寬帶振動(dòng)抑制用液電混合作動(dòng)器技術(shù)*

王坤東，陳敏花，顧 玥，馬 瑞，操宏磊, 吳建銘

(1.上海交通大學(xué) 儀器科學(xué)與工程系·上?！?00240； 2.上海航天控制技術(shù)研究所·上?！?01109)

0 引 言

用于飛行器姿態(tài)控制的飛輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)、軸承系統(tǒng)、軸承支撐系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)共振等不可避免地引起振動(dòng)，并且由于振動(dòng)所誘發(fā)的殘余振動(dòng)力會(huì)在6個(gè)維度上影響載荷，而且這些殘余振動(dòng)力比飛輪系統(tǒng)振動(dòng)具有更寬的頻帶。雖然這些振動(dòng)在設(shè)計(jì)階段盡量通過(guò)動(dòng)平衡系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等予以消除，但是高精度載荷依然可以顯著地敏感到這些振動(dòng)噪聲。因此，振動(dòng)隔離是高穩(wěn)平臺(tái)關(guān)鍵載荷保證良好精度的重要技術(shù)保障。

振動(dòng)隔離主要分為被動(dòng)隔振、主動(dòng)隔振與主被動(dòng)結(jié)合隔振3種方法。國(guó)外，MIT與Honeywell公司針對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā)。面向低轉(zhuǎn)折頻率1.5Hz的要求，研制出了一種彈簧串并阻尼器的三參數(shù)系統(tǒng)，通過(guò)參數(shù)調(diào)整可以在低頻時(shí)產(chǎn)生大的阻尼，在高頻時(shí)消減阻尼[1-2]。Honeywell后續(xù)在NASA的支持下，開發(fā)出了一種可調(diào)阻尼器D-Strut，其峰值阻尼在0.1～10Hz之間可以進(jìn)行調(diào)整[3]。華盛頓大學(xué)采用音圈驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了六軸主動(dòng)隔振平臺(tái)的研制，引入了足量的彈性彎曲和多種傳感器來(lái)改善被動(dòng)隔振的頻率特性[4]。加州理工在主動(dòng)隔振中增加了被動(dòng)隔振，增裝了陷波濾波器的寬帶控制器能夠使系統(tǒng)的力傳遞率衰減40dB[5]。MIT開發(fā)出了一種內(nèi)嵌黏性阻尼的作動(dòng)器，利用其被動(dòng)剛度進(jìn)行振動(dòng)隔離，同時(shí)使用其音圈電機(jī)進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)抑制，結(jié)果表明對(duì)于力隔振應(yīng)用開環(huán)和閉環(huán)下分別達(dá)到8dB和20dB[6-7]。國(guó)內(nèi)，馬建國(guó)等采用磁懸浮作動(dòng)與氣囊被動(dòng)組成的混合主被動(dòng)隔振進(jìn)行了理論研究，仿真結(jié)果表明開啟隔振前后振動(dòng)信號(hào)變化比較顯著[8]。Zhang等設(shè)計(jì)了一種磁性負(fù)剛度的隔振器，具有較好的低轉(zhuǎn)折頻率和較高的支撐剛度[9]。李林峰等設(shè)計(jì)了基于壓電堆的反作用輪的微振動(dòng)主被動(dòng)復(fù)合隔離控制裝置，振動(dòng)衰減了20%[10]。李鵬濤研制了一款基于四軸慣性式電磁激振器的雙層主被動(dòng)復(fù)合式隔振器，優(yōu)化了磁場(chǎng)，進(jìn)行了相應(yīng)的傳函分析及參數(shù)優(yōu)化研究[11]。綜合以上可以看到，基于音圈執(zhí)行器的主動(dòng)振動(dòng)隔離與被動(dòng)阻尼隔振的復(fù)合控制是隔振裝置的主要方案，相比較于其他驅(qū)動(dòng)方式具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、簡(jiǎn)便易行等優(yōu)點(diǎn)。但是，也可以看到如何提高主動(dòng)隔振的振動(dòng)抑制能力、降低轉(zhuǎn)折頻率、提高支撐剛度等方面仍然存在不斷優(yōu)化的空間。本文采用音圈驅(qū)動(dòng)器作為主動(dòng)執(zhí)行器件，采用液體在細(xì)長(zhǎng)液壓孔間的阻尼效應(yīng)作為被動(dòng)減振器件，將二者復(fù)合應(yīng)用，構(gòu)建出較大帶寬內(nèi)的高支撐剛度的低轉(zhuǎn)折頻率的隔振裝置。

1 設(shè)計(jì)思路

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主動(dòng)振動(dòng)抑制部分采用音圈驅(qū)動(dòng)器，被動(dòng)振動(dòng)抑制部分采用液壓與彈簧阻尼，兩者串行連接，得到的樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，由音圈電機(jī)主動(dòng)和液壓彈簧阻尼被動(dòng)振動(dòng)抑制復(fù)合形成。其中，阻尼板、支撐杯、下頂蓋相互聯(lián)結(jié)形成機(jī)架，同時(shí)導(dǎo)磁杯和永磁體固定在機(jī)架上。上頂蓋和被動(dòng)側(cè)端蓋可以支撐負(fù)載，安裝在被動(dòng)側(cè)波紋管上。線圈筒和主動(dòng)側(cè)端蓋通過(guò)主動(dòng)側(cè)波紋管聯(lián)結(jié)在機(jī)架上，在電磁力作用下可以沿軸線自由運(yùn)動(dòng)，發(fā)揮主動(dòng)抑制振動(dòng)作用。液體由充油孔充入，填充在被動(dòng)側(cè)波紋管和主動(dòng)側(cè)波紋管的空腔內(nèi)，液體通過(guò)阻尼板上的孔連通兩個(gè)空腔，發(fā)揮被動(dòng)抑制振動(dòng)作用。該樣機(jī)采用主被動(dòng)混合振動(dòng)抑制方案，集成了二者的優(yōu)勢(shì)，具體在于：(1)上頂蓋在支撐筒中滑動(dòng)，具有較高的軸向支撐剛度；(2)阻尼板的細(xì)孔可以進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，獲得需要的阻尼系數(shù)；(3)音圈作動(dòng)可以獲得較低的轉(zhuǎn)折頻率。

(a)樣機(jī)組成

(b)音圈執(zhí)行器圖1 樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of the prototype construction

1.2 磁場(chǎng)設(shè)計(jì)

永磁組件長(zhǎng)度40.3mm，直徑34mm。采用短線圈動(dòng)圈結(jié)構(gòu)，行程±3.5mm，線圈在運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)始終處于氣隙磁場(chǎng)中。線圈架繞線部分截面高度19.6mm，厚度1.2mm。磁場(chǎng)氣隙2.1mm，高度28mm。磁體采用12片瓦狀永磁拼接而成，永磁體下端使用定位環(huán)機(jī)械卡裝，使用磁鋼專用膠水粘接貼裝在外導(dǎo)磁筒內(nèi)壁上。

在ANSOFT中對(duì)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行有限分析，導(dǎo)磁體采用DT4E，永磁體采用釹鐵硼35，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸進(jìn)行RZ平面內(nèi)的模型構(gòu)建，仿真分析結(jié)果如圖2所示。由磁力線分布可以看出，磁力線垂直穿過(guò)氣隙，并且間隔比較均勻。在線圈所在中心沿軸向的氣隙磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度如圖3所示。處于工作氣隙中的磁場(chǎng)，最小為0.5427T，最大為0.5597T，平均磁場(chǎng)為0.5512T，不平穩(wěn)度為(0.5597-0.5427)/0.5597×100%=3.04%，對(duì)力的變化影響極小，這樣在設(shè)計(jì)控制律時(shí)僅僅考慮控制量驅(qū)動(dòng)電壓或者電流。

采用直徑0.2mm的紫銅漆包線，則按照最保守估計(jì)，線圈架上單層匝數(shù)為19.6/0.2=98匝。寬度1.2mm則至少可以纏繞6層，則總匝數(shù)為98×6=588匝。線圈平均直徑為23.6mm，則線圈總長(zhǎng)度為3.14×23.6mm×588 = 43.573m。查詢漆包線額定電流為0.8A(50℃)，則在此氣隙磁場(chǎng)中額定輸出力F=BIL= 0.55×0.8×43.573=19.17N。去除克服波紋管彈性而損失的力6N，則可以得到凈輸出力約為±13N，完全能夠滿足輕質(zhì)桁架以及失重環(huán)境中的振動(dòng)力吸收[12]。

(a)RZ平面內(nèi)模型

(b)磁力線B分布

圖3 線圈中心位置處的磁感應(yīng)強(qiáng)度Fig.3 Magnetic flux density in the center line of air gap

2 數(shù)學(xué)模型的建立

該系統(tǒng)可以使用集總參數(shù)模型，參照文獻(xiàn)[7]，將樣機(jī)中的部件按照彈性聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)關(guān)系分為6個(gè)質(zhì)量塊互聯(lián)的彈簧阻尼系統(tǒng)，如圖4所示，其中m1、m2、m3、m4、m5、m6分別代表負(fù)載、上頂蓋被動(dòng)側(cè)端蓋組合體、阻尼孔內(nèi)流體、阻尼板、音圈電機(jī)線圈架主動(dòng)側(cè)端蓋組合體、永磁體軛鐵支撐杯組合體；k1、k2、k20、k3、k4、k40、k5、k6分別代表負(fù)載安裝剛度、被動(dòng)側(cè)波紋管軸向剛度、被動(dòng)側(cè)液體壓力剛度、主動(dòng)側(cè)液體壓力剛度、主動(dòng)側(cè)波紋管軸向剛度、阻尼板安裝剛度、線圈架對(duì)中剛度、機(jī)架安裝剛度；c代表阻尼板阻尼孔中液體的阻尼系數(shù)；u代表音圈電機(jī)的推力；Ap、Ao、As分別代表被動(dòng)側(cè)波紋管截面積、阻尼孔截面積、主動(dòng)側(cè)波紋管截面積，主被動(dòng)兩側(cè)液壓聯(lián)通，壓強(qiáng)相等，依靠截面積比可以調(diào)整兩側(cè)壓力。假定彈簧的連接點(diǎn)在質(zhì)量塊上面，xi代表第i個(gè)質(zhì)量塊的軸向位移，對(duì)圖4所示的等效物理模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，得到的動(dòng)力學(xué)方程如下：

其中：

圖4 集總參數(shù)等效物理模型[7]Fig.4 Equivalent physical model with lump parameters [7]

3 試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 樣機(jī)研制

研制完成的樣機(jī)如圖5所示，樣機(jī)分為兩部分，下部為音圈電機(jī)，上部為金屬波紋管液體阻尼器。樣機(jī)直徑40mm，長(zhǎng)度105mm，有效輸出位移±3mm，輸出力4.5N。金屬波紋管組成的密閉阻尼腔內(nèi)采用航空煤油，注入時(shí)雙側(cè)波紋管進(jìn)行3mm的預(yù)壓縮。在樣機(jī)的前端蓋和后端蓋預(yù)留了機(jī)械安裝接口，以便作為桁架的一段嵌入到結(jié)構(gòu)中。

圖5 液電混合作動(dòng)器樣機(jī)Fig.5 Prototype of liquid-electric hybrid actuator

3.2 測(cè)試分析

進(jìn)行作動(dòng)器輸出力特性的測(cè)試，包括靜態(tài)輸出力和動(dòng)態(tài)輸出力。將作動(dòng)器音圈電機(jī)端固定在測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，推拉力計(jì)(AIGU，型號(hào)：ZP20N，精度0.1N)與混合作動(dòng)器的輸出端連接，推拉力計(jì)固定在平移臺(tái)上，測(cè)量混合作動(dòng)器的輸出力。同時(shí)，使用安培表與音圈電機(jī)串聯(lián)，測(cè)量通過(guò)音圈繞組的電流。測(cè)試得到的作動(dòng)器電流-輸出力的關(guān)系曲線如圖6所示。1.2A是在線圈繞組的耐受電流范圍之內(nèi)(0.2mm直徑紫銅漆包線耐受電流為2.3A@100℃)可以看出輸出力最大為4.5N，同時(shí)輸出力與電流具有較好的線性關(guān)系。對(duì)音圈電機(jī)施加正弦激勵(lì)電流，電流幅值1.2A，頻率0.5Hz得到電流-輸出力的關(guān)系曲線如圖7所示。

圖6 作動(dòng)器電流-輸出力的關(guān)系曲線Fig.6 Relation curve of current and output force

圖7 作動(dòng)器動(dòng)態(tài)力輸出特性曲線Fig.7 Characteristics of dynamic output force

可以看出輸出力的頻率可以良好地跟蹤電流的控制頻率，在此頻率具有良好的跟蹤特性，輸出力達(dá)到3.6N。進(jìn)行作動(dòng)器位移輸出的動(dòng)態(tài)跟蹤閉環(huán)控制測(cè)試，得到輸出位移的正弦曲線。將作動(dòng)器音圈電機(jī)端固定在平移臺(tái)上，作動(dòng)器輸出端固定連接負(fù)載，負(fù)載采用吊裝，以避免重力對(duì)輸出特性的影響。采用激光測(cè)距傳感器(Panasonic，型號(hào)：HG-C1030，精度10μm)進(jìn)行位移輸出測(cè)量，運(yùn)動(dòng)控制使用PID控制算法，得到的動(dòng)態(tài)位移輸出曲線如圖8所示。可以看出輸出位移最大幅值可以達(dá)到3mm，測(cè)試頻率為0.5Hz，輸出波形沒(méi)有明顯失真。

圖8 動(dòng)態(tài)位移輸出特性曲線Fig.8 Characteristics of dynamic displacement output

4 結(jié) 論

本文研究了基于音圈電機(jī)和液壓阻尼器串聯(lián)的液電混合作動(dòng)技術(shù)。設(shè)計(jì)了音圈電機(jī)，進(jìn)行了磁場(chǎng)的分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證了主動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的提供。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了液電混合作動(dòng)的集總參數(shù)模型分析，得到了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。進(jìn)行了被動(dòng)液壓阻尼器的研制并與音圈電機(jī)集成得到了液電混合作動(dòng)器樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了初步的測(cè)試，結(jié)果表明樣機(jī)滿足初步的性能指標(biāo)要求。但本文未考慮液電混合作動(dòng)器的閉環(huán)控制策略及參數(shù)的精確識(shí)別，因此后續(xù)將研究考慮力反饋、位置反饋并搭載負(fù)載時(shí)的精確控制算法及實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，以進(jìn)一步評(píng)估振動(dòng)抑制能力。