CN104181947A - 一种非对称电压结构振动噪声半主动控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非对称压电结构振动噪声半主动控制电路，其特征在于，包括模拟开关信号产生单元、开关方式切换单元、MOSFET隔离驱动单元、MOSFET同步开关组单元、附加电源单元、串联震荡单元、电压检测单元、非对称控制单元，实现同步开关精确切换，压电元件电压非对称比例高，翻转电压范围大，对结构振动进行更有效地控制，在结构振动控制中具有广泛的应用前景。

Description

一种非对称电压结构振动噪声半主动控制电路

技术领域

本发明涉及一种非对称压电半主动振动控制电路，尤其涉及一种基于电压同步开关阻尼技术和电压非对称翻转技术的非对称半主动振动控制电路。

 

背景技术

压电半主动控制方法是基于压电主动和被动控制技术发展起来的一种新的振动控制方法，目前正得到广泛地研究。目前，基于压电材料的结构振动控制方法主要可分为三种：主动控制、被动控制和半主动控制。压电半主动控制方法是基于压电主动和被动控制技术发展起来的一种新的振动控制方法，目前正得到广泛地研究。具有代表性的是一种基于非线性同步开关阻尼技术的半主动振动控制方法，这种方法被称为SSD技术（SSD：Synchronized Switch Damping），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，从而达到减振的目的。与被动、主动控制方法相比，这种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，适合于宽频带振动控制，这些使得该方法在结构振动控制方面具有广阔的研究前景。目前，基于非线性同步开关阻尼技术的半主动振动控制方法主要分为三种，短路同步开关阻尼技术（SSDS技术），电感同步开关阻尼技术（SSDI技术）和电压同步开关阻尼技术（SSDV技术）。

在以往的研究中，对于非线性同步开关阻尼技术的半主动振动控制方法实现电路，存在结构振动位移极值判断不精确、模拟方法实现的开关电路无法工作在高点压条件下，且相应速度慢，导致压电元件无法翻转至较高电压且保持；大多数半主动振动控制方法实现电路中压电元件两端电压翻转都是对称的，而对于需要电压非对称翻转的压电元件，该方法则有其局限性。即使有些电路系统中加入了非对称翻转控制电路，这些电路也由于实现方法上的复杂性导致非对称开关相应时间慢，压电元件电压非对称翻转不理想。

 

发明内容

技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种非对称半主动振动控制电路，用于实现非对称压电半主动振动控制的方法，其结合基于电压同步开关阻尼技术和电压非对称翻转技术，实现结构振动电路。

技术方案

为了解决上述的技术问题，本发明的非对称半主动振动控制方法实现电路包括模拟开关信号产生单元、开关方式切换单元、MOSFET隔离驱动单元、MOSFET同步开关组单元、附加电源单元、串联震荡单元、电压检测单元、非对称控制单元；

所述模拟开关信号产生单元与开关方式切换相连，用于接收振动位移信号，通过模拟电路对被控对象的振动位移信号极值进行判断以产生开关信号并将开关信号输出到开关方式切换单元；

所述开关切换单元与MOSFET隔离驱动单元和外部控制器相连，用于在外部控制器选择信号的控制下选择开关信号，并将开关信号输出到MOSFET隔离驱动单元；

所述MOSFET隔离驱动单元用于对开关信号进行浮地隔离，同时分离出两路放大的开关控制信号，并将控制信号输出到MOSFET同步开关组单元；

所述MOSFET同步开关组单元与串联振荡单元和附加电源单元相连，在所述两路放大的开关控制信号的控制下切换施加在串联震荡单元的电压极性，并辅助串联震荡单元形成电压翻转与回路隔断；

所述附加电源单元与外部控制器相连，用于产生两路压值相等、极性相反的翻转电压源，并在外部电压控制信号的控制下动态调节翻转电压源压值；

所述串联震荡单元与电压检测单元和非对称控制单元相连，利用LC震荡原理实现压电元件上的电压在被控对象振动位移达到极值时翻转，即极性改变；

所述电压检测单元与非对称控制单元和外部控制器相连，用于对压电元件上的高电压进行衰减、缓冲，并将衰减缓冲后的电压信号输出到非对称控制单元和外部控制器；

所述非对称控制单元与串联震荡单元相连，用于辅助串联震荡单元实现压电元件两端电压的非对称翻转。

更近一步地，该电路与外部控制器配合使用，在外部控制器控制下实现完整功能。

更近一步地，所述模拟开关信号产生单元包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第一比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容；

所述第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、第一运算放大器依次相连接，构成二阶滤波电路，对振动幅值信号进行滤波后输出到第一比较器同相输入端和第三电阻一端；

所述第三电阻、第三电容和第二运算放大器依次相连接，构成一阶移相电路，对从所述第三电阻一端输入的信号进行移相后输出到第一比较器反相输入端；

所述第一比较器同相输入端与第一运算放大器的输出端相连，反相输入端与第二运算放大器输出端相连，并将产生的开关信号输出；

更近一步地，所述开关方式切换单元由模拟开关芯片构成，所述模拟开关芯片第一源极引脚接所述第一比较器输出端，所述模拟开关芯片第二源极引脚接外部控制器，输入数字开关信号，所述模拟开关芯片逻辑控制输入引脚接外部控制器，输入数字选择信号，所述模拟开关芯片漏极引脚与所述MOSFET隔离驱动单元相连；

更近一步地，所述MOSFET隔离驱动单元包括正向MOS管驱动电路和反向MOS管驱动电路；

所述正向MOS管驱动电路包括：第一双极性隔离电源、第一光电耦合器、第一二极管、第一三极管、第五电阻、第六电阻；

所述第一双极性隔离电源对系统电源是隔离的，正极性电源连接至所述第一光电耦合器的正供电引脚，负极性电源连接至所述第一光电耦合器的负供电引脚，参考地端连接至所述第一三极管的集电极和所述第六电阻的一端；

所述第一光电耦合器阳极输入引脚连接所述模拟开关漏极，所述第一光电耦合器阴极输入引脚接至系统地，信号输出脚接所述第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端接所述第二二极管的阳极和所述第一三极管的基极；所述第二二极管阴极连接所述第一三极管发射极和所述第六电阻另一端；

所述负向MOS管驱动电路包括：第二双极性隔离电源、第二光电耦合器、第二二极管、第二三极管、第八电阻、第九电阻；

所述第二双极性隔离电源对系统电源是隔离的，正极性电源连接至所述第二光电耦合器的正供电引脚，负极性电源连接至所述第二光电耦合器的负供电引脚，参考地端连接至所述第二三极管的集电极和所述第六电阻的一端；

所述第二光电耦合器阳极输入引脚连接所述模拟开关漏极，所述第二光电耦合器阴极输入引脚接至系统地，信号输出脚接所述第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端接所述第二二极管的阴极和所述二三极管的基极；所述第二二极管阳极连接所述第二三极管发射极和所述第九电阻另一端；

所述第一三极管和所述第三三极管为PNP型，所述第二三极管为NPN型。

更近一步地，所述同步开关组电路包括第一MOSFET、第二MOSFET、第五二极管和第六二极管；所述第一MOSFET栅极连接所述第二二极管阴极，源极接所述第一三极管的集电极和所述第六电阻的一端，所述第二MOSFET栅极连接所述第四二极管阳极，源极接所述第二三极管的集电极和所述第九电阻的一端。

更近一步地，所述附加电源单元包括第一功率运算放大器、第二功率运算放大器、第六电容、第七电容、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻；

所述第一功率运算放大器、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻组成反相放大器，所述第二功率运算放大器、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻组成同相放大器；所述反向放大器与所述同相放大器增益相等，输入同一电压控制信号；

外部控制器与所述第十电阻、第十四电阻一端相连，输入电压控制信号，所述第十电阻另一端与所述第一功率运算放大器同相输入端相连，所述第十四电阻另一端与所述第二功率运算放大器反相输入端和第十五电阻一端相连；

所述第一功率运算放大器反相输入端接所述第十一电阻一端和第十二电阻一端，所述第十一电阻另一端接地，所述第十二电阻另一端接所述第一功率运算放大器输出端和所述第六电容器一端相连，所述第六电容另一端接地，所述第一功率运算放大器输出端连接至所述第一MOSFET的源极，输出负的翻转电压；

所述第二功率运算放大器同相输入端接所述第十三电阻一端，所述第十三电阻另一端接地，所述第二功率运算放大器输出端与所述第十五电阻和所述第七电容器一端相连，所述第七电容另一端接地，所述第二功率运算放大器输出端连接至所述第二MOSFET的漏极，输出正的翻转电压。

更近一步地，所述串联震荡单元包括第一电感与第一压电元件，所述第一电感一端连接至第五二极管和第六二极管的连接点，所述第一电感的另一端与所述第一压电元件一端相连，所述第一压电元件另一端接至地。

更近一步地，所述电压检测单元包括第十七电阻、第十八电阻和第四运算放大器；所述第十七电阻一端接所述第一压电元件和所述第一电感连接点，所述第十八电阻一端接所述压电元件接地端，所述第十七电阻另一端与所述第十八电阻另一端相连接，从该连接点输出所述第一压电元件两端电压的比例缩小值，所述第四运算放大器构成信号跟随器，输入端连接至所述第十七电阻与所述第十八电阻连接点，输出端接所述外部控制器。

更近一步地，所述非对称控制单元包括第第二比较器、第七二极管、第八二极管、第三三极管、第三MOSFET、第十六电阻、第八电容；

所述第二比较器的同相输入端接地，反相输入端接至所述第十七电阻与所述第十八电阻连接点，输出端接至第八二极管的阳极；

所述第八二极管阳极还与第三三极管的基极连接，所述第八二极管阴极连接至所述第三三极管发射极相连、第三MOSFET栅极和第十六电阻一端，所述第三三极管集电极与所述第十六电阻另一端和第三MOSFET源极相连并接至地，所述第三MOSFET漏极、所述第八电容一端和第七二极管阴极三点连接在一起，所述第八电容另一端连接至所述第一压电元件和所述第一电感连接点，所述第七二极管阳极接所述第一压电元件的接地端。

更近一步地，所述第一三极管和所述第三三极管为PNP型，所述第二三极管为NPN型，所述第一MOSFET与所述第二MOSFET为N沟道MOSFET。

有益效果

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：实现同步开关精确切换，压电元件电压非对称比例高，翻转电压范围大，对结构振动进行更有效地控制，在结构振动控制中具有广泛地应用前景。

 

附图说明

图1是本发明实施例的非对称压电结构振动噪声半主动控制电路的连接框图；

图2是本发明实施例的开关信号产生电路示意图；

图3是本发明实施例的结构位移、传感器位移信号和开关信号关系示意图；

图4是本发明实施例的MOSFET驱动电路和开关电路示意图；

图5是本发明实施例的附加电源控制电路示意图；

图6是本发明实施例的串联震荡电路、非对称控制电路和电压检测电路示意图。

 

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步说明。

如图1所示，本实施例的非对称压电结构振动噪声半主动控制电路包括：模拟开关信号产生单元101、开关方式切换单元102、MOSFET隔离驱动单元103、MOSFET同步开关组单元104、附加电源单元105、串联震荡单元107、电压检测单元108、非对称控制单元106。

该电路与外部控制器配合使用，在外部控制器控制下实现完整功能。

如图2所示，通过传感器获取到的结构振动的位移信号，输入到模拟开关信号产生单元102，经过二阶滤波电路滤除高频噪声信号，再经过一阶移相电路分离出一路相位偏移信号，滤波后的信号与相位偏移信号经过第一比较器U3比较，以判断结构振动位移极值，并产生模拟开关信号。图3为被控结构振动位移、传感器位移信号和开关信号关系示意图。

系统还可以由外部控制器产生数字开关信号，如图2所示的开关方式切换单元电路用于在外部控制器的控制下选择两种开关信号作为下级电路的驱动信号。

开关方式切换单元输出的开关信号输入到MOSFET隔离驱动单元，如图3所示，机输入到负向MOS管驱动电路和正向MOS管驱动电路。由隔离电源DCDC、MOSFET驱动光电耦合器和三级管放大电路构成的MOSFET驱动单元对开关信号进行浮地隔离，同时分离出两路放大的开关控制信号，并将控制信号输出到MOSFET同步开关组单元。

如图4所示，MOSFET同步开关组单元由NMOS管Q3串联高压二极管D5和PMOS管Q4串联高压二极管D6构成，在MOSFET隔离驱动单元输出的两路放大的开关控制信号的控制下实现电路的通断，以切换施加在串联震荡单元的电压极性，并辅助串联震荡单元形成电压翻转回路与回路隔断。

如图5所示，附加电源单元与外部控制器相连，用于产生两路压值相等、极性相反的翻转电压源，并在外部电压控制信号的控制下动态调节翻转电压源压值。

如图6所示，串联震荡单元与MOSFET同步开关组单元相连，利用LC震荡原理实现压电元件上的电压在被控对象振动位移达到极值时翻转，即极性改变，并与MOSFET同步开关组单元的辅助下实现电压保持。

电压检测单元利用并联在压电元件上的电路R17、R18获取压电元件上的电压，其中R17与R18串联分压，选取适当的阻值可在R18上产生按比例缩小的压电元件电压值，如图6所示。缩小后的电压输入到非对称控制单元和运放U12，U12构成信号跟随器对电压进行缓冲，并将衰减缓冲后的电压信号输出到外部控制器。

如图6所示，比较器U11构成过零比较器，当压电元件上电压小于0时，比较器输出总为正，NMOS管Q5导通，即电容C8并入压电元件两端，参与LC震荡，当压电元件上电压大于0时，比较器输出为负，NMOS管Q5不导通，电容C8不并入压电元件两端，不参与LC震荡。通过在震荡的负向并入电容C8，减小压电元件负向的电压值，实现非对称翻转的目的。

以上所述仅为对本发明较佳实施方式及技术原理的描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明揭露的技术范围内的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种非对称压电结构振动噪声半主动控制电路，其特征在于，包括模拟开关信号产生单元、开关方式切换单元、MOSFET隔离驱动单元、MOSFET同步开关组单元、附加电源单元、串联震荡单元、电压检测单元、非对称控制单元，其中，

所述模拟开关信号产生单元与开关方式切换单元相连，用于接收振动位移信号，通过模拟电路对被控对象的振动位移信号极值进行判断以产生开关信号并将开关信号输出到开关方式切换单元；

所述开关切换单元与MOSFET隔离驱动单元相连，并受外部控制器控制，用于在外部控制器选择信号的控制下选择开关信号，并将开关信号输出到MOSFET隔离驱动单元；

所述MOSFET隔离驱动单元用于对模拟开关信号产生单元产生的开关信号进行浮地隔离，同时分离出两路放大的开关控制信号，并将放大的开关控制信号输出到MOSFET同步开关组单元；

所述MOSFET同步开关组单元分别与串联振荡单元和附加电源单元相连，在所述两路放大的开关控制信号的控制下切换施加在串联震荡单元的电压极性，并辅助串联震荡单元形成电压翻转与回路隔断；

所述附加电源单元与外部控制器相连，用于产生两路压值相等、极性相反的翻转电压源，并在外部电压控制信号的控制下动态调节翻转电压源压值；

所述串联震荡单元与电压检测单元和非对称控制单元相连，利用LC震荡原理实现压电元件上的电压在被控对象振动位移达到极值时翻转，进行极性改变；

所述电压检测单元与非对称控制单元和外部控制器相连，用于对压电元件上的高电压进行衰减、缓冲，并将衰减缓冲后的电压信号输出到非对称控制单元和外部控制器；

所述非对称控制单元与串联震荡单元相连，用于辅助串联震荡单元实现压电元件两端电压的非对称翻转。

2.根据权利要求1所述的非对称压电结构振动噪声半主动控制电路，其特征在于，所述模拟开关信号产生单元包括：第一运算放大器、第二运算放大器、第一比较器、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容、第二电容、第三电容；

所述第一电阻、第二电阻、第一电容、第二电容、第一运算放大器依次相连接，构成二阶滤波电路，对振动幅值信号进行滤波后输出到第一比较器同相输入端和第三电阻一端；

所述第三电阻、第三电容和第二运算放大器依次相连接，构成一阶移相电路，对从所述第三电阻一端输入的信号进行移相后输出到第一比较器反相输入端；

所述第一比较器同相输入端与第一运算放大器的输出端相连，反相输入端与第二运算放大器输出端相连，并将产生的开关信号输出。

3.根据权利要求2所述的非对称压电结构振动噪声半主动控制电路，其特征在于，所述开关方式切换单元由模拟开关芯片构成，所述模拟开关芯片第一源极引脚接所述第一比较器输出端，所述模拟开关芯片第二源极引脚接外部控制器，输入数字开关信号，所述模拟开关芯片逻辑控制输入引脚接外部控制器，输入数字选择信号，所述模拟开关芯片漏极引脚与所述MOSFET隔离驱动单元相连。

4.根据权利要求2所述的非对称压电结构振动噪声半主动控制电路，其特征在于，

所述MOSFET隔离驱动单元包括正向MOS管驱动电路和反向MOS管驱动电路；

所述正向MOS管驱动电路包括：第一双极性隔离电源、第一光电耦合器、第一二极管、第一三极管、第五电阻、第六电阻；

所述第一双极性隔离电源对系统电源是隔离的，正极性电源连接至所述第一光电耦合器的正供电引脚，负极性电源连接至所述第一光电耦合器的负供电引脚，参考地端连接至所述第一三极管的集电极和所述第六电阻的一端；

所述第一光电耦合器阳极输入引脚连接所述模拟开关漏极，所述第一光电耦合器阴极输入引脚接至系统地，信号输出脚接所述第五电阻的一端，所述第五电阻的另一端接所述第二二极管的阳极和所述第一三极管的基极；所述第二二极管阴极连接所述第一三极管发射极和所述第六电阻另一端；

所述负向MOS管驱动电路包括：第二双极性隔离电源、第二光电耦合器、第二二极管、第二三极管、第八电阻、第九电阻；

所述第二双极性隔离电源对系统电源是隔离的，正极性电源连接至所述第二光电耦合器的正供电引脚，负极性电源连接至所述第二光电耦合器的负供电引脚，参考地端连接至所述第二三极管的集电极和所述第六电阻的一端；

所述第二光电耦合器阳极输入引脚连接所述模拟开关漏极，所述第二光电耦合器阴极输入引脚接至系统地，信号输出脚接所述第八电阻的一端，所述第八电阻的另一端接所述第二二极管的阴极和所述二三极管的基极；所述第二二极管阳极连接所述第二三极管发射极和所述第九电阻另一端；

所述第一三极管和所述第三三极管为PNP型，所述第二三极管为NPN型。

5.根据权利要求2所述的非对称压电结构振动噪声半主动控制电路，其特征在于，所述MOSFET同步开关组单元包括第一MOSFET、第二MOSFET、第五二极管和第六二极管；所述第一MOSFET栅极连接所述第二二极管阴极，源极接所述第一三极管的集电极和所述第六电阻的一端，所述第二MOSFET栅极连接所述第四二极管阳极，源极接所述第二三极管的集电极和所述第九电阻的一端。

6.根据权利要求2所述的非对称压电半主动振动控制电路，其特征在于，所述附加电源单元包括第一功率运算放大器、第二功率运算放大器、第六电容、第七电容、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻；

所述第一功率运算放大器、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻组成反相放大器，所述第二功率运算放大器、第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻组成同相放大器；所述反向放大器与所述同相放大器增益相等，输入同一电压控制信号；

外部控制器与所述第十电阻、第十四电阻一端相连，输入电压控制信号，所述第十电阻另一端与所述第一功率运算放大器同相输入端相连，所述第十四电阻另一端与所述第二功率运算放大器反相输入端和第十五电阻一端相连；

所述第一功率运算放大器反相输入端接所述第十一电阻一端和第十二电阻一端，所述第十一电阻另一端接地，所述第十二电阻另一端接所述第一功率运算放大器输出端和所述第六电容器一端相连，所述第六电容另一端接地，所述第一功率运算放大器输出端连接至所述第一MOSFET的源极，输出负的翻转电压；

所述第二功率运算放大器同相输入端接所述第十三电阻一端，所述第十三电阻另一端接地，所述第二功率运算放大器输出端与所述第十五电阻和所述第七电容器一端相连，所述第七电容另一端接地，所述第二功率运算放大器输出端连接至所述第二MOSFET的漏极，输出正的翻转电压。

7.根据权利要求2所述的非对称压电结构振动噪声半主动控制电路，其特征在于，所述串联震荡单元包括第一电感与第一压电元件，所述第一电感一端连接至第五二极管和第六二极管的连接点，所述第一电感的另一端与所述第一压电元件一端相连，所述第一压电元件另一端接至地。

8.根据权利要求2所述的非对称压电结构振动噪声半主动控制电路，其特征在于，所述电压检测单元包括第十七电阻、第十八电阻和第四运算放大器；所述第十七电阻一端接所述第一压电元件和所述第一电感连接点，所述第十八电阻一端接所述压电元件接地端，所述第十七电阻另一端与所述第十八电阻另一端相连接，从该连接点输出所述第一压电元件两端电压的比例缩小值，所述第四运算放大器构成信号跟随器，输入端连接至所述第十七电阻与所述第十八电阻连接点，输出端接所述外部控制器。

9.根据权利要求2所述的非对称压电结构振动噪声半主动控制电路，其特征在于，所述非对称控制单元包括第第二比较器、第七二极管、第八二极管、第三三极管、第三MOSFET、第十六电阻、第八电容；

所述第二比较器的同相输入端接地，反相输入端接至所述第十七电阻与所述第十八电阻连接点，输出端接至第八二极管的阳极；

所述第八二极管阳极还与第三三极管的基极连接，所述第八二极管阴极连接至所述第三三极管发射极相连、第三MOSFET栅极和第十六电阻一端，所述第三三极管集电极与所述第十六电阻另一端和第三MOSFET源极相连并接至地，所述第三MOSFET漏极、所述第八电容一端和第七二极管阴极三点连接在一起，所述第八电容另一端连接至所述第一压电元件和所述第一电感连接点，所述第七二极管阳极接所述第一压电元件的接地端。