寬帶振動抑制用液電混合作動器技術*

王坤東，陳敏花，顧 玥，馬 瑞，操宏磊, 吳建銘

(1.上海交通大學 儀器科學與工程系·上?！?00240；2.上海航天控制技術研究所·上海·201109)

0 引 言

用于飛行器姿態(tài)控制的飛輪執(zhí)行機構、軸承系統(tǒng)、軸承支撐系統(tǒng)、結構共振等不可避免地引起振動，并且由于振動所誘發(fā)的殘余振動力會在6個維度上影響載荷，而且這些殘余振動力比飛輪系統(tǒng)振動具有更寬的頻帶。雖然這些振動在設計階段盡量通過動平衡系統(tǒng)、結構設計等予以消除，但是高精度載荷依然可以顯著地敏感到這些振動噪聲。因此，振動隔離是高穩(wěn)平臺關鍵載荷保證良好精度的重要技術保障。

振動隔離主要分為被動隔振、主動隔振與主被動結合隔振3種方法。國外，MIT與Honeywell公司針對問題進行了長時間的研發(fā)。面向低轉折頻率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)，通過參數(shù)調整可以在低頻時產生大的阻尼，在高頻時消減阻尼[1-2]。Honeywell后續(xù)在NASA的支持下，開發(fā)出了一種可調阻尼器D-Strut，其峰值阻尼在0.1～10Hz之間可以進行調整[3]。華盛頓大學采用音圈驅動進行了六軸主動隔振平臺的研制，引入了足量的彈性彎曲和多種傳感器來改善被動隔振的頻率特性[4]。加州理工在主動隔振中增加了被動隔振，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)出了一種內嵌黏性阻尼的作動器，利用其被動剛度進行振動隔離，同時使用其音圈電機進行主動振動抑制，結果表明對于力隔振應用開環(huán)和閉環(huán)下分別達到8dB和20dB[6-7]。國內，馬建國等采用磁懸浮作動與氣囊被動組成的混合主被動隔振進行了理論研究，仿真結果表明開啟隔振前后振動信號變化比較顯著[8]。Zhang等設計了一種磁性負剛度的隔振器，具有較好的低轉折頻率和較高的支撐剛度[9]。李林峰等設計了基于壓電堆的反作用輪的微振動主被動復合隔離控制裝置，振動衰減了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復合式隔振器，優(yōu)化了磁場，進行了相應的傳函分析及參數(shù)優(yōu)化研究[11]。綜合以上可以看到，基于音圈執(zhí)行器的主動振動隔離與被動阻尼隔振的復合控制是隔振裝置的主要方案，相比較于其他驅動方式具有可設計性強、簡便易行等優(yōu)點。但是，也可以看到如何提高主動隔振的振動抑制能力、降低轉折頻率、提高支撐剛度等方面仍然存在不斷優(yōu)化的空間。本文采用音圈驅動器作為主動執(zhí)行器件，采用液體在細長液壓孔間的阻尼效應作為被動減振器件，將二者復合應用，構建出較大帶寬內的高支撐剛度的低轉折頻率的隔振裝置。

1 設計思路

1.1 結構設計

主動振動抑制部分采用音圈驅動器，被動振動抑制部分采用液壓與彈簧阻尼，兩者串行連接，得到的樣機結構如圖1(a)所示，由音圈電機主動和液壓彈簧阻尼被動振動抑制復合形成。其中，阻尼板、支撐杯、下頂蓋相互聯(lián)結形成機架，同時導磁杯和永磁體固定在機架上。上頂蓋和被動側端蓋可以支撐負載，安裝在被動側波紋管上。線圈筒和主動側端蓋通過主動側波紋管聯(lián)結在機架上，在電磁力作用下可以沿軸線自由運動，發(fā)揮主動抑制振動作用。液體由充油孔充入，填充在被動側波紋管和主動側波紋管的空腔內，液體通過阻尼板上的孔連通兩個空腔，發(fā)揮被動抑制振動作用。該樣機采用主被動混合振動抑制方案，集成了二者的優(yōu)勢，具體在于：(1)上頂蓋在支撐筒中滑動，具有較高的軸向支撐剛度；(2)阻尼板的細孔可以進行參數(shù)化設計，獲得需要的阻尼系數(shù)；(3)音圈作動可以獲得較低的轉折頻率。

(a)樣機組成

(b)音圈執(zhí)行器圖1 樣機結構示意圖Fig.1 Schematic of the prototype construction

1.2 磁場設計

永磁組件長度40.3mm，直徑34mm。采用短線圈動圈結構，行程±3.5mm，線圈在運動范圍內始終處于氣隙磁場中。線圈架繞線部分截面高度19.6mm，厚度1.2mm。磁場氣隙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)機械卡裝，使用磁鋼專用膠水粘接貼裝在外導磁筒內壁上。

在ANSOFT中對氣隙磁場進行有限分析，導磁體采用DT4E，永磁體采用釹鐵硼35，按照結構設計的尺寸進行RZ平面內的模型構建，仿真分析結果如圖2所示。由磁力線分布可以看出，磁力線垂直穿過氣隙，并且間隔比較均勻。在線圈所在中心沿軸向的氣隙磁場感應強度如圖3所示。處于工作氣隙中的磁場，最小為0.5427T，最大為0.5597T，平均磁場為0.5512T，不平穩(wěn)度為(0.5597-0.5427)/0.5597*100%=3.04%，對力的變化影響極小，這樣在設計控制律時僅僅考慮控制量驅動電壓或者電流。

(a)RZ平面內模型

(b)磁力線B分布圖2 氣隙中的磁力線分布Fig.2 Magnetic flux distribution in the air gap

圖3 線圈中心位置處的磁感應強度Fig.3 Magnetic flux density in the center line of air gap

采用直徑0.2mm的紫銅漆包線，則按照最保守估計，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，完全能夠滿足輕質桁架以及失重環(huán)境中的振動力吸收[12]。

2 數(shù)學模型的建立

該系統(tǒng)可以使用集總參數(shù)模型，參照文獻[7]，將樣機中的部件按照彈性聯(lián)結結構關系分為6個質量塊互聯(lián)的彈簧阻尼系統(tǒng)，如圖4所示，其中m1、m2、m3、m4、m5、m6分別代表負載、上頂蓋被動側端蓋組合體、阻尼孔內流體、阻尼板、音圈電機線圈架主動側端蓋組合體、永磁體軛鐵支撐杯組合體；k1、k2、k20、k3、k4、k40、k5、k6分別代表負載安裝剛度、被動側波紋管軸向剛度、被動側液體壓力剛度、主動側液體壓力剛度、主動側波紋管軸向剛度、阻尼板安裝剛度、線圈架對中剛度、機架安裝剛度；c代表阻尼板阻尼孔中液體的阻尼系數(shù)；u代表音圈電機的推力；Ap、Ao、As分別代表被動側波紋管截面積、阻尼孔截面積、主動側波紋管截面積，主被動兩側液壓聯(lián)通，壓強相等，依靠截面積比可以調整兩側壓力。假定彈簧的連接點在質量塊上面，xi代表第i個質量塊的軸向位移，對圖4所示的等效物理模型進行動力學建模，得到的動力學方程如下：

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 試驗及結果分析

3.1 樣機研制

研制完成的樣機如圖5所示，樣機分為兩部分，下部為音圈電機，上部為金屬波紋管液體阻尼器。樣機直徑40mm，長度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采用航空煤油，注入時雙側波紋管進行3mm的預壓縮。在樣機的前端蓋和后端蓋預留了機械安裝接口，以便作為桁架的一段嵌入到結構中。

圖5 液電混合作動器樣機Fig.5 Prototype of liquid-electric hybrid actuator

3.2 測試分析

進行作動器輸出力特性的測試，包括靜態(tài)輸出力和動態(tài)輸出力。將作動器音圈電機端固定在測試實驗臺上，推拉力計(AIGU，型號：ZP20N，精度0.1N)與混合作動器的輸出端連接，推拉力計固定在平移臺上，測量混合作動器的輸出力。同時，使用安培表與音圈電機串聯(lián)，測量通過音圈繞組的電流。測試得到的作動器電流-輸出力的關系曲線如圖6所示。1.2A是在線圈繞組的耐受電流范圍之內(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，同時輸出力與電流具有較好的線性關系。對音圈電機施加正弦激勵電流，電流幅值1.2A，頻率0.5Hz得到電流-輸出力的關系曲線如圖7所示。

圖6 作動器電流-輸出力的關系曲線Fig.6 Relation curve of current and output force

圖7 作動器動態(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，輸出力達到3.6N。進行作動器位移輸出的動態(tài)跟蹤閉環(huán)控制測試，得到輸出位移的正弦曲線。將作動器音圈電機端固定在平移臺上，作動器輸出端固定連接負載，負載采用吊裝，以避免重力對輸出特性的影響。采用激光測距傳感器(Panasonic，型號：HG-C1030，精度10μm)進行位移輸出測量，運動控制使用PID控制算法，得到的動態(tài)位移輸出曲線如圖8所示?？梢钥闯鲚敵鑫灰谱畲蠓悼梢赃_到3mm，測試頻率為0.5Hz，輸出波形沒有明顯失真。

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

4 結 論

本文研究了基于音圈電機和液壓阻尼器串聯(lián)的液電混合作動技術。設計了音圈電機，進行了磁場的分析和結構設計，保證了主動驅動力的提供。在此基礎上進行了液電混合作動的集總參數(shù)模型分析，得到了系統(tǒng)的動力學方程。進行了被動液壓阻尼器的研制并與音圈電機集成得到了液電混合作動器樣機，并對樣機進行了初步的測試，結果表明樣機滿足初步的性能指標要求。但本文未考慮液電混合作動器的閉環(huán)控制策略及參數(shù)的精確識別，因此后續(xù)將研究考慮力反饋、位置反饋并搭載負載時的精確控制算法及實現(xiàn)問題，以進一步評估振動抑制能力。