电感型同步开关阻尼技术的状态空间时域建模与仿真研究

同步开关阻尼技术是一种基于压电材料的半主动振动控制技术,由于此方法结构简单,易于实现,而且系统功耗极低。介绍了电感型同步开关阻尼技术(Synchronized Switch Damping on Inductor,简称SSDI)的振动控制机理,提出了基于状态空间方法的SSDI控制技术的时域建模方法。基于所建立数学模型,采用Simulink软件对系统的时域特性进行了仿真,验证了这种建模方法的可行性。同时介绍了同步开关阻尼技术的参数识别方法,为该技术的应用提供了理论参考。

自供电同步开关电感阻尼电路功率特性分析

为了明确自供电式同步开关电感阻尼电路的功率特性,同时为优化开关控制电路提供理论依据,分析了该电路的阻抗特点及其输出功率随负载的变化关系,并研究了在不同激振强度下能量收集的效率。实验测试了压电悬臂梁尖端振幅为2mm及4mm时负载电路获得功率及悬臂梁振子输出的总功率。结果表明,在振幅为2mm时,负载获得的最大输出功率为38.6μW;在振幅为4mm时,最大功率187μW。在压电振子正常工作的振动强度范围内,激振强度越大,自供电式同步开关电感阻尼电路的能量收集效率越高。在200~800kΩ负载范围内,振幅为4mm时的效率比2mm时高10%左右。

具有半主动压电阻尼的叶盘结构动力学特性研究

针对航空发动机整体叶盘结构的失谐响应放大问题,在叶盘结构中引入半主动压电阻尼技术,并利用基于非线性模态分析的非线性系统频域响应快速算法-非线性部件模态综合(NCMS)法对具有基于负电容的同步开关阻尼(SSDNC)的叶盘结构动力学特性进行理论探究。分析结果表明NCMS法相比于Newmark法具有很高的计算效率,并能保证较高计算精度;SSDNC能够同时对叶盘结构的多阶振动模态都产生较好的抑制效果,并对多谐波激励下叶盘结构的所有振动峰值都产生较好的抑制效果(对于本文所用模型,振动峰值下降可达到73%);统计分析表明,SSDNC的振动抑制效果对叶盘结构机械失谐以及电路参数失谐均不敏感。

基于正逆压电效应的高能效振动半主动控制方法

基于同步开关阻尼(Synchronous Switch Damping,SSD)技术的压电振动半主动控制方法主要利用控制电路中的同步开关和等效LC振荡电路,实现压电电压的同步翻转,使得压电驱动力始终和结构振动速度同相位,用较低的能耗高效地抑制结构振动。然而常见的压电驱动元件如压电叠堆、压电纤维复合材料等,其允许工作电压变化范围是不对称的,采用对称翻转的SSD技术难以充分利用压电元件的机电转化性能。提出了一种基于双向压电效应的SSD技术,通过对压电电压上翻时注能、下翻时吸能的操作,最大化控制系统能效,并充分匹配压电元件的机电转化潜能。介绍了所提SSD方法的工作原理,推导了非对称翻转条件下结构的振动衰减模型,实现了非对称翻转SSD控制电路,并通过实验进行了验证。研究结果表明,所提SSD方法可以通过控制注能开关占空比及吸能电路等效负载自适应地调节压电电压的上、下翻转因子,最终实现高能效的结构振动衰减效果。

压电振动发电机的研究现状与发展趋势

综述了国内外压电振动发电机的技术发展,阐述了压电发电机工作原理,系统介绍了压电材料与压电换能元件结构形式,重点报道了能量转换接口电路及共振频率调整策略的研究现状。举例说明了压电振动发电机的应用领域,并针对目前研究中存在的问题对压电振动发电机发展趋势进行了预测。随着低功耗微电子技术与微机械加工技术的发展,压电振动发电机在各种MEMS产品、无线传感器网络及低功耗电子设备中的应用将逐渐实用化、普及化。

基于压电元件的悬臂梁半主动振动控制研究

为了探讨非线性同步开关阻尼技术(synchronized switch damping,简称SSD)的半主动振动控制系统中开关切换效率对控制效果的影响,详细推导了基于开关切换效率的SSDI(synchronized switch damping on inductor)及SSDV(synchronized switch damping on voltage)的振动阻尼表达式,并搭建了悬臂复合梁振动半主动试验平台,对理论分析结果进行了试验验证。试验结果表明,开关切换的延时越小,控制效果越佳。

基于压电材料振动半主动控制仿真研究

近年来,我国航天事业得到了快速发展,飞行器的振动控制变得越发重要。在振动控制领域采用传统的阻尼材料进行抑振,已满足不了当前的需求,因此利用压电材料对结构振动进行控制已成为一个新兴领域。压电材料具有以下优点:机电耦合特性好,频带宽,体积小,质量轻,即可做传感器又可做驱动器使用特点。振动控制分为主动、被动及半主动控制,其中基于压电材料的同步开关阻尼技术(SSD)的半主动控制最为流行。三种同步开关阻尼技术:自感知SSDI(电感阻尼)技术,基于速度检测的SSDI(电感阻尼)技术,自感知SSDNC(负电容阻尼)技术。主要通过机电模型分析,电路原理分析及仿真分析,数据分析的方式来说明这三种技术工作原理及优缺点。

基于反激变压器的压电振动能量双向操控技术

压电材料因其具有良好的机电耦合特性,在振动能量俘获和结构振动控制领域有着良好的应用前景.基于同步开关和电感的压电元件接口控制电路,可以通过振荡电路工作原理调节压电元件的电压幅值和相位,优化压电振动系统的机电能量转化.优化型同步电荷提取技术即基于上述接口控制电路实现了压电振动能到电能的高效转换.本文提出了一种衍生于优化型同步电荷提取电路的压电阻尼半主动控制电路,借鉴反激变压器的原、副边能量转换特性,实现了压电振动控制系统从电能到机械能的能量操控,进而达到结构振动抑制的效果.至此,结合了压电电荷能提取与压电阻尼半主动控制技术的新电路,以反激变压器为核心实现了压电振动能量的双向操纵.论文首先介绍了相应的控制电路及工作原理,推导了新型同步开关阻尼技术下的结构的振动阻尼比模型,搭建了压电悬臂梁振动控制实验平台,最终通过实验验证了理论模型,并使用更简单的控制方法解决了振动控制系统的稳定性问题.

智能机械臂的压电半主动振动控制

以在半主动控制领域具有良好应用前景的压电元件为基础,在受控机械臂上粘贴压电陶瓷(PZT)片,运用基于压电分流阻尼的振动被动控制和基于同步开关阻尼(SSD)技术的半主动控制理论,消耗机械臂振动的机械能,减小结构振动的位移幅度,从而达到振动控制的目的。

空间柔性天线展开臂的半主动振动控制研究

大型柔性天线展开臂结构由于其尺寸大,阻尼和刚度小,其振动呈现明显的低频特性,且很难在短时间内迅速衰减,从而影响天线工作性能。传统的被动控制大都采用阻尼材料,通过增加阻尼的方法来进行控制,这种控制方法对低频柔性结构的控制效果是有限的。因此研究带负载的复合材料柔性展开臂结构的振动抑制问题,提出用压电元件粘贴在展开臂结构表面作为传感器和驱动器,用基于同步开关阻尼技术的自适应半主动振动控制方法控制压电驱动器,从而对展开臂结构实现振动控制。完成了展开臂模型的建立和仿真分析,建立了展开臂结构的开关阻尼半主动控制试验平台,设计并制作了控制电路,针对需要控制的结构一阶弯曲模态进行压电元件的合理布设。对不同激励下的振动进行了展开臂结构的控制试验,试验结果显示该方法对带负载柔性天线展开臂结构的振动具有良好的抑制效果,对于初始位移为100 mm的瞬态激励振动工况,受控系统等效阻尼比由0.6%增加至4.03%;对于稳态振幅为50 mm的稳态振动工况,系统控制后结构端部振动幅值降低至10 mm,稳态振动幅值降低了16.843 dB。在大型柔性结构中具有非常好的应用前景。