并聯隔振平臺驅動裝置*

張春鳳，趙 輝

（鄭州航空工業管理學院，河南鄭州 450015）

并聯隔振平臺驅動裝置*

張春鳳，趙 輝

（鄭州航空工業管理學院，河南鄭州 450015）

并聯隔振平臺在多軸低頻隔振方面獲得廣泛應用。其驅動裝置對平臺性能具有重要的影響作用。由于并聯隔振平臺結構的特殊性，其驅動器的輸出力與負載之間不是簡單的線性關系，給驅動器的選擇帶來困難。使用并聯隔振平臺的靜力平衡方程較好地解決了上述問題。同時，圍繞并聯隔振平臺驅動裝置，完成了控制器、驅動器、音圈電機等的選擇，并給出了驅動原理圖，為設計并聯隔振平臺驅動裝置提供了一種新思路。

并聯隔振平臺；驅動控制系統；靜力平衡方程

0 引言

近年來，制造、測量等朝著高精度方向不斷發展，對環境提出了越來越高的要求。而振動對制造和測量過程及結果都有很大的影響，因此，對相關敏感設備需要進行有效地振動隔離。研究表明，在工廠內測量得到的地面振動頻率上限為30～40 Hz[1]。而在敏感光學設備、機載精密裝置以及衛星隔振等方面研究也表明，需要隔離的振動均為多維低頻振動[2-3]。

Stewart平臺因為具有剛度大、結構穩定、承載能力強等特征，在多軸低頻隔振方面獲得了廣泛的應用。如美國IAI公司的Geng和Haynes對6自由度主動隔振Stewart平臺進行了結構上的改進，設計出性能良好的“立方體結構”，并將該平臺用于太空中空間結構的隔振[4]。北京航空航天大學大學的崔龍和黃海提出了大行程的Hexapod隔振平臺用于車載和機載光學設備的主動隔振[5]。Preumont等基于Stewart平臺，設計了以音圈電機為動力的驅動桿，獲得每十倍頻程衰減40 db的效果[6]。

本文針對以音圈電機為動力的并聯隔振平臺，討論了其驅動裝置的設計問題。

1 并聯隔振平臺

并聯隔振平臺采用“立方體結構”的Stewart平臺。該結構實際上是將一立方體的兩個相對頂點去掉后構成的一類Stewart平臺，如圖1所示。并聯平臺的6根支撐桿AiBi就是該立方體的棱，該支撐桿可伸縮，從而引發上平臺運動；而去掉兩個相對頂點后形成的兩個平面A1A2A3和B1B2B3則分別構成了并聯平臺的上平臺和下平臺。采用這種結構，隔振平臺的對稱性好，機械結構設計便利；更為重要的是，平臺的運動關系簡單且具有一定的各項同性特征，便于實現對驅動裝置的控制，因此，此結構獲得了較為廣泛的應用[7-9]。

圖1 隔振平臺結構示意圖

為了對Stewart平臺進行分析，首先建立坐標系。取其幾何中心O為參考坐標系的原點，Z軸垂直平面A1A2A3向上（在圖1中并未繪出），X軸和Y軸均和平面A1A2A3平行。

在上平臺工作時振幅和轉角不大的情況下，并聯隔振平臺的動力學方程為：

其中：

x為上平臺的微位移，x=(xa,ya,za,θx,θy,θz)T；

M 為上平臺的質量矩陣；

B為隔振平臺的力雅克比矩陣；

K為隔振平臺的剛度矩陣；

f為各支撐桿中的主動力，f=(f1…f6)T。

根據隔振要求進行了機械設計工作，獲得隔振平臺的主要參數為：支撐桿長320 mm、桿伸縮范圍±10 mm、上平臺質量為10 kg、載荷重量為5 kg；其上、下兩個平臺的結構和尺寸完全相同，6根支撐桿的結構和尺寸也完全相同；該平臺使用直線式音圈電機驅動，平臺的3維模型見圖2。

圖2 并聯隔振平臺的3維CAD模型

2 驅動裝置設計

此隔振平臺主要工作在低頻狀態，工作頻率范圍為：10～100 Hz；其工作時上平臺運動最大范圍為1 mm。這樣的工作頻率和運動范圍是音圈電機非常適合的應用場合。因此選擇音圈電機作為驅動器。

音圈電機可以看做是需要換向的有刷直流電動機。其控制系統除音圈電機外一般包括控制器、驅動器和負責反饋音圈電機工作狀態的傳感器等，整個控制系統如圖3所示。天津大學的黃田等針對并聯機床提出了基于奇異值分解的伺服電機參數選擇方法[10]，該方法具有一定通用性。除此之外，尚未見到專門文獻介紹驅動裝置參數的選擇。本節將結合并聯隔振平臺，用智能優化算法來選擇驅動裝置的核心參數。

圖3 音圈電機控制系統

2.1 選擇音圈電機

音圈電機的選擇主要分兩步，先進行試選，之后針對選擇電機進行校核，具體過程見圖4。

首先，要根據工作情況選擇音圈電機的形式。音圈電機主要有兩種形式：轉（擺）式和伸縮式。由于隔振平臺的特點，選擇伸縮式音圈電機。

試選音圈電機時，在滿足工作行程要求前提下，主要考慮音圈電機的輸出情況、如最大輸出力、穩態輸出力和速度等。

圖4 音圈電機選擇過程

在選擇音圈電機時，關鍵內容之一是選擇音圈電機的輸出力。一般做法是根據音圈電機的工作情況進行估計。但是，這種做法考慮的都是直接驅動負載的情況，而并聯隔振平臺中的各個驅動器相互協同工作，共同承擔負載。這樣就帶來新的問題：原有音圈電機選擇計算方法主要針對直接驅動形式，并不適用于并聯隔振平臺。為了解決此問題，需要建立并聯隔振平臺輸入和輸出之間的力映射關系。并聯隔振平臺的靜力平衡方程有機聯系了平臺負載和驅動器輸出力，為解決上述問題提供了可能。下面利用并聯隔振平臺的靜力平衡方程來估計所需音圈電機的輸出力。

利用平臺的力雅克比矩陣，可求出各支撐桿上的力 fi。對于Stewart平臺，忽略支撐桿的變形，有：

其中：F為上平臺上所受外力，這里為重力及負載。

由式（2）可知：

由式（3）可以求出每臺音圈電機需承擔的力為28.32 N。

當音圈電機工作在非平衡狀態時，可以利用達朗伯原理，將加速度通過附加力來處理。此時，可以對音圈電機載荷進行估算。當在垂直方向上加速度為4 m/s2時可以算出單臺音圈電機的載荷為169.91 N。

采用上述方法可以解決原有方法存在的問題，較好地解決并聯隔振平臺音圈電機選擇問題。

按照上述過程進行計算分析，選擇BEI公司型號為LA30-48-000A的音圈電機。該電機的主要參數見表1。從表中可以看出，其相關參數，如最大推力、連續推力、行程等都能夠滿足需要。

還需要說明的是，和傳統機械裝置相比，并聯隔振平臺設計過程中，音圈電機和機械結構關系更為密切，音圈電機的長度及半徑等尺寸都對隔振平臺的尺寸有著決定性的影響。當選擇的音圈電機在工作參數方面都能夠滿足要求而幾何尺寸不能滿足要求時，需要重新選擇隔振平臺的尺寸，并進行新一輪的音圈電機選擇。

表1 音圈電機的主要參數

2.2 音圈電機驅動器及控制器

其常見的驅動系統有兩種：一種是采用PWM功率變換器；另一種則是采用線性功率放大器。仿真分析表明：當音圈電機做低頻較大位置跟蹤時，可以選用斬波的方式；而做小位置的無差高頻位置跟蹤時，可以選擇功率放大器作為驅動器[10]。從并聯主動隔振平臺的設計要求可以看出，其特點是低頻、小位移。考慮到采用PWM功率變換器時，具有無超調的優點，因此選擇采用PWM功率變換器作為音圈電機的驅動器。

經過比較，選用TI公司的全雙橋PWM驅動器DRV8432[11]。該驅動器工作在并聯狀態時，可以提供14 A的持續電流輸出，峰值電流可達24 A，完全可以滿足音圈電機驅動需要；其開關頻率最高可達500 kHz；且其工作效率高達97%，利于節約能源。

DRV8432驅動器需要根據控制器提供的PWM信號來實現對音圈電機的控制。選擇PMAC2A-PC104作為控制器，同時選用ACC-8FS接口板來實現輸出PWM信號。

PMAC2A-PC104采用40 MHz的DSP563XX，每通道輸出±10 V電壓，通過ACC-8FS可以產生PWM信號。同時，PMAC在傳統的PID控制算法的基礎上，加上速度和加速度前饋。用速度前饋來減小微分增益或測速發電機環路阻尼帶來的跟隨誤差，用加速度前饋來補償由于慣性所帶來的跟隨誤差，同時使用陷波濾波器來防止諧振，從而實現快速、準確地控制電機[12]。

3 結論

本文在分析并聯隔振平臺特性的基礎上對其控制系統進行了設計，具體內容如下：

（1）分析了并聯隔振平臺幾何結構，獲得了動力學方程，并結合并聯隔振平臺靜力學方程，對音圈電機輸出力要求進行了估算；

（2）經過計算，選擇了合適的音圈電機，并為音圈電機匹配了驅動器和控制器。

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A Study on a Driving Device of Parallel Isolation Platform

ZHANG Chun-feng，ZHAO Hui
（Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management，Zhengzhou450015，China）

Parallel isolation platform is widely used in multi-axis low-frequency vibration isolation.Its driving device has a significant effect on the platform performance.It is difficulty to choice the driving motor due to that the relationship between the driving motor’s output force and the load is not linear.In this paper，parallel isolation platform’s static equilibrium equation is used to solve the above problem.The controller，drive，and voice coil motors are selected and the driver schematic is illustrated，It is a new idea for the design of the parallel isolation platform’s driving device.

parallel isolation platform；driving device；static equilibrium equation

TB535.1

A

1009－9492(2014)08－0058－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.08.017

張春鳳，女，1976年生，河北撫寧人，碩士，講師。研究領域：智能優化與計算機應用。已發表論文8篇。

(編輯：向 飛)

*河南省科技廳科技攻關項目（編號：112102210453）；鄭州航院青年基金項目（編號：2012103001）

2014－04－17