压电分流阻尼控制精密机械结构振动的研究 Piezoelectric Shunt Damping for Vibration Control of a Precise MEMS System.pdfVIP

振动与冲击 第27卷第6期 JOURNALOFVIBRAllONANDSHOCK 压电分流阻尼控制精密机械结构振动的研究 孙浩，杨智春， 李凯翔，解江， 李斌， 张玲凌 (西北工业大学航空学院，西安710072) 摘 要：采用负阻抗变换器解决了压电分流电路中大亨值线绕电感的内阻影响抑振效能的问题。对硬盘驱动器 (HDD)的磁头驱动臂这种典型精密机械结构的振动响应进行了压电分流阻尼抑制实验，对比分析了电路构型和参数优 化方法对抑制效果的影响，研究了在高频微振动情况下，结构振动响应幅值对压电分流电路的抑振效果的影响。实验结 果表明，改进的压电分流阻尼技术能有效抑制HDD驱动臂及磁头的瞬态和稳态振动响应。 关键词：压电分流；振动控制；负阻抗变换器；硬盘驱动器 中图分类号：TB5350328 文献标识码：A 在电子、光学、计算机、航空航天等高精尖技术快 连接的分流电路的耗能特性，通过采用不同的电磁元 速发展的今天，各种精密仪器设备、半导体芯片和微机 件和电抗参数优化方法可以组成各种类型的分流电 电系统(MEMS)等精密机械设备都需要有一个高度安路旧。J，使分流电路产生不同的阻尼抑振效果。 定的结构平台。在这类精密仪器和精密机械设备的生 与电阻型、电容型和开关／转换型压电分流电路相 产和使用过程中，即使是人体难以感受到的微弱机械 比，RL串联型和R—L并联型压电分流电路的抑振效 振动也会严重影响精密器件产品的质量和精密设备的 果好、结构简单、可靠性高，这也是目前压电分流振动 使用性能，这就要求精密机械结构能保证提供一个振 抑制研究中应用最广泛的两种分流电路。其压电阻尼 动水平极低的安定环境…。开展精密机械结构振动控 效应形成的机理是，由压电元件的固有电容和外部并 制技术的研究，对高技术产业的发展以及国防建设都 联电路中串联或并联的电阻和电感组成一个谐振电 具有重要的理论意义和实用价值。 路，电感存储由结构振动的机械能转化而来的电能，再 20世纪90年代后期，利用压电材料正压电效应的通过谐振电路中的电阻将电能转化为热能耗散掉，以 压电分流阻尼技术逐步兴起心3J。压电分流阻尼系统 达到阻尼减振的目的。 用于精密机械结构的振动控制，不需要功率放大器、传 RL串联型和R—L并联型压电分流电路的主要组 感器等附属电子仪器，与其它振动控制方法相比，这种 成部分包括压电电压源、压电元件固有电容、外部电路 控制系统结构简单、鲁棒性好，易于实现，而且控制系 的电感和电阻。在根据结构的动力学特性参数设计压 统本身的附加体积、附加质量和附加刚度非常小，在许 电分流电路时，需要对外部分流电路中的电感和电阻 多精密机械场合(如在计算机硬盘或光驱内部的狭小 进行参数优化和调节。由于压电分流阻尼系统的抑振 空间)的振动控制中具有优势。 效果取决于分流电路的谐振效果和品质因数，因此分 本文以典型精密机械结构——硬盘驱动器磁头驱 流电路的电感和电阻值的精确性就成为决定分流阻尼 动臂和磁头振动响应的压电分流阻尼抑制为研究对 抑振效能的关键。 象，探索压电分流阻尼技术在精密机械振动控制设计 压电分流电路中的电阻和电感的工作电流频率等 中的应用。 于结构的振动频率，而工作电流频率的大小对电阻和 电感的阻抗有一定影响。在超过lMHz的高频交流电 1压电分流阻尼技术的改进 路中，要考虑电阻元件的趋肤效应[6o及其等效电感和 压电分流阻尼技术的基本原理是利