控制器执行抗饱和控制算法进行控制计算，得到各个支腿的控制电压，具体如下：
[0025][0026][0027][0028]式中e
i
(.)是偏差输入项，K
Pi
是比例控制系数，K
Ii
是积分控制系数，K
Di
是微分控制系数，其中下标i对应支腿编号，K
Ci
是积分饱和控制系数，u
max
&gt;0是控制电压限幅，δ&gt;0是饱和区间调节增益，a
i
&gt;0是当前支腿采集加速度值，u
ctrlouti
为实际输出控制电压，sat(.)为取符号函数，e
ui
＝u
ctrli
‑
u
ctrlouti
；
[0029]步骤5：将各个支腿的控制电压发送给驱动器，驱动器驱动电机运转，带动音圈作动器动作从而抑制光学载荷的振动。
[0030]本专利技术的有益效果如下：
[0031]本专利技术隔振平台和控制方法在传统PID控制器基础上增加了一个饱和环节，可以由参数进行设定。饱和环节对积分饱和现象更加灵敏，在控制电压处于饱和边界范围时就开始调整控制量，从而起到预防控制电压长时间饱和的功能。相对于传统的PID控制器，本专利技术在保证相同隔振效果的同时能够避免控制电压长时间饱和且更平稳不易漂移，进而保证空间科学实验光学设备能够长时间运行。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于音圈作动器的超静主动隔振平台，其特征在于，包括顶板、上平台、安装凸耳、底板、推杆支撑块、单轴加速度传感器、控制单元、锁紧释放装置和音圈作动器；所述安装凸耳设置在底板上，通过安装凸耳将底板固定在空间站上；所述上平台设置在底板上方；所述顶板安装在上平台上方；所述锁紧释放装置有多个，均固定在底板上；所述锁紧释放装置用于将上平台与顶板锁紧，使上平台不能在太空中处于悬浮状态；当锁紧释放装置解锁时，上平台在太空中处于悬浮状态；所述推杆支撑块有两个，以底板中轴线为对称轴安装在底板上；所述音圈作动器有8个，其中4个音圈作动器竖直放置在上平台的孔内；另外4个音圈作动器水平放置，其中2个水平放置的音圈作动器分别与一个推杆支撑块成90度角的两个侧面接触，音圈作动器的中心轴与推杆支撑块的侧面垂直，另外2个水平放置的音圈作动器分别与另一个推杆支撑块成90度角的两个侧面接触，音圈作动器的中心轴与推杆支撑块的侧面垂直；每个音圈作动器端部安装一个弹簧，进行约束限位，音圈作动器和弹簧构成一个支腿；每个音圈作动器同轴安装1个单轴加速度传感器；所述主动隔振平台在轨运行时，锁紧释放装置解锁，8个单轴加速度传感器测量得到扰动在加速度传感器轴向的加速度值，送入控制单元，经过隔振控制方法计算得到8个音圈作动器的控制信号，音圈作动器收到控制信号后产生沿轴向的控制力，8个音圈作动器共同作用，实现对上平台光电载荷在水平正交两个方向及竖直方向加速度扰动的振动控制。2.根据权利要求1所述的一种基于音圈作动器的超静主动隔振平台，其特征在于，所述底板上设置一个三轴加速度传感器，测量底板加速度值，用于进行隔振性能评估。3.根据权利要求1所述的一种基于音圈作动器的超静主动隔振平台，其特征在于，所述上平台上设置电源与信息接口，用于给主动隔振平台提供电源，以及进行传感器信号和控制信号的传输。4.根据权利要求1所述的一种基于音圈作动器的超静主动隔振平台，其特征在于，所述顶板上设置光学载荷结构安装孔，用于安装光学载荷。5.根据权利要求1所述的一种基于音圈作动器的超静主动隔振平台，其特征在于，所述上平台侧面设置封装版和连接板，用于封闭主动隔振平台。6.根据权利要求1所述的一种基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，李青，刘磊，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：