音圈電機畢業(yè)設計---音圈電機主動抗振系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><p>　　Abstract2</p><p><b>　　1緒論3</b></p><p>　　1.1課題意義3</p><p>　　1.2國

2、內(nèi)外的研究情況3</p><p>　　1.3主要任務5</p><p><b>　　2系統(tǒng)組成6</b></p><p>　　2.1直線音圈電機原理6</p><p>　　2.1.1直線音圈電機6</p><p>　　2.1.2一維系統(tǒng)驅動原理圖6</p>&l

3、t;p>　　2.1.3音圈電機數(shù)學模型6</p><p>　　2.2PID算法8</p><p>　　2.3空氣彈簧11</p><p>　　2.3.1空氣彈簧隔振器力學模型11</p><p>　　2.3.2空氣彈簧隔振器的固有頻率14</p><p>　　2.3.3隔振的評價17<

4、;/p><p>　　2.4電容式加速度傳感器18</p><p>　　2.4.1電容式加速度傳感器的數(shù)學模型18</p><p>　　2.5放大電路，濾波電路設計22</p><p>　　2.5.1儀用放大器22</p><p>　　2.5.2低通有源濾波器23</p><p>

5、<b>　　3系統(tǒng)設計25</b></p><p><b>　　4模擬結果26</b></p><p><b>　　結論31</b></p><p><b>　　謝辭32</b></p><p><b>　　參考文獻33</b

6、></p><p>　　音圈電機主動抗振系統(tǒng)設計</p><p>　　摘要：隨著我國精密儀器應用的不斷加強，其相關技術研究不斷地深入與拓展。低頻微振動是其中極其重要的一個研究課題，它對精密儀表的正常工作有著重要的影響。世界許多國家均高度重視，并投入大量的人力物力加以研究。在主動抗振領域，采用音圈電機對低頻微振動具有明顯的優(yōu)勢。它具有結構簡單、體積小、高速、高加速度、響應快、線性力一行

7、程優(yōu)良等特性，在精密儀器及精密工業(yè)領域有著廣泛地研究前景。本文通過對國內(nèi)外大量文獻的參考和研究，采用了主動與被動相結合的混合振動隔離系統(tǒng)，在以空氣彈簧為被動隔振元件基礎上，以音圈電機為主動隔振元件，進行了被動隔振性能的測試分析與主、被動混合隔振系統(tǒng)的設計與仿真、分析。</p><p>　　關鍵字：主動隔振 音圈電機 PID</p><p>　　Abstract: In company

8、with development of precision instrument，the correlation technique research has continually specialized．At the same time the application of precision instrument has reinforced unceasingly．Among them，Low Frequency micro-v

9、ibration is a vitally important research topic．It has primary influence to precision instrument's normal work．It has been attached importance by many states all over the world．Substantive manpower and material resour

10、ces has been plunged to study it．Adopting V</p><p>　　Keyword: Active vibration isolation; Voice Coil Motor; PID;</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>　　課題意義</b></

11、p><p>　　隨著我國精密儀器應用的不斷加強，其相關技術研究不斷地深入與拓展。低頻微振動是其中極其重要的一個研究課題，它對精密儀表的正常工作有著重要的影響。世界許多國家均高度重視，并投入大量的人力物力加以研究。在主動抗振領域，采用音圈電機對低頻微振動具有明顯的優(yōu)勢。它具有結構簡單、體積小、高速、高加速度、響應快、線性力一行程優(yōu)良等特性，在精密儀器及精密工業(yè)領域有著廣泛地研究前景。</p><p&

12、gt;　　本文通過對國內(nèi)外大量文獻的參考和研究，采用了主動與被動相結合的混合振動隔離系統(tǒng)，在以空氣彈簧為被動隔振元件基礎上，以音圈電機為主動隔振元件，進行了被動隔振性能的測試分析與主、被動混合隔振系統(tǒng)的設計與仿真、分析。</p><p>　　文中針對隔離對象進行了混合隔振系統(tǒng)算法的研究，提出一套音圈電機應用到隔振系統(tǒng)振動主動控制的方案，采用了先進的機電一體化PID控制算法，并利用Matlab軟件進行了仿真分析。仿

13、真結果表明，相對于被動隔振系統(tǒng)，加入主動控制的混合振動隔離系統(tǒng)的隔振性能得到了極大的提高。</p><p><b>　　國內(nèi)外的研究情況</b></p><p>　　近年來，隨著對高速，高精度定位系統(tǒng)性能要求的提高和音圈電機技術的迅速發(fā)展，音圈電機不僅被廣泛用在磁盤，激光唱片定位等精密定位系統(tǒng)中，在許多不同形式的高加速，高頻激勵上也得到廣泛應用，如，光學系統(tǒng)中透鏡的定

14、位；機械工具的多坐標定位平臺；醫(yī)學裝置中精密電子管，真空管控制；在柔性機器人中，為使末端執(zhí)行器快速，精確定位，還可以用音圈電機有效地抑制振動。</p><p>　　目前國內(nèi)外對音圈電機控制的研究主要針對直線音圈電機的位置控制。天津大學的趙興玉、張勝泉等在對音圈電機驅動XY平臺的控制中，分別設計了由內(nèi)環(huán)電流控制器、外環(huán)位置控制器、前置濾波器、前饋控制器、重復控制器和擾動觀測器組成的控制器，使平臺的具有良好的動態(tài)特性

15、；美國的Alex Babinski[12]和Tsu-Chin Tsao[13]在對音圈電機的伺服控制中引入了加速度環(huán)，由此構成的位置反饋環(huán)和加速度前饋控制器，使得系統(tǒng)相比無加速度前饋的系統(tǒng)，性能提高了5倍；中國臺灣的T.S.Liu和W.K.Chang[12]把基于強化學習的模糊控制器引入到對VCM的控制中，改善了VCM的跟蹤性能；新加坡國立大學的程國揚和清華大學金文光在VCM驅動硬盤磁頭快速精確定位伺服控制系統(tǒng)的設計中，采用一種復合非線

16、性反饋控制技術，提高控制系統(tǒng)的瞬態(tài)性能，并通過設計一個降階觀測器對伺服系統(tǒng)中的未知擾動進行估計及補償，清除擾動可能帶來的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差；K. S. Ananthanarayanan[13]在考慮音圈電機電感的條件下提出了一種包括三階多項式和時間優(yōu)化控制的算法，性能曲線表明，設計者可以選擇合適的系統(tǒng)慣量，使系統(tǒng)</p><p>　　東方所是國內(nèi)第一家從事振動和噪聲技術研究的高新技術研究所，是面向全國的第一家振動和噪聲

17、技術研究所。其相關研究成果如圖1.1，該教學實驗臺包括彈性體系統(tǒng)，激振系統(tǒng)，隔振系統(tǒng)，動力減振器，質量快，阻尼器等，減震性能在最大載重時僅達到19.22Hz，但具有可做共振，隔振，減震，自由振動，強迫振動等多種振動實驗。</p><p>　　圖1.1 ZJY-601T型振動與控制教學實驗室</p><p>　　日本明立精儀的隔振產(chǎn)品以其獨創(chuàng)的技術開發(fā)研制出可以使精密儀器及環(huán)境免受有害振動影

18、響的隔振裝置。如圖1.2，1.3，對于被動隔振不能有效隔離的2Hz附近低頻振動，主動隔振可以使振動減小到被動隔振的1／30-1／100。主要性能優(yōu)點：小型卻可以除去全自由度方向的振動和被動隔振所無法除去的頻帶域上的振動，標準MAPS可以為10噸以上的承載裝置隔振、承載運轉載物臺也不會有振動、在定位精度及保持水平精度方面也很優(yōu)越[12]。</p><p>　　圖1.2空氣式控制式主動隔振系統(tǒng)MAPS系列</p

19、><p>　　圖1.3臺上型/臺桌型主動隔振系統(tǒng)</p><p><b>　　主要任務</b></p><p>　　本設計的主要任務就是減小或者消除振動對隔振平臺的影響，此次設計是混合隔振系統(tǒng)，即分為被動隔振和主動隔振，空氣彈簧減小或者消除高頻振動的影響，當?shù)皖l微振動對平臺有影響時，使用主動隔振系統(tǒng)，即利用音圈電機減小和消除低頻振動。先分析空氣彈簧

20、隔振的作用，用Matlab進行仿真；當?shù)皖l振動輸入時，假設激勵為正弦輸入，進行系統(tǒng)分析，并用Matlab軟件中的Simulink進行仿真；整個系統(tǒng)電路的設計，傳感器的選擇電容式加速度傳感器，放大電路，濾波電路；分析音圈電機的原理和電容式傳感器的原理。</p><p><b>　　系統(tǒng)組成</b></p><p><b>　　直線音圈電機原理</b>

21、;</p><p><b>　　直線音圈電機</b></p><p>　　直線音圈電機(以下簡稱音圈電機)是一種將電信號轉換成直線位移的直流伺服電機。它基于安培力原理，即通電線圈放在磁場中產(chǎn)生力，力的大小與施加在線圈上的電流成正比。音圈電機在理論上有無限分辨率、無滯后、高響應、高加速度、高速度、體積小且力特性好、控制方便等一系列優(yōu)點，使它更適用于要求高加速度、高頻激勵

22、、快速和高精度定位的控制系統(tǒng)中。現(xiàn)代磁盤驅動器、光盤驅動器以及一些高精度的定位系統(tǒng)執(zhí)行機構都采用音圈電機來驅動。因此，對這類電機如何進行驅動，滿足要求的精度和頻響、特定的工作環(huán)境，是目前探索的熱點課題。</p><p><b>　　一維系統(tǒng)驅動原理圖</b></p><p>　　系統(tǒng)采用音圈電機直接驅動，采用獨特的聯(lián)軸系統(tǒng)剛性連接。音圈電機內(nèi)自帶光柵尺和PID編碼器。

23、驅動原理圖如圖2.1所示[8]</p><p><b>　　圖2.1驅動原理圖</b></p><p><b>　　音圈電機數(shù)學模型</b></p><p>　　音圈電機的結構如圖2.2所示[8][10]</p><p>　　圖2.2音圈電機結構</p><p>　　它由簧片

24、、骨架、線圈和磁鋼組成。其中的簧片有支撐和導向的作用。由結構可得到電機的兩個重要方程；</p><p><b>　　電壓平衡方程</b></p><p><b>　　（1）</b></p><p><b>　　動力平衡方程</b></p><p><b>　?。?）&

25、lt;/b></p><p>　　式中，為音圈電機的力常數(shù)，為運動部分質量，和為音圈電機線圈的電阻和電感，為支撐導向彈簧剛度，為驅動電壓，為電機運動速度，為運動位移。</p><p>　　對于(2)式，在時域有</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　　由電壓平衡方程得<

26、;/b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由于電感比較小，可忽略不計。故上式簡化成</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　聯(lián)立式(3)、(5)得</p><p><b>　?。?）</b>&

27、lt;/p><p><b>　　經(jīng)拉氏變換后</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　上式就是音圈電機的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。</p><p>　　為音圈電機的力常數(shù)為100N/A，m為運動部分質量為1kg，和為音圈電機線圈的電阻和電感，,為支撐導向彈簧剛度1000N/m。<

28、;/p><p>　　因此傳遞函數(shù)的數(shù)學表達式為</p><p><b>　　（8）</b></p><p><b>　　PID算法</b></p><p>　　比例-積分-微分在工業(yè)過程控制中最常見，應用最為廣泛的一種控制策略，它是由Minorsky在上世紀20年代對船舶自動導航的研究中提出的。到上世紀

29、40年代，PID控制應經(jīng)在過程控制中得到了廣泛的應用[5]。</p><p><b>　　PID控制原理：</b></p><p>　　PID控制本質上是一種負反饋控制，特別適用于過程的性能良好而且控制性能要求不太高的情況。它包含三種控制策略：比例控制，積分控制，微分控制。</p><p><b>　　比例積分控制算法</b&g

30、t;</p><p>　　比例積分控制算法由比例控制和積分控制兩部分算法組合而成。</p><p><b>　　積分控制算法</b></p><p>　　采用積分控制算法，控制器的輸出信號與輸入偏差信號的積分呈比例關系，即</p><p><b>　　式中——積分速度</b></p>

31、<p>　　由上式可見，只要偏差存在，控制器的輸出就不會不斷地隨時間積分而增大；只有當為零時，控制器才會停止積分，此時控制器的輸出就會維持某一數(shù)值。這說明積分控制是一個無差調(diào)節(jié)，即當被控系統(tǒng)在負載擾動下的調(diào)節(jié)過程結束后，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差已不存在，調(diào)節(jié)閥會停留在新的開度上，這與調(diào)節(jié)時當為零則輸出為零是不同的。</p><p>　　采用積分控制器時，系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度成正比。積分速度增大會加強動態(tài)積分效

32、果，使系統(tǒng)的動態(tài)開環(huán)增益增大，從而導致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。這是因為，增大相當于將同一時刻的控制器輸出控制增量增加，使調(diào)節(jié)閥的動作幅度加大，這勢必容易引起和加劇系統(tǒng)振蕩。</p><p>　　綜上所述，積分控制具有以下特點：積分控制是一種無差調(diào)節(jié)，它可以提高系統(tǒng)的無差度，也即提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度。與比例控制算法相比，積分控制的過渡過程比較緩慢，系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。這是因為積分環(huán)節(jié)引入系統(tǒng)后，會使系統(tǒng)的相頻特性滯后90

33、º，造成控制作用不及時，使系統(tǒng)的動態(tài)品質變差?？梢姡e分控制是犧牲了動態(tài)品質來換取穩(wěn)態(tài)性能的改善。增大積分速度可以在一定程度上提高系統(tǒng)的響應速度，但卻會加劇系統(tǒng)的不穩(wěn)定程度，使系統(tǒng)振蕩加劇。</p><p><b>　　比例積分控制算法</b></p><p>　　積分控制器雖然可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度，但是對系統(tǒng)的動態(tài)品質不利。因此，在工程實際中，一般較

34、少單獨使用積分控制算法，往往和比例控制算法相結合組成PI控制。</p><p>　　采用PI控制器時，控制器的輸出信號與輸入偏差信號之間存在以下關系</p><p>　　由此，得到其增量形式為</p><p>　　此時，控制器的傳遞函數(shù)為</p><p>　　總結比例積分控制算法的特點如下：</p><p>　　1）比

35、例積分控制的輸出響應由兩部分組成：當偏差出現(xiàn)時，比例作用迅速反應輸入的變化，起到粗調(diào)的作用；隨后，積分作用使輸出逐漸增加，最終達到消除穩(wěn)態(tài)誤差的目的，起到細調(diào)的作用。因此，PI控制是將比例控制的快速反應與積分控制的消除穩(wěn)態(tài)誤差功能相結合，因此能收到比較好的控制效果。</p><p>　　2）PI控制本質上是比例增益隨偏差的時間進程而不斷變化的比例作用。</p><p>　　3)與P控制相比

36、，PI控制由于積分環(huán)節(jié)的存在，會使系統(tǒng)的相頻特性存在相位滯后，造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)品質變差。</p><p>　　4）積分控制器存在積分飽和現(xiàn)象。這是因為，只要偏差不為零，控制器就會不停地積分使輸出增加（或減少），從而導致控制器輸出進入深度飽和，最終使控制器失去調(diào)節(jié)作用，這在工程上是很危險的。因此，控制器采用積分作用時，一定要防止積分飽和現(xiàn)象的發(fā)生。</p><p><b>　

37、　以下是傳遞函數(shù)</b></p><p>　　超調(diào)量低于25℅的MATLAB程序[7]</p><p>　　ng0=[0.1];dg0=[1,10,1000];</p><p>　　g0=tf(ng0,dg0);</p><p>　　delta=0.02;kc=-1;</p><p>　　for kp1=1

38、:0.1:50;</p><p>　　gt=feedback(kp1*g0,1);</p><p>　　P=roots(gt.den{1});</p><p>　　for i=1:1:length(P);</p><p>　　if abs(real(P(i)))<=10*eps</p><p><b>

39、　　kc=kp1;</b></p><p>　　pc=2*pi/abs(imag(P(i)));</p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><

40、p><b>　　if kc>=0</b></p><p><b>　　break;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　kp=0.6*kc<

41、/b></p><p><b>　　Ti=0.5*pc</b></p><p>　　Td=0.125*pc</p><p>　　ngc=kp*[Ti*Td,Ti,1];</p><p>　　dgc=[Ti,0];</p><p>　　gc=tf(ngc,dgc);zpk(gc);</p

42、><p>　　g=feedback(gc*g0,1);</p><p>　　t=[0:0.001:1.5];</p><p>　　step(g,t);grid on;</p><p><b>　　kp =</b></p><p><b>　　0.6000</b></p>

43、;<p><b>　　Ti =</b></p><p><b>　　1.4050</b></p><p><b>　　Td =</b></p><p><b>　　0.3512</b></p><p><b>　　空氣彈簧</

44、b></p><p>　　精密隔振技術在航空航天和精密光學系統(tǒng)的測量，實驗，制造中，是一項關鍵技術，要想獲得高質量的信息，就必須對實驗系統(tǒng)進行精密隔振。隨著科學技術的不斷發(fā)展和產(chǎn)品的不斷更新，對測量的精度要求越來越高，并逐步向納米級發(fā)展，因此對隔振系統(tǒng)提出了較高要求。隔振器的設計目標是使隔振系統(tǒng)的固有頻率盡可能低，隔振效率盡可能高。本文通過對空氣彈簧隔振器的隔振原理的分析，找出影響固有頻率的各項因素，為工程

45、技術人員設計高性能的隔振器提供理論依據(jù)[9]。</p><p>　　空氣彈簧隔振器力學模型</p><p>　　本文所研制的是帶附加氣室的空氣彈簧隔振器。由于空氣彈簧能承受較大的載荷，具有較低的剛度，因而空氣彈簧隔振系統(tǒng)具有較低的隔振頻率，能獲得較好的隔振效果。同時，空氣彈簧主氣室和附加氣室之間設置合適的阻尼孔，能有效改善隔振系統(tǒng)的阻尼特性，保證系統(tǒng)平穩(wěn)工作。</p><

46、;p>　　圖2.3空氣彈簧隔振器結構原理圖</p><p>　　圖2.3是空氣彈簧隔振器結構原理圖[9]。空氣彈簧是在密閉的柔性容器中加入壓力氣體(一般使用氮氣)，利用氣體的可壓縮性實現(xiàn)彈性作用的一種非金屬彈簧。隔膜是由柔軟的橡膠材料制成，其工作時的形狀取決于內(nèi)外約束體的形狀。當內(nèi)外約束體為直筒時，稱直筒約束膜式；當內(nèi)外約束體為斜筒時，稱斜筒約束膜式。</p><p>　　在靜止狀態(tài)

47、下，空氣彈簧內(nèi)的壓力(表壓力)和空氣彈簧的有效承載面積相乘之積，等于空氣彈簧上支承載荷的重量，即聲。</p><p>　　在運動狀態(tài)下，設想空氣彈簧隔振器的基礎突然產(chǎn)生變位或負載受到外力作用，橡膠囊產(chǎn)生伸縮，其內(nèi)容積和有效承載面積都發(fā)生變化，從而使空氣彈簧上的負載因受力的作用而產(chǎn)生運動。與此同時，空氣彈簧和附加空氣室之間產(chǎn)生壓力差，一部分空氣從壓力高的一方流向壓力低的一方，其中部分能量變成熱能，運動得到衰減。在分

48、析空氣彈簧系統(tǒng)的這種運動時，作如下假設[9]：</p><p>　　a 空氣彈簧在設計高度位置時，其有效承壓面積和內(nèi)容積呈線性變化； </p><p>　　b 空氣彈簧和附加空氣室內(nèi)空氣狀態(tài)的變化，因氣體變化過程較快，來不及與外界進行熱交換，因而呈近似絕熱過程的多向變化。</p><p>　　根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，空氣彈簧主氣室和附加氣室內(nèi)氣體壓力與體積滿足&l

49、t;/p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中 ——空氣彈簧內(nèi)氣體表壓力，</p><p>　　——大氣壓力，Mpa</p><p><b>　　—多變指數(shù)</b></p><p><b>　　—常數(shù)</b></p>

50、;<p><b>　　—兩氣室容積，</b></p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　其中 ——主氣室容積， </p><p>　　——附加氣室容積， </p><p>　　當空氣彈簧發(fā)生微幅振動時，其主氣室將發(fā)生體積變化。同時，由于阻尼孔的存在，氣體

51、將在主氣室和附加氣室之間流動，主氣室和附加氣室內(nèi)的壓力也將發(fā)生變化，變化量分別為和。所以，兩氣室的多變過程由式(9)可得</p><p><b>　?。?1）</b></p><p><b>　?。?2）</b></p><p>　　對于微小變形，可將式(11)和式(12)成展開級數(shù)，并略去二次以上的微小量后，得</

52、p><p><b>　?。?3）</b></p><p><b>　?。?4）</b></p><p>　　式中—流過阻尼孔的氮氣質量，kg</p><p>　　—氮氣密度，在常溫下為</p><p><b>　?。?5）</b></p>&l

53、t;p>　　根據(jù)上述假設，當空氣彈簧的有效面積在其變形的變化率不大的情況下，空氣彈簧的容積變化量為</p><p><b>　　（16）</b></p><p>　　自靜止狀態(tài)變形x后，空氣彈簧上產(chǎn)生的彈簧力為</p><p><b>　?。?7）</b></p><p>　　略去二次以上的微

54、小量后，得到近似式</p><p><b>　　（18）</b></p><p>　　由于空氣彈簧與附加空氣室之間產(chǎn)生壓力差，氮氣通過阻尼孔流向壓力低的一方．為便于分析，可以近似地假設氣體呈層流狀態(tài)，其阻尼孔的流量阻尼系數(shù)為</p><p><b>　　（19）</b></p><p>　　由式(1

55、3),(15),(16),(17)和(18)消去、和，則得</p><p><b>　?。?0）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p><b>　?。?1）</b></p><p><b>　　,,,,</b></p>

56、;<p>　　式(20)的關系可以用由圖2.4所示[9]的力學模型來表示，圖中的各個參數(shù)與式(20)的各個參數(shù)相對應。所以用阻尼孔起阻尼作用的空氣彈簧，相當于一個彈性支承的隔振器系統(tǒng)，即內(nèi)容積為，有效面積為的空氣彈簧和阻尼系數(shù)為的阻尼器并聯(lián)，而它又和內(nèi)容積為，有效面積為的空氣彈簧串聯(lián)，再將它和與有效面積變化率有關的彈簧并聯(lián)。</p><p>　　圖2.4空氣彈簧隔振器力學模型</p>

57、<p>　　空氣彈簧隔振器的固有頻率</p><p>　　圖2.5是空氣彈簧隔振系統(tǒng)</p><p><b>　　（22）</b></p><p>　　將式(22)中上式代入下式得到關于的三階微分方程，其特征方程為</p><p><b>　　（23）</b></p><

58、;p><b>　　式中</b></p><p><b>　　,,,</b></p><p>　　圖2.5空氣彈簧隔振系統(tǒng)</p><p>　　通常，式(23)具有一個實根和兩個復根</p><p><b>　　（24）</b></p><p>　　

59、對于普通彈簧和阻尼器并聯(lián)的單自由度振動系統(tǒng)，若設系統(tǒng)固有圓頻率為，則其特征方程的復根為。與此對比，在求得特征方程之復根后，可由下式確定空氣彈簧系統(tǒng)的固有頻率。</p><p><b>　　（25）</b></p><p>　　已知某種隔振器的負載質量M=100Kg，因為平臺有四個空氣彈簧，所以平均負載重力W=Mg/4=245N；空氣彈簧的有效承載半徑為</p&g

60、t;<p><b>　　,,</b></p><p>　　空氣彈簧的有效承載面積</p><p>　　空氣彈簧內(nèi)氣體表壓力</p><p><b>　　體積比</b></p><p><b>　　大氣壓力</b></p><p>　　按式(

61、15)，氮氣的密度</p><p>　　近似絕熱過程，取多變指數(shù)</p><p><b>　　空氣彈簧剛度</b></p><p><b>　　直筒約束，則</b></p><p><b>　　，，</b></p><p>　　將以上數(shù)據(jù)代入式（12），

62、得到特征方程為</p><p><b>　　（26）</b></p><p>　　圖2.6空氣彈簧隔振器的固有頻率與阻尼比的關系</p><p>　　解此方程，并根據(jù)式(25),可以得到固有頻率相對阻尼系數(shù)之間的關系式。由于兩關系式比較復雜，故用圖形直觀地表示。圖2.6曲線表示直筒約束膜式空氣彈簧隔振器的計算結果。隨增大而增大，且當時，急劇增大

63、，因此，為了降低，取為宜。</p><p><b>　　隔振的評價</b></p><p>　　描述和評價隔振效果的物理量很多，最常用的是振動傳遞系數(shù)T。傳遞系數(shù)是通過隔振元件傳遞的力與擾動力之間的比值[1][2]，或傳遞位移與擾動之間的比值，即</p><p>　　使用時根據(jù)具體情況選用。T越小，說明通過隔振元件傳遞的振動越小，隔振效果也越好

64、。如果T=1，則說明干擾全部倍傳遞，沒有隔振效果，在地基與設備之間不采取隔振措施就是這類情形；如果地基與設備之間采用隔振裝置，使得T<1，則說明擾動只被部分傳遞，起到了一定的隔振效果；如果隔振系統(tǒng)設計失敗，也可能出現(xiàn)T>1的情形，這時振動被放大。在工程設計和分析時，通常采用理論的方法計算傳遞系數(shù)來分析系統(tǒng)的隔振效果，有時也采用隔振效率來描述隔振系統(tǒng)的性能，隔振效率的定義為</p><p><b&

65、gt;　　（27）</b></p><p>　　此空氣彈簧的隔振效果為圖2.7</p><p>　　圖2.7歸一化頻率Z與傳動比T的關系</p><p>　　由圖2.7可知當歸一化頻率時，傳遞效率約為1:1，此時的空氣彈簧作用已失去意義，因而對低頻振動無法消除。</p><p><b>　　電容式加速度傳感器</b

66、></p><p>　　測量振動體相對于大地或慣性空間的運動，通常采用慣性式測振傳感器。慣性式測振傳感器種類很多，用途廣泛。加速度傳感器的類型有壓阻式，壓電式和電容式等多種，其中電容式加速度傳感器具有測量精度高，輸出穩(wěn)定，溫度漂移小等優(yōu)點。而電容式加速度傳感器實際上是變極距差動電容式位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)構成的。其測量原理是利用慣性質量塊在外加速度的作用下與被檢測電極間的空隙發(fā)生改變從而引起等效電

67、容的變化來測定加速度的。</p><p>　　電容式加速度傳感器的數(shù)學模型</p><p>　　電容式加速度傳感器的原理結構如圖2.8所示[11]，由圖可見，它實際上是變極距差動電容式位移傳感器配接“m-k-c”系統(tǒng)構成的“質量塊”由兩根彈簧片3支撐于殼體2內(nèi)，“質量塊”的A面與上固定極板5組成的電容以及質量塊4的B面與下固定極板1組成的電容。</p><p>　　

68、圖2.8電容式加速度傳感器結構示意圖</p><p>　　電容式加速度傳感器的等效原理圖如圖2.9所示[11][6]，圖2.9右側標尺表示與大地保持相對靜止的運動參考點，稱為靜基準，表示被測振動體2及傳感器底座1相對于該參考點的位移，稱為絕對位移，表示質量塊相對于傳感器底座1的位移，稱為相對位移。</p><p><b>　?。?8）</b></p>&

69、lt;p>　　式中：為自振角頻率；為阻尼系數(shù)；為空氣阻尼。而位移，速度，加速度三者之間關系為</p><p>　　圖2.9“m-k-c”系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　代入式（28）得</b></p><p><b>　?。?9）</b></p><p>　　經(jīng)拉氏變換得“m-k-c”

70、系統(tǒng)的傳遞函數(shù)</p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　傳感器殼體2的位移與，關系為</p><p><b>　?。?1）</b></p><p>　　式中，為不振動時，電容和的初始極距。若差動電容接入圖2.10所示變壓器式電橋中，則電橋開路輸出電壓幅值為：</p&g

71、t;<p>　　圖2.10變壓器式電橋</p><p><b>　　（32）</b></p><p><b>　?。?3）</b></p><p>　　將式（33）帶入式（30）得</p><p><b>　　（34）</b></p><p&g

72、t;　　以下是MATLAB程序[4]：</p><p>　　t=0:0.01:12;</p><p><b>　　num=[36];</b></p><p>　　zeta1=0.1;den1=[1 12*zeta1 36];</p><p>　　zeta2=0.2;den2=[1 12*zeta2 36];</p&

73、gt;<p>　　zeta3=0.3;den3=[1 12*zeta3 36];</p><p>　　zeta4=0.5;den4=[1 12*zeta4 36];</p><p>　　zeta5=0.7;den5=[1 12*zeta5 36];</p><p>　　zeta6=1;den6=[1 12*zeta6 36];</p>&

74、lt;p>　　zeta7=2;den7=[1 12*zeta7 36];</p><p>　　[y1,x,t]=step(num,den1,t);</p><p>　　[y2,x,t]=step(num,den2,t);</p><p>　　[y3,x,t]=step(num,den3,t);</p><p>　　[y4,x,t]=st

75、ep(num,den4,t);</p><p>　　[y5,x,t]=step(num,den5,t);</p><p>　　[y6,x,t]=step(num,den6,t);</p><p>　　[y7,x,t]=step(num,den7,t);</p><p>　　plot(t,y1,t,y2,t,y3,t,y4,t,y5,t,y6,

76、t,y7)</p><p>　　xlabel('wt'),ylabel('c(t)')</p><p><b>　　grid on；</b></p><p>　　title('zeta=0.1,0.2,0.3,0.5,0.7,1,2')</p><p>　　當時，分別為0.

77、1,0.2,0.3,0.5,0.7,1,2時，直線音圈電機的速度單位階躍響應曲線，由圖2.11與圖2.12可知，越小，直線音圈電機速度響應越迅速，但超調(diào)量也越大，且穩(wěn)定時間也比較長；隨著的增大，超調(diào)量逐漸減小，但速度響應也越來越慢。因此選擇。</p><p>　　設，，，，因此傳遞函數(shù)</p><p><b>　　（35）</b></p><p&g

78、t;　　放大電路，濾波電路設計</p><p><b>　　儀用放大器</b></p><p>　　在許多檢測技術應用場合"傳感器輸出信號往往較弱"而且其中還包括工頻，靜電和電磁耦合等共模干擾"對這種信號的放大就需要放大電路具有很高的共模抑制能力以及高增益，低噪聲和高輸入阻抗，習慣上稱為移用放大器，如圖2.13所示[3][11]</

79、p><p>　　圖2.13儀用放大器</p><p>　　移用放大器從電路結構可知，這是一種同相并聯(lián)差動放大器，其對稱性結構使整個放大器具有很高的共模抑制能力，特別是適用于長距離測量。其數(shù)學模型為：</p><p><b>　　令電路參數(shù)對稱</b></p><p>　　即 ，， &

80、lt;/p><p><b>　　， </b></p><p><b>　?。?6）</b></p><p><b>　　所以增益為</b></p><p><b>　　（37）</b></p><p>　　這種電路特點是性能穩(wěn)定，其漂移

81、將大大減少，具有高輸入阻抗和高共模抑制比，對微小的差模電壓很敏感，并適用于遠距離傳輸過來的信號，因而十分適用與傳感器配合使用。顯然，為保證電路的對稱性，改變增益最合理，最簡單的方法是改變的阻值。</p><p><b>　　低通有源濾波器</b></p><p>　　低通有源濾波器如圖2.14所示，它是由無源濾波器和有源濾波器組成,無源濾波器的頻率特性為[3][11]

82、：</p><p>　　圖2.14低通濾波器</p><p><b>　?。?8）</b></p><p><b>　　式中</b></p><p>　　有源濾波器的頻率特性為</p><p><b>　?。?9）</b></p><

83、p><b>　　式中</b></p><p>　　則低通有源濾波器的頻率特性為</p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　一般規(guī)定增益下降到時的頻率為截止頻率，通過上式求得為，則帶寬為。這樣把它檢波后的脈動直流信號中高次諧波濾掉，采用有源低通濾波器的優(yōu)點是較小的電容得到良好的濾波效果。<

84、/p><p><b>　　系統(tǒng)設計</b></p><p>　　系統(tǒng)結構，先用空氣彈簧濾除高頻振動，當?shù)皖l振動輸入時，傳感器檢測微振動，然后進行濾波整形放大電路，再通過A/D轉換，進入單片機，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，并通過D/A轉換，作用于音圈電機，控制振動平臺，并用示波器顯示減振效果。系統(tǒng)設計如下：</p><p><b>　　圖3.1系統(tǒng)結構&

85、lt;/b></p><p>　　如圖3.1所示，傳感器測量振動平臺的振幅或者加速度，本文選擇測量振動平臺的振幅，傳感器輸出電壓與振幅有一定的函數(shù)關系，由以上式（34）可知</p><p><b>　　（41）</b></p><p>　　電壓信號經(jīng)濾波，放大，進行AD轉換將電壓信號轉換為數(shù)字信號，然后進行PID運算</p>

86、<p><b>　?。?2）</b></p><p>　　再進行DA轉換，進而進行放大驅動，作用于音圈電機，同樣由以上式（8）可知</p><p><b>　?。?3）</b></p><p>　　由上述可知，此控制是閉環(huán)控制。設系統(tǒng)輸入為正弦輸入。</p><p><b>　

87、　模擬結果</b></p><p>　　此次設計的主要目就是要減小或者消除振動對隔振平臺的影響，本設計是混合隔振系統(tǒng)，即分為被動隔振和主動隔振，空氣彈簧減小或者消除高頻振動的影響，當?shù)皖l微振動對平臺有影響時，使用主動隔振系統(tǒng)，即利用音圈電機減小和消除低頻振動。先分析空氣彈簧隔振的作用，用Matlab進行仿真；當?shù)皖l振動輸入時，假設激勵為正弦輸入，進行系統(tǒng)分析，并用Matlab軟件中的Simulink進

88、行仿真。</p><p>　　由以下4.1，4.2兩圖可知傳感器的輸出經(jīng)放大后，由于Matlab本身算法的原因，剛開始波形出現(xiàn)跳動，而后的輸出良好。</p><p>　　圖4.1傳感器輸出Simulink圖</p><p>　　圖4.2傳感器的輸出波形</p><p>　　由以下4.3，4.4兩圖可得到，跳動再次疊加，而振幅輸出變大，雖然可通

89、過放大器進行調(diào)節(jié)，但是初始輸出響應太差，影響音圈電機工作。</p><p>　　圖4.3無PID控制Simulink圖</p><p>　　圖4.4無PID控制的輸出波形</p><p>　　由以下4.5，4.6兩圖可得到，由于PID的校正，跳動時間明顯減少，振幅輸出為穩(wěn)定，由此可知P校正能快速響應，而I積分校正可以使波形跟隨時間減少。</p><

90、;p>　　圖4.5 PID控制Simulink圖</p><p>　　圖4.6 PID控制的輸出波形</p><p>　　由以下示波器4.8，4.9兩圖可得到，閉環(huán)控制振幅明顯減少，達到預期效果。</p><p>　　圖4.7閉環(huán)控制Simulink圖</p><p>　　圖4.8閉環(huán)控制的輸出波形</p><p&g

91、t;　　圖4.9閉環(huán)控制的輸出波形</p><p>　　由以上模擬結果可知，如果系統(tǒng)再加上濾除噪聲的結構，效果會更好。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　為了減弱或者消除環(huán)境振動對高精度平臺的影響，本文進行了對振動隔離的研究，采用空氣彈簧進行被動隔振，采用音圈電機作為驅動器實現(xiàn)主動隔振。由于時間和條件所限，對于振動的

92、被動隔離和主動隔離本文只進行了理論分析。在此設計中結論總結如下：</p><p>　　1）由圖2.7可以看出，當阻尼比取0.3時，空氣彈簧隔振器的固有頻率為4Hz左右，能減弱4Hz以上的擾動，通過圖可以看到4Hz以上的振動，空氣彈簧可以有效的減弱，效果明顯。而4Hz以下的從圖中可以看到，振動幾乎是以1：1的比例傳遞進來，這時被動隔振失去效用。此時的空氣彈簧只能起到傳遞振動的作用。</p><p

93、>　　2）由以上4.1，4.2兩圖可知傳感器的輸出經(jīng)放大后，由于Matlab本身算法的原因，剛開始波形出現(xiàn)跳動，而后的輸出良好。</p><p>　　3）由以上4.3，4.4兩圖可得到，跳動再次疊加，而振幅輸出變大，雖然可通過放大器進行調(diào)節(jié)，但是初始輸出響應太差，影響音圈電機工作。</p><p>　　4）由以上4.5，4.6兩圖可得到，由于PID的校正，跳動時間明顯減少，振幅輸出為

94、穩(wěn)定，由此可知P校正能快速響應，而I積分校正可以使波形跟隨時間減少。</p><p>　　5）由以上示波器4.8，4.9兩圖可得到，閉環(huán)控制振幅明顯減少，達到預期效果。</p><p><b>　　謝辭</b></p><p>　　本論文是在xx教授的指導下完成的，畢業(yè)設計期間，我所遇到的困難，xx老師都給予了大量的指導。xx老師認真負責定期檢

95、查我每個時期所做的工作并且給出相應的指導與建議。在我的畢業(yè)論文的研究、寫作、修改過程中，xx老師付出了極大的心血，從論文的選題、資料收集、大綱的草擬和調(diào)整，到論文的措詞、觀點、論證方法以及格式調(diào)整，他都給予我最細心的指導和教誨。xx老師對科學研究敏銳的洞察力、清晰的科研思路、豐富的實踐經(jīng)驗、嚴謹?shù)闹螌W作風令我受益匪淺、終身難忘。</p><p>　　論文即將完成之際，首先向xx老師表示衷心的感謝，并致以深深的敬意

96、。在做畢業(yè)設計的過程中，還得到了劉文文老師的指導、以及研究生舒迎飛在課題研究上的支持與協(xié)助。感謝我的父母和親人，是他們在我的成長和學業(yè)上給予了無私的愛與無限的支持。最后向所有曾經(jīng)關心、幫助過本人的領導、老師、同學和親友們表示最誠摯的謝意!</p><p>　　學生學識有限，論文中的不足和疏漏之處，本人對此承擔全部責任，誠懇請各位老師批評指正，我會在今后的學習和生活中不斷地完善。</p><p&

97、gt;<b>　　[參考文獻]</b></p><p>　　[1] 盛美萍, 王敏慶. 噪聲與振動控制技術基礎 [M]. 北京：科學出版社, 2007：82-84</p><p>　　[2] 李耀中, 李東升. 噪聲控制技術 [M]. 北京：化學工業(yè)出版社, 2008：72-82</p><p>　　[3] 張國雄. 測控電路 [M]. 北

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