CN101488033B - 基于能量回收的结构振动与噪声控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量回收的结构振动与噪声控制装置，包括压电驱动单元、压电能量单元、压电传感单元和系统电路，其中，压电驱动单元由贴设在被控结构表面的压电元件组成，压电能量单元由贴设在被控结构表面的压电元件组成，压电传感单元由贴设在被控结构表面的压电元件组成；系统电路包括开关单元、极值检测单元、能量回收单元和电源管理单元。本发明的装置不需要外界能量供给，利用压电材料对振动能量进行回收，为基于非线性的同步阻尼开关技术的半主动控制方法提供电源，并且可以实现SSDS、SSDI和SSDV技术，结构简单，体积小，鲁棒性好，在结构振动噪声控制中具有广泛的应用前景。

Description

基于能量回收的结构振动与噪声控制装置

技术领域

本发明涉及一种结构振动与噪声控制装置，尤其涉及一种不需要外界能量供给的结构振动与噪声控制装置。

背景技术

压电材料的高频响应特性与机电耦合特性使其在结构的智能化和振动噪声控制中得到了广泛的应用。近年来，人们对各种各样的控制方法进行了大量的研究。其中主动方法与被动方法研究的较多，理论也较成熟。主动控制虽然具有较好的控制效果，但一般需要传感器、驱动器、功率放大器等信号处理系统以及功放等外部设备，不仅成本高，而且系统较为庞大复杂，降低了系统的可靠性，难以实现系统的小型化、轻量化，因此在可靠性、质量和体积都具有较高要求的航空航天系统中难以得到具体应用。被动控制方法是通过在压电元件表面电极之间串联适当的外部分支电路，来耗散或吸收由于结构振动产生的机械能。被动控制比较简单，易于实现，但缺点是分支电路中的电感和电阻参数对环境变化适应能力差，对于低频振动往往需要较大的电感等，虽然可以用运算放大器组成较大的电感，但是运算放大器需要电源供电，即需要外界供电，因此其通用性受到了很大的限制。

为了克服以上两种传统控制方法中的不足，人们相继提出了多种不同的半主动或半被动的振动控制方法。最近几年，随着开关并联技术的发展，一种基于非线性同步开关阻尼技术的半主动振动/噪声控制方法得到了发展。这种方法也被称为SSD技术(SSD：Synchronized Switch Damping即同步开关阻尼)，在电路中串联电感和开关等一些简单的电子元件使得压电元件上的电能被快速消耗或实现电压翻转，从而达到振动/噪声控制的目的。与传统的控制方法相比，这种新方法的控制系统简单，仅仅开关工作需要外界能量，因此控制所需要的外界能量很小，不需要精确的结构振动模型，且控制效果比较稳定，适合于宽频带的振动控制。

在以往的研究中，基于非线性同步开关阻尼技术的半主动振动控制方法根据开关连接方式大致分为三种，开关将压电材料短路(SSDS技术)，开关将压电材料与电感相连(SSDI技术)，开关将压电材料与电感和电压源相连(SSDV技术)。

发明内容

1、技术问题：本发明解决的技术问题是提供一种不需要外界能量供给的结构振动与噪声控制装置，利用压电材料对振动能量进行回收，为基于非线性的同步阻尼开关技术的半主动控制方法提供电源，并且可以实现SSDS、SSDI和SSDV技术。

2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的基于能量回收的结构振动与噪声控制装置包括压电驱动单元、压电能量单元、压电传感单元和系统电路，其中，压电驱动单元由至少一个贴设在被控结构表面的第一压电元件组成，压电能量单元由至少一个贴设在被控结构表面的第二压电元件组成，压电传感单元由至少一个贴设在被控结构表面的第三压电元件组成；系统电路包括开关单元、极值检测单元和能量回收单元；第一压电元件的输入端贴设在被控结构表面，输出端通过系统电路中的开关单元与输入端连接；第三压电元件的输入端贴设在被控结构表面上与第一压电元件相对的位置，输出端通过极值检测单元向开关单元发出控制信号；第二压电元件的输入端贴设在被控结构表面，输出端与系统电路中的能量回收单元连接；能量回收单元与电源管理单元连接；电源管理单元为系统电路中的极值检测单元提供电源，极值检测单元向开关单元输出控制信号。采用这种结构的装置时，可实现SSDS技术。

第一电压元件的输出端通过电感与系统电路中的开关单元一端连接，开关单元另一端与第一电压元件输入端连接。采用这种结构的装置时，可实现SSDI技术。

开关单元包括相并联的第一开关和第二开关，和第一、第二电压源，其中，第一开关的一端与电感连接，另一端与第一电压源的正端连接，电压源的负端与第一压电元件的输入端连接；第二开关的一端与电感相连，另一端与第二电压源的负端连接，第二电压源的正端与第一压电元件的输入端连接；电源管理单元同时为极值检测单元和第一、二电压源供电。采用这种结构的装置时，可实现SSDV技术

更进一步地，第一开关包括一个第一场效应管和一个第一二极管，第一二极管的正端与第一场效应管的集电极连接，负端与电感连接；第二开关包括一个第二场效应管和一个第二二极管，第二二极管的正端与电感连接，负端与场效应管的集电极连接；第一场效应管的发射极通过手动开关与第一电压源的正端连接；和第二场效应管的发射极通过手动开关与第二电压源的负端连接。手动开关可将第一场效应管和第二场效应管在与电源连接或与地连接之间切换。

上述的第一电压源由第一低功耗运算放大器，第一可调电阻和第一电阻组成；第二电压源由第二低功耗运算放大器和第三、第四电阻组成。第一电阻一端接地，另一端与第一可调电阻连接；第三电阻一端与第一低功耗运算放大器的输出端连接，另一端同时与第四电阻一端和第二低功耗运算放大器反向输入端连接，第二低功耗运算放大器的正向输入端接地。

上述的极值检测单元包括第一电压比较器和一个低通滤波器，所述的低通滤波器由第二可调电阻和第一电容组成；第一电容一端同时与第一电压比较器的正向输入端和第二可调电阻一端连接，另一端接地。

上述的能量回收单元包括滤波整流单元和脉冲充电单元，脉冲充电单元由第二电容，第三场效应管和第二电压比较器组成。

上述的电源管理单元包括第三电压比较器，第四场效应管，一个低功耗的开关型电源稳压器和一个低功耗的反向电源器。

本发明的基于能量回收的结构振动与噪声控制装置中，在振动结构上粘贴至少3片压电元件。当采用3片压电片时，其中一片用来作为能量回收，一片作为传感器，另外的一片压电元件用来作为驱动器。在用来作为驱动器的压电元件的正负极两端并联电感和开关，从而构成半主动控制系统的电子回路。一般采用一片压电元件实现能量回收；传感单元和驱动单元可采用多个压电片并联的结构。

当结构发生振动时，粘贴在结构上的压电元件会感应出相应的电压，其电压与结构振动产生的位移是同相位的。当没有控制时，结构振动的位移与压电元件上产生的电压如图5所示。当使用SSDI技术时其中作为驱动器的第一压电元件两端并联电感和开关的电子回路，当结构振动的位移(也即压电元件上产生的电压)达到极值(极大值或极小值)时，结构振动位移极值检测装置向开关输出控制信号，回路中的开关迅速闭合，由于第一压电元件一般可以等效成一个电容器，那么开关闭合的同时压电元件与回路中的电感将发生LC高频共振，当共振振荡半个周期时迅速断开开关，此时第一压电元件上的电压与开关闭合前反向，如图6所示。当开关断开时，第一压电元件上产生的电压与结构振动的位移同相位。当结构振动的位移再次达到极值时，再合上开关，高频振荡半个周期后断开开关。周而复始的控制开关的运动，使得压电元件上产生的电压始终与结构振动的速度反向，从而达到振动控制的目的。当使用SSDV技术时，其中作为驱动器的压电元件两端并联由电感、开关和电压源组成的电子回路，当结构振动的位移(也即压电元件上产生的电压)达到极值(极大值或极小值)时，结构振动位移极值检测装置向开关输出控制信号，回路中的开关迅速闭合，也发生LC高频共振，只是由于电子回路中的外加电压源推高了压电片上翻转前后的电压，得到了更好的振动控制效果。

而传统的控制技术例如SSDV技术实现方式如下：

首先利用位移传感器或者利用粘贴在结构上的压电元件测量结构振动的位移，并以此作为判断半主动控制回路中开关切换的传感信号，计算机测控系统(如DSP数据处理系统)监测测量的传感信号的极值点，并向开关电路产生一个方波信号来作为触发开关切换(闭合与断开)的控制信号。同时向电压源(一组运算放大器)输出电压信号，从而控制串入回路的电压源的幅值大小。这种技术方案中，每个模块均需要外界电源供给，功耗大，同时计算机控制系统体积较大，控制系统复杂，而且电压源(即控制系统中的一组运算放大器)需要±12V的直流电源供电。

3、有益效果：本发明的基于能量回收的结构振动与噪声控制装置是利用能量回收技术从粘贴在结构上压电片回收能量给低功耗控制电路供能(当应用SSDS和SSDI技术时整个控制电路运行的消耗功率仅为0.322mW，当应用SSDV技术时，消耗功耗为0.761mW)，用来控制装置中开关的工作，不需外界能源，结构简单，体积小，鲁棒性好，在结构振动噪声控制中具有广泛的应用前景。

四、附图说明

图1为本发明的第一实施例原理图；

图2为本发明的第二实施例原理图；

图3为本发明的第三实施例原理图；

图4为本发明的一个实施例的系统电路单元电路图；

图5为控制前结构振动的位移与电压关系示意图；

图6为控制后结构振动位移、电压与速度的关系示意图；

图7为控制效果示意图(电压源幅值为1V)，其中(a)为应用SSDS技术的效果图(b)为应用SSDI技术的效果图(c)为应用SSDV技术的效果图；

图8为现有的SSDV技术原理图。

五、具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本实施例的基于能量回收的结构振动与噪声控制装置包括压电驱动单元、压电能量单元、压电传感单元和系统电路，其中，压电驱动单元由至少一个贴设在被控结构表面的第一压电元件1组成，压电能量单元由至少一个贴设在被控结构表面的第二压电元件2组成，压电传感单元由至少一个贴设在被控结构表面的第三压电元件3组成；系统电路包括开关单元、极值检测单元和能量回收单元、电源管理单元；第一压电元件1的输入端贴设在被控结构表面，输出端通过系统电路中的开关单元与输入端连接；第三压电元件3的输入端贴设在被控结构表面上与第一压电元件1相对的位置，输出端通过极值检测单元向开关单元发出控制信号；第二压电元件2的输入端贴设在被控结构表面，输出端与系统电路中的能量回收单元连接；能量回收单元与电源管理单元连接；电源管理单元为系统电路中的极值检测单元提供电源，极值检测单元向开关单元输出控制信号。本实施例可实现SSDS技术。

实施例二：

如图2所示，本实施例的基于能量回收的结构振动与噪声控制装置包括压电驱动单元、压电能量单元、压电传感单元和系统电路，其中，压电驱动单元由至少一个贴设在被控结构表面的第一压电元件1组成，压电能量单元由至少一个贴设在被控结构表面的第二压电元件2组成，压电传感单元由至少一个贴设在被控结构表面的第三压电元件3组成；系统电路包括开关单元、极值检测单元和能量回收单元、电源管理单元；第一压电元件1的输入端贴设在被控结构表面，输出端通过系统电路中的开关单元与输入端连接；第三压电元件3的输入端贴设在被控结构表面上与第一压电元件1相对的位置，输出端通过极值检测单元向开关单元发出控制信号；第二压电元件2的输入端贴设在被控结构表面，输出端与系统电路中的能量回收单元连接；能量回收单元通过电源管理单元为系统电路中的极值检测单元提供电源。第一电压元件1的输出端通过一个电感L与系统电路中的开关单元连接一端，开关单元另一端与第一电压元件1输入端连接。本实施例可实现SSDI技术。

实施例三：

如图3所示，本实施例的基于能量回收的结构振动与噪声控制装置包括压电驱动单元、压电能量单元、压电传感单元和系统电路，其中，压电驱动单元由至少一个贴设在被控结构表面的第一压电元件1组成，压电能量单元由至少一个贴设在被控结构表面的第二压电元件2组成，压电传感单元由至少一个贴设在被控结构表面的第三压电元件3组成；系统电路包括开关单元、极值检测单元和能量回收单元、电源管理单元；第一压电元件1的输入端贴设在被控结构表面，输出端通过系统电路中的开关单元与输入端连接；第三压电元件3的输入端贴设在被控结构表面上与第一压电元件1相对的位置，输出端通过极值检测单元向开关单元发出控制信号；第二压电元件2的输入端贴设在被控结构表面，输出端与系统电路中的能量回收单元连接；能量回收单元通过电源管理单元为系统电路中的开关单元和极值检测单元提供电源。第一电压元件1的输出端通过一个电感L与系统电路中的开关单元连接一端，开关单元另一端与第一电压元件1输入端连接。所述的开关单元包括相并联的第一开关K1和第二开关K2，以及手动开关SW1和两个电压源S1和S2。第一开关K1的一端与电感L连接，另一端通过手动开关SW1与第一电压源S1的正端连接，电压源S1的负端与第一压电元件1的输入端连接；第二开关K2的一端与电感L相连，另一端通过手动开关SW1与第二电压源S2的负端连接，第二电压源S2的正端与第一压电元件1的输入端连接。

第一开关K1包括一个第一场效应管Q3和一个第一二极管D3，第一二极管D3的正端与第一场效应管Q3的集电极连接，负端与电感L连接；第二开关K2包括一个第二场效应管Q4和一个第二二极管D2，第二二极管D2的正端与电感L连接，负端与场效应管Q4的集电极连拉接；第一场效应管Q3的发射极通过手动开关SW1与第一电压源S1的正端连接；第二场效应管Q4的发射极通过手动开关SW1与第二电压源S2的负端连接。

第一电压源S1由一个低功耗运算放大器U7A，一个可调电阻R20，和一个电阻R18组成；第二电压源由一个低功耗运算放大器U7B和两个电阻R16和R17组成。电压源S1和S2的输出电压幅值由可调电阻R20调节。

如图4所示，上述实施例中，极值检测单元包括一个低功耗的电压比较器U4和一个低通滤波器，所述的低通滤波器由一个可调电阻R19和一个电容C6组成；电容C6一端同时与电压比较器U4的正向输入端和可调电阻R19一端连接，另一端接地。极值检测单元利用压电传感单元中第三压电片3感应的位移信号，首先先对其进行幅值处理，然后对处理后的传感信号分为两路：一路直接输入低功耗的电压比较器U4的反向输入端，另一路通过RC无源低通滤波器输入低功耗的电压比较器U4的正向输入端，这样利用电压比较器U4对两路信号进行比较，从而向开关单元输出能够判断位移极值的方波信号。幅值处理电路由一个由R14和R15组成的分压电路与一个电压跟随器U5A构成，电压跟随器U5A输出端同时与低功耗的电压比较器U4和RC无源低通滤波器连接。

如图4所示，上述实施例中，能量回收单元包括滤波整流单元和脉冲充电单元，即包括滤波整流的前半部分和采用脉冲充电方式的后部分。整流部分由一个整流桥D1和一个滤波电容C9并联组成，其将压电能量单元中的第二压电片2输出的交流电变成直流电；脉冲充电单元由一个充电电容C10，P型的场效应管Q1和一个低功耗的电压比较器U2组成。充电电容C10与滤波电容C9并联连接。场效应管Q1的基极与场效应管Q5的集电极连接，场效应管Q1的发射极与基极之间接有电阻R2，场效应管Q1的发射极与集电极之间接有电容C7；场效应管Q5的发射极接地，基极与电压比较器U2的输出端连接；电压比较器U2的正向输入端接在相串联的电阻R3、R5之间，电阻R5另一端接地，电阻R3同时与场效应管Q1的发射极和电容C10连接；串联的电阻R3、R5并联一储能电容C11。当充电电容C10超过设定电压值时，低功耗的电压比较器U2立即驱动P型的场效应管Q1，使其向储能电容C11充电。

如图4所示，上述实施例中，电源管理单元主要包括一个低功耗的电压比较器U1，一个P型的场效应管Q2，一个低功耗的开关型电源稳压器U3和一个低功耗的反向电源器U6。当储能电容C11内的电荷累积到一定程度，即超过设定电压值时，由监测其电压的电压比较器U1向P型的场效应管Q2发出打开信号，使储能电容C11对开关型电源稳压器U3供电，这样电源稳压器U即可输出稳定的正电源，同时由于反向电源器U6的输入端与稳压器U3的输出端相连，这样反向电源器U6也输出稳定的负电压源。由开关型电源稳压器U3和反向电源器U6输出的稳定正负电源对极值检测单元和电压源S1、S2供电。

Claims (8)

1.一种基于能量回收的结构振动与噪声控制装置，其特征在于，包括压电驱动单元、压电能量单元、压电传感单元和系统电路，其中，压电驱动单元由至少一个贴设在被控结构表面的第一压电元件(1)组成，压电能量单元由至少一个贴设在被控结构表面的第二压电元件(2)组成，压电传感单元由至少一个贴设在被控结构表面的第三压电元件(3)组成；系统电路包括开关单元、极值检测单元、能量回收单元和电源管理单元；第一压电元件(1)的输入端贴设在被控结构表面，输出端通过系统电路中的开关单元与输入端连接；第三压电元件(3)的输入端贴设在被控结构表面上与第一压电元件(1)相对的位置，输出端通过极值检测单元向开关单元发出控制信号；第二压电元件(2)的输入端贴设在被控结构表面，输出端与系统电路中的能量回收单元连接；能量回收单元与电源管理单元连接；电源管理单元为系统电路中的极值检测单元提供电源，极值检测单元向开关单元输出控制信号。

2.如权利要求1所述的基于能量回收的结构振动与噪声控制装置，其特征在于，第一电压元件(1)的输出端通过电感(L)与系统电路中的开关单元一端连接，开关单元另一端与第一电压元件(1)输入端连接。

3.如权利要求2所述的基于能量回收的结构振动与噪声控制装置，其特征在于，所述的开关单元包括相并联的第一开关(K1)和第二开关(K2)，和第一、第二电压源(S1、S2)，其中，第一开关(K1)的一端与电感(L)连接，另一端与第一电压源(S1)正端连接，第一电压源(S1)的负端与第一压电元件(1)的输入端连接；第二开关(K2)的一端与电感(L)相连，另一端与第二电压源(S2)的负端连接，第二电压源(S2)的正端与第一压电元件的输入端连接；电源管理单元同时为极值检测单元和第一、第二电压源(S1、S2)供电。

4.如权利要求3所述的基于能量回收的结构振动与噪声控制装置，其特征在于，第一开关(K1)包括一个第一场效应管(Q3)和一个第一二极管(D3)，第一二极管(D3)的正端与第一场效应管(Q3)的集电极连接，负端与电感(L)连接；第二开关(K2)包括一个第二场效应管(Q4)和一个第二二极管(D2)，第二二极管(D2)的正端与电感(L)连接，负端与场效应管(Q4)的集电极连接；第一场效应管(Q3)的发射极通过手动开关(SW1)与第一电压源(S1)的正端连接；第二场效应管(Q4)的发射极通过手动开关(SW1)与第二电压源(S2)的负端连接。

5.如权利要求3所述的基于能量回收的结构振动与噪声控制装置，其特征在于，所述的第一电压源(S1)由第一低功耗运算放大器(U7A)，第一可调电阻(R20)和第一电阻(R18)组成，第一电阻(R18)一端接地，另一端与第一可调电阻(R20)连接；第二电压源由第二低功耗运算放大器(U7B)和第三、第四电阻(R16、R17)组成，第三电阻(R16)一端与第一低功耗运算放大器(U7A)的输出端连接，另一端同时与第四电阻(R17)一端和第二低功耗运算放大器(U7B)反向输入端连接，第二低功耗运算放大器(U7B)的正向输入端接地。

6.如权利要求1或2或3或4或5所述的基于能量回收的结构振动与噪声控制装置，其特征在于，所述的极值检测单元包括第一电压比较器(U4)和一个低通滤波器，所述的低通滤波器由第二可调电阻(R19)和第一电容(C6)组成；第一电容(C6)一端同时与第一电压比较器(U4)的正向输入端和第二可调电阻(R19)一端连接，另一端接地。

7.如权利要求1或2或3或4或5所述的基于能量回收的结构振动与噪声控制装置，其特征在于，所述的能量回收单元包括滤波整流单元和脉冲充电单元，脉冲充电单元由第二电容(C10)，第三场效应管(Q1)和第二电压比较器(U2)组成。

8.如权利要求1或2或3或4或5所述的基于能量回收的结构振动与噪声控制装置，其特征在于，所述的电源管理单元包括第三电压比较器(U1)，第四场效应管(Q2)，一个低功耗的开关型电源稳压器(U3)和一个低功耗的反向电源器(U6)。

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