CN103199830A - 自感知型外加电压源式同步开关阻尼电路 - Google Patents

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唐炜
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Abstract

本发明公开了一种自感知型外加电压源式同步开关阻尼电路，用于解决现有外加电压源式半主动同步开关阻尼振动抑制电路需借助位移传感器和有源硬件来判断结构的位移极值时刻和控制开关闭合的技术问题。技术方案是电路包括电压源Vsw、极小值判断器、极大值判断器、极小值开关、极大值开关和电流源ieq。电阻R2、二极管D3、三极管Q3和电容C2组成极小值判断器；电阻R1、二极管D1、三极管Q2和电容C1组成极大值判断器；三极管Q4作为极小值开关使用；三极管Q1作为极大值开关使用；电流源ieq、电容C0和内阻R0并联等效代替压电陶瓷片。由于电路自动实现电压极大值和电压极小值的判断和开关的开闭。故不需要外接嵌入式有源硬件进行极值判断，且不需要位移传感器。

Description

自感知型外加电压源式同步开关阻尼电路
技术领域
本发明涉及一种同步开关阻尼电路，特别是涉及一种自感知型外加电压源式同步开关阻尼电路。
背景技术
参照图1～2。文献“E.Lefeuvre,A.Badel,L.Petit,C.Richard,D.Guyomar.Semi-passive piezoelectric structural damping by synchronized switching on voltagesources,Journal of Intelligent Material Systems and Structures.2006，17:653–660.”中公开了一种外加电压源的半主动同步开关阻尼振动抑制电路。该电路包括电感L、电阻R、开关SW1、开关SW2、两个电压源Vsw。黏贴有压电陶瓷片的结构为压电智能结构，压电陶瓷片的两极接该外加电压源的半主动同步开关阻尼振动抑制电路。这种振动抑制电路的工作原理如下：在压电智能结构上用于抑振的压电陶瓷片两极串联电感L、开关SW1、开关SW2和两个电压源Vsw，位于压电智能结构上的位移传感器测得的结构位移信号通过有源硬件判断处理。当压电智能结构的振动位移达到最大时，判断处理位移信号的硬件控制开关SW1闭合，使得压电陶瓷片与电压源Vsw构成放电回路，经过半个放电周期，压电陶瓷片上的电压将与开关SW1闭合前反向，这时再断开开关SW1；当振动位移达到最小时，硬件控制开关SW2闭合，同样经过半个放电周期后再断开开关SW2。从图2中可以看到开关SW1,SW2动作时压电陶瓷片上的电压和压电智能结构的振动位移变化关系。这样不仅使压电陶瓷片产生的力与结构速度始终保持方向相反，还增大了压电陶瓷片上电压的幅值，从而提高了机电转换效率，起到了振动阻尼效果。
发明内容
为了克服现有外加电压源式半主动同步开关阻尼振动抑制电路需借助位移传感器和有源硬件来判断结构的位移极值时刻和控制开关闭合的不足，本发明提供一种自感知型外加电压源式同步开关阻尼电路。该电路包括极小值判断器、极大值判断器、极小值开关、极大值开关和电压源Vsw。极小值判断器、极大值判断器自动实现电压极大值和电压极小值的判断，极大值开关、极小值开关自动实现开关的开闭。不需要外接嵌入式有源硬件进行极值判断，而且不需要位移传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自感知型外加电压源式同步开关阻尼电路，包括两个电压源Vsw，其特点是还包括极小值判断器、极大值判断器、极小值开关、极大值开关和电流源ieq。电阻R2、二极管D3、三极管Q3和电容C2组成极小值判断器；电阻R1、二极管D1、三极管Q2和电容C1组成极大值判断器；三极管Q4作为极小值开关使用；三极管Q1作为极大值开关使用；电流源ieq、电容C0和内阻R0并联等效代替压电陶瓷片。
所述三极管Q1和三极管Q3是NPN晶体管。
所述三极管Q2和三极管Q4是PNP晶体管。
所述电阻R1和电阻R2的电阻值相同。
所述电容C1和电容C2的电容值相同。
所述电容R3和电容R4的电阻值相同。
所述电阻值R1和电容值C1参照不等式
Figure BDA00002897745400021
选取。
本发明的有益效果是：由于电路中极小值判断器、极大值判断器自动实现电压极大值和电压极小值的判断，极大值开关、极小值开关自动实现开关的开闭。不需要外接嵌入式有源硬件进行极值判断，而且不需要位移传感器。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1是背景技术外加电压源的半主动同步开关阻尼振动抑制电路的电路图。
图2是图1所示电路工作时压电陶瓷片上的电压和结构振动位移变化的波形图。
图3是本发明自感知型外加电压源式同步开关阻尼振动抑制电路的电路图。
图4是用Multisim11.0仿真获得的一个周期内本发明自感知型外加电压源式同步开关阻尼振动抑制电路中的各个电压变化曲线。
图5是第一象限电流流向图，粗线表示导通路径，箭头表示流向。
图6是第二象限电流流向图，粗线表示导通路径，箭头表示流向。
图7是用Multisim11.0仿真获得的极大值开关动作时本发明电路中的各个电压变化曲线。
图8是第三象限电流流向图，粗线表示导通路径，箭头表示流向。
图9是第四象限电流流向图，粗线表示导通路径，箭头表示流向。
图10是用Multisim11.0仿真获得的极小值开关动作时本发明电路中的各个电压变化曲线。
具体实施方式
参照图3～10。本发明自感知型外加电压源式同步开关阻尼电路包括极小值判断器、极大值判断器、极小值开关、极大值开关、两个电压源Vsw和电流源ieq。
本发明自感知型外加电压源式同步开关阻尼振动抑制电路所用元件的参数见表1。
表1电路元件参数
Figure BDA00002897745400031
电阻R2、二极管D3、三极管Q3和电容C2组成极小值判断器；电阻R1、二极管D1、三极管Q2和电容C1组成极大值判断器；三极管Q4作为极小值开关使用；三极管Q1作为极大值开关使用；三极管Q1和三极管Q3是NPN晶体管，三极管Q2和三极管Q4是PNP晶体管。电压V是等效压电陶瓷片上的电压，电压VC1是电容C1上的电压,电压VC2是电容C2上的电压,电压VR3是电阻R3上的电压，电压VR4是电阻R4上的电压。为了使电路能稳定工作，电阻R1和电阻R2的电阻值相同，电容C1和电容C2的电容值相同，电阻值和电容值参照不等式
Figure BDA00002897745400032
选取，其中w0为压电智能结构的低阶模态谐振频率。
极大值判断器负责判断位移何时到达极大值，在极大值时刻，极大值开关Q1闭合，等效压电陶瓷片两端短路放电，由于电压源Vsw的作用，等效压电陶瓷片上的电压V将下降至零以下，后三极管Q1又迅速断开。极小值判断器负责判断位移何时到达极小值，在极小值时刻，极小值开关三极管Q4导通，等效压电陶瓷片两端短路放电，由于电压源Vsw的作用，等效压电陶瓷片上的电压V上升至零以上，后三极管Q4又迅速断开。此外，为了使电路能更稳定地工作，电路中电阻R3和电阻R4将一个振动周期分为四个象限：第一象限：压电陶瓷片给电容C1,C2正向充电的时间段；第二象限：极大值开关Q1闭合后又断开的时间段；第三象限：压电陶瓷片给电容C1,C2反向充电的时间段；第四象限：极小值开关Q4闭合后又断开的时间段。
由图4～5可以看出，电路中只有部分电路是导通的，所有的三极管都处于关断状态。随着等效压电陶瓷片上的电压V不断增大，电流源ieq不断给电容C0、电容C1和电容C2充电，因此电压V、电压VC1和电压VC2同时上升。
由图6～7可以看出，当等效压电陶瓷片上的电压V升高到最大值后，电压V开始下降，当电压V的下降幅度达到Vd+Vbe时，其中Vd为二极管D1的导通电压，Vbe为三极管Q2基射间的导通阈值电压，三极管Q2导通，电容C1通过二极管D2、三极管Q1的be结、电阻R3和电压源Vsw放电，最终导致三极管Q1导通，三极管Q1的导通使得电容C0、电容C2也与串有电压源Vsw的回路接通，电容C0、C2也开始快速的进行放电。电压V、电压VC1和电压VC2开始迅速减小，由于回路中电压源Vsw的作用，电压V、电压VC1和电压VC2的值都会降低至零以下，与此同时，尽管三极管Q4是关断的，但其发射极与集电极间存在很小的寄生电容，在第一象限期间此寄生电容被电压源Vsw充电，因此在极大值开关三极管Q1闭合时，寄生电容也发生放电，当电容C1上的电压VC1不足以导通三极管Q1和三极管Q2时，三极管Q1和三极管Q2关断。
由图4和图8可以看出，三极管Q1关断后，由于电流源ieq反向，电压V将继续减小，电流源ieq开始给电容C0、电容C1和电容C2反向充电，电压V、电压VC1和电压VC2同时反向增大。
由图9～10可以看出，当等效压电陶瓷片上的电压V降低至最小值后开始上升，当电压V的上升幅度达到Vd+Vbe时，其中Vd为二极管D1的导通电压，Vbe是三极管Q3基射极间的导通阈值电压，三极管Q3导通，电容C2开始通过电压源Vsw、电阻R4、三极管Q4的be结、二极管D4和三极管Q3的ce结放电，最终导致三极管Q4导通，三极管Q4的导通使得电容C0和电容C1快速放电，由于电压源Vsw的作用，电压V、电压VC1和电压VC2迅速增大至零以上。与此同时，尽管三极管Q1是关断的，但三极管Q1的发射极和集电极间存在很小的寄生电容，当极小值开关三极管Q4闭合时，寄生电容也会放电，当电容C2上的电压VC2减小至不足以导通三极管Q3和三极管Q4时，三极管Q3和三极管Q4关断。

Claims (7)

1.一种自感知型外加电压源式同步开关阻尼电路，包括两个电压源Vsw，其特征在于：还包括极小值判断器、极大值判断器、极小值开关、极大值开关和电流源ieq；电阻R2、二极管D3、三极管Q3和电容C2组成极小值判断器；电阻R1、二极管D1、三极管Q2和电容C1组成极大值判断器；三极管Q4作为极小值开关使用；三极管Q1作为极大值开关使用；电流源ieq、电容C0和内阻R0并联等效代替压电陶瓷片。
2.根据权利要求1所述的自感知型外加电压源式同步开关阻尼电路，其特征在于：所述三极管Q1和三极管Q3是NPN晶体管。
3.根据权利要求1所述的自感知型外加电压源式同步开关阻尼电路，其特征在于：所述三极管Q2和三极管Q4是PNP晶体管。
4.根据权利要求1所述的自感知型外加电压源式同步开关阻尼电路，其特征在于：所述电阻R1和电阻R2的电阻值相同。
5.根据权利要求1所述的自感知型外加电压源式同步开关阻尼电路，其特征在于：所述电容C1和电容C2的电容值相同。
6.根据权利要求1所述的自感知型外加电压源式同步开关阻尼电路，其特征在于：所述电容R3和电容R4的电阻值相同。
7.根据权利要求1所述的自感知型外加电压源式同步开关阻尼电路，其特征在于：所述电阻值R1和电容值C1参照不等式
Figure FDA00002897745300011
选取。
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