CN110544976A - 压电自供电组合梁减振装置及其控制方法 - Google Patents

压电自供电组合梁减振装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种压电自供电组合梁减振装置及其控制方法，涉及振动抑制技术领域，上导向部件安装于上刚性框架中，下导向部件安装于下刚性部件中，导杆套设于上导向部件和下导向部件中，负载平台固定于导杆的上端，上滚轮机构和下滚轮机构均固定套设于导杆上，上弹性部件套设于上滚轮机构外，下弹性部件套设于下滚轮机构外，各压电悬臂梁的一端固定于上刚性框架和下刚性框架之间，各压电悬臂梁的另一端设置于上滚轮机构和下滚轮机构之间，至少一个压电悬臂梁与电路系统的输入端连接，其他压电悬臂梁与电路系统的输出端连接。该装置结构小巧，完全实现自供电，使能量充分利用，克服了单根梁的结构缺陷，使得对压电悬臂梁的研究在实际中得以应用。

Description

压电自供电组合梁减振装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及振动抑制技术领域，特别是涉及一种压电自供电组合梁减振装置及其控制方法。
背景技术
压电材料同时具有正压电效应和逆压电效应。利用其正压电效应，可实现压电俘能，由于其具有能量密度高、机电转换效率高，价格低廉且系统结构简单，无电磁干扰，容易实现系统的小型化，易于集成，无污染等优点，在能量收集方面得到了广泛研究，尤其是基于悬臂梁的振动能量收集；利用其逆压电效应，可作为执行器，由于其控制精度高，动态响应好，其在薄壁结构的振动控制中得到了广泛的应用，目前主要的研究仍集中在悬臂梁的振动控制上。
压电悬臂梁的被动控制虽然系统简单，易于实现，但其控制性能较差；主动控制虽然具有较好的控制效果，但一般需要传感器、功率放大器等外部设备，其系统复杂，庞大，同时需要额外电源供电，在实际中很难得以应用。
到目前为止，虽然基于压电悬臂梁的振动能量收集和振动控制方面的研究都较为成熟，但压电俘能获得的能量还未找到很好的应用点，而由于压电悬臂梁结构本身的限制，基于压电悬臂梁的振动控制被限制于实验室研究阶段，很难走向实际应用中。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种压电自供电组合梁减振装置及其控制方法，结构小巧，完全实现自供电，使能量充分利用，克服了单根梁的结构缺陷，使得对压电悬臂梁的研究在实际中得以应用。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种压电自供电组合梁减振装置，包括负载平台、导杆、上刚性框架、下刚性框架、上导向部件、下导向部件、上弹性部件、下弹性部件、上滚轮机构、下滚轮机构、电路系统和多个压电悬臂梁，所述上刚性框架设置于所述下刚性框架的上部，所述上导向部件安装于所述上刚性框架中，所述下导向部件安装于所述下刚性部件中，所述导杆套设于所述上导向部件和所述下导向部件中，所述负载平台固定于所述导杆的上端，所述上滚轮机构和所述下滚轮机构均固定套设于所述导杆上且位于所述上导向部件和所述下导向部件之间，所述上弹性部件套设于所述上滚轮机构外，所述下弹性部件套设于所述下滚轮机构外，各所述压电悬臂梁的一端固定于所述上刚性框架和所述下刚性框架之间，各所述压电悬臂梁的另一端设置于所述上滚轮机构和所述下滚轮机构之间，多个所述压电悬臂梁中的至少一个所述压电悬臂梁与所述电路系统的输入端连接，多个所述压电悬臂梁中的其他所述压电悬臂梁与所述电路系统的输出端连接。
优选地，还包括垫片，所述垫片套设于所述导杆上，所述垫片位于所述下导向部件和所述下弹性部件之间。
优选地，所述电路系统包括整流电路、DC-DC电压转换电路、储能电路、控制电路和充电电池，多个所述压电悬臂梁中的至少一个所述压电悬臂梁与所述整流电路的输入端相连，所述整流电路的输出端与所述DC-DC电压转换电路的输入端相连，所述DC-DC电压转换电路的输出端与所述储能电路及所述充电电池的输入端相连，所述储能电路的输出端与所述控制电路的输入端相连，多个所述压电悬臂梁中的其他所述压电悬臂梁与所述控制电路的输出端相连，所述充电电池用于向所述整流电路、所述DC-DC电压转换电路、所述储能电路和所述控制电路供电。
优选地，所述压电悬臂梁包括压电片、柔性板和刚性板，所述柔性板的一端固定于所述上刚性框架和所述下刚性框架之间，所述柔性板的另一端固定连接有所述刚性板，所述刚性板设置于所述上滚轮机构和所述下滚轮机构之间，所述压电片贴设于所述柔性板上。
优选地，所述上滚轮机构包括上滚轮支架、多个上轮轴和多个上滚轮，所述上滚轮支架包括上圆筒和多个上支架，所述上滚轮支架为一体式结构，所述上圆筒固定套设于所述导杆上，各所述上支架的一端设置于所述上圆筒的下部，各所述上支架的另一端安装有一个所述上轮轴，各所述上轮轴上安装有一个所述上滚轮，一个所述上滚轮与一个所述刚性板的上表面相接触；所述下滚轮机构包括下滚轮支架、多个下轮轴和多个下滚轮，所述下滚轮支架包括下圆筒和多个下支架，所述下滚轮支架为一体式结构，所述下圆筒固定套设于所述导杆上，各所述下支架的一端设置于所述下圆筒的上部，各所述下支架的另一端安装有一个所述下轮轴，各所述下轮轴上安装有一个所述下滚轮，一个所述下滚轮与一个所述刚性板的下表面相接触。
优选地，所述上导向部件和所述下导向部件均为直线轴承。
优选地，所述上弹性部件和所述下弹性部件均为复位弹簧。
本发明还提供一种基于压电的自供电减振装置的控制方法，包括以下步骤：外部环境激励所述负载平台时向系统输入能量，能量通过所述导杆传递到所述上滚轮机构和所述下滚轮机构，进而传递到所述压电悬臂梁，所述压电悬臂梁受迫振动且由于压电效应而产生电荷，其中，与所述电路系统输入端连接的所述压电悬臂梁用于能量收集，与所述电路系统输出端连接的所述压电悬臂梁用于振动控制，当用于能量收集的所述压电悬臂梁产生的电压达到极大值或极小值时，所述电路系统导通，所述电路系统将存储的能量用于与所述电路系统输出端连接的所述压电悬臂梁的振动控制。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明的压电自供电组合梁减振装置及其控制方法，多个压电悬臂梁中的至少一个压电悬臂梁与电路系统的输入端连接，用于能量收集；多个压电悬臂梁中的其他压电悬臂梁与电路系统的输出端连接，用于振动控制，利用压电的正逆效应同时实现压电俘能与振动控制，整个装置无需外界供电，完全实现自供电，使能量充分利用。多个压电悬臂梁之间无耦合关系，既可单独控制又可相互配合，克服了单根梁的结构缺陷，这种组合式机构使得对压电悬臂梁的压电振动控制的理论研究可以在实际中得以充分的利用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的压电自供电组合梁减振装置的立体结构示意图；
图2为本发明提供的压电自供电组合梁减振装置的剖视图；
图3为本发明提供的压电自供电组合梁减振装置的主视图。
图4为图3中A-A向的剖视图；
图5为本发明中电路系统的连接示意图；
图6为本发明提供的压电自供电组合梁减振装置的工作原理图。
图7为本发明提供的压电自供电组合梁减振装置(纯结构)的被动减振原理示意图；
图8为本发明提供的压电自供电组合梁减振装置半主动减振原理示意图；
图9为图7、8中两种情况下的传递率曲线对比图。
附图标记说明：1、负载平台；2、导杆；3、上导向部件；4、上刚性框架；5、上弹性部件；6、上滚轮机构；7、压电悬臂梁；71、柔性板；72、刚性板；73、压电片；8、下弹性部件；9、垫片；10、下导向部件；11、下刚性框架；12、下滚轮机构；13、第一插接件；14、整流电路；15、DC-DC电压转换电路；16、储能电路；17、控制电路；18、充电电池；19、第二插接件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种压电自供电组合梁减振装置及其控制方法，结构小巧，完全实现自供电，使能量充分利用，克服了单根梁的结构缺陷，使得对压电悬臂梁的研究在实际中得以应用。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-6所示，本实施例提供一种压电自供电组合梁减振装置，包括负载平台1、导杆2、上刚性框架4、下刚性框架11、上导向部件3、下导向部件10、上弹性部件5、下弹性部件8、上滚轮机构6、下滚轮机构12、电路系统和多个压电悬臂梁7，上刚性框架4设置于下刚性框架11的上部，上导向部件3安装于上刚性框架4中，下导向部件10安装于下刚性部件中，具体地，上导向部件3通过螺钉固定于上刚性框架4上，下导向部件10通过螺钉固定于下刚性框架11上，上导向部件3和下导向部件10均为直线轴承，导杆2套设于上导向部件3和下导向部件10中，导杆2被上导向部件3和下导向部件10约束使其只能作竖直运动，负载平台1固定于导杆2的上端，具体地，负载平台1与导杆2螺纹连接；上滚轮机构6和下滚轮机构12均固定套设于导杆2上且位于上导向部件3和下导向部件10之间，上弹性部件5套设于上滚轮机构6外，上弹性部件5设置于上刚性框架4和上滚轮机构6之间，下弹性部件8套设于下滚轮机构12外，下弹性部件8设置于下刚性框架11和下滚轮机构12之间，具体地，上弹性部件5和下弹性部件8均为复位弹簧；各压电悬臂梁7的一端固定于上刚性框架4和下刚性框架11之间，各压电悬臂梁7的另一端设置于上滚轮机构6和下滚轮机构12之间，从而将压电悬臂梁7约束在竖直方向的单自由度运动上，减少在其他模态上的颤振而损失的能量，多个压电悬臂梁7中的至少一个压电悬臂梁7与电路系统的输入端连接，多个压电悬臂梁7中的其他压电悬臂梁7与电路系统的输出端连接。
本实施例中压电自供电组合梁减振装置的既可用于阻振也可用于隔振，这两种方式只是应用的方式有所区别，但整体工作流程类似，故此处仅以阻振模式作详细介绍。多个压电悬臂梁7中的至少一个压电悬臂梁7与电路系统的输入端连接，用于能量收集；多个压电悬臂梁7中的其他压电悬臂梁7与电路系统的输出端连接，用于振动控制，利用压电的正逆效应同时实现压电俘能与振动控制，整个装置无需外界供电，完全实现自供电，使能量充分利用。多个压电悬臂梁7之间无耦合关系，既可单独控制又可相互配合，克服了单根梁的结构缺陷，这种组合式机构使得对压电悬臂梁7的压电振动控制的理论研究可以在实际中得以充分的利用。多个压电悬臂梁7既可作为一个整体实现被动振动控制，亦可配对使用实现半主动振动控制(即本实施例中的控制方法)，还可各自独立实现主动协同控制，因此，其可以针对不同的技术要求灵活地实现振动控制。
本实施例中还包括垫片9，垫片9套设于导杆2上，垫片9位于下导向部件10和下弹性部件8之间，通过调整垫片9可以使压电悬臂梁7在不同负载的静平衡状态下始终保持于水平平衡位置处。
压电悬臂梁7包括压电片73、柔性板71和刚性板72，柔性板71的一端固定于上刚性框架4和下刚性框架11之间，柔性板71的另一端固定连接有刚性板72，具体地，上刚性框架4和下刚性框架11通过螺栓连接并将压电悬臂梁7的柔性板71锁紧在其中，压电悬臂梁7的刚性板72与柔性板71通过螺栓连接，刚性板72设置于上滚轮机构6和下滚轮机构12之间，压电片73贴设于柔性板71上。于本具体实施例中，一个压电悬臂梁7包括两个压电片73，两个压电片73分别粘贴于柔性板71的上表面和下表面，且压电片73设置于靠近夹紧端处，且沿柔性板71中性轴对称，具体地，还可根据需求粘结多个压电片73。
电路系统包括整流电路14、DC-DC电压转换电路15、储能电路16、控制电路17和充电电池18，多个压电悬臂梁7中的至少一个压电悬臂梁7与整流电路14的输入端相连，该压电悬臂梁7用于能量收集，用于能量收集的压电悬臂梁7的压电片73通过第一插接件13与整流电路14的输入端相连，整流电路14的输出端与DC-DC电压转换电路15的输入端相连，DC-DC电压转换电路15的输出端与储能电路16及充电电池18的输入端相连，储能电路16的输出端与控制电路17的输入端相连，多个压电悬臂梁7中的其他压电悬臂梁7与控制电路17的输出端相连，该压电悬臂梁7用于振动控制，用于振动控制的压电悬臂梁7的压电片73通过第二插接件19与控制电路17的输出端相连，储能电路16存储的能量一部分用于压电悬臂梁7的振动控制，另一部分给充电电池18供电，充电电池18用于向整流电路14、DC-DC电压转换电路15、储能电路16和控制电路17供电。具体地，电路系统中的所有模块均集成于一块电路板中。
上滚轮机构6包括上滚轮支架、多个上轮轴和多个上滚轮，上滚轮支架包括上圆筒和多个上支架，上滚轮支架为一体式结构，上支架、上轮轴、上滚轮和刚性板72为一一对应的关系，上圆筒固定套设于导杆2上，具体地，通过紧定螺钉实现上圆筒的轴向固定，各上支架的一端设置于上圆筒的下部，多个上支架沿上圆筒的周向均匀分布，各上支架的另一端安装有一个上轮轴，各上轮轴上安装有一个上滚轮，一个上滚轮与一个刚性板72的上表面相接触；下滚轮机构12包括下滚轮支架、多个下轮轴和多个下滚轮，下滚轮支架包括下圆筒和多个下支架，下滚轮支架为一体式结构，下支架、下轮轴、下滚轮和刚性板72为一一对应的关系，下圆筒固定套设于导杆2上，具体地，通过紧定螺钉实现下圆筒的轴向固定，各下支架的一端设置于下圆筒的上部，多个上支架沿上圆筒的周向均匀分布，各下支架的另一端安装有一个下轮轴，各下轮轴上安装有一个下滚轮，一个下滚轮与一个刚性板72的下表面相接触。
于本具体实施例中，压电悬臂梁7设置为四个，沿导杆2的周向均匀分布，即四个压电悬臂梁7两两对称设置，其中，对称设置的一组压电悬臂梁7上的压电片73用于能量收集，对称设置的另一组压电悬臂梁7上的压电片73用于振动控制。
本实施例还提供一种基于压电的自供电减振装置的控制方法，包括以下步骤：外部环境激励负载平台1时向系统输入能量，能量通过导杆2传递到上滚轮机构6和下滚轮机构12，进而传递到压电悬臂梁7，压电悬臂梁7受迫振动，发生弯曲应变，其夹紧端应变最大，此处压电片73随之产生应变，由于压电效应而产生电荷。当用于能量收集的压电片73变形达到极大值即产生的电压达到极大值或极小值时，电路系统导通，开始工作。首先，整流电路14将能量转换的交流电转化为直流电，DC-DC电压转换电路15通过电压转换实现与后续电路的电压匹配，储能电路16完成能量的存储，完成存储后，控制电路17通过开关控制律将存储的能量用于压电片73的振动控制，即使得输出到用于振动控制的压电片73上的电压所产生的力始终抑制压电悬臂梁7的变形，同时在振动控制阶段切断能量收集电路开关，振动控制完成，系统电路复位，完成一个控制周期，充电电池18能够获取部分转换能量并为整流电路14、DC-DC电压转换电路15、储能电路16和控制电路17供电。
以下以高精度激光雷达传感器的减振为例，对本实施例的被动、半主动控制的减振原理进行对比：
如图7所示，本实施例中被动减振系统的减振机理通过系统固有的弹簧-质量-阻尼单元构成，其传递率曲线函数G：
式中，x1为负载平台1的振动位移量，x0是激振幅值，C是系统的等效阻尼，K是系统的等效刚度，M是负载平台1的质量，s＝jω为拉氏变换的复变量，ω为频域系数。
如图8所示，本实施例中装置在半主动式减振下的示意图，对应的传递率曲线函数G0：
式中，x2为本实施例中装置在半主动式减振下负载平台1的振动位移量，C0是本实施例中装置进行半主动控制时系统的等效阻尼，C′本实施例中装置加入压电控制后的附加阻尼。
图9为图7、8中两种情况下的传递率曲线图。从图中实线可以看出在被动减振情况下系统传递率在共振峰处有较高的峰值，故在共振频率附近减振效果不佳。从图中虚线可以看出，当采用半主动控制方法时，由于压电俘能及振动控制而引入了附加阻尼，使系统的共振峰值得到了明显的改善。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种压电自供电组合梁减振装置，其特征在于，包括负载平台、导杆、上刚性框架、下刚性框架、上导向部件、下导向部件、上弹性部件、下弹性部件、上滚轮机构、下滚轮机构、电路系统和多个压电悬臂梁，所述上刚性框架设置于所述下刚性框架的上部，所述上导向部件安装于所述上刚性框架中，所述下导向部件安装于所述下刚性部件中，所述导杆套设于所述上导向部件和所述下导向部件中，所述负载平台固定于所述导杆的上端，所述上滚轮机构和所述下滚轮机构均固定套设于所述导杆上且位于所述上导向部件和所述下导向部件之间，所述上弹性部件套设于所述上滚轮机构外，所述下弹性部件套设于所述下滚轮机构外，各所述压电悬臂梁的一端固定于所述上刚性框架和所述下刚性框架之间，各所述压电悬臂梁的另一端设置于所述上滚轮机构和所述下滚轮机构之间，多个所述压电悬臂梁中的至少一个所述压电悬臂梁与所述电路系统的输入端连接，多个所述压电悬臂梁中的其他所述压电悬臂梁与所述电路系统的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的压电自供电组合梁减振装置，其特征在于，还包括垫片，所述垫片套设于所述导杆上，所述垫片位于所述下导向部件和所述下弹性部件之间。
3.根据权利要求1所述的压电自供电组合梁减振装置，其特征在于，所述电路系统包括整流电路、DC-DC电压转换电路、储能电路、控制电路和充电电池，多个所述压电悬臂梁中的至少一个所述压电悬臂梁与所述整流电路的输入端相连，所述整流电路的输出端与所述DC-DC电压转换电路的输入端相连，所述DC-DC电压转换电路的输出端与所述储能电路及所述充电电池的输入端相连，所述储能电路的输出端与所述控制电路的输入端相连，多个所述压电悬臂梁中的其他所述压电悬臂梁与所述控制电路的输出端相连，所述充电电池用于向所述整流电路、所述DC-DC电压转换电路、所述储能电路和所述控制电路供电。
4.根据权利要求1所述的压电自供电组合梁减振装置，其特征在于，所述压电悬臂梁包括压电片、柔性板和刚性板，所述柔性板的一端固定于所述上刚性框架和所述下刚性框架之间，所述柔性板的另一端固定连接有所述刚性板，所述刚性板设置于所述上滚轮机构和所述下滚轮机构之间，所述压电片贴设于所述柔性板上。
5.根据权利要求4所述的压电自供电组合梁减振装置，其特征在于，所述上滚轮机构包括上滚轮支架、多个上轮轴和多个上滚轮，所述上滚轮支架包括上圆筒和多个上支架，所述上滚轮支架为一体式结构，所述上圆筒固定套设于所述导杆上，各所述上支架的一端设置于所述上圆筒的下部，各所述上支架的另一端安装有一个所述上轮轴，各所述上轮轴上安装有一个所述上滚轮，一个所述上滚轮与一个所述刚性板的上表面相接触；所述下滚轮机构包括下滚轮支架、多个下轮轴和多个下滚轮，所述下滚轮支架包括下圆筒和多个下支架，所述下滚轮支架为一体式结构，所述下圆筒固定套设于所述导杆上，各所述下支架的一端设置于所述下圆筒的上部，各所述下支架的另一端安装有一个所述下轮轴，各所述下轮轴上安装有一个所述下滚轮，一个所述下滚轮与一个所述刚性板的下表面相接触。
6.根据权利要求1所述的压电自供电组合梁减振装置，其特征在于，所述上导向部件和所述下导向部件均为直线轴承。
7.根据权利要求1所述的压电自供电组合梁减振装置，其特征在于，所述上弹性部件和所述下弹性部件均为复位弹簧。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述基于压电的自供电减振装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：外部环境激励所述负载平台时向系统输入能量，能量通过所述导杆传递到所述上滚轮机构和所述下滚轮机构，进而传递到所述压电悬臂梁，所述压电悬臂梁受迫振动且由于压电效应而产生电荷，其中，与所述电路系统输入端连接的所述压电悬臂梁用于能量收集，与所述电路系统输出端连接的所述压电悬臂梁用于振动控制，当用于能量收集的所述压电悬臂梁产生的电压达到极大值或极小值时，所述电路系统导通，所述电路系统将存储的能量用于与所述电路系统输出端连接的所述压电悬臂梁的振动控制。
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