基于音圈电机的微重力条件下主动隔振系统研究-机械设计及理论专业论文.docxVIP

Classified Index: TB535.1 U.D.C.: 621 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCH ON ACTIVE VIBRATION ISOLATION SYSTEM BASED ON VOICE COIL MOTOR UNDER MICROGRAVITY CONDITION Candidate： Lv Junchao Supervisor： Prof. Chen Zhaobo Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Mechanical Design and Theory Affiliation： School of Mechatronics Engineering Date of Defence： July, 2012 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - I - 摘 要 在轨运行时，航天器内的精密仪器和设备处于微重力条件下，其对微小低频 振动十分敏感。为了保护航天器上的仪器和设备，提高其工作精度，需要设计隔 振平台，抑制微小低频振动对精密设备的影响。其中，音圈电机优点明显，如体 积小、结构简单、重量轻、高加速度和速度、推力均匀、响应快、精度高等，对 于隔振设计来说比较合适。本文以承载能力大、刚度高的 Stewart 平台为被动基 础结构，音圈电机为作动器，进行主动隔振系统的设计。 分析了微重力环境产生的原因和对动力学分析的影响，以及音圈电机的工作 原理，建立其数学模型，并且给出电机形式选择的依据。在基础结构的选取上， 采用各杆之间耦合影响很小的“立方”构型的 Stewart 平台，提出对各通道进行 单输入单输出（SISO）控制的思想，简化了控制系统的设计。在单杆的各个参数 及控制力作用位置对隔振效果影响分析的基础上，分析隔振原理并设计其结构。 选取位移传递率作为优化分析目标，设计了一种理论上位移传递率为零的隔 振系统。在对位移传递率分析的过程中确定各个反馈控制量的增益系数，并对该 主动控制系统进行稳定性分析，在选定的参数下其具有无条件稳定的特点。采用 Simulink 进行仿真分析，结果显示该隔振系统对多种信号均有良好的隔振效果。 基于控制器的不同反馈量对隔振效果的影响分析，采用 PID 控制的方法，设 计了“前馈—反馈”复合控制器。在满足控制要求的前提下，将 PID 控制器简化 为 P 控制器，这样简化了控制系统的设计。前馈、反馈环节分别采用激励信号和 受控对象的绝对位移作为控制信号。仿真结果可以看到，所设计的控制器只需要 不高的控制电压和不大的控制力，就可以达到理想的隔振效果。 设计 Stewart 平台基础结构的尺寸参数，采用 ADAMS—Matlab/Simulink 联合 仿真方法对设计的 Stewart 主动隔振平台进行分析。在 ADAMS 中完成机械模型 的建立，调用其中的 Controls 模块建立数据交换通道，并在 Simulink 中分别搭建 六个主动杆的 SISO 控制系统。仿真结果显示，在典型信号激励下所设计 Stewart 主动隔振平台对精密仪器的主要振动来源方向—竖直方向具有相当好的隔振效 果，同时也有效隔离了来自水平方向的振动，并且所设计的主动隔振平台对控制 电压和驱动力的需求很好地满足了低能耗的要求。 关键词：主动隔振；Stewart；音圈电机；微重力；PID 复合控制 - - II - Abstract When the spacecraft is in orbit, precise instruments and equipments are in micro- gravity environment, small low-frequency vibration influence on them is particularly significantly. In order to protect the instruments and equipments in the spacecraft and to improve their precision, it’s necessary to design vibration isolation platform to suppress of small low-frequency of vibration. The structure of voice coil motor is simpl