（测试计量技术及仪器专业论文）基于音圈电机的主动隔振技术研究.pdf

基于音圈电机的主动隔振技术研究 摘要 随着我国精密仪器应用的不断加强，其相关技术研究不断地深入与拓展。低频微 振动是其中极其重要的一个研究课题，它对精密仪表的正常工作有着重要的影响。世 界许多国家均高度重视，并投入大量的人力物力加以研究。在主动抗振领域，采用音 圈电机对低频微振动具有明显的优势。它具有结构简单、体积小、高速、高加速度、 响应快、线性力一行程优良等特性，在精密仪器及精密工业领域有着广泛地研究前景。 本文通过对国内外大量文献的参考和研究，采用了主动与被动相结合的混合振动 隔离系统，在以空气弹簧为被动隔振元件基础上，以音圈电机为主动隔振元件，引入 次级振源，进行了被动隔振性能的测试分析与主、被动混合隔振系统的设计与仿真、 分析。 文中针对隔离对象进行了混合隔振系统算法的研究，提出一套音圈电机应用到隔 振系统振动主动控制的方案，分别采用了先进的机电一体化p i d 控制算法、b p 神经 网络控制算法、小波分析算法，并利用m a t l a b 软件进行了仿真分析。仿真结果表 明，相对于被动隔振系统，加入主动控制的混合振动隔离系统的隔振性能得到了极大 的提高。 关键词：主动隔振音圈电机p i db p 神经网络小波分析 s t u d yo f a c t i v ev i br a t i o nc o n t r o l b a s e do nv o i c ec o i lm o t o r a b s t r a c t i nc o m p a n y 嘶t l ld e v e l o p m e n to fp r e c i s i o ni n s t r u m e n t ，t h ec o r r e l a t i o nt e c h n i q u e r e s e a r c hh a sc o n t i n u a l l ys p e c i a l i z e d a tt h es a m et i m et h ea p p l i c a t i o no fp r e c i s i o n i n s t r u m e n th a sr e i n f o r c e du n c e a s i n g l y a m o n gt h e m ，l o wf r e q u e n c ym i c r o v i b r a t i o ni sa v i t a l l yi m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c i th a sp r i m a r yi n f l u e n c et op r e c i s i o ni n s t r u m e n t sn o r m a l w o r k i th a sb e e na t t a c h e di m p o r t a n c eb ym a n ys t a t e sa l lo v e rt h ew o r l d s u b s t a n t i v e m a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e sh a sb e e np l u n g e dt os t u d yi t a d o p t i n gv o i c ec o i lm o t o r h a so b v i o u sa d v a n t a g et ok e 印a p a r tl o wf r e q u e n c yv i b r a t i o ni ni n i t i a t i v ea n t i v i e b r a t i o n r e g i o n v o i c ec o i lm o t o rh a sl o t so fe x c e l l e n tp e r f o r m a n c e si n c l u d i n gs i m p l es t r u c t u r e ， c o m p a c t n e s s ，h i 曲s p e e d ，h i g l la c c e l e r a t i o n , s p e e d yr e s p o n s e ，l i n e a rf o r c e ，n i c es t r o k ea n d s 0o n s oi th a sw i d er e s e a r c hf u t u r ei ne x a c ti n s t r u m e n ta n d p r e c i s i o ni n d u s t r yr e g i o n a c c o r d i n g t oc o n s u l t i n ga n di n v e s t i g a t i n gag r e a td e a lo fl i t e r a r ya r o u n db o t hh e r ea n d a b r o a d ，i n i t i a t i v ec o n t r o la n dp a s s i v ec o n t r o lh a sb e e na d j o i n e dt of o r mh y b r i dv i b r a t i o n s h i e l d i n gs y s t e m b ya i rs p r i n gf o rp a s s i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o ne l e m e n t s ，b yv o i c ec o i l m o t o rf o r a c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o ne l e m e n t s ，i n c o r p o r a t i n gs u b l e v e lv i b r a t i o ns o u r c e ，i t s i s o l a t i o nc a p a b i l i t yw a st e s t e da n da n a l y z e da n dm i x e dv i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e mw a s c o m p l e t e dd e s i g n ，e m u l a t i o na n da n a l y s e s c o p p i n g 、析t l li s o l a t e do b j e c t , m i x e dv i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e mw a si n v e s t i g a t e di n t h i sd i s s e r t a t i o nw i t ha p p l i c a t i o no fv i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m ap r o j e c to fa c t i v e v i b r a t i o nc o n t r o lw a sb r o u g h tf o r w a r d a d v a n c e de l e c t r o m e c h a n i c a li n t e g r a t i o np i d c o n t r o la l g o r i t h m ，b pn e u r a ln e tc o n t r o la l g o r i t h m ，w a v e l e ta n a l y t i c a la l g o r i t h mw e r e a d o p t e dr e s p e c t i v e l y t h em a tl a bw a su t i l i z e dt op r o c e s s e de m u l a t i o na n da n a l y s e s s y n c h r o n o u s l y r e l a t i v et op a s s i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m ，h y b r i dv i b r a t i o ns h i e l d i n g s y s t e m sp e r f o r m a n c ew h i c hw a sj o i n e da c t i v ec o n t r o lh a sb e e n e n h a n c e d t r e m e n d o u s l y i n t h e t e x t k e yw o r d s ：a c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o n ：v o i c ec o i lm o t o r ：p i d ：b pn e u r a ln e t w o r k ； w a v e l e ta n a l y s i s 插图清单 图1 1空气压控制式主动隔振系统m a p s 系列2 图1 2 台上型台桌型主动隔振系统2 图l - 4z j y - 6 0 1 t 型振动与控制教学实验台3 图1 5h c m i 亚微米超精密车床3 图1 6 耦合隔振系统及隔振效果4 图2 1 恒温箱两级被动隔振系统示意图5 图2 2 两级空气弹簧隔振实物照片5 图2 3 两级隔振系统模型6 图2 _ 4 单级隔振系统与两级隔振系统传递率曲线对比。7 图2 5 安培力原理图8 图2 6 直线音圈电机结构图。8 图2 7 旋转音圈电机结构图9 图2 8 主动隔振系统示意图10 图2 - 9 主动隔振系统受力分析图1 0 图2 1 0 音圈电机及主被动隔振系统示意图1 1 图2 1 1精密升降台结构图。1 2 图2 1 2 驱动电路示意图与框图1 2 图2 1 3v c m 驱动电路图1 3 图2 1 4 直线音圈电机的原理1 4 图2 15电压平衡方程。l5 图2 1 6 直线音圈电机框图。1 6 图2 1 7 拉氏变换直线音圈电机框图。1 6 图2 1 8 直线音圈电机控制框图1 7 图2 1 9 系统单位阶跃响应曲线图1 8 图3 1 直线音圈电机速度控制系统1 9 图3 2 未加p i d 控制的阶跃响应图及奈奎斯特图2 2 图3 3y 轴向机械系统框图2 3 图3 4 机电耦合系统传递函数框图。2 8 图3 5p i d 控制后系统的阶跃响应图和奈奎斯图2 9 图3 6 三层b p 神经网络结构图3 0 图3 - 8主动隔振神经网络b p 控制效果仿真图3 2 图4 1i c p 加速度计及恒流源信号调理电路_ 3 3 图4 2 振动信号检测系统结构图3 5 图4 3 积分模块框图程序3 6 图4 - 4 传感器分布和测试系统显示面板。3 7 图4 5 空气弹簧不充气状态振动频谱图3 8 图4 。6 空气弹簧充气后振动测量3 9 图4 7 不使用变频器的恒温控制振动信号频谱4 1 图4 - 8 振动信号分析处理流程图4 3 图4 - 9 振动加速度频谱图4 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金蟹王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：j i 心、芄 基字日期：獬口臼i 易日学位论文作者签名： 心、珏 签字日期：2 湃口铜i 易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒鲤王些态堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：荃心，骞 签字日期：2 矾年。钿，暑日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签 签字日 电话： 邮编： 致谢 本论文是在张辉教授的悉心指导下完成的，三年来，从学习课程安排到课程设计， 张老师都倾注了大量的心血。并且张老师对科学研究敏锐的洞察力、清晰的科研思路、 丰富的实践经验、严谨的治学作风令作者受益匪浅、终身难忘。论文完成之际，首先 向张老师表示衷心的感谢，并致以深深的敬意l 在仪器科学与光电工程学院学习的近三年时间里，还得到了党学明、张阳老师和 师兄蔡震、唐海勇、刘小平及师弟高峰在课题研究上的支持与协助，在这里感谢他们 并感谢跟我一起在合肥工业大学仪器科学与光电工程学院共度7 年美好时光的好友 们。 感谢我的父母和亲人，是他们在我的成长和学业上给予了无私的爱与无限的支 持。 最后向所有曾经关心、帮助过本人的领导、老师、同学和亲友们表示最诚挚的谢 意! 作者：李小萍 2 0 0 8 年6 月 第一章绪论 1 1 课越来源及研究意义 l 。l 。l 课题来源 本研究课题得到国家自然科学基金重大国际合作项目( 5 0 4 2 0 1 2 0 1 3 4 ) 的赘 助。 l 。1 2 研究意义 随着我国精密仪器制造、测量的发展，其相关技术的要求也不断提高。其 中低频微振动是其中极其重要的一个研究课题，它对精密仪表的正常工作有着 重要的影响。世界许多国家均高度重视，并投入大量的人力物力加以研究。在 主动抗振领域，采用音圈电机对低频微振动具有明显的优势。它具有结构简单、 体积小、高速、高加速度、响应快、线性力行程优良等特性，在精密仪表领域 有着广泛地研究前景。 1 2国内外主要研究机构与研究进展 常见的主动隔振技术一般采用相对独立的传感元件，驱动元件以及微电子 控制器。常用传感元件有位移、速度及加速度传感器，常用驱动元件有液压驱 动器、气压驱动器、校验质量快驱动器等，并已经达到较高的控制精度。 伴随着振动主动控制技术的发展，国内外也出现了一些重要研究机构，国 内也有一些专门从事噪声和振动控制研究的科研机构，如：东方振动和噪声技 术研究所、哈尔滨工业大学精密工程研究所，香港理工大学噪声消除与控制研 究中心等。它们对振动主动控制技术的发展和应用推广起着重要作用。同时， 作为学术研究机构，也为世界各国间的学术交流做出了重要贡献。从某种程度 上说，他们的研究方向也代表了振动主动控制技术的发展方向。下文对代表性 的研究作了分析介绍。 1 2 。1日本明立糟仪的主动隔振技术研究 日本明立精仪的隔振产品以其独创的技术开发研制出可以使精密仪器及环 境免受有害振动影响的隔振装置l n 。如图l l 、1 2 ，对予被动隔振不畿有效隔 离的2 h z 附近低频振动，生动隔振可以使振动减小到被动隔振的1 3 0 - 1 1 0 0 。 主要性能优点：小型却可以除去全自由度方向的振动和被动隔振所无法除去的 频带域上的振动、标准m a p s 可以为1 0 吨以上的承载装置隔振、承载运转载 物台也不会有振动、在定位精度及保持水平精度方陋也很优越。 系列 图卜2台上型台桌型主动隔振系统 1 2 2 美国n e w p o r t 公司研制的、，h 系列防震平台 美国n e w p o r t 公司研制的v h 系列防震平台( 图1 3 ) ，具有高性能，大 负载，齐全的附件选择。主要技术特性：蜂窝结构平台、混合腔体设计、层 流阻尼、大量阀门可供选择、水平摆隔振、z b a r 管型桁架、电抛光不锈钢、 可用于超净室。该防震平台可应用于光学干涉法检测、外形与轮廓测量、工 具制造显微镜【2 j 。 图1 - 3v h 系列防震平台图 1 2 3 东方振动和噪声技术研究所 东方振动和噪声技术研究所3 1 ( 简称东方所) 成立于19 8 5 年1o 月1 1 日， 2 是国内第一家从事振动和噪声技术研究的高新技术研究所，是面向全国的第一 家振动和噪声技术研究所。其相关研究成果如图1 4 ，该教学实验台包括弹性 体系统、激振系统、隔振系统、动力减振器、质量快、阻尼器等，减震性能在 最大载重时仅达到19 2 2 h z ，但具有可做共振、隔振、减震、自由振动、强迫 振动等多种振动实验。 图卜4z j v 一6 0 1 t 型振动与控制教学实验台 1 2 4 哈尔滨工业大学精密工程研究所研制的h c m - i 亚微米超精密车床 哈尔滨工业大学精密工程研究所研制的h c m i 亚微米超精密车床【4 1 ，被动 隔振元件为空气弹簧，主动隔振元件为神经网络控制器控制的电磁作动器( 图 1 5 ) 。该隔离系统可将床身的振动加速度控制在1 0 。5 9 左右。 ) l ” 图1 - 5h g t - i 亚微米超精密车床 1 2 5 香港理工大学噪声消除与控制研究中心 香港理工大学噪声消除与控制研究中心基于阻尼被动隔离电机振动系统如 图1 - 6 左图所示，采用多个阻尼器横向水平连接。当地面产生振动，阻尼器组 层层削弱振动，当振动传递到处与最高位置的阻尼器时振动的幅度已经很小了， 此隔振系统的测量电压幅值5x1 0 q v 【5 j 。 地面振动 0 0 1 喜 。 由们 5 g j o - 5 图卜6 耦合隔振系统及隔振效果 o2 0柏 t i m e 删 1 3本文研究的主要内容 在本文中，主动隔振系统对于低频、微幅振动的控制，振动信号的测量， 选用p c b 公司的型号为m 3 5 5 8 0 4 测量高频信号，型号为m 3 9 3 8 3 l 测量低频信 号。 在国内外将音圈电机用于精密隔振系统作为控制器并不多见。由于受到传 感器低频测量范围的限制，在低频精密主动隔振技术方面的研究较少。音圈电 机( v o i c ec o i la c t u a t o r ) 是一种将电信号转换成直线位移的直流伺服电机，具 有结构简单、体积小、高速、高加速度、响应快等特性【缸1 0 】。为此，本文提出 了利用音圈电机作为控制器，将被动和主动隔振技术结合应用，利用被动隔振 系统作为隔振平台的音圈电机低频精密主动隔振系统。基于上述的思想，本文 将在以下几个方面进行研究： 1 、对被动隔振及主动隔振的隔振机理进一步深入地研究。被动隔振系统为 传统的隔振手段，具有方法简单，可靠性高的特点。常用的被动隔振系统多为 单级或两级隔振系统，当所选隔振器件的参数相同时，两级隔振系统的隔振性 能要优于单级隔振系统。不论是单级隔振系统还是两级隔振系统，所选隔振器 件的自振频率对隔振系统的隔振性能具有决定性的作用。 2 、研究提出针对微纳米测量对环境振动要求振动的隔离方案，采用音圈电 机作为驱动器实现主动隔振。 3 、对所设计的隔振系统进行了被动隔振隔离效果的测试与分析和主动隔振 效果仿真与分析。 4 、对用于施加振动主动控制力的音圈电机及其安装方式进行了研究。i 5 、分别采用模糊p i d 控制算法、小波变换算法，对隔振系统进行主动隔 振的仿真分析研究。 6 、针对主动隔振系统选型的音圈电机，设计驱动电路。 4 曩糊 第二章主动隔振系统结构设计 2 1 引言 微纳米三维测量机振动的主动控制要求实现微纳米级振动隔离水平，即加 速度a = 1 0 一g ，要求具有响应速度快、简洁的驱动模式，因此本章设计了一种基 于直线音圈电机的直接驱动，采用被动隔振和主动隔振相结合的方式，根据p i d 算法建立直线音圈电机的数学模型，采用m a t l a b 仿真方法，通过对被动隔 振的关键部件空气弹簧性能分析，基于主动抗振平台的动态响应，对被动控制 结构进行优化设计。 2 2 被动隔振系统结构 微纳米工作台位于恒温箱中。在恒温箱与地面之间布置一级被动隔振器件， 即空气弹簧，用于隔离地面的振动和冲击。在恒温箱和测量工作台之间也布置 一层被动隔振器件用于隔离被动隔振难以消除的低频的振动，即测量工作台采 用的为两级隔振系统，参看图2 1 、2 2 。 图2 - 1 恒温箱两级被动隔振系统示意图 图2 2 两级空气弹簧隔振实物照片 隔振的作用就是减少或隔离基础振动传递至隔离对象，为了提高高频结构 噪声的隔离效果，国外自上世纪6 0 年代起开始采用双层隔振系统【l1 1 。如图2 3 所示，隔振对象的质量为m 。，隔振系统的中间质量为，两级隔振器的刚度系 数分别为毛和七l ，阻尼系数分别为q 和岛。基座垂直位移为”，隔振对象和中间 质量的垂直位移分别为置和如。 两级隔振系统的动力学方程【1 2 1 3 】： p c i i c + k l x l - c l x 2 - k l x 22d(2-1) 【m 2 i 2 + ( c l + c 2 ) 童2 + ( 毛+ k s ) x 2 一c l 文l - k l x l = c , f i + 七2 ” 两级隔振系统的传递率为1 2 l ： 喇筹 啦 弦2 ， 式中朋卜鲁朋z 22 鲁焉2 丽c l ，厶= 习鲁，2 薏，厂2 詈，g2 詈， a ：f 2 4 己己詹2 ， b = 2 f g ( 孝i f + 彘) ， c = 9 4 一9 2 ( “+ 厂2 + 1 + 4 最厶厂) + 厂2 ， d = 2 9 3 嫔+ 磊“+ f f 2 f ) - 2 9 ( 点2 + 彘门 式中：舌，磊分别为上下隔振器的阻尼系数。 如图2 4 示，当采用双层隔振后，共振区传递率曲线的下降斜率将比单层 隔振系统减小一倍左右。当然采用双层隔振后会增加一个共振峰值，但可以通 过优化的参数设计减小其影响。 6 瑚1 0 2 1 0 0 1 0 2 ：i j ：j 单级隔搌系统传递率曲线参数： 一 。_ = 1 5 嗨 f = 1 5 6 h z f = 0 0 5 1 0 2 重 图2 4 单级隔振系统与两级隔振系统传递率曲线对比 一般说来，增加隔振系统的级数，对于提高隔振效果会有一些好处。可是， 从两级开始，继续增加隔振系统的级数，其效果会越来越不明显。关于这一点， 可以考察两级隔振系统绝对传递率的解析式( 2 2 ) ，分母多项式中频率比的方次 比分子中的高出三次。应用类似的方法导出三级和更多级数隔振系统的绝对传 递率的解析公式，分母多项式中频率比的方次也只比分子中的高出三次。其物 理背景是多级隔振系统的各个运动自由度相互耦合，它的绝对传递率并不等于 每个单级系统传递率的乘积。而这一点恰巧是增加隔振系统级数后不可能显著 提高隔振系统隔振能力的主要原因。可是，增加隔振系统的级数，会使隔振系 统的结构复杂化，成本迅速提高，体积也要增大。因此，级数很高的隔振系统 在实践中并不多见l l 引。 2 3 主动隔振的驱动元件 根据隔振中是否有外力作用，隔震技术可以分为被动隔振和主动隔振，也可以称 为无源隔振和有源隔振。被动隔振具有结构简单、容易实现等优点，但被动隔振系统 设计完成后它的参数和隔振性能很难更改，不适合应用于振动干扰变化较大和隔振对 象状态不稳定的情况，并且被动隔振无法衰减低频振动。 而主动隔振就是在被动隔振系统中，引入次级振源，采用某种方法调节次级振 源的输出，使之产生的振动和隔振对象所受的振动干扰相抵消，从而实现隔振的目的。 目前主动隔振技术已经广泛应用于航天工程、动力工程、精密工程、土木工程、车辆 工程等领域；作为次级振源的作动器需要具有响应快、频带宽、重量轻、线性度好等 特性，目前常用的作动器有气动液压作动器1 1 5 1 们、压电作动器【1 7 1 、磁滞伸缩作动器 【1 引、电磁作动器( 1 9 2 0 】等。 本文中选用属于电磁作动器的音圈电机作为次级振源。电磁作动器利用电磁原 理，由可动铁芯和固定的永久磁铁组成，磁铁上缠绕激励线圈。当施加交变电压在激 7 涮粼一 涮榭 i；瓢甍i-参观贷m 攀一 ；嚣驴每 递i i i i 、，n “镪f 一向邓 -系一h=二=“!振r：i!衲： 励线圈时，所产生的交变磁场驱动铁芯运动，输出力和位移。此种作动器时间延迟短， 容易控制，但受到其本身特性限制，主要应用于控制力要求不太大、控制频率要求高 的场合。下文介绍了音圈电机的性能特点并研究建立其工作数学模型。 2 3 1 音圈电机的工作原理 音圈电机( v o i c ec o i la c t u a t o r ) 是一种将电信号转换成直线位移的直流司 服电机，具有结构简单、体积小、高速、高加速度、响应快等特性。其工作原 理是：通过线圈导体放在磁场内就会产生力，力的大小与施加在线圈上的电流 成比例。通电导体放在磁场中，就会产生力f ，力的大小取决于磁场强弱曰， 电流，以及磁场和电流方向【2 l 】( 见图2 5 ) 。如果共有长度为三的根导线放 在磁场中，则作用在导线上的力可表示为： f = k b l n ( 2 3 ) 式中k 为常数。根据安培力原理，它受到磁场作用，在线圈和磁体之间产生沿 轴线方向的力。通电线圈两端电压的极性决定力的方向。 图2 5 安培力原理图 2 3 2 音圈电机的结构、分类及应用 音圈电机主要分为直线音圈电机和旋转音圈电机。直线音圈电机产生的力 沿轴线方向，而旋转音圈电机沿着弧形圆周方向产生，输出转矩。参见图2 6 、 图2 7 【2 1 1 。 铁磁圆柱 图2 - 6 直线音圈电机结构图 8 圈支撑 拉平的线圈 图2 - 7 旋转音圈电机结构图 基于此原理制造的音圈电机运动形式可以为直线或圆弧。由于无需转换机构就能 获得直线运动，所以音圈电机没有传动机构的磨损，而且具有结构简单、工作效率高 等优点，从而近年来得到了快速发展，并广泛应用于磁盘机、激光唱机及其他精密定 位系统中【z 卜2 4 j 。在许多不同形式的高加速度、高频激励上也得到广泛的应用，如： 医学装置中的精密电子管、机械工具的定位平台、光学系统中透镜的定位等等。在本 课题中，三维纳米测量机的工作台主动隔振，可以采用音圈电机来有效抑制振动。 隔振对象的主动隔振系统的振源相当复杂，主要包括空调、风机运转、人 为因素，以及其它外界振动对实验室的影响。空调、风机、制冷片、变频器的 作用是控制微纳米三维坐标测量机的恒温工作环境。系统采用两级空气弹簧隔 离和削弱高频振动，对于被动隔振方式不在行的低频振动则选用音圈电机做主 动隔振元件。主动隔振的原理就在于通过外加一个振源来抵消原有的振动。音 圈电机通过动圈和工作台连接固定，然后借助精密升降台调节高度，实现电机 与工作台的无力接触，最后电机基座固定在升降台上。这样空气弹簧就承载了 恒温箱的全部重力，音圈电机负责削弱或抵消恒温箱由于低频振动引起的惯性 力，实现振动的主被动控制，音圈电机选用b e i 公司型号为l a l0 0 8 0 0 0 a 的 直线电机。 该产品具有无磁滞特性，特别适合用于短行程的闭环伺服应用。由于它体 积小，特别适合用在一些狭小的空间。另外它响应速度快，本身重量小，因而 可以达到很高的加速度。控制简单可靠，无需换向装置，免维护。可以进行精 密的推力控制。精度可达1 5 p m ，加速度达2 0 9 1 2 5 】。 2 3 3 音圈电机的工作状态及选型分析 隔振对象工作台由四个空气弹簧作支撑，四个音圈电机( v o i c ec o i lm o t o r ) 作主动隔振的执行机构。音圈电机通过弹性连接，悬挂在工作台下，结构示意 图如图2 8 。 9 作台 气弹簧 图2 - 8 主动隔振系统示意图 音圈电机v c m 工作状态分析： ( 1 ) 理想稳定状态( 如图2 - 9 ( a ) ) ：动圈与工作台底部连接。电机底部与 地面相连，避免电机左右摇摆。工作台及负载总质量为t l ，重力为g ，f = g ； ( 2 ) 系统振动方向向上( 如图2 9 ( b ) ) ：系统向上振动，受到了向上的 一。空气弹簧变形伸展，但此时它们所承受的压力始终为工作台和负载的重力。 v c m 的作用是产生向下的拉力f l ，使系统逐渐恢复平衡； ( 3 ) 系统振动方向向下( 如图2 9 ( c ) ) ：系统向下振动，受到了向上的 r 。空气弹簧受压缩短，同理，其所受的压力保持不变。为使系统恢复平衡， v c m 产生向上的推力r 。 簧反作用力)r 3 单簧反作用力) r 9 单簧反作用力： ( a )( b )( c ) 图2 - 9 主动隔振系统受力分析图 根据以上分析，计算由于外界振动干扰引起的附加峰值力f ： 根据要求，在两级被动隔振的条件下，加速度g = 0 0 1 0 0 0 0 1 m s 2 。假设工 作台及负载总质量m = o o k g ，则廿= m a = 1 0 0 1 n 。仅仅从驱动力方面考虑， b e i 音圈电机产品列表中最小的型号l a 0 8 1 0 0 0 0 a 即可满足要求，此型号行 程只有2 0 3 3 6 咖，所以精确定位的难度很大。因此选择型号为l a l 0 - 0 8 0 0 0 a 的音圈电机，它的峰值力为2 7 6 n ，行程约为5 0 8m m 。由于b e i 公司同重庆钧 智自动化仪器控制有限公司技术合作，在重庆设立制作加工同类性能产品的加 工厂，所以选择了型号为v l r 0 0 0 6 0 0 0 5 0 0 a 的国内加工生产的音圈电机，性 价比较高。 2 3 4 音圈电机的安装 常见的音圈电机的安装结构形式有以下三种： ( 1 ) 轴向滑动型【2 6 】：此种方式和动圈式扬声器的原理一样，优点是线圈 架只能沿轴承方向运动，因此当有大幅振动时，音圈电机也跟着振动，较难找 l o 到正确的基准点。 ( 2 ) 四线悬置型：其结构特点是用四根平行线支撑线圈架。驱动动圈，可 以改变工作台向下的振动趋势；但不能阻止其向上的振动趋势。 ( 3 ) 刚性连接型【27 】：既能够克服轴向滑动型那样克服因受振动而引起的 位置变化，又能同时削弱振动台向上、向下的微振动。 微纳米测量隔振工作台隔振系统如图2 10 所示，两级被动隔振系统，在恒 温箱底部采用单极空气弹簧，原因是由于空气弹簧的外部是橡胶制品，如果其 伸展高度较大，会产生摆动：同时恒温箱的重心较高，如底部起支撑作用的空 气弹簧稍微有一点摆动，都会引起其恒温箱整体产生更大的晃动，甚者会使箱 体歪倒。恒温箱和其内部工作台的支撑采用康迪泰克公司的空气弹簧，隔振频 率达到1 5 6 h z 。 根据工作台的负载不同，空气弹簧的充气压力和伸展高度也不同，即工作 台的高度是变化的。音圈电机只能以定子在下、动子在上的状态安装，原因是 当音圈电机断电时动子会自动缩至定子内，如果倒置，断电后定子不能缩回， 由于定子的重力对精密系统会有很大的影响，可能会把工作台向下推进，因此 音圈电机不能倒置悬挂。由于以上两个原因，需要精密升降机构来调节音圈电 机的位置。 ， l 2 i 国s 戋：国 1 饿：2 阶窘：3 莒雷龇： 4 糖圈：糌：5 空销 图2 1 0 音圈电机及主被动隔振系统示意图 刚性连接是指在对无支撑框架结构设计或施工中，为了增强框架整体性能， 在梁与柱的连接点处采用能传递较强的抗弯刚度以抵抗侧力的连接即为刚性连 接 2 7 1 。根据以上分析，为了提高力传递的效率，音圈电机和工作台的连接采取 刚性连接的方式。通过螺母、螺栓，动圈和工作台下方连接；电机底部和支座 固定。 由于音圈电机尺寸和空气弹簧的高度相比要小很多，因此需要设计一个支 座来保证电机的动圈和隔离对象工作台的地面至少无力接触。电机支座的高度： 音圈电机动圈的初始状态( 未通电，若通电可伸可缩) 尺寸为18 2 衄，系统采 用两级空气弹簧被动隔振，当空气弹簧充气后其高度尺寸为1 2 5 衄，拟定支座 高度h = ( 1 2 5 1 8 2 ) = 1 0 6 8 锄。为了实现主动隔振系统高精度控制，音圈 电机的精确定位是十分重要的，因此选用了北京卓立汉光仪器有限公司的 t s m v 6 0 1s 高承载剪式升降台，如图2 1l 所示，其原始高度6 0 m m ，行程6 0 m m ， 精密丝杠副驱动，分辨率0 0 1 衄，可负载2 0 k g 。在高度方面的，可以通过增 加底板。同时为了防止工作台由于异常原因引起的大幅度振动位移，损坏音圈 电机，增加防护环，其高度等于音圈电机的最小高度，18 2 衄，内径取3 0 咖， 壁厚3 衄。 图2 - 1 1 精密升降台结构图 2 3 5 音圈电机驱动电路的设计 ( 1 ) 驱动电路的输出特性 本文中隔振系统使用的音圈电机为恒流驱动，振动信号采集使用压电传感 器，检测到微纳米三维测量机工作台上的振动信号，经过驱动电路激励后，送 到音圈电机，用来实现期望的振源和被控结构的自身低频振动相抵消。 ( 2 ) 驱动电路的主要指标 驱动电路的主要指标包括输出电流的稳定度、低频噪声、纹波、电源输出 端的内阻( 输出阻抗) 2 8 - 3 0 j 。其中温漂和时漂对输出的影响，一般包括在稳定 度的指标中，而低频噪声由于随机性比较大，被单独列为一项指标，低频噪声 越小越好。在该电路的输出端，存在着低频噪声电流。低频噪声源于半导体器 件的表面效应( 如表面结构不稳定、表面漏电等) 、内部因素( 如掺杂不均匀， 本征半导体不纯等) 、外界环境以及器件的内部温度波动，这种噪声与管子的工 l ，r 作频率成反比，称为，噪声。因为低频噪声是器件所固有的，所以无法补偿 校正。对于纹波，输出电流包含直流和交流两种分量，交流分量也称为纹波。 这里要求纹波越小越好。 ( 3 ) 驱动电路的构成 如图2 1 2 所示，该电路包括调整管、采样电阻、误差比较放大器。 ( a ) 驱动电路示意图( b ) 驱动电路框图 图2 - 1 2 驱动电路示意图与框图 电流调节过程：若电压升高或负载阻值减小时负载电流增大，则取样电 阻r 上的电压虬增大；电压u 减去取样电压饥的差值( 一以) 减小；比较放大 1 2 器的输出电压= k ( 一玑) 减小( k 为放大器的电压放大倍数) ，“加到调整 管的基极，成为调整管的基极电压，以减小则使调整管的厶减小，厶减小使得 调整管的l 减小、减小，负载电流，：= 厶，减小使负载电流由于工作条件变 化而增大的值经过稳流调节后又回复到接近未增大时的值。 当负载电流l 时，则玑减小，= k ( u 一玑) 增大，厶增大，l 、厶= l 增 大，1 c 经稳流调节后有回升到接近初值。 ( 4 ) 提高电路稳定度的措施 提高电路稳定度的具体措施主要包括对振动输入信号的处理、运算放大器 的选择、采样电阻的选择这三种方法。以下分别介绍了各种方法的具体处理细 节。 振动信号在输入驱动电路之前要经过滤波，加小电容滤波。由于信号变化 导致电路电流变化是可能产生峰值电压，电容选择时应注意其耐压性，选择无 感电容，其连线要尽量短。 采样用电阻足在驱动电路中承受着较大的功率损耗，温度升高阻值变化也 就越大。解决的办法就是选择合适稳定系数材料制成的电阻，如精密锰铜。 运算放大器的指标，即使对于高性能的运放器，它的各项指标，比如开环 增益、带宽、温漂、噪声，并不都是高的，但常常是多数指标是好的，有几项 指标不够满意。比如宽带放大器一般增益指标不搞，同样噪声指标低的运放， 它的温漂不是最低的，因此要兼顾各项指标，全面地来加以选择。目前，各种 新型的、高性能的集成运算放大器已经能稳定供应市场，要选择一个合适的运 算放大器不再是很困难的事情了，例如i c l 7 6 5 0 、a d 5 2 4 都能很好地用于恒流 输出电路，本设计中选用i c l 7 6 5 0 。 ( 5 ) 电路结构 输入 信号 一 图2 - 1 3v c m 驱动电路图 i c l7 6 5 0 是i n t e r s i l 公司利用动态校零技术和c m o s 工艺制作的斩波稳零式高 精度运放，它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂 移低、性能稳定及价格低廉等优点【3 0 ，3 。综合各种性能指标，选用i c l 7 6 5 0 型斩 波稳零型高精度运算放大器。采用3 d j 8 h 的n 沟道耗尽型的c m o s 场效应管 作为调整管，利用了这种管子的一个重要特点，就是输入阻抗较大，从而可以 实现低功耗消耗。 2 3 6直线音圈电机数学模型 ( 1 ) 直线音圈电机的动态函数 参考文献【3 2 】机电一体化机械系统设计并根据音圈电机的工作原理， 在确定的磁路内，直线音圈电机产生的力与通过其线圈中的电流成比例。力与 电流之比值称为音圈电机的力常数k f ： 。 f = 如l i njk b l 斟= fj k f = 了f ( 2 - 4 ) 力常数是电流驱动音圈电机的一个重要参数，是综合反映电机性能的主要 参数，直接影响系统的运动速度和精度。由于微纳米测量系统的精度要求极苛 刻，因此考虑粘性摩擦力最对振动主动控制的有一定的影响。音圈电机通常动 圈运动所产生的极限摩擦力很小，动摩擦力与受控对象的相对运动速度成正比， 方向与相对运动速度方向相反。 图2 1 4 直线晋圈电机的原理 直线音圈电机的原理如图2 1 4 ，电机工作时，当输入电压u 时，输出是速 度( 位移s 加) 。该输出又是机械系统的输入速度0 ( 位移s ) 。根据音圈电机 工作原理，当输入电压u ，在回路中产生相应的电流，电流与磁场相互作用 就产生力巴，力的大小与磁场的磁通和电流，成正比，由于直线音圈电机中磁 通是常量，所以有： = k d ( 2 5 ) 电机产生的力用来克服负载力e ，粘性摩擦力尼及驱动惯性负载 坂+ 吮，所以力平衡方程为： 1 4 兄一五一瑶= ( 帆+ 帆) 鲁 ( 2 - 6 ) 单独的对于音圈电机，则有心= 0 ，所以音圈电机的力平衡方程为： c e 一层= 坂鲁= 坂鲁 ( 2 - 7 ) 式中： 足= v 。= c 埘 ( 2 - 8 ) 气为电机粘性阻尼系数( n m s ) ，坂为音圈电机移动质量。 将式2 - 6 、2 - 8 代入式2 - 7 可得音圈电机的力平衡方程为： 砟卜即坂鲁+ 咋 ( 2 - 9 ) 音圈电机线圈移动时会产生正比于速度的感应电压，即反电势： = 如 ( 2 - 1 0 ) 式中：为感应电压常数或反电势常数( v s m ) ， 且， = 砟 ( 2 1 1 ) 根据基尔霍夫电压定律，音圈电机回路中的电压平衡方程为： u i r m l + l m + u 8 = r m i + l m i d l 七k p 畸 = r , , , i + l d 讲i + k e y , ( 2 1 2 ) ( 2 ) 传递函数 为了对直线音圈电机实施控制，需要先求音圈电机的传递函数，为求传递 函数，将式2 1 3 写为如下形式： j = a l = 若一每一百k b 匕c2-1dt f = = 一一。一一1 ， kz - j ， 厶厶厶。 图2 - 1 5 电压平衡方程 将式2 - 9 改写如下形式： 矿= 亟d t = 惫卜卺吃一卺 q 。4 ， m 。m - l m m 将式2 1 4 和图2 i 结合，可以得到如图2 1 6 所示的描述时域内电压- 速度 关系的方框图。 图2 - 1 6 直线音圈电机框图 参考音圈电机说明书，其粘性阻尼参数很小，通常在这种情强下假设粘 = o 。将图2 - 1 6 中的积分器用 代替，并在零初始条件下进行拉式变换可以 得到s 域( 拉氏域) 内的电压速度关系的方框图( 见图2 - 17 ( a ) 及其变换形式图 2 - 1 7 ( b ) ) 。 ( a ) ( b ) 图2 1 7 拉氏变换直线音圈电机框图 为保证音圈电机输出力最大，采用电流解耦控制。并用和分别表示电流反 馈控制调节器参数，即电流调节器传递函数和电流反馈回路传递函数。从而可以得到 图2 - 1 9 所示的直线音圈电机控制框图。 1 6 图2 1 8 直线音圈电机控制框图 根据图2 1 8 所描述的输入电流和输出速度的关系，可知直线音圈电机的传递函数 如下： 嘶) = 器= 粥 将式2 - 1 5 代入式2 - 1 6 得直线音圈电机