專利名稱：一種非接觸式主動阻尼裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)械動力學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸式主動阻尼裝置，該裝置包括阻尼器和驅(qū)動電路。該阻尼器及其驅(qū)動電路適用于無機(jī)械接觸、主動控制阻尼力的場合。
背景技術(shù)：
阻尼裝置是一種提供運(yùn)動阻力、耗減運(yùn)動能量的裝置。利用阻尼來吸能減振的技術(shù)在機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用極為普遍，從早期的航天、航空、軍工、汽車等領(lǐng)域擴(kuò)展至現(xiàn)在的機(jī)床、 儀器、建筑、橋梁、鐵路等工程結(jié)構(gòu)中，其發(fā)展十分迅猛。傳統(tǒng)的阻尼裝置如彈簧阻尼裝置、摩擦阻尼裝置、液壓阻尼裝置、粘滯阻尼裝置等多數(shù)為被動阻尼裝置，只能隔離振源傳至被隔離物體的高頻振動，盡管部分阻尼裝置的阻尼力可調(diào)，但這種調(diào)整不具有實(shí)時(shí)可控性。其次，傳統(tǒng)的阻尼裝置在工作過程中具有機(jī)械接觸或以液體(氣體)作為傳力介質(zhì)，隔振效果難以達(dá)到高精度設(shè)備和精密儀器的使用要求。 另外，傳統(tǒng)的阻尼裝置雖然阻尼力大，承載能力強(qiáng)，但響應(yīng)速度慢，瞬時(shí)穩(wěn)定性差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種非接觸式主動阻尼裝置，該阻尼裝置具有力學(xué)特性好、 阻尼力可控、響應(yīng)速度快、無機(jī)械接觸和體積小的特點(diǎn)。本發(fā)明提供的一種非接觸式主動阻尼裝置，包括阻尼器和驅(qū)動器兩部分，阻尼器和驅(qū)動器電氣連接；其特征在于，所述阻尼器包括固定不動的定子和與定子相分離的阻尼發(fā)生器，其中阻尼發(fā)生器相對于定子能夠在一個方向上運(yùn)動，驅(qū)動器為阻尼器提供驅(qū)動電流，控制阻尼器的阻尼力的變化。為了克服傳統(tǒng)阻尼裝置的上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種非接觸式主動阻尼裝置。該阻尼裝置由分離式動子和定子組成，通過主動控制方式調(diào)節(jié)驅(qū)動電路的驅(qū)動電流，從而實(shí)現(xiàn)阻尼力的主動控制。該阻尼裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對超精密減振器提供自適應(yīng)變阻尼控制，有效地衰減減振臺的高頻振動。本發(fā)明可以為光刻機(jī)及其他的精密設(shè)備提供超靜的環(huán)境。具體而言，本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果(1)阻尼裝置采用了非接觸結(jié)構(gòu)，阻尼發(fā)生器和座子之間沒有任何的機(jī)械接觸，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝方便；(2)由于阻尼力是靠電磁場產(chǎn)生的，所以該阻尼裝置不需要任何的氣體或液體等傳力介質(zhì)，工作條件簡單，操作方便。(3)阻尼裝置的阻尼力是一種電磁力，所以該阻尼裝置具有響應(yīng)快、高加速度、高速度等特點(diǎn)，有效地衰減減振臺的高頻振動；(4)阻尼力控制和調(diào)節(jié)方便簡單，通過改變阻尼裝置的通電電流就可以有效地控制阻尼力，可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)變阻尼裝置；(5)驅(qū)動器對阻尼裝置的工作條件實(shí)時(shí)監(jiān)控，在緊急情況下將產(chǎn)生應(yīng)急處理信號， 保護(hù)阻尼器和驅(qū)動器的功率電路，增強(qiáng)了阻尼器的可靠性和安全性。
本發(fā)明提供的阻尼裝置可用作小型超精密設(shè)備、精密儀器的基礎(chǔ)支撐。將本發(fā)明提供的阻尼裝置與空氣彈簧、液壓隔振器等被動阻尼裝置串聯(lián)使用，亦可對大型設(shè)備、大型儀器實(shí)現(xiàn)精密減振。


圖1為本發(fā)明提供的阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中阻尼器的定子的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明中阻尼器的動子的結(jié)構(gòu)分解圖；圖4為本發(fā)明中阻尼裝置的驅(qū)動器的控制框架示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)例和附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和工作原理。本發(fā)明提供的阻尼裝置包括阻尼器和驅(qū)動器兩部分。參考圖1，是阻尼器的結(jié)構(gòu)示意圖。阻尼器包括固定不動的定子2和與定子2相分離的阻尼發(fā)生器3，其中阻尼發(fā)生器3相對于定子2可以在一個方向上運(yùn)動，但運(yùn)動的范圍小于1mm。阻尼發(fā)生器通過裝配圓柱銷51與減振臺面A相連接。定子2和阻尼發(fā)生器 3在機(jī)械結(jié)構(gòu)上是分離的，它們之間是通過電磁場的相互作用對阻尼發(fā)生器3產(chǎn)生阻尼力， 從而實(shí)現(xiàn)了減振臺面A的阻尼力的調(diào)節(jié)。上述的減振臺面A亦可為圓形、矩形等，其載荷重心自適應(yīng)原理適用于減振平臺幾何中心呈等邊三角形分布的三點(diǎn)支撐式結(jié)構(gòu)。參考圖2，圖2是本發(fā)明阻尼器的定子2的結(jié)構(gòu)示意圖。定子2包括了兩個結(jié)構(gòu)形式完全一樣的座子1，它們相對地安裝在水平臺面B上。座子1包括磁軛7和磁鐵8。該磁軛7用導(dǎo)磁材料制成，在每個磁軛與另一個磁軛相對的面上粘貼有磁鐵8。為了便于磁鐵8 的加工和磁路的連通，可以采用小塊的磁鐵，間隔地粘貼在磁軛7上。磁軛7上開設(shè)有冷卻水通道6，冷卻水從磁軛7上流過時(shí)，將帶走它產(chǎn)生的熱量，避免磁軛7之間的磁場受到溫度的影響。當(dāng)阻尼器與外部裝置組裝時(shí)，采用若干螺絲5通過磁軛7上的螺絲孔與外部裝置固定。參考圖3，圖3是本發(fā)明阻尼器的阻尼發(fā)生器3的結(jié)構(gòu)分解圖。阻尼發(fā)生器3包括高導(dǎo)熱陶瓷片上板61、芯子63、溫度傳感器65、高導(dǎo)熱陶瓷片下板73、線圈64、線圈收容器 71、若干個線圈固定上板62和若干個線圈固定下板72。其中線圈固定上板62和線圈固定下板72的數(shù)量可以是一個。線圈64是纏繞在芯子63上的，并灌注安裝在一起。線圈64 和芯子63是被線圈固定上板62和線圈固定下板72定位在線圈收容器71中的，最后通過高導(dǎo)熱陶瓷片上板61和高導(dǎo)熱陶瓷片下板73把線圈收容器71的兩側(cè)開口密封好。在線圈收容器71上開設(shè)有冷卻水通道，冷卻水通過進(jìn)水口接頭70在線圈表面循環(huán)后在出水口接頭69流出，帶走線圈在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量。線圈64表面上安裝有溫度傳感器65，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控阻尼發(fā)生器線圈64的溫度，當(dāng)阻尼發(fā)生器3的內(nèi)部溫度過高時(shí)，以便產(chǎn)生過熱保護(hù)。 通過引線孔67把線圈64和驅(qū)動器連接起來。引線孔66用于溫度傳感器的電氣連接。當(dāng)阻尼發(fā)生器3與外部裝置組裝時(shí)，通過兩個安裝孔68將阻尼發(fā)生器3與外部裝置固定。阻尼器上的線圈64的引線通過引線孔67與驅(qū)動器進(jìn)行電氣連接。驅(qū)動器為阻尼器提供驅(qū)動電流，通過改變阻尼器的驅(qū)動電流的大小實(shí)現(xiàn)了阻尼器的阻尼力的調(diào)節(jié)，達(dá)到了阻尼裝置的阻尼力主動控制的目的。上述結(jié)構(gòu)的阻尼器可以采用現(xiàn)有技術(shù)中提供的任一種用于阻尼器的驅(qū)動器，如壓控電流源或直流電機(jī)驅(qū)動器。也可以采用下述結(jié)構(gòu)的驅(qū)動器。參考圖4，圖4為本發(fā)明的阻尼裝置的驅(qū)動器框架示意圖。如圖4所示，本實(shí)例提供的驅(qū)動器包括控制信號處理模塊10，微控制器20，狀態(tài)指示模塊30，狀態(tài)監(jiān)控模塊40，電流反饋回路模塊50和功率驅(qū)動模塊60?？刂菩盘柼幚砟K10用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電流快速地跟隨控制信號的變化的目的。它接收來自于外部的控制信號，將其與來自于電流反饋回路模塊50的電流反饋信號進(jìn)行差分處理后，再進(jìn)行比例積分運(yùn)算后傳輸?shù)轿⒖刂破?0。微控制器20是驅(qū)動器的信號整合部分。微控制器20將來自于控制信號處理模塊 10的輸出模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，改變傳輸?shù)焦β黍?qū)動模塊60的脈寬調(diào)制信號的占空比。微控制器20接收來自于狀態(tài)監(jiān)控模塊40的關(guān)于阻尼器的工作狀態(tài)信號，并將該狀態(tài)信號傳輸?shù)綘顟B(tài)指示模塊30中。狀態(tài)指示模塊30將阻尼器的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，方便用戶對阻尼器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。狀態(tài)指示模塊30接收來自于微控制器20傳輸過來的關(guān)于阻尼器的工作狀態(tài)信號，并將該工作狀態(tài)信號顯示出來。狀態(tài)監(jiān)控模塊40實(shí)時(shí)監(jiān)控阻尼器上的工狀態(tài)，并在緊急情況下產(chǎn)生應(yīng)急處理信號，對阻尼器進(jìn)行保護(hù)。狀態(tài)監(jiān)控模塊40實(shí)時(shí)監(jiān)控阻尼器上的電壓、電流和溫度狀態(tài)，并將給該狀態(tài)傳輸給微控制器20。在緊急情況下狀態(tài)監(jiān)控模塊40將產(chǎn)生一個應(yīng)急處理信號給微控制器20，微控制器20將立即切斷功率驅(qū)動模塊60的供電電源，從而對阻尼器和功率驅(qū)動模塊60起保護(hù)作用。狀態(tài)監(jiān)視模塊實(shí)時(shí)監(jiān)視阻尼器的工作狀態(tài)，保證阻尼器的正常工作，當(dāng)阻尼器過流、過熱、過壓、欠壓、電氣結(jié)構(gòu)損壞時(shí)，都會切斷功率模塊的功率輸出，保護(hù)阻尼器。電流反饋回路模塊50是驅(qū)動器的主體，實(shí)現(xiàn)了控制信號和阻尼器的驅(qū)動電流的閉環(huán)控制。電流反饋回路模塊50測量阻尼器的電流數(shù)值，并將該電流數(shù)值反饋到控制信號處理模塊10中。功率驅(qū)動模塊60是驅(qū)動器的功率輸出部分。功率驅(qū)動模塊60接收微控制器20 的脈寬調(diào)制信號，進(jìn)而改變驅(qū)動器的輸出電流，并將該驅(qū)動電流輸入到阻尼器中，達(dá)到了調(diào)節(jié)阻尼裝置的阻尼力的目的。功率驅(qū)動模塊采用的是全橋脈寬調(diào)制電路驅(qū)動，內(nèi)部能耗低， 轉(zhuǎn)換效率高，可以實(shí)現(xiàn)阻尼裝置的大功率驅(qū)動?？刂菩盘柼幚砟K10中包括有第一差分電路101和比例積分運(yùn)算電路102，差分電路101對外部控制信號和電流反饋回路模塊50的輸出電流信號做減法運(yùn)算，運(yùn)算的結(jié)果經(jīng)過比例積分運(yùn)算電路102的處理后，傳輸?shù)轿⒖刂破?0的模數(shù)轉(zhuǎn)換器201中。微控制器20包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器201，脈寬調(diào)制信號發(fā)生器202，10端口 203。模數(shù)轉(zhuǎn)換器201將比例積分運(yùn)算電路102處理后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過微控制器20的運(yùn)算處理后控制脈寬調(diào)制信號發(fā)生器202的脈寬調(diào)制信號的輸出。IO端口 203實(shí)時(shí)檢測狀態(tài)監(jiān)控模塊40的信號，對檢測結(jié)果分析處理后傳輸給狀態(tài)指示模塊30。微控制器20實(shí)時(shí)接收保護(hù)模塊傳輸過來的關(guān)于阻尼器的電壓、電流和溫度狀態(tài)，并將該狀態(tài)傳輸給狀態(tài)指示模塊。
狀態(tài)指示模塊30包括LED指示燈301和液晶顯示器302。LED指示燈301和液晶顯示器302接受微控制器20的控制信號，微控制器20控制LED指示燈301的相應(yīng)信號狀態(tài)，微控制器20將阻尼器的電壓、電流和溫度的相關(guān)狀態(tài)傳輸?shù)揭壕э@示器302上進(jìn)行顯
7J\ ο狀態(tài)監(jiān)控模塊40包括電壓保護(hù)電路401，電流保護(hù)電路402和溫度保護(hù)電路403。 電壓保護(hù)電路401實(shí)時(shí)監(jiān)控阻尼器的兩端電壓狀態(tài)，當(dāng)電壓超出某一正常的工作范圍時(shí)將產(chǎn)生一個應(yīng)急處理信號給微控制器20。電流保護(hù)電路402實(shí)時(shí)監(jiān)控流經(jīng)阻尼器的電流，當(dāng)電流超出某一正常的工作范圍時(shí)將產(chǎn)生一個應(yīng)急處理信號給微控制器20。溫度狀態(tài)監(jiān)控模塊403實(shí)時(shí)監(jiān)控阻尼器的溫度，溫度超出某一正常的工作范圍時(shí)將產(chǎn)生一個應(yīng)急處理信號給微控制器20。電流反饋回路模塊50包括第一、第二霍爾電流傳感器501、502，以及第二差分電路503。在該模塊中使用了霍爾電流傳感器501和霍爾電流傳感器502分別檢測阻尼器的兩端電流，霍爾電流傳感器501和霍爾電流傳感器502分別反向串聯(lián)在阻尼器的兩端。差分電路503對霍爾電流傳感器501和霍爾電流傳感器502輸出的信號進(jìn)行減法運(yùn)算，從而達(dá)到抑制霍爾電流傳感器溫漂的目的，實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動電流的高精度控制。電流反饋模塊采用的是兩個霍爾電流傳感器反向串接的形式，實(shí)現(xiàn)了阻尼裝置的精確電流反饋，同時(shí)還抑制了霍爾電流傳感器的溫漂。功率驅(qū)動模塊60采用全橋驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動電流的輸出和換向，通過微控制器20調(diào)節(jié)功率驅(qū)動模塊60的輸出電壓和電流。微控制器20具體通過調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制信號發(fā)生器202的脈寬調(diào)制信號來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功率驅(qū)動模塊60的輸出電壓和電流的目的。以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，但本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。 權(quán)利要求
1.一種非接觸式主動阻尼裝置，包括阻尼器和驅(qū)動器兩部分，阻尼器和驅(qū)動器電氣連接，其特征在于，所述阻尼器包括固定不動的定子(2)和與定子(2)相分離的阻尼發(fā)生器 (3)，其中阻尼發(fā)生器(3)相對于定子(2)能夠在一個方向上運(yùn)動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式主動阻尼裝置，其特征在于，定子(2)包括兩個結(jié)構(gòu)形式相同的座子(1)，相對地安裝，座子(1)均包括磁軛(7 )和磁鐵(8 )，在每個磁軛與另一個磁軛相對的面上粘貼有磁鐵(8)，磁軛(6)上開設(shè)有第一冷卻水通道(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式主動阻尼裝置，其特征在于，阻尼發(fā)生器(3)包括高導(dǎo)熱陶瓷片上板(61)、溫度傳感器(65)、高導(dǎo)熱陶瓷片下板(73)、線圈(64)、線圈固定上板 (62)和線圈固定下板(72)；線圈(64)纏繞在芯子(63)上并灌注安裝在一起，線圈(64)和芯子(63)通過線圈固定上板(62)和線圈固定下板(72)定位在線圈收容器(71)中，并通過高導(dǎo)熱陶瓷片上板(61)和高導(dǎo)熱陶瓷片下板(73)把線圈收容器(71)的兩側(cè)開口密封，在線圈收容器(71)上開設(shè)有第二冷卻水通道，溫度傳感器(65)安裝在線圈(64)表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的非接觸式主動阻尼裝置，其特征在于，驅(qū)動器包括控制信號處理模塊(10)，微控制器(20)，狀態(tài)指示模塊(30)，狀態(tài)監(jiān)視模塊(40)，電流反饋回路模塊(50)和功率驅(qū)動模塊(60)；控制信號處理模塊(10)用于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電流快速地跟隨控制信號的變化的目的；它接收來自于外部的控制信號，將其與來自于電流反饋回路模塊(50)的電流反饋信號進(jìn)行差分處理后，再進(jìn)行比例積分運(yùn)算后傳輸?shù)轿⒖刂破?20 )；微控制器(20)將來自于控制信號處理模塊(10)的輸出模擬信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，改變傳輸?shù)焦β黍?qū)動模塊(60)的脈寬調(diào)制信號的占空比；微控制器(20)接收來自于狀態(tài)監(jiān)視模塊(40)的關(guān)于阻尼器的工作狀態(tài)信號，并將該狀態(tài)信號傳輸?shù)綘顟B(tài)指示模塊(30)中；狀態(tài)指示模塊(30)將阻尼器的工作狀態(tài)進(jìn)行顯示，方便用戶對阻尼器的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控；狀態(tài)指示模塊(30)接收來自于微控制器(20)傳輸過來的關(guān)于阻尼器的工作狀態(tài)信號，并將該工作狀態(tài)信號顯示出來；狀態(tài)監(jiān)視模塊(40)實(shí)時(shí)監(jiān)控阻尼器上的工狀態(tài)，并在緊急情況下產(chǎn)生應(yīng)急處理信號， 對阻尼器進(jìn)行保護(hù)；狀態(tài)監(jiān)視模塊(40)實(shí)時(shí)監(jiān)控阻尼器上的電壓、電流和溫度狀態(tài)，并將給該狀態(tài)傳輸給微控制器(20 )；在緊急情況下狀態(tài)監(jiān)視模塊(40 )將產(chǎn)生一個應(yīng)急處理信號給微控制器(20)，微控制器(20)將立即切斷功率驅(qū)動模塊(60)的供電電源，從而對阻尼器和功率驅(qū)動模塊(60)起保護(hù)作用；電流反饋回路模塊(50)用于實(shí)現(xiàn)控制信號和阻尼器的驅(qū)動電流的閉環(huán)控制；電流反饋回路模塊(50)測量阻尼器的電流數(shù)值，并將該電流數(shù)值反饋到控制信號處理模塊(10) 中；功率驅(qū)動模塊(60)是驅(qū)動器的功率輸出部分；功率驅(qū)動模塊(60)接收微控制器(20) 的脈寬調(diào)制信號，進(jìn)而改變驅(qū)動器的輸出電流，并將該驅(qū)動電流輸入到阻尼器中調(diào)節(jié)其阻尼力；功率驅(qū)動模塊(60)采用全橋驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動電流的輸出和換向，通過微控制器 (20)調(diào)節(jié)功率驅(qū)動模塊(60)的輸出電壓和電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非接觸式主動阻尼裝置，其特征在于，微控制器(20)包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(201)，脈寬調(diào)制信號發(fā)生器(202)，IO端口(203)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器(201)將比例積分運(yùn)算電路(102)處理后的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過微控制器(20)的運(yùn)算處理后控制脈寬調(diào)制信號發(fā)生器(202)的脈寬調(diào)制信號的輸出；IO端口(203)實(shí)時(shí)檢測狀態(tài)監(jiān)視模塊 (40)的信號，對檢測結(jié)果分析處理后傳輸給狀態(tài)指示模塊(30);微控制器(20)實(shí)時(shí)接收保護(hù)模塊傳輸過來的關(guān)于阻尼器的電壓、電流和溫度狀態(tài)，并將該狀態(tài)傳輸給狀態(tài)指示模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的非接觸式主動阻尼裝置，其特征在于，電流反饋回路模塊 (50)包括第一、第二霍爾電流傳感器(501、502)，以及第二差分電路(503);第一霍爾電流傳感器(501)和第二霍爾電流傳感器(502)分別反向串聯(lián)在阻尼器的兩端；差分電路(503)對霍爾電流傳感器(501)和霍爾電流傳感器(502)輸出的信號進(jìn)行減法運(yùn)算。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非接觸式主動阻尼裝置，包括阻尼器和驅(qū)動器兩部分，阻尼器和驅(qū)動器電氣連接，阻尼器包括固定不動的定子和與定子相分離的阻尼發(fā)生器，阻尼發(fā)生器相對于定子能夠在一個方向上運(yùn)動。阻尼裝置由分離式動子和定子組成，通過主動控制方式調(diào)節(jié)驅(qū)動電路的驅(qū)動電流，從而實(shí)現(xiàn)阻尼力的主動控制。該阻尼裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對超精密減振器提供自適應(yīng)變阻尼控制，有效地衰減減振臺的高頻振動。本發(fā)明可以為光刻機(jī)及其他的精密設(shè)備提供超靜的環(huán)境。本發(fā)明提供的阻尼裝置可用作小型超精密設(shè)備、精密儀器的基礎(chǔ)支撐。將本發(fā)明提供的阻尼裝置與空氣彈簧、液壓隔振器等被動阻尼裝置串聯(lián)使用，亦可對大型設(shè)備、大型儀器實(shí)現(xiàn)精密減振。
文檔編號F16F15/03GK102230509SQ20111008320
公開日2011年11月2日 申請日期2011年4月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月2日
發(fā)明者徐振高, 王仕博, 羅欣, 袁方, 錢俊兵, 陳學(xué)東 申請人:華中科技大學(xué)