驅(qū)動主動振動平衡器以在基本頻率和諧波頻率下最小化振動的制作方法
【專利摘要】通過驅(qū)動在基波和選定諧波處具有平衡信號的主動平衡器的驅(qū)動電機來在基波頻率和諧波頻率下減少主機器的振動。振動被感測以提供代表所述機械振動的信號。用于基波和每個選定諧波的平衡信號發(fā)生器由自適應(yīng)濾波器的自適應(yīng)濾波算法處理每個頻率的感測振動信號以產(chǎn)生每個頻率的平衡信號。每個頻率的參考輸入在分配到所述發(fā)生器的頻率下施加于每個平衡信號發(fā)生器的自適應(yīng)濾波算法。所有頻率的諧波平衡信號相加并被施加以驅(qū)動所述驅(qū)動電機。所述諧波平衡信號以相對每個頻率下的振動的驅(qū)動電壓分量驅(qū)動所述驅(qū)動電機。
【專利說明】驅(qū)動主動振動平衡器w在基本頻率和諧波頻率下最小化振 動

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般涉及通過W下方法減少或消除主機器的機械振動；驅(qū)動禪合到主機器 的主動平衡器使得主動平衡器產(chǎn)生相對由主機器產(chǎn)生的力的平衡力。更具體而言，本發(fā)明 涉及不僅在主機器的基本操作頻率下而且在該基本頻率的諧波化armonic)下減少或消除 機械振動。

【背景技術(shù)】
[0002] 許多機器由于作為機器的一部分的一個或多個周期性移動質(zhì)塊（mass)的重復(fù)加 速和減速而振動。在某些環(huán)境下，振動可能使人不舒服、分也或惱人，并且在一些情況下，它 們會干擾其它設(shè)備的操作且甚至可能導(dǎo)致?lián)p壞。減少振動的一種方式是將振動機器通過中 間減振器（其可W是吸收部分振動能量的裝置或材料）安裝到另一個質(zhì)塊。然而，因為該 種方式只能部分減少振動，所W消除或至少最小化振動的幅度的更有效的方法是將振動平 衡器剛性安裝到振動機器。振動平衡器產(chǎn)生與振動相反的力；即，其產(chǎn)生幅度相等或幾乎相 等但相位相反的力，并由此抵消或幾乎抵消由振動產(chǎn)生的力。
[0003] 振動平衡器一般有兩種類型，被動振動平衡器和主動振動平衡器，其中一些也被 稱為調(diào)諧質(zhì)塊避震器、主動質(zhì)塊避震器或減振器。被動振動平衡器本質(zhì)上是諧振彈黃和質(zhì) 塊系統(tǒng)，其被調(diào)諧到振動機器的操作頻率，但是被布置為在與由振動產(chǎn)生的力相差180°的 相位下將力從其加速和減速質(zhì)塊施加到振動機器。主動振動平衡器本質(zhì)上是質(zhì)塊，且還可 鏈接到彈黃，但質(zhì)塊的運動由感測振動并相對于振動驅(qū)動質(zhì)塊的控制系統(tǒng)控制。
[0004] 雖然被動平衡器不太昂貴，但是它具有W下缺點：它僅可在其被調(diào)諧到的一個諧 振頻率下響應(yīng)振動。主動平衡器可響應(yīng)于振動頻率的細微變化并能夠W更好地抵消振動的 幅度施加補償力，但主動平衡器更昂貴并且需要控制器來W所需的幅度和相位驅(qū)動主動平 衡器。據(jù)本人所知，被動平衡器或主動平衡器都在振動機器的基本操作頻率的諧波下不具 有平衡振動。
[0005] 因此，本發(fā)明的目的和特征是提供用于在機器的基本操作頻率和該基頻的諧波兩 者下減少或消除機器的振動。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明是用于在主振動機器的基本操作頻率和該操作頻率的選定諧波下平衡主 振動機器的振動。主振動機器的振動被感測W提供代表主振動機器的被感測機械振動的感 測振動信號。產(chǎn)生用于操作頻率的基本諧波和選定諧波的平衡信號，且優(yōu)選產(chǎn)生用于幾個 選定諧波中的每個的諧波平衡信號。通過由自適應(yīng)濾波器的自適應(yīng)濾波算法處理感測的振 動信號產(chǎn)生每個平衡信號。每個選定頻率的自適應(yīng)濾波算法在其被分配的選定頻率下具有 正交正弦變化的參考輸入。所有選定頻率的諧波平衡信號相加并施加 W驅(qū)動主動平衡器的 驅(qū)動電機。每個選定頻率下的每個諧波平衡信號因此W用于相對每個選定頻率下的振動的 每個選定頻率的驅(qū)動電壓分量驅(qū)動驅(qū)動電機。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007] 圖1是示出本發(fā)明的基本操作的框圖。
[0008] 圖2是示出其為本發(fā)明的組件的自適應(yīng)平衡信號發(fā)生器的操作框圖。
[0009] 圖3示出本發(fā)明的一個實施例的圖。
[0010] 圖4示出本發(fā)明的另一實施例的圖。
[0011] 圖5示出本發(fā)明的又另一實施例的圖。
[0012] 在描述在附圖示出的本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，為清楚起見，將采取特定術(shù)語。然 而，該不意味著本發(fā)明限于如此選擇的特定術(shù)語且應(yīng)理解，每個特定術(shù)語包括W類似方式 操作W實現(xiàn)類似目的的所有技術(shù)等同物。

【具體實施方式】
[0013] 美國專利7, 511，459通過引用并入本申請。該現(xiàn)有技術(shù)專利示出用于被驅(qū)動地鏈 接到斯特林機器且可與本發(fā)明的實施例一起使用的控制線性電機/交流發(fā)電機的控制系 統(tǒng)的實例。更具體而言，本專利公開了其在本文中稱為用于將主電驅(qū)動電壓和電流施加到 其電機/交流發(fā)電機電樞繞組W便在其工作頻率下控制其操作的主要控制系統(tǒng)的實例。
[0014] 雖然本發(fā)明的最初設(shè)想的應(yīng)用是平衡驅(qū)動地鏈接到線性電機/交流發(fā)電機的斯 特林機的振動，但是本發(fā)明也可適用于減少其它主振動機器的振動。本發(fā)明可獨立于主振 動機器的控制系統(tǒng)操作，并因此并不一定依賴于該控制系統(tǒng)。然而，本發(fā)明和主振動機器的 控制系統(tǒng)之間的交互可被添加到本發(fā)明且本發(fā)明的一個所示實施例（圖3)利用來自主振 動機器的控制系統(tǒng)的信號。
[00巧]術(shù)語巧現(xiàn)有巧術(shù)的某本原則
[0016] 斯特林機器通常驅(qū)動地鏈接到線性電機或線性交流發(fā)電機。斯特林電機可W是連 接到線性交流發(fā)電機W產(chǎn)生電力的原動機。在熱粟模式下操作的斯特林機器可連接到線 性電動機并由其驅(qū)動，并從其熱交換器中的一個將熱能量粟送到其換熱器中的另一個。在 其目的是為了冷卻質(zhì)塊時粟送熱量的斯特林機器有時被稱為冷卻器，并且在其目的是為了 加熱質(zhì)塊時有時被稱為熱粟。斯特林熱粟和斯特林冷卻器基本是不同術(shù)語被應(yīng)用的相同機 器。兩者都將熱能量從一個質(zhì)塊傳遞到另一個質(zhì)塊。因此，當(dāng)適用于基本機器時，術(shù)語冷卻 器/熱粟、冷卻器和熱粟可等效地使用。因為斯特林機器可W是發(fā)動機（原動機），或冷卻 器/熱粟，所W術(shù)語斯特林"機器"一般用來包括斯特林發(fā)動機和斯特林冷卻器/熱粟。其 基本上是能夠?qū)⒛芰吭趦煞N類型的能量（機械能和熱能）之間任意轉(zhuǎn)換的相同換能器。
[0017] 類似地，電線性電機（motor)和電線性發(fā)電機（alternator)是相同基本裝置。它 們具有定子，其一般具有電樞繞組；和往復(fù)構(gòu)件，其包括一個或多個磁鐵，其通常是永久磁 鐵。線性電機/交流發(fā)電機可由原動機機械地往復(fù)驅(qū)動W操作為發(fā)電機操作W產(chǎn)生電力或 可通過交流電力源驅(qū)動W作為提供機械往復(fù)式輸出的電機操作。因此，術(shù)語線性電機/交 流發(fā)電機可用來指該種基本機電裝置。
[0018] 由于上述操作對偶性（化ality)，作為發(fā)動機操作的斯特林機器可用于驅(qū)動線性 交流發(fā)電機且線性電機可用于驅(qū)動在熱粟模式下操作的斯特林機器。在該兩種情況下，斯 特林機器的動力活塞通常直接連接到線性電機或交流發(fā)電機的往復(fù)運動構(gòu)件，使得它們作 為單元往復(fù)運動。此外，直線電機和斯特林發(fā)動機可用于驅(qū)動其它負載，諸如用于例如在冰 箱中壓縮氣體或用于粟送流體的壓縮機的活塞。
[0019] 本發(fā)明的該描述涉及用于主動平衡器的驅(qū)動電機。由驅(qū)動電機驅(qū)動的主動平衡器 在現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。線性電機特別適合于與同本發(fā)明一起使用的主動平衡器一起使 用，但本發(fā)明可適用于驅(qū)動主動平衡器的其它電機。
[0020] 與本發(fā)明的連施例一起體巧的現(xiàn)有巧術(shù)
[0021] 本發(fā)明的所有實施例與本發(fā)明旨在最小化振動的主振動機器一起使用。主振動機 器通常具有控制系統(tǒng)，其控制主振動機器的運動。與主振動機器的主控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)來描 述并示出本發(fā)明的實施例。然而，本發(fā)明不限于所示的振動機器或它們的控制系統(tǒng)。本發(fā) 明與主振動機器及其控制系統(tǒng)之間的唯一必要聯(lián)系是主動平衡器必須機械地連接到主振 動機器W便將制衡力施加到該主振動機器，并且本發(fā)明使用振動傳感器，其也機械地連接 到主振動機器W便感測其振動。因為主動平衡器機械地連接到主振動機器，傳感器可連接 到主動平衡器來感測振動。
[0022] 圖1、圖3、圖4和圖5都包括現(xiàn)有技術(shù)的主要控制系統(tǒng)。圖1示出本發(fā)明的基本 原理?，F(xiàn)代現(xiàn)有技術(shù)的控制系統(tǒng)利用數(shù)字處理器，諸如微處理器、微控制器或數(shù)字信號處理 器值SP)。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，通常在通過由數(shù)字處理器執(zhí)行的控制算法對信號進 行數(shù)學(xué)運算的方面來描述數(shù)字控制電路操作。"信號"包括W數(shù)字數(shù)據(jù)格式的模擬信號的表 示。通常在進行該樣操作的歷史上先有的模擬裝置（諸如過濾器和信號發(fā)生器）方面描述 操作，即使現(xiàn)代電路中的那些操作是轉(zhuǎn)而通過被編程W執(zhí)行算法的數(shù)字處理器進行。
[0023] 參照圖1，沿橫跨數(shù)字處理器10的頂部的路徑示出現(xiàn)有技術(shù)的主要控制系統(tǒng)。如 在現(xiàn)有技術(shù)中，主控制信號由主控制系統(tǒng)W往復(fù)運動的操作頻率產(chǎn)生并且施加到功率級， 該功率級通過將交流主電驅(qū)動電壓施加到禪接到斯特林發(fā)動機的原動機或電機或交流發(fā) 電機的電樞繞組控制主振動機器。如大多數(shù)控制系統(tǒng)中常見的，存在被施加到控制算法的 命令輸入12。命令輸入12A"d表征主振動機器在基本驅(qū)動頻率下的操作的參數(shù)的期望值。 命令輸入A"d往往表征幅度，諸如行程距離（例如毫米）或用于驅(qū)動電機/交流發(fā)電機的 電樞線圈電壓。主控制系統(tǒng)的輸出在其基本操作頻率下控制主振動機器的往復(fù)運動，諸如 禪接對（couplied pair)。
[0024] 在圖1中，現(xiàn)有技術(shù)的控制算法被示為控制算法13?？刂扑惴?3的操作結(jié)果通過 數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器16被施加到功率級18,該功率級將控制信號轉(zhuǎn)換為驅(qū)動主振動機器20 所需的高功率。功率級可包括額外的控制電路。
[0025] 作為一個實例，功率級18的輸出可被施加到主機器中的電機/交流發(fā)電機的電樞 繞組。電機/交流發(fā)電機通過機械鏈接驅(qū)動地連接到斯特林機器W形成禪接對，該禪接對 的兩個組件安裝到共同機械支架。在實踐中，交流發(fā)電機的殼體和斯特林機器的殼體一體 形成或直接連接在一起。
[0026] 本發(fā)明
[0027] 本發(fā)明的方法在該機器的基本操作頻率和操作頻率的選定諧波下最小化主振動 機器的振動?；靖拍钍菍⒏袦y和反饋回該些頻率下的振動的當(dāng)前感測的幅度和相位。振 動的感測本質(zhì)上是誤差檢測，因為任何振動都是尋求被消除或者至少最小化的誤差。在基 本操作頻率和每個選定諧波頻率下產(chǎn)生正弦變化信號。每個產(chǎn)生的正弦變化信號的幅度和 相位周期變化、更新并適于產(chǎn)生和維持每個頻率的平衡信號。每個頻率的平衡信號相加并 一起被連續(xù)地反饋W驅(qū)動驅(qū)動主動平衡器的驅(qū)動電機。每個頻率的每個平衡信號通過周期 更新的變化將平衡信號調(diào)適為目前所感測的振動，使得每個頻率的正弦平衡信號被連續(xù)地 施加到驅(qū)動電機W在適當(dāng)相位、幅度和頻率下產(chǎn)生補償力W使每個頻率下的感測振動為最 小。該與標(biāo)準(zhǔn)閉環(huán)、需要驅(qū)動輸出的誤差的負反饋控制系統(tǒng)略有不同。在本文中，誤差（振 動）被驅(qū)動到零，但一旦其被驅(qū)動到零，自適應(yīng)算法保持相同補償輸出，除非它檢測到增加 或減少振動，在該種情況下，其修改該補償輸出W再次使振動（誤差）為零或最小值。
[0028] 再次參照圖1，振動傳感器30例如通過安裝到禪接對安裝在其上的殼體或支架而 安裝在與禪合主振動機器20和主動平衡器22的機械連接中。振動傳感器30可W是加速 度計并感測禪接對的振動W提供代表所感測振動的感測振動信號。
[0029] 來自振動傳感器30的感測振動信號通過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器32被施加 W用于通過數(shù) 字處理器10處理。數(shù)字格式的感測振動信號被施加到多個自適應(yīng)平衡信號發(fā)生器中的一 個，如圖示的34、36和38,其每個都是產(chǎn)生用于不同頻率的平衡信號的算法。所W，對于基 本頻率和每個選定諧波均具有自適應(yīng)平衡信號發(fā)生器。每個自適應(yīng)平衡信號發(fā)生器被分配 到并響應(yīng)于一個頻率。雖然本發(fā)明可被實踐為在單一頻率或者基頻和單一諧波下平衡振 動，但是優(yōu)選具有用于平衡多個不同諧波的多個該樣的平衡信號發(fā)生器。雖然H個平衡信 號發(fā)生器被示出用于基頻《和兩個諧波2?和h?，其中《是基本操作頻率且h是第h個 諧波，可具有與諧波和由設(shè)計者選的任何諧波一樣多的平衡信號發(fā)生器。
[0030] 如下面更詳細描述的，通過由自適應(yīng)濾波器的自適應(yīng)濾波算法處理感測振動信號 產(chǎn)生每個選定頻率的諧波平衡信號。每個選定頻率下的參考輸入被施加到自適應(yīng)濾波算 法。因此，每個平衡信號發(fā)生器34、36和38都具有輸出34B、36B和38B，其是其分配頻率下 的平衡振動的平衡信號。
[0031] 輸出34B、36B和38B處的所有平衡信號相加且總和用于控制驅(qū)動電機24?？偤?是具有操作的基本頻率和選定的諧波頻率下的傅立葉分量的所得結(jié)果。因此，所得總和驅(qū) 動驅(qū)動電機24,使得其運動具有那些傅立葉分量。每個頻率下的每個分量的幅度和相位與 在該分量的該頻率下的由主振動機器20的振動產(chǎn)生的力相反。在圖1中，示出在求和結(jié)點 40處求和的每個選定頻率的平衡信號，并且總和通過數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器26施加到功率級 28,然后施加到主動平衡器驅(qū)動電機24。因此，平衡信號的總和是前向饋送信號，該信號控 制驅(qū)動電機24的電動驅(qū)動電壓，因此由與每個選定頻率的振動相反的每個選定頻率的驅(qū) 動電壓分量來驅(qū)動電機24。因此每個平衡信號發(fā)生器向求和節(jié)點40提供具有一定的頻率、 幅度和相位的輸出信號，該輸出信號W-定的頻率、幅度和相位驅(qū)動該驅(qū)動電機24 W將其 所分配的頻率下的振動消除到實用程度。
[0032] 自巧巧濾施器
[0033] 輸出34B、3她和38B處的諧波平衡信號部分地通過使用自適應(yīng)濾波器產(chǎn)生。自適 應(yīng)濾波器技術(shù)在現(xiàn)有技術(shù)中已被公知幾十年。目P，優(yōu)選與本發(fā)明一起使用的自適應(yīng)濾波算 法是半個世紀(jì)前發(fā)明的最小均方（LM巧濾波算法。本領(lǐng)域已經(jīng)開發(fā)了各種修改的LMS算法 W及可與本發(fā)明一起使用的其它自適應(yīng)濾波算法。該些算法包括SLMS(LMS算法的輕微修 改）、NLMS (歸一化的最小均方濾波器）和化S (遞歸最小二乘算法）。因為與本發(fā)明一起 使用的相對簡單性和適用性，所W LMS算法是優(yōu)選的。LMS算法通過發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)生誤差信號 的最小均方有關(guān)的濾波器系數(shù)模仿期望的過濾器。誤差信號是期望信號和實際信號之間的 差。在本發(fā)明中，誤差信號是感測振動，因為期望信號為無振動。
[0034]自適應(yīng)濾波器基本上是由其自適應(yīng)算法響應(yīng)于感測誤差而改變的可變?yōu)V波器。自 適應(yīng)濾波器基于當(dāng)前感測誤差而調(diào)整。誤差信號由算法處理，該算法然后修改或更新可變 濾波器。在本發(fā)明中，可變?yōu)V波器是簡單增益；即，乘法器（放大器），它的值被通過算法響 應(yīng)于感測誤差可控地變化?？勺?yōu)V波器的值通過遞增或遞減由設(shè)計者選擇和控制的量并W 由設(shè)計者選擇并由算法控制的周期速率響應(yīng)于感測誤差而修改。W此方式，算法W使得誤 差趨于在實際中接近零的方式遞增和遞減可變?yōu)V波器并對于隨后的誤差信號繼續(xù)按需遞 增和遞減可變?yōu)V波器，來保持誤差在實際中接近于零。自適應(yīng)濾波算法（諸如LMS算法） 是在文獻中描述的操作W驅(qū)動誤差信號到零的標(biāo)準(zhǔn)算法。
[00巧]本發(fā)明的自巧巧平衡信號發(fā)牛器
[0036] 對于尋求平衡的每個頻率，具有被分配給該特定頻率的自適應(yīng)平衡信號發(fā)生器。 每個自適應(yīng)平衡信號發(fā)生器的目的是為了從感測振動輸入導(dǎo)出和保持在主動平衡器的驅(qū) 動電機中產(chǎn)生與其分配頻率下的振動相反的并抵消該振動的力的信號。圖2示出其被示為 圖1中的框的自適應(yīng)平衡信號發(fā)生器34、36或38。該些自適應(yīng)平衡信號發(fā)生器是相同的，不 同之處在于每個適于在被分配到其的不同頻率下操作。每個自適應(yīng)平衡信號發(fā)生器50 (圖 2)包括正交正弦變化的參考信號發(fā)生器52和54。參考發(fā)生器52產(chǎn)生cos化《 t)，其中h 是1(基頻）或分配到的平衡信號發(fā)生器的第h諧波且《是禪接對的基本操作頻率。參考 電壓發(fā)生器54產(chǎn)生sin化W t)。如可從代表正交cos和sin函數(shù)的相量（phasor)可視化， 正交正弦信號是可被求和為所得結(jié)果的分量。所得結(jié)果可僅通過改變該兩個正交分量的幅 度而具有任何相位和任何幅度。如在圖3中可看見，參考發(fā)生器的幅度可通過將參考發(fā)生 器的幅度作為A"d的函數(shù)控制為使得它們的幅度與Acmd成比例來控制?？商娲?，如在圖 4和圖5中所看見的，參考發(fā)生器可具有恒定單位幅度。正弦參考信號發(fā)生器52和54的目 的是在其分配頻率下產(chǎn)生一對正交正弦變化的cos和sin參考信號。
[0037] 自適應(yīng)平衡信號發(fā)生器50還具有兩個自適應(yīng)濾波器56和58。自適應(yīng)濾波器56 具有由其自適應(yīng)LMS算法LMS?？煽氐馗淖兊目勺?yōu)V波器W0。自適應(yīng)濾波器58具有由其自 適應(yīng)LMS算法LMSi可變控制的可變?yōu)V波器化。
[0038] 感測振動信號作為輸入被施加于自適應(yīng)濾波算法，該算法控制一對可變?yōu)V波器中 的每個。更具體而言，感測振動信號e(n)被施加于自適應(yīng)濾波算法LMS。和LMSi。參考發(fā)生 器52和54的輸出也被施加于由自適應(yīng)濾波算法控制的一對自適應(yīng)濾波器的一對可變?yōu)V波 器中的每個。更具體而言，來自參考發(fā)生器52的信號（其產(chǎn)生cos (hen))被施加于可變 濾波器W0且來自參考發(fā)生器54的信號（其產(chǎn)生sin化《 t))被施加于可變?yōu)V波器化。因 此，來自可變?yōu)V波器W0和化的輸出信號是正交正弦信號，其每個都具有由可變?yōu)V波器W0 和化的各自增益確定的幅度?？勺?yōu)V波器W0和化的各自增益由其各自自適應(yīng)算法LMS。 和LMSi確定并定期更新。來自W0和WL正交正弦信號是可被在求和結(jié)點60處求和（矢量 /相量總和）的相量分量，W從求和結(jié)點60提供具有分配到平衡信號發(fā)生器50的諧波頻率 并具有由LMS。和LMSi自適應(yīng)濾波算法確定的相位和幅度的所得輸出。該些自適應(yīng)濾波算 法產(chǎn)生分配頻率的平衡信號。該平衡信號具有幅度和相位，使得在前向饋送到主動平衡器 的驅(qū)動電機的電樞繞組時，其會在自適應(yīng)平衡信號發(fā)生器50的分配頻率下產(chǎn)生與振動相 反的并且基本上抵消該振動的電機力。
[0039] 自適應(yīng)濾波器的設(shè)計參數(shù)相對簡單。算法本身在現(xiàn)有技術(shù)中容易獲得?？刂泼總€ 可變?yōu)V波器的算法W增量步長更新可變?yōu)V波器。由設(shè)計者所選擇的兩個參數(shù)是；（1)更新 率（多長時間更新一次），和（2)更新量（可變?yōu)V波器的增益在每次更新中改變多少）。更 新率是處理LMS算法的頻率。更新率被選擇為分配到平衡信號發(fā)生器的頻率的某個倍數(shù)。 通常更新應(yīng)在所分配的頻率期間發(fā)生5到10次。每次增量更新的可變?yōu)V波器的增益的變 化量最好由重復(fù)試錯法實驗確定。一定范圍上的幾個更新量被單獨地嘗試且然后觀察減少 振動的穩(wěn)定性、效果W及響應(yīng)速度。每次更新的所選變化量通常隨反饋誤差變化，其中誤差 越小變化越小，且通常與誤差幅度成正比。LMS或其它控制算法基于誤差的符號確定變化的 方向。
[0040] 來自每個正弦變化cos和sin參考發(fā)生器52和54的信號也乘W傳遞函數(shù)訂。， 且所得乘積被作為輸入施加于自適應(yīng)濾波器56和58的自適應(yīng)濾波算法LMS。和LMSi。傳 遞函數(shù)扣；：1從平衡信號發(fā)生器50的輸出50B到感測振動輸入62的傳遞函數(shù)。傳遞函數(shù)是 用于平衡信號發(fā)生器50的整個外部系統(tǒng)的復(fù)雜數(shù)學(xué)表達式。如所公知的，傳遞函數(shù)是輸出 除W輸入的比率，且在該種情況下是輸入62處的感測振動信號輸入除W在平衡信號發(fā)生 器50的輸出50B處的輸出。
[00川傳遞函數(shù)提供了由自適應(yīng)濾波算法LMS。和LMSi使用的估計或預(yù)測響應(yīng)。在提供 代表系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的意義上，傳遞函數(shù)創(chuàng)建模型。傳遞函數(shù)解釋了 W下事實：外部系統(tǒng)的 響應(yīng)包括平衡器分量。其估計具有同樣W與基本操作頻率產(chǎn)生與振動相反的反作用力的平 衡器的系統(tǒng)的行為。傳遞函數(shù)提供了如果一定的振動抵消信號由平衡信號發(fā)生器50施加 的情況下將產(chǎn)生振動的估計。當(dāng)然可W預(yù)期，系統(tǒng)將在操作期間大大改變。但LMS算法使 用該傳遞函數(shù)信號來決定方向（增加或減少）W改變可變?yōu)V波器W0和化的增益，W盡量 將振動減小到零。
[0042] 可通過沿從其所代表的輸入到輸出的路徑確定每個分量的傳遞函數(shù)并將它們相 乘W獲得從輸入到輸出的所得總傳遞函數(shù)來W傳統(tǒng)方式確定傳遞函數(shù)扣d。然而，可替代 地，因為該是復(fù)雜和困難的數(shù)學(xué)演算，代替W該種方式開發(fā)的傳遞函數(shù)的數(shù)學(xué)表達式，可能 并且優(yōu)選通過實驗室測量得到它。對于每個頻率的每個扣、-），通過（每個自適應(yīng)平衡信號 發(fā)生器的）每個輸出50B和輸入62與不工作的電路和系統(tǒng)斷開，輸入單位正弦波被施加于 求和結(jié)點40。由振動傳感器30(圖1)輸出的返回的誤差信號被觀察到且其振幅和相位被 測量。除W所測量的注入的輸入信號的所測量的返回輸出信號是傳遞函數(shù)。輸入和輸出兩 者都簡單的具有每個分配的頻率的振幅A、相位0和頻率。因此，功能塊的輸出是其分配頻 率下的來自平衡信號發(fā)生器外部的系統(tǒng)并代表預(yù)期誤差e(n)的預(yù)期輸出。傳遞函數(shù)代表 除W對應(yīng)于所選頻率下的振動的感測振動信號的用于分配頻率的諧波平衡信號。
[0043] 如上所述，通過求和（相位或/矢量和）可變?yōu)V波器W0和化的正交輸出，獲得分 配到平衡信號發(fā)生器的選定頻率的諧波平衡信號。該求和操作由求和結(jié)點60代表。返回 參照圖1，所有頻率的復(fù)合平衡信號通過求和所有頻率的平衡信號并將該和施加于驅(qū)動電 機24來產(chǎn)生。該通過將輸出34B、36B和38B施加于求和結(jié)點40并將該和施加于數(shù)字到模 擬轉(zhuǎn)換器26而示出（圖1)。
[0044] 圖3示出本發(fā)明的一個實施例。自適應(yīng)平衡信號發(fā)生器334和336與圖1和圖2 中所示的那些相同。然而，在圖3的實施例中，命令輸入A"d被施加于所有參考發(fā)生器，諸 如cos參考發(fā)生器352和sin參考發(fā)生器354。該使參考信號的幅度與A"d成比例地變化。 隨A"d改變參考發(fā)生器的幅度提供幅度前向饋送控制的額外優(yōu)點。
[0045] 圖3, W及圖4和圖5還更詳細地示出振動傳感器330。振動優(yōu)選由加速計370 (其 將其輸出施加于放大器372)感測。放大的輸出由低通濾波器374濾波。低通濾波器374 的截止頻率高于設(shè)計者希望使用本發(fā)明的技術(shù)最小化振動的最高選定諧波的頻率。其目的 是濾掉在高于最高選定諧波頻率的頻率的噪音。
[0046] 通過模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器332從低通濾波器374施加于數(shù)字處理器310的感測振動 信號e(n)是復(fù)合模擬信號，其是基本操作頻率和其低于濾波器截止頻率的所有諧波下的 振動的總和。該復(fù)合信號W數(shù)字格式被施加于每個自適應(yīng)平衡信號發(fā)生器，并因此包括復(fù) 合振動信號的所有傅立葉分量。然而，它是自適應(yīng)濾波算法的固有特性，即它僅響應(yīng)于在 參考發(fā)生器52和54(圖2)的頻率下的傅立葉分量。每個平衡信號發(fā)生器具有在其分配 頻率下的參考發(fā)生器，所W每個平衡信號發(fā)生器僅響應(yīng)于處于其分配頻率下的e(n)的分 量。因此，無需復(fù)合振動信號e(n)的任何進一步濾波，W便提取每個分配頻率的傅立葉分 量?？捎糜诳刂浦髡駝訖C器380且對于本發(fā)明是現(xiàn)有技術(shù)的控制系統(tǒng)被示出并在我的專利 7, 511，459 中描述。
[0047] 圖4示出本發(fā)明的另一實施例且其自適應(yīng)平衡信號發(fā)生器434和436也與圖1和 圖2中所示的那些相同。圖4的實施例類似于圖3的實施例，不同之處在于，在圖4的實施 例中，命令輸入A"d(412)不施加于任何參考信號發(fā)生器，諸如cos參考發(fā)生器452和sin參 考發(fā)生器454。因此，它們生成的參考信號的幅度總是具有單位值，所W沒有與Atmd成比例 的幅度前向饋送。圖4還示出主振動機器，其是可由線性電機驅(qū)動的制冷機。
[004引圖5是類似于圖4的實施例的本發(fā)明的實施例，不同之處在于其示出與不同現(xiàn)有 技術(shù)主振動機器結(jié)合的本發(fā)明，所述機器是例如驅(qū)動交流發(fā)電機的斯特林發(fā)動機，并具有 提供前向饋送控制信號反饋引腿580,該前向饋送控制信號在求和結(jié)點581處與主要控制 信號求和。
[0049] 結(jié)合附圖的該詳細說明主要旨在作為本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實施例的描述，并非旨在 代表其中本發(fā)明可被構(gòu)造或利用的唯一形式。該說明闡述了結(jié)合所示的實施例實現(xiàn)本發(fā)明 的設(shè)計、功能、手段和方法。然而，應(yīng)理解，相同或等同的功能和特征可通過不同實施例完 成，它們也旨在被涵蓋在本發(fā)明的精神和范圍之內(nèi)且在不脫離本發(fā)明或W下權(quán)利要求的范 圍的情況下可采用各種修改。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于平衡在基本操作頻率下操作的主振動機器的振動的方法，所述主振動機器 機械地耦接到由驅(qū)動電機驅(qū)動的主動振動平衡器，所述方法在所述基本操作頻率且在所述 基本操作頻率的任何諧波下最小化耦接的主機器和平衡器的振動，且包括： (a) 感測所述耦接的主機器和平衡器的振動以提供代表所感測的振動的感測振動信 號； (b) 通過利用用于所述基本操作頻率和用于選定的諧波頻率的自適應(yīng)濾波器的自適應(yīng) 濾波算法處理所感測的振動信號來產(chǎn)生用于所述基本操作頻率和用于所述基本操作頻率 的至少一個選定的諧波頻率的平衡信號，所述自適應(yīng)濾波算法具有所述基本操作頻率和每 個選定的諧波頻率下的參考輸入；以及 (c) 對所產(chǎn)生的平衡信號求和并將求和的信號施加于所述主動振動平衡器驅(qū)動電機， 并由此利用與在所述基本操作頻率和每個選定的諧波頻率下的所述振動相反的、用于所述 基本操作頻率和用于每個選定諧波頻率的驅(qū)動電壓分量來驅(qū)動所述驅(qū)動電機。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，產(chǎn)生用于所述基本操作頻率和用于每個選定諧 波頻率的諧波平衡信號的步驟還包括： (i )在所述基本操作頻率和每個選定諧波頻率下產(chǎn)生一對正交正弦變化的cos和 sin參考信號并將那些信號施加于由自適應(yīng)濾波算法控制的一對自適應(yīng)濾波器的一對可變 濾波器中的每個； (ii )將所感測的振動信號輸入到控制所述一對可變?yōu)V波器中的每個的自適應(yīng)濾波算 法； (iii) 每個正弦變化的cos和sin參考信號乘以傳遞函數(shù)，該傳遞函數(shù)表征用于每個選 定頻率的平衡信號除以對應(yīng)于該選定頻率下的振動的所感測的振動信號，并將相乘后的參 考信號輸入到每個自適應(yīng)濾波器的自適應(yīng)濾波算法；以及 (iv) 對所述可變?yōu)V波器的輸出求和以提供用于所述選定頻率的平衡信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，對多個選定諧波進行所述方法。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，每對正交正弦變化的cos和sin參考信號的幅度 可控地與用于所述主振動機器的控制的命令輸入成比例地改變。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，每個可變?yōu)V波器是具有由自身的自適應(yīng)濾波算 法控制的增益的幅度乘法器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述自適應(yīng)濾波算法是最小均方算法。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，每個自適應(yīng)濾波算法具有周期性更新速率，在該 速率下，該自適應(yīng)濾波算法以該算法產(chǎn)生平衡信號的頻率的5至10倍的范圍內(nèi)改變該自適 應(yīng)濾波算法的可變?yōu)V波器。
【文檔編號】F16F15/02GK104395637SQ201380033652
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2013年5月17日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月16日
【發(fā)明者】伊齊基爾·S·霍利迪 申請人:神寶公司