压电式主动隔振器的研究

　　隔振是振动控制中研究最多、应用最广的一项振动控制技术,分为被动隔振和主动隔振.被动隔振虽结构简单、易于实现、经济可靠,但对微小振动的控制效果和适应性却比较差,不适合单独用于高精度的隔振;而主动隔振特别适用于对微小振动的控制,所以尽管主动隔振需要外加能源,增加耗费,却广泛地用于精密仪器的隔振[1].

　　计算机技术的发展带动了半导体加工制造业的迅猛发展,而加工精度与产量的提高,必然要求高精度的隔振环境.压电材料可以满足半导体加工制造业特殊的隔振环境,具有无电磁干扰、无油液污染、体积小、承载能力强、响应速度快等特点,在控制技术中占有越来越重要的地位,压电陶瓷是其中应用最多、最有前途的一种材料.众所周知对低频激励单层隔振系统,隔振器的刚度必须很小,因而导致系统过分柔软,稳定性差,且在中高频区域隔振效果也不尽理想.采用双层隔振系统则可得到较好的隔振效果[2].笔者研制的压电式主动隔振器采用压电陶瓷作为作动器,同时运用前馈与反馈的控制方法对振动进行隔离,取得了较好的隔振效果.

　　1 压电陶瓷作动器

　　压电陶瓷作为主动隔振作动器,其基本工作原理是利用它的逆压电效应,即在施加电场的瞬间,材料产生可控的应变.应变遵循基本的逆压电方程:

式(1)中Sj为应变,Ei为电场强度,i和j分别为电场和应变方向;dij为压电常数.

　　压电陶瓷的电压/厚度特性为:电压引起的应变与晶体的厚度成正比.要获得一定量的位移,可用一组相互独立的晶体并联联结起来组成晶体堆,其所需要的电压比一整块晶体所需要的电压要低得多.在实际应用中,常用压电陶瓷片组成晶体堆作为作动器,既可以避免使用过

　　高的电压,又可以得到所需要的电致位移量.同时,把每一片压电陶瓷做得很薄也可以减小作动器尺寸[3].中科院上海硅酸盐研究所采用流延成膜技术和陶瓷坯膜/金属内电极共烧技术,制作的多层片式高含铅PZT软性压电陶瓷微驱动器,尺寸为5mm×6mm×2mm,38V的工作电压可以产生1.05Lm的位移[4].

　　2 压电式主动隔振器的基本控制原理及力学模型

　　2.1 压电式主动隔振器的基本控制原理及控制器的设计

　　控制器是主动控制系统中的核心环节,一般分为前馈控制器和反馈控制器.前馈控制器适用于对特定扰动采取补偿措施的情况,具有响应快速的特点;而反馈控制器则适用于在扰动因素较多且不可检测的情况,它能够自行减少或消除扰动对输出的影响,特别适合对复杂系统和参数不确定系统的控制,如隔振平台、柔性结构等[5].在文献[6]中阐述了前馈与反馈控制方法主要的应用范围.