抗饱和负电容压电分流电路半被动振动控制装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种抗饱和负电容压电分流电路半被动振动控制装置和方法，包括：滑环供电装置定子、滑环供电装置转子和分流电路；滑环供电装置转子通过过盈配合固定在推进轴系的转轴上，与滑环供电装置定子之间通过轴承连接；压电分流电路连接在转轴上，随转轴共同旋转。采用高电压运算放大器，结合双向瞬变抑制二极管、保护运算放大器的二极管、用于旁路电源的电容器等提高高电压运算放大器的稳健性；采用普通运算放大器，结合高电压功率放大器电路、阻性的电压分压器电路和高电压缓冲器电路来实现。通过第一负电容、第二负电容增强机电耦合系数，适合于推进轴系低转速弱应变和机电耦合系数小的场合、高转速大激励力的场合。

Semi passive vibration control device and method of anti saturation negative capacitance piezoelectric shunt circuit

【技术实现步骤摘要】
抗饱和负电容压电分流电路半被动振动控制装置和方法
本专利技术涉及船舶减振
，具体地，涉及一种螺旋桨轴系纵向和横向振动控制的高机电耦合系数抗饱和负电容压电分流电路半被动振动控制装置和方法。
技术介绍
螺旋桨在不均匀、非定常流场中旋转，在产生静推力的同时，将产生与转速和叶片数相关的基频和倍频激振力线谱分量、随频率基本上呈逐渐衰减的随机宽带分量，前者通过轴系传递使船体结构发生强迫振动产生水下声辐射；后者将激励螺旋桨－轴系－船体耦合系统的特征模态，两者均会形成突出的特征频谱。由于螺旋桨的纵向宽带激励力是横向和垂向宽带激励力的4～5倍以上，因此目前振动传递控制主要针对纵向振动来开展。目前推进轴系上采用的振动控制手段有纵向减振器隔振、共振变换器隔振、动力反共振隔振、主动吸振器吸振、基座上的动力吸振器、空心轴系内部的动力吸振器、在推力轴承内部的隔振和吸振处理。其中，采用隔振会导致振动被阻隔到螺旋桨端，增加螺旋桨的振动量级，并且隔振频率不能太低，否则推进效率会受到影响。采用动力吸振器对推进轴系的固有频率影响小，不需要串入到轴系中承受大的静推力，但若采用被动式的吸振措施，由于推进轴系的被控制频率低，所需质量代价较大；单个传统吸振器仅能够针对某阶模态起到抑制效果；可以实现宽带振动控制的周期结构和动力吸振器集成控制结构占用空间较大；并且不同转速下桨－轴系－船体耦合系统固有频率的变化会影响到吸振效果。采用半主动控制措施，针对实际桨－轴系－船体耦合系统大的脉动压力以及固有频率的变化，所提出的磁流变体控制器将发生饱和、且无法覆盖固有频率的变化范围。采用主动控制措施，需要配备相应的控制器件、功率放大器件，增加了系统的复杂度，并且主动控制措施需要考虑实际运行环境的复杂性和控制算法可能导致的不稳定，受制于这些因素，主动控制装置均没有在船舶推进轴系上得到实际应用，基本停留在理论分析和实验室试验研究阶段。本专利技术重点解决以下问题：1)不同转速下桨－轴系－船体耦合系统的固有模态特性和响应幅值相差大，在经济航速(螺旋桨通常为70rpm)的情况下，实船上螺旋桨脉动压力在轴系上引起的动应变非常微小，其量值通常为0.1με左右，此时的主要问题是针对弱应变，如何通过电路设计提高广义机电耦合系数，增强阻尼；而在高航速下，由于激励力的变化，应变会显著增加，再加上压电片线性工作区域不是以0V为中心，此时的主要问题是避免大激励幅值下的电路饱和，以免运算放大器的输出电压失真；2)不同转速下，螺旋桨的静推力和轴承油膜刚度有较大变化，两者的共同作用使轴承刚度、桨－轴系－船体耦合系统的固有频率表现为随螺旋桨转速变化，振动控制方法需在不同转速下模态频率有一定漂移时也能做到有效控制。公开号为CN104590528A的专利公开了一种基于压电叠堆-液压微位移放大的船艇推进轴系纵向振动控制装置，该装置包括依次信号连接的轴向振动测量系统、推力脉动控制器、功率放大器和位移控制执行机构，位移控制执行机构包括：压电叠堆，用于接收功率放大器发出的电信号并产生相应的输出位移；液压微位移放大器，包括两端开口的液压放大腔，液压放大腔的两端分别密封配合有大小两个活塞，大活塞与压电叠堆的位移输出端相作用，小活塞通过滑阀阀芯与船艇推进轴系的止推轴承相作用。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种抗饱和负电容压电分流电路半被动振动控制装置和方法。根据本专利技术提供的一种抗饱和负电容压电分流电路半被动振动控制装置，包括：滑环供电装置定子1、滑环供电装置转子2和分流电路3；滑环供电装置转子2通过过盈配合固定在推进轴系的转轴上，与滑环供电装置定子1之间通过轴承连接；分流电路3连接在所述转轴上，随所述转轴共同旋转；其中，分流电路3包括：压电片、第一负电容、第二负电容、电感和电阻；所述压电片连接在所述转轴上，所述电阻、所述电感和所述第二负电容依次串联，并与所述压电片的固有电容串联，增强机电耦合系数，所述第一负电容与所述压电片的固有电容并联，抵消所述压电片的固有电容，同时，在压电片和分流电路之间再串联一个150V的偏置电压。优选地，所述第一负电容和所述第二负电容均采用运算放大器电路实现，所述第一负电容采用的运算放大器电路与第二负电容采用的运算放大器电路不同。优选地，所述负电容的运算放大器电路包括：所述第一负电容有两种实现方式，一种方式使用高压运算放大器，电路包括：高压运算放大器，连接在高压运算放大器输出端和反相输入端之间的并联的电容和电阻，连接在高压运算放大器输出端和同相输入端之间的电阻，连接在偏置电源和运算放大器同相输入端之间的电阻；结合双向瞬变抑制二极管、保护运算放大器的二极管、用于旁路电源的电容器等提高高电压运算放大器的稳健性。另一种方式使用普通运算放大器实现，实现负电容功能部分与上一种方式相似，为了满足抗饱和的需求，在运算放大器同相输入端和电容之间串联电压分压电路和高电压缓冲器，在运算放大器的输出端串联一个高电压功率放大器。所述第二负电容有两种实现方式，一种方式使用高压运算放大器，电路包括：高压运算放大器，连接在高压运算放大器输出端和同相输入端之间的电阻，连接在高压运算放大器输出端和反相输入端之间的电阻，连接在偏置电源和运算放大器反相输入端之间的电容和电阻；结合双向瞬变抑制二极管、保护运算放大器的二极管、用于旁路电源的电容器等提高高电压运算放大器的稳健性。另一种方式使用普通运算放大器实现，为了满足抗饱和的需求，在运算放大器同相输入端和电容之间串联电压分压电路和高电压缓冲器，在运算放大器的输出端串联一个高电压功率放大器。优选地，所述压电片工作在d31模式。优选地，所述压电片布置在所需控制模态的应变最大处，数量至少为20个，环绕所述转轴一圈。优选地，所述压电片通过双组份环氧树脂胶粘剂黏贴在所述转轴表面。根据本专利技术提供的一种抗饱和负电容压电分流电路半被动振动控制方法，采用上述的抗饱和负电容压电分流电路半被动振动控制装置对推进轴系纵向和横向振动控制。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：1)通过第一负电容、第二负电容增强机电耦合系数，该方法适合于推进轴系低转速弱应变和机电耦合系数小的场合；2)通过高电压运算放大器以及抗饱和的普通运算放大器电路，该方法适合于高转速大激励力的场合；3)在螺旋桨激励力纵向和横向耦合激励力作用下，压电片能同时测得轴向应变和弯曲应变，本方法可同时控制纵向和横向振动传递。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术的双负电容压电分流电路；图3为压电片应变与电场的滞后关系图；图4为偏置电压电路；图5为用特定的高压运算放大器实现的第一负电容电路；图6为用特定的高压运算放大器实现的第二负电容电路；图7为高电压运算放大器的保护电路；图8为用普通运算放大器实现的负电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种抗饱和负电容压电分流电路半被动振动控制装置，其特征在于，包括：滑环供电装置定子(1)、滑环供电装置转子(2)和压电分流电路(3)；/n滑环供电装置转子(2)通过过盈配合固定在推进轴系的转轴上，与滑环供电装置定子(1)之间通过轴承连接；/n压电分流电路(3)连接在所述转轴上，随所述转轴共同旋转；/n其中，压电分流电路(3)包括：压电片、第一负电容、第二负电容、电感和电阻；/n所述压电片连接在所述转轴上，所述电阻、所述电感和所述第二负电容依次串联，并与所述压电片的固有电容串联，增强机电耦合系数，所述第一负电容与所述压电片的固有电容并联，抵消所述压电片的固有电容，同时，在压电片和分流电路之间再串联一个150V的偏置电压。/n

【技术特征摘要】
1.一种抗饱和负电容压电分流电路半被动振动控制装置，其特征在于，包括：滑环供电装置定子(1)、滑环供电装置转子(2)和压电分流电路(3)；
滑环供电装置转子(2)通过过盈配合固定在推进轴系的转轴上，与滑环供电装置定子(1)之间通过轴承连接；
压电分流电路(3)连接在所述转轴上，随所述转轴共同旋转；
其中，压电分流电路(3)包括：压电片、第一负电容、第二负电容、电感和电阻；
所述压电片连接在所述转轴上，所述电阻、所述电感和所述第二负电容依次串联，并与所述压电片的固有电容串联，增强机电耦合系数，所述第一负电容与所述压电片的固有电容并联，抵消所述压电片的固有电容，同时，在压电片和分流电路之间再串联一个150V的偏置电压。


2.根据权利要求1所述的抗饱和负电容压电分流电路半被动振动控制装置，其特征在于，所述第一负电容和所述第二负电容均采用运算放大器电路实现，所述第一负电容采用的运算放大器电路与第二负电容采用的运算放大器电路不同。


3.根据权利要求2所述的抗饱和负电容压电分流电路半被动振动控制装置，其特征在于，所述第一负电容有两种实现方式，一种方式使用高压运算放大器，电路包括：高压运算放大器，连接在高压运算放大器输出端和反相输入端之间的并联的电容和电阻，连接在高压运算放大器输出端和同相输入端之间的电阻，连接在偏置电源和运算放大器同相输入端之间的电阻；结合双向瞬变抑制二极管、保护运算放大器的二极管、用于旁路电源的电容器等提高高电压运算放大器的稳健性。另一种方式使用普通运算放大器实现，实现负电容功能部分与上一种方式相似，为了...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄修长，郑智伟，苏智伟，华宏星，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31