一种基于反激式变压器的电压非对称翻转装置

1.本发明涉及振动半主动控制技术领域，尤其涉及一种基于反激式变压器的电压非对称翻转装置。


背景技术：

2.近年来，随着压电智能材料的兴起，压电半主动振动控制因为其不需要复杂的实时控制系统和庞大的能量供给系统、对不同环境的适应能力强以及控制系统简单等优点，成为结构振动控制的重要方法。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，这种方法也被称为ssd(synchronizedswitchdamping)技术，该类方法的核心思想是通过具备非对称工作电压特征的压电纤维复合材料(macrofibercomposite，mfc)将振动能量转换为电压，借助电子开关实现电压的翻转，使mfc产生的力与结构速度始终保持方向相反，从而达到振动控制的效果。
3.经典压电半主动振动控制通常采用电感同步开关阻尼技术(ssdi)，该技术是在ssd技术上的延申。进一步的，业内还提出了基于能量注入的同步开关阻尼技术(ssdei：ssdbasedonenergy injection)。该技术通过反激式变压器将能量注入到与mfc串联的电感中，大幅提高了lc翻转电压，得到了更好的振动控制效果。传统的同步开关阻尼半主动控制系统中，mfc两端电压都是对称翻转的，即mfc工作过程中最大正电压和最小负电压绝对值相等。但对于工作电压范围非对称的压电材料，例如mfc，其工作电压范围为
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500v～+1500v，如果仍然使用传统的半主动控制方法令电压对称翻转，则不能最大化发挥其工作能力。
4.原始非对称翻转控制电路为了实现电压的非对称翻转，在传统ssdv电路的基础上，增加了负向翻转的非对称电容，来实现电压的非对称翻转，但该措施不仅电路复杂，控制算法更为复杂，还降低了压电耦合系统的机电耦合系数。


技术实现要素：

5.本发明的实施例提供一种基于反激式变压器的电压非对称翻转装置，能够最大化发挥工作电压范围非对称的压电材料的工作能力，且电路和控制算法不至于太过复杂。
6.为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
7.mfc、振动半主动控制电路和非对称开关控制信号发生模块；所述mfc粘贴在被控结构上，并与振动半主动控制电路连接，用于控制所述被控结构的振动；所述振动半主动控制电路包括：反激式变压器、模拟电子开关、二极管、储能电容和直流电压源，用于控制所述mfc电极电压的翻转及翻转后电压值的大小；所述非对称开关控制信号发生模块包括微控制器模块和相应的驱动电路，用于控制模拟电子开关的通和断。
8.所述模拟电子开关包括：电压翻转控制开关组、电能注入或提取控制开关、及储能电容电能注入控制开关；其中，所述电压翻转控制开关组为反激式变压器两个副边支路上的开关1和开关2及相对应的二极管用于控制振动半主动控制电路工作；所述电能注入或提
取控制开关包括：开关3，用于调节注入至所述反激式变压器中的电能或通过mfc提取至所述反激式变压器的电能；所述储能电容电能注入控制包括：开关4，用于控制所述直流电压源向储能电容注入电能。
9.所述反激式变压器包括：第一副边线圈和第二副边线圈和一个原边线圈，第一副边线圈和第二副边线圈的同名端相反，第一副边线圈和原边线圈的同名端相同，第二副边线圈和原边线圈的同名端相反。
10.所述二极管包括：第一整流二极管和第二整流二极管，用于在mfc电极电压翻转后自动结束翻转电压动作，以便于切断振荡回路。
11.所述直流电压源用于向储能电容注入电能；在mfc电极电压正向翻转前，所述储能电容向所述反激式变压器注入电能量；在电压正向翻转时，所述反激式变压器向所述mfc注入电能
12.在电压负向翻转时，通过所述反激式变压器提取mfc上多余的电能量，并注入所述储能电容内，其中，电压翻转之后的正负幅值非对称。
13.在mfc电极电压正向翻转前，控制开关3闭合，所述储能电容向所述反激式变压器注入电能，并在电压翻转过程中将所注入的电能再次注入所述mfc中以提高翻转电压值；在mfc电极电压负向翻转时，控制开关3闭合，通过所述反激式变压器提取mfc中多余的电能到储能电容中，并在电压翻转过程中通过提取电能操作以降低翻转电压值；其中，所述开关闭合控制时序由所述模拟开关驱动模块提供。
14.在mfc电极电压正向翻转前，开关3保持闭合一段时间，所述注入至反激式变压器中的电能与开关3闭合时间的平方成正比关系。
15.所述非对称开关控制信号发生模块即控制信号反馈模块，包括：
16.微控制器模块和组成所述驱动电路的模拟开关驱动模块，模拟开关驱动模块共产生三路模拟开关驱动控制信号，分别对应电压翻转控制开关组、电能注入或提取控制开关、及储能电容电能注入控制开关；所述控制信号反馈模块，应实时获取被控结构的振动位移；所述微控制器模块，用于识别振动位移极值、处理控制逻辑并产生开关控制信号；所述模拟开关驱动模块，用于根据微控制器模块输出的控制信号驱动相应的模拟电子开关断开或闭合。
17.所述振动半主动控制电路中的回路结构，包括：电压翻转回路、非对称能量注入与提取电路和储能电容注入电能回路；所述非对称能量注入与提取回路包括：反激式变压器的原边、开关3和储能电容串联连接；所述储能电容注入电能回路包括：直流电压源、开关4和储能电容串联连接。
18.所述电压翻转回路包括：所述反激式变压器的第一、第二副边线圈，开关1、开关2、第一整流二极管和第二整流二极管；所述第一整流二极管的阳极连接mfc的一个电极，所述第一整流二极管的阴极连接所述反激式变压器的第一副边线圈；所述第二整流二极管的阳极连接所述反激式变压器的第二副边线圈，所述第二整流二极管的阴极连接所述mfc的另一个电极；开关1与变压器的第一副边线圈串联，开关2与变压器的第二副边线圈串联。
19.本发明实施例提供的基于反激式变压器的电压非对称翻转装置，将mfc粘贴在被控结构上并与振动半主动控制电路连接；振动半主动控制电路包含反激式变压器、模拟电子开关、二极管、储能电容和直流电压源；开关模块包括一个电压非对称翻转控制开关组以
及一个非对称能量注入与提取控制开关。非对称开关控制信号发生模块用于产生开关控制信号1、开关控制信号2和开关控制信号3并分别作用于电压非对称翻转控制开关组、电能注入或提取控制开关以及储能电容电能注入控制开关。其中，开关控制信号3控制直流电压源向储能电容注入电能，开关控制信号2控制电能注入或提取控制开关用于调节注入至反激式变压器中的电能或和通过反激式变压器提取mfc额外的电能，开关控制信号1驱动电压翻转控制开关组用于改变mfc上电极电压的翻转。所述非对称控制是指mfc工作电压的非对称翻转，这是因为受压电材料极化等制备工艺影响，驱动型mfc的工作电压一般是非对称的，如
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500v到+1500v，采用本发明可以使得mfc的工作电压尽可能匹配其工作电压变化范围，最大化压电材料的利用效率。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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它的附图。
21.图1为本发明实施例提供的系统架构示意图；
22.图2为本发明实施例提供的电路原理示意图；
23.其中，d1、d2分别为所述振动半主动控制电路的第一、第二整流二极管，l1、l2分别是所述反激式变压器的第一、第二副边线圈，l3是所述反激式变压器的原边线圈，c是所述储能电容，v1是所述振动半主动控制电路的直流电压源；
24.图3中的(a)部分，为本发明实施例提供的正弦激励下结构位移和mfc两端电压随时间变化的曲线图；
25.图3中的(b)和(c)部分，分别为本发明实施例提供的开关信号1、开关信号2随时间变化图。
具体实施方式
26.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用
字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
27.为了能最大化发挥工作电压范围非对称的压电材料的工作能力，且电路和控制算法不至于太过复杂，本实施例在ssdei电路和
28.osece(optimizedsynchronous electric charge extraction)电路的基础上提出了一种解决方案，设计了一种基于反激式变压器的压电工作电压非对称翻转装置。
29.本发明实施例提供一种基于反激式变压器的电压非对称翻转装置，如图1所示，包括：
30.mfc、振动半主动控制电路和非对称开关控制信号发生模块。
31.所述mfc粘贴在被控结构上，并与振动半主动控制电路连接，用于控制所述被控结构的振动。
32.所述振动半主动控制电路包括：反激式变压器、模拟电子开关、二极管、储能电容和直流电压源，用于控制所述mfc电极电压的翻转及翻转后电压值的大小。
33.所述非对称开关控制信号发生模块包括微控制器模块和相应的驱动电路，用于控制模拟电子开关的通和断，其中，可以根据控制算法逻辑在特定的时间控制对应模拟电子开关的通和断。
34.具体的，所述模拟电子开关包括：电压翻转控制开关组、电能注入或提取控制开关和储能电容电能注入控制开关。
35.其中，所述电压翻转控制开关组包括开关1和开关2，用于控制振动半主动控制电路工作，以便于实现mfc的电压翻转动作。所述能注入或提取控制开关包括：开关3，用于调节注入至所述反激式变压器中的电能或通过所述反激式变压器提取mfc中额外的电能。所述储能电容电能注入控制开关包括：开关4，用于控制所述直流电压源向储能电容注入电能。
36.所述反激式变压器包括：第一副边线圈和第二副边线圈和一个原边线圈，第一副边线圈和第二副边线圈的同名端相反，第一副边线圈和原边线圈的同名端相同，第二副边线圈和原边线圈的同名端相反；
37.其中，第一副边线圈、第二副边线圈和原本线圈之间的匝数可以根据实际振动控制系统优化设计，
38.两个不同匝数不同电感值的副边线圈、同时借助电能注入或提取操作，可以帮助实现mfc电极电压的非对称翻转。所述二极管包括：第一整流二极管和第二整流二极管，用于在mfc电极电压翻转后自动断开振荡回路。
39.在本实施例中，所述直流电压源用于向储能电容充电。具体的：
40.在mfc电极电压正向翻转前，所述储能电容向所述反激式变压器注入电能。
41.在mfc电极电压正向翻转时，所述反激式变压器向所述mfc注入电能。
42.在mfc电极电压负向翻转时，通过所述反激式变压器提取mfc上多余的电能并存储在所述储能电容内，其中，电压翻转前后的正负值非对称。
43.具体的，在mfc电极电压正向翻转前，控制开关3闭合一段时间，所述储能电容向所述反激式变压器注入电能，并在电压翻转过程中将所注入的电能再次注入所述mfc元件中以提高翻转后电压的绝对值，其绝对值大小与控制开关3的闭合时间正相关
44.在mfc电极电压负向翻转过程中，控制开关3始终闭合，通过所述反激式变压器提取mfc中的电能到储能电容内，该操作可以有效降低翻转后电压的绝对值，从而达到电压非对称翻转进而匹配mfc非对称工作电压的本征特性。
45.其中，所述开关闭合控制时序由所述模拟电子驱动模块提供。
46.进一步的，可以在电压正向翻转前，开关3保持闭合一断时间。所述注入至反激式变压器中的电能与开关3闭合时间的平方成正比关系开关而电压正向翻转后的电压值与所注入的电能正相关，因此通过该操作可在在mfc元件上产生较高的工作电压。
47.本实施例中，所述非对称开关控制信号发生模块包括：
48.微控制器模块和组成所述驱动电路的模拟开关驱动模块，
49.微控制器模块和组成所述驱动电路的模拟开关驱动模块，模拟开关驱动模块共产生三路模拟开关驱动控制信号，分别对应电压翻转控制开关组、电能注入或提取控制开关、及储能电容电能注入控制开关，；
50.所述控制信号反馈模块，应实时获取被控结构的振动位移；
51.所述微控制器模块，用于识别振动位移极值、处理控制逻辑并产生开关控制信号；
52.所述模拟开关驱动模块，用于根据微控制器模块输出的控制信号驱动相应的模拟电子开关断开或闭合。
53.本实施例中，所述振动半主动控制电路中的回路结构，包括：电压翻转回路、电能注入或提取回路和储能电容电能注入回路。其中，
54.所述能量注入或提取回路包括：变压器的原边、开关3和储能电容串联连接。
55.所述储能电容注入电能回路包括：直流电压源、开关4和储能电容串联连接。
56.所述电压翻转回路包括：所述反激式变压器的第一、第二副边线圈，开关1、开关2、第一整流二极管和第二整流二极管；
57.所述第一整流二极管的阳极连接mfc的一个电极，所述第一整流二极管的阴极连接所述反激式变压器的第一副边线圈；
58.所述第二整流二极管的阳极连接所述反激式变压器的第二副边线圈，所述第二整流二极管的阴极连接所述mfc的另一个电极；
59.开关1与变压器的第一副边线圈串联，开关2与变压器的第二副边线圈串联。
60.下面结合具体举例说明本实施例在实际应用中使用方式：
61.如图1所示，mfc粘贴在悬臂梁上并与振动半主动控制电路连接，振动半主动控制电路包含反激式变压器、模拟电子开关、二极管、储能电容和直流电压源，用于控制所述mfc两端的电压幅值及相位。非对称开关控制信号发生模块包括控制信号反馈模块，微控制器模块及模拟开关驱动模块，激光位移传感器作为控制信号反馈模块与微控制器模块连接，微控制器模块与模拟开关驱动模块连接，根据控制算法逻辑在特定的时间控制对应模拟电子开关的通和断。
62.激光位移传感器实时获得结构振动的位移信号并传输给微控制器模块，微控制器实时检测位移信号的极值并在极值处产生两种开关信号传输给模拟开关驱动模块，模拟开关驱动模块将两种开关信号放大并输出开关控制信号1与开关控制信号2并分别作用于电压非对称翻转控制开关组与能量注入与提取控制开关，在mfc电压正向翻转前控制开关3闭合，储能电容向所述反激式变压器充电，在电压翻转过程中将电能注入mfc以提高翻转电压
的幅值；在电压负向翻转时控制开关3闭合，通过反激式变压器提取电能到储能电容内，在电压翻转过程中提取电能以降低翻转电压的幅值，达到电压非对称翻转的目的。
63.如图2所示，所述振动半主动控制电路主要包括电压翻转回路、非对称能量注入与提取回路以及电容充电回路三部分。其中，其中所述电压翻转回路包括反激式变压器的第一、第二副边线圈，电子开关开关1、开关2以及第一、第二整流二极管；所述第一整流二极管阳极连接mfc的一个表面，第一整流二极管阴极连接所述反激式变压器的第一副边线圈；所述第二整流二极管阳极连接所述反激式变压器的第二副边线圈，第二整流二极管阴极连接mfc的一个表面；开关1与变压器的第一副边线圈串联，开关2与变压器的第二副边线圈串联；所述非对称能量注入与提取回路包括变压器的原边、电子开关开关3和储能电容，各元件串联连接；所述电容充电回路包括直流电压源、开关4和储能电容，各元件串联连接。
64.模拟电子开关包括电压翻转控制开关组、非对称能量注入与提取控制开关以及电容充电开关；电压翻转控制开关组包括开关1和开关2，用于控制振动半主动控制电路工作，实现mfc的电压翻转动作；所述非对称能量注入与提取控制开关包括开关3，用于调节注入至反激式变压器中的电能量和通过反激式变压器提取的电能量；所述电容充电开关包括开关开关4，用于控制所述直流电压源向储能电容充电。
65.控制能量注入与提取回路的电子开关开关3在mfc电压正向翻转前闭合，储能电容向所述反激式变压器充电，在电压翻转过程中将电能注入mfc以提高翻转电压的幅值；控制电子开关开关3在电压负向翻转时控制闭合，通过反激式变压器提取电能到储能电容内，在电压翻转过程中提取电能以降低翻转电压的幅值，达到电压非对称翻转的目的。
66.当开关控制信号1电压为正时s1导通s2断开，电压为负时s2导通s1断开；在开关控制信号2电压为正且达到阈值时s3导通。
67.如图3所示的，当振源以正弦激励信号的形式引发被控部件振动时，电路在mfc两端产生高压非对称的电压。由于振动具有明显的周期性，因此下面以一个振动周期为例描述电路的工作过程。
68.第一阶段，开关1闭合，开关2、开关3断开。由于此时mfc上的电压为负，这样整流二极管d1处于反向截止状态，因此该时段内电路一直保持开路状态。
69.第二阶段，开关1、开关3闭合，开关2断开。此时由于mfc上的电压仍为负且反激式变压器同名端反向导致副边线圈l1的电压方向与二极管d1极性相反，故整流二极管d1仍处于反向截止状态即左边电路部分仍处于断路状态。此时原边线圈l3及直流电压源v1组成闭合回路，直流电压源v1通过原边线圈l3向反激式变压器内充电。
70.第三阶段，开关2闭合，开关1、开关3断开。此时由于mfc上的电压仍为负，左边电路导通，mfc自身电容与l2发生lc振荡，第二阶段中通过反激式变压器在l2中储存的能量在电压翻转过程中注入mfc以提高翻转电压的幅值，半个振荡周期后mfc的电压翻转，二极管d2反向截至将回路断开。
71.第四阶段开关2闭合，开关1、开关3断开，mfc两端电压仍为正，在二极管d2作用下，电路保持开路状态。
72.第五阶段，开关1、开关3闭合，开关2断开。此时mfc两端电压达到极值，通过反激式变压器提取能量存储在储能电容内，mfc两端电压降低至接近电容初始电压。
73.第六阶段，开关1闭合，开关2、开关3断开，能量提取结束，左边电路导通，继续电压
翻转，二极管d1反向截至将回路断开。
74.本发明提供一种相比原始非对称翻转控制电路更易于实现的基于反激式变压器的压电工作电压非对称翻转控制方法。在本发明中，仅需要对振动半主动控制电路的模拟电子开关闭合时间进行控制就可以达到非对称翻转的目的，电路和算法易于实现。
75.进一步的，当电压正向翻转前开关3闭合时间足够长时，通过反激式变压器充入的能量足够多，在电压正向翻转过程中将电能注入mfc可以使电压翻转的幅值足够大，在mfc上产生高压电压。
76.所述反激式变压器还包括第一、第二副边线圈以及一个原边线圈，第一、第二副边线圈的同名端相同并与原边线圈相反，原则上三个线圈的匝数比可为任意值，两个不同匝数不同电感值的副边线圈可以帮助实现mfc两端电压非对称翻转。
77.小振幅状态下，如果在mfc上施加过大电压，将会引起结构的稳定性问题。在本发明中，利用位移传感器检测被控结构的位移，只需要根据结构振动幅值的大小控制所述能量注入电路的模拟开关闭合时间，向所述ssdi电路的所述副边线圈电感充入合适的能量，在所述mfc上产生合适的电压，就可以轻易地保证系统的稳定性。
78.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。