基于音圈电机的Stewart主动隔振平台设计

    1 引言

    随着航空航天技术的发展，仪器和设备的精度不断提高，航天器在生命周期内可能会受到各种干扰或者非引力作用，仪器处于微重力的条件下，微小振动都会对仪器设备造成严重影响。例如航空摄像机来，太空中10microradian 的微小的振动相当于地面上500km 的误差[1]。所以采取控制措施进行隔振平台设计具有十分重要的意义。微重力环境中仪器设备所承受的振动频率的范围为（0.01~30）Hz，加速度应该低于 10-3g。在这样低的频段内传统被动隔振平台已经不能满足要求，需要采用主动隔振。采用音圈电机作为作动器进行主动隔振平台的设计，仿真结果显示所设计的平台具有良好的隔振效果。

    Stewart 平台具有刚度大，承重能力强等明显优点而成为并联机构研究重点，运动冗余使单个作动器的定位误差影响很小，广泛用在精密仪器的定位和运动控制上。实践也证明了Stewart平台在航空航天的主动控制中具有良好的表现[2]。因此采用 Stewart 平台进行主动隔振平台的设计。

    2“Cubic”构型的 Stewart 平台

    Stewart 平台进行主动隔振平台设计，耦合问题是重点和难点所在，为了使控制问题简化，在被动结构的设计上采用了一种特殊的形式平台—“Cubic”构型 Stewart 平台[3-4]。这种结构形式的Stewart 平台构型，如图 1 所示。

    “Cubic”构型Stewart平台的上平面是承载平面，安装载荷，下平面是基础平面，与航天器连接。上下平面被中间六根可伸缩主动杆用球铰链连接在一起，构成主动隔振平台。其中主动杆KW，KU，JW，JL，IL，IU 空间位置是相互平行或者正交，文献[5]完整证明了这组广义坐标运动方向线性不相关，各个主动杆之间的耦合作用大大减弱，忽略他们之间的耦合性。可以采用分散控制形式。

    “Cubic”构型使其在杆长方向上具有统一的刚度和控制策略。对六根杆用相同的控制策略和方法进行分散控制，达到对整个上平台振动的控制，简化了控制系统[6]，提高了系统的可靠性。

    3 音圈电机（VCM）作动器

    在主动隔振系统的设计中，作动器与控制效果关系密切。音圈电机（VCM）具有体积小、重量轻、高速度、高加速度、快速响应和推理均匀等优良性能，将电能转化为直线或者旋转运动不需要中间转换机构，因此在主动隔振系统中得到广泛的应用。

    相关文献[7]详细介绍了音圈电机的工作原理。它是基于安培力产生原理来工作的，即将通电导体置于磁场中，会产生力F，且F 大小取决于通电导体所处的磁场强度 B，通电电流 I，磁场中的线圈的圈数n 和长度 l，即：