主动隔振技术

式中：C_l(ω)是复值控制函数。方程式（1）及（2）形成了线型方程组的封闭系统，对系统的运动进行控制。动态柔度可用常光学平台是支持振动敏感设备的坚固平台。典型光学平台为夹层结构，包含两个面板和一个轻质蜂巢状芯板。因其具有高强度-重量比率，这些平台通常与柔软的气动隔振器一起用于各种光学研究和高精度制造中。尽管这些系统能够实现良好的地面振动隔离，在其弯曲振动的固有频率下，平台也将偏离其理想的刚体特性。这些较高频率的弯曲振动导致平台上安装的光学设备失调，因其光学性能的下降。

光学平台的动态特性通常体现在动态柔度上。动态柔度是动态挠度与动态力的比率，是频率的函数。对于自由绝对刚性体，动态柔度与频率的平方成反比，由对数尺上一条直线来表示。动态柔度图的绘制为测算与刚体性能的偏差提供了简便的方法。图1显示了在光学平台角落附件测量的柔度绝对值的典型图。该图清晰的显示了三个不同的区域：（1）弯取振动第一共振频率以下（隔离频率以上）的低频率区域，其中光学平台的性能与刚性体接近；（2）包含主共振的中等频率区域；（3）以“背景”阻抗为特点的非共振性的高频率区域。为了降低光学平台的弯曲振动，有必要降低主共振峰值。对于最常用尺寸的光学平台，峰值处于100Hz与500Hz之间。

 

降低这些不必要的振动有各种已知的被动方法，包括使用粘弹性化合物将辅助质量块粘到光学平台上，实现结构性阻尼和“宽频带”阻尼，但这些方法效果有限。高端平台中使用的动态减振器（调谐质量减振器），如广州市固润光电科技科技有限公司的AVI系列主动隔震台，能有效的抑制光学平台的弯曲共振。这些调谐质量阻尼器仅可对光学平台特定共振频率进行调节，无法使光学平台加载发生重大变化。

主动隔振方法保证了高效率，不会有被动隔振的限制。在主动隔振中，对结构的振动进行监控，使用振动信号产生一个具有适当相位和振幅的力，从而使振动减弱。主动方法的另一个优点是，其能够提供一个振动信号，该信号可被独立的用于监控振动环境。

理论背景

自20世纪90年代初，多角度自由系统的主动隔振成为广泛研究的课题。对于一般的有源多角度自由系统，由外部激发力f_m引起的任意点的动态挠度u_n可在频域中表示，

U_n=G_nm(ω)▪f_m+    ，(1)

 

式中： 是控制回路产生的有效力，G_nm(ω)是动态柔度。众所周知，并列的传感器-促动器对构成了稳定的主动反馈控制系统。相应的，我们也可考虑线型反馈系统，这一系统通过某些位置的运动信号在相同的位置产生有效力。

=C_l(ω)▪u_l ,(2)

 

见的模态展开来表示：

G_nm(ω)=   （3）

 

这里 是正态振型的分量，为简单起见，我们假定其在低阻尼主系统中为实数；k是“无阻尼”的固有频率，k是相关损耗因子。如前所述，主共振峰值是降低光学平台弯曲振动过程中应考虑的主要问题。假定“闭环”动态响应是由共振频率附近的k_th正态振型所控制的。从而，可用k附近系列（3）的单一部件来大致的表示柔度。

G_nm(ω)≈ ，ω=ω_k    （4）

为动态柔度带入近似表达式（4）的线性系统（1）、（2）可用下式求解：

（5）

式中：u_n被动表示在缺少有效力的情况下的解决方案。方程（5）得出两个重要结论。首先，复值控制函数C_l（）的最优相位是我们所考虑的频率范围内的（-π/2）。必须对该因素加以考虑，因为阻尼被认为是减少共振最有效的方式。第二，方程（5）的右边不是由n或m决定的。这表明少量的并列传感器-促动器对能够抑制任何光源结构内的共振。根据对文献中已知各向异性板典型共振模式的分析，并通过概念验证原型的测试，我们可以确定，光学平台两个边角处放置的两个主动阻尼器将使若干首要共振模式下降10个因子。

 

系统架构

图2显示了Herzan AVI的一般布局。两个传感器-促动器组件装入两个边角的光学平台结构中。此设计确保了传感器和促动器的刚性连接，包含一个刚性管状结构，该结构使减振器与顶部和底部面板相连接，为内部电路板提供一个屏障。由于促动器及传感器都是电磁设备，他们互相之间也严格的予以屏蔽。两个电缆将阻尼器与控制器装置连接起来。通过USB接口，控制器装置可以与一台计算机通信。产品具有LCD显示屏，显示振动状态。

 

 

图3显示了一般反馈原理。每个传感器-促动器对由独立的控制通道实施控制。这些控制通道的更多细节在图4中。

 

 

在传感器输出信号输入至数字控制器之前，前级放大器和带通滤波器对该信号进行调节。数字控制器操作递归滤波器，该滤波器对振动器的动态响应进行补偿并对相位进行纠正，并使位移与力之间的相位差接近所需频率范围内的（-π/2）。实际上，这一过程模拟了我们所考虑的频率范围内的粘性减振器原理。控制函数包括增益系数k2及k2，该等系数表示了阻尼性能与系统稳定性之间的折衷。这些增益越高越好，因为这样阻尼就能增加，从而降低振动水平。尽管如此，如果增益太高，反馈系统将变得不稳定。最优增益将取决于有效载荷配置。为确定给定安全系数下的最优增益，我们应该知道设备的完整模型（光学平台及有效载荷）以及控制电路，但这是不实际的。尽管可以获得该等模型，但由于电机常数、传感器及促动器敏感性的不同，除了电子元件参数的变化，k1及k2的最优调谐量也将发生变化。为了避免出现这一问题，已采用简单的方法对控制环路增益进行自适应调整。图5显示了这一方法。程序包含下列步骤。

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