阅读说明：本技术 基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统及其控制方法 (Piezoelectric self-powered electromagnetic negative stiffness vibration isolation system and control method thereof ) 是由 罗均 何文元 蒲华燕 王敏 孙翊 段超群 张顺琦 彭艳 谢少荣 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统及其控制方法,涉及振动抑制技术领域,包括底座、圆筒、电磁负刚度组件、固定座、压电能量俘获组件、负载平台和电路系统,电磁负刚度组件的下端与底座连接,电磁负刚度组件的上端由固定座上表面伸出,压电能量俘获组件固定于电磁负刚度组件的上端,负载平台设置于压电能量俘获组件的上端；压电能量俘获组件与整流电路的输入端相连,控制电路的输出端与电磁负刚度组件相连,充电电池用于向整流电路、DC-DC电压转换电路、储能电路和控制电路供电。该系统可有效地降低系统的固有频率,不仅对高频振动干扰具有好的隔振效果,还能够有效隔离地基与环境的低频振动,具有自采电、储电及供电特性。(The invention discloses an electromagnetic negative stiffness vibration isolation system based on piezoelectric self-power supply and a control method thereof, and relates to the technical field of vibration suppression, and the system comprises a base, a cylinder, an electromagnetic negative stiffness component, a fixed seat, a piezoelectric energy capturing component, a load platform and a circuit system, wherein the lower end of the electromagnetic negative stiffness component is connected with the base, the upper end of the electromagnetic negative stiffness component extends out of the upper surface of the fixed seat, the piezoelectric energy capturing component is fixed at the upper end of the electromagnetic negative stiffness component, and the load platform is arranged at the upper end of the piezoelectric energy capturing component; the piezoelectric energy capturing component is connected with the input end of the rectifying circuit, the output end of the control circuit is connected with the electromagnetic negative stiffness component, and the rechargeable battery is used for supplying power to the rectifying circuit, the DC-DC voltage conversion circuit, the energy storage circuit and the control circuit. The system can effectively reduce the natural frequency of the system, has a good vibration isolation effect on high-frequency vibration interference, can effectively isolate the low-frequency vibration of the foundation and the environment, and has the characteristics of self-power collection, power storage and power supply.)

基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及振动抑制技术领域，特别是涉及一种基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统及其控制方法。

背景技术

随着精密工程技术的不断发展，在精密加工、精密测量及空间微重力等研究领域，对隔离外界宽频带环境振动提出了越来越严格的要求。传统的隔振系统主要采用参数固定的弹簧和阻尼器结构来完成对被控对象的减振，具有结构简单、工作可靠、不依赖电源等特点。在一般的工业场合可以达到生产要求，但是对隔离低频和超低频振动的效果并不理想。尤其随着现代工业中加工和测量精度的不断提高，隔振对象又兼具大载荷及结构复杂等特点，开发具有大承载及高隔振带宽的新型减振器显得迫在眉睫。

传统的隔振装置只有当扰动频率大于隔振装置共振频率的

倍时才能有效的抑制振动。因此为了提高隔振器的隔振性能，扩大隔振器工作频带范围，就必须降低隔振装置的共振频率。一般通过降低隔振装置的系统刚度或增加系统质量来实现共振频率的降低。但是，降低系统刚度会使得系统静变形增大，增加系统质量易受空间环境限制，因此可采用负刚度机构与正刚度并联连接实现共振频率降低，从而提高隔振装置的工作频带范围。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统及其控制方法，可有效地降低系统的固有频率，不仅对高频振动干扰具有好的隔振效果，还能够有效隔离地基与环境的低频振动，采用自供电闭环振动主动控制，具有自采电、储电及供电特性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统，包括底座、圆筒、电磁负刚度组件、固定座、压电能量俘获组件、负载平台和电路系统，所述圆筒设置于所述底座上端，所述固定座设置于所述圆筒上端，所述电磁负刚度组件设置于所述圆筒和所述固定座内，且所述电磁负刚度组件的下端与所述底座连接，所述电磁负刚度组件的上端由所述固定座上表面伸出，所述压电能量俘获组件固定于所述电磁负刚度组件的上端，所述负载平台设置于所述压电能量俘获组件的上端；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，所述压电能量俘获组件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，所述控制电路的输出端与所述电磁负刚度组件相连，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，所述压电能量俘获组件包括压电片、弯曲柔性梁和柔性梁固定机构，所述弯曲柔性梁嵌入所述柔性梁固定机构内，所述压电片固定于所述弯曲柔性梁的表面，所述柔性梁固定机构上端与所述负载平台固定连接，所述柔性梁固定机构下端与所述电磁负刚度组件固定连接，所述压电片通过第一外部接口与所述整流电路的输入端相连。

优选地，所述电磁负刚度组件包括中心轴、第一直线轴承、第二直线轴承、第一螺旋弹簧、第二螺旋弹簧、轴固定环、调节杆和负刚度部件，所述中心轴外依次套设由所述第一直线轴承、所述第一螺旋弹簧、所述轴固定环和所述负刚度部件，所述第一直线轴承安装于所述固定座内，所述第二直线轴承安装于所述底座内，所述第一螺旋弹簧顶端与所述第一直线轴承固定，所述第一螺旋弹簧底端与所述轴固定环固定，所述中心轴的下端螺纹连接有所述调节杆，所述调节杆套设于所述第二直线轴承内，所述第二螺旋弹簧套设于所述调节杆外，所述第二螺旋弹簧顶端与所述调节杆固定，所述第二螺旋弹簧底端与所述底座固定，所述负刚度部件通过第二外部接口与所述控制电路的输出端相连。

优选地，所述负刚度部件包括两个环形磁铁和两个电磁线圈，两个所述环形磁铁固定套设于所述中心轴上，且两个所述环形磁铁设置于所述轴固定环和所述调节杆之间，两个所述环形磁铁的磁极反向布置安装；所述圆筒内侧壁的上部设置有线圈安装槽，两个所述电磁线圈设置于所述线圈安装槽内，一个所述电磁线圈与一个所述环形磁铁位置相对应，所述固定座的下端设置有第一环形凸台，所述第一环形凸台与所述线圈安装槽结构相匹配，且所述第一环形凸台的下表面与位于上部的所述电磁线圈相接触，两个所述电磁线圈均通过第二外部接口与所述控制电路的输出端相连，两个所述电磁线圈的电流方向相反。

优选地，所述电磁负刚度组件还包括平垫圈、弹簧垫圈和固定螺母，所述中心轴上设置有轴肩，所述轴肩设置于所述轴固定环的下方，位于上部的所述环形磁铁上端与所述轴肩相接触，位于下部的所述环形磁铁的下端依次设置有套设于所述中心轴上的所述平垫圈、所述弹簧垫圈和所述固定螺母。

优选地，所述圆筒的下表面设置有环形凹槽，所述底座的上表面设置有第二环形凸台，所述第二环形凸台与所述环形凹槽结构相匹配，所述圆筒和所述底座通过螺栓固定连接。

优选地，所述圆筒的侧面设置有多个槽口，多个所述槽口沿周向均匀分布。

优选地，还包括十字形的连接短轴，所述连接短轴设置于所述柔性梁固定机构的上端，通过设置于所述连接短轴下端的第一螺母实现所述连接短轴与所述柔性梁固定机构的固定，所述连接短轴的上端与所述负载平台螺纹连接。

本发明还提供一种基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统的控制方法，包括以下步骤：当外部激励作用于负载平台时，所述压电能量俘获组件将机械能转化为电能，当产生的电压达到临界值时，所述电路系统开始工作，产生的电能通过所述整流电路将交流电转化为直流电，所述DC-DC电压转换电路通过电压转换实现与后续电路的电压匹配，所述储能电路完成能量的存储，完成存储后，所述控制电路通过开关控制律将存储的能量作用于所述电磁负刚度组件，使得系统具有负刚度特性，从而实现隔振，所述充电电池能够获取部分转换能量并为所述整流电路、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。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统，包括底座、圆筒、电磁负刚度组件、固定座、压电能量俘获组件、负载平台和电路系统，压电能量俘获组件能够将自身振动能量转化成电能，通过电路系统反作用于电磁负刚度组件，整个环路无需外部能量，具有自供电特性，根据振动强弱，系统能够产生并收集不同大小的电能，使得电磁负刚度组件具有变刚度特性，具有一定的自适应性。同时，本发明的电磁负刚度隔振系统及其控制方法能够达到良好的振动衰减效果，通过将电磁负刚度组件与正刚度弹簧并联可有效地减小系统的固有频率，极大地降低共振峰值，不仅对高频振动干扰具有好的隔振效果，还能够有效隔离地基与环境的低频振动。

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为本发明提供的基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统的立体结构示意图；

图2为本发明提供的基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统另一角度的立体结构示意图；

图3为本发明提供的基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统的正视图；

图4为本发明提供的基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统的俯视图；

图5为本发明中电磁负刚度组件的立体结构示意图；

图6为本发明中电磁负刚度组件另一角度的立体结构示意图；

图7为本发明中电磁负刚度组件的剖视图；

图8为本发明提供的基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统的工作原理图；

图9为原始机构的原理示意图；

图10为被动隔振机构的原理示意图；

图11为本发明提供的基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统的原理示意图；

图12为图9-11中三种情况下的传递率曲线对比图。

附图标记说明：1、底座；2、第一直线轴承；3、圆筒；4、第二螺旋弹簧；5、调节杆；6、第一电磁线圈；7、第二电磁线圈；8、固定座；9、第二直线轴承；10、柔性梁固定机构；11、弯曲柔性梁；12、负载平台；13、连接短轴；14、第一螺母；15、第二螺母；16、中心轴；17、第一螺旋弹簧；18、轴固定环；19、第一环形磁铁；20、第二环形磁铁；21、平垫圈；22、弹簧垫圈；23、固定螺母；24、第一外部接口；25、整流电路；26、DC-DC电压转换电路；27、储能电路；28、控制电路；29、第二外部接口；30、充电电池。

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基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统及其控制方法，可有效地降低系统的固有频率，不仅对高频振动干扰具有好的隔振效果，还能够有效隔离地基与环境的低频振动，采用自供电闭环振动主动控制，具有自采电、储电及供电特性。

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1-8所示，本实施例提供一种基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统，包括底座1、圆筒3、电磁负刚度组件、固定座8、压电能量俘获组件、负载平台12和电路系统，圆筒3设置于底座1上端，固定座8设置于圆筒3上端，电磁负刚度组件设置于圆筒3和固定座8内，且电磁负刚度组件的下端与底座1连接，电磁负刚度组件的上端由固定座8上表面伸出，压电能量俘获组件固定于电磁负刚度组件的上端，负载平台12设置于压电能量俘获组件的上端；电路系统包括整流电路25、DC-DC电压转换电路26、储能电路27、控制电路28和充电电池30，压电能量俘获组件与整流电路25的输入端相连，整流电路25的输出端与DC-DC电压转换电路26的输入端相连，DC-DC电压转换电路26的输出端与储能电路27及充电电池30的输入端相连，储能电路27的输出端与控制电路28的输入端相连，控制电路28的输出端与电磁负刚度组件相连，充电电池30用于向整流电路25、DC-DC电压转换电路26、储能电路27和控制电路28供电，具体地，电路系统的所有模块均集成于一块电路板中，电路系统设计简单合理，适用于自供电类型的隔振系统，其作用是将系统内部产生的能量收集并储存，并反作用于系统本身，起到隔振的目的。

当外部激励作用于负载平台12时，压电能量俘获组件将机械能转化为电能，当产生的电压达到临界值时，电路系统开始工作，产生的电能通过整流电路25将交流电转化为直流电，DC-DC电压转换电路26通过电压转换实现与后续电路的电压匹配，储能电路27完成能量的存储，完成存储后，控制电路28通过开关控制律将存储的能量作用于电磁负刚度组件，使得系统具有负刚度特性，从而实现隔振，充电电池30能够获取部分转换能量并为整流电路25、DC-DC电压转换电路26、储能电路27和控制电路28供电。本实施例中采用的是自供电闭环振动主动控制，具有自采电、储电及供电特性，整个环路无需外部能量，根据振动强弱，系统能够产生并收集不同大小的电能，使得电磁负刚度组件具有变刚度特性，具有一定的自适应性。同时，本发明的电磁负刚度隔振系统及其控制方法能够达到良好的振动衰减效果，通过将电磁负刚度组件与正刚度弹簧并联可有效地减小系统的固有频率，极大地降低共振峰值，不仅对高频振动干扰具有好的隔振效果，还能够有效隔离地基与环境的低频振动。

压电能量俘获组件包括压电片、弯曲柔性梁11和柔性梁固定机构10，弯曲柔性梁11嵌入柔性梁固定机构10内，压电片固定于弯曲柔性梁11的表面，柔性梁固定机构10上端与负载平台12固定连接，柔性梁固定机构10下端与电磁负刚度组件固定连接，压电片通过第一外部接口24与整流电路25的输入端相连。当系统发生振动时，柔性梁固定机构10带动弯曲柔性梁11振动，贴于柔性梁表面的压电片发生形变，内部产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，通过电路系统将产生的电能收集起来。通过压电片的正压电效应，将系统的机械能转化为电能，一是用于系统本身，实现负刚度特性，达到减振的目的；二是多余的电能可通过电路模块进行储存，实现能量的收集。

电磁负刚度组件包括中心轴16、第一直线轴承2、第二直线轴承9、第一螺旋弹簧17、第二螺旋弹簧4、轴固定环18、调节杆5和负刚度部件，中心轴16外依次套设由第一直线轴承2、第一螺旋弹簧17、轴固定环18和负刚度部件，第一直线轴承2安装于固定座8内，第二直线轴承9安装于底座1内，第一螺旋弹簧17顶端与第一直线轴承2固定，第一螺旋弹簧17底端与轴固定环18固定，中心轴16的下端螺纹连接有调节杆5，调节杆5套设于第二直线轴承9内，第二螺旋弹簧4套设于调节杆5外，第二螺旋弹簧4顶端与调节杆5固定，第二螺旋弹簧4底端与底座1固定，负刚度部件通过第二外部接口29与控制电路28的输出端相连。圆筒3内部上下两端装有第一螺旋弹簧17和第二螺旋弹簧4这两个正刚度弹簧，保证系统具有一定的承载力，使得在静止时，系统具有高的静态刚度，有很大的承载能力；在振动时，电磁线圈与环形磁铁之间产生负刚度，整个系统具有低的动态刚度特性，由此提供一种具有高静态刚度和低动态刚度的非线性隔振系统，能够同时满足高承载能力和低固有频率这两方面的技术要求。

负刚度部件包括两个环形磁铁和两个电磁线圈，两个环形磁铁固定套设于中心轴16上，且两个环形磁铁设置于轴固定环18和调节杆5之间，两个环形磁铁的磁极反向布置安装，具体地，位于上部的环形磁铁为第一环形磁铁19，位于下部的环形磁铁为第二环形磁铁20，位于上部的电磁线圈为第一电磁线圈6，位于下部的电磁线圈为第二电磁线圈7。圆筒3内侧壁的上部设置有线圈安装槽，两个电磁线圈设置于线圈安装槽内，一个电磁线圈与一个环形磁铁位置相对应且同轴心设置，固定座8的下端设置有第一环形凸台，第一环形凸台与线圈安装槽结构相匹配，且第一环形凸台的下表面与位于上部的电磁线圈相接触，一方面，第一环形凸台能够防止两个电磁线圈沿竖直方向的相对运动，另一方面，能够保证固定座8与圆筒3的同轴心度；两个电磁线圈均通过第二外部接口29与控制电路28的输出端相连，两个电磁线圈的电流方向相反。电磁线圈和环形磁铁平行布置，两组环形磁铁磁化方向相反，两组电磁线圈通入电流方向相反，每组电磁线圈产生的磁场均与对应的环形磁铁磁场方向相反。当电路系统收集的电能分别通入两组电磁线圈时，根据电磁感应定律，产生的磁场与环形磁铁作用，产生负刚度行为，电磁线圈和环形磁铁的这种配置方法产生的负刚度值更大、位移范围更小。电磁负刚度组件的负刚度大小由电磁线圈输入电流的大小决定，用于匹配与之并联的正刚度弹簧的刚度，从而调整隔振系统的刚度大小，电流的大小由压电片变形程度决定，即由振动的强弱决定。

本实施例中通过采用上下设置的第一直线轴承2和第二直线轴承9实现中心轴16及环形磁铁的导向，约束在其他方向上的运动，使其自由度数为1。通过在环形磁铁下端设置与中心轴16螺纹连接的调节杆5，进而能够调节环形磁铁与电磁线圈的平衡位置，即使得两个电磁线圈之间的截面与两个环形磁铁之间的截面重合，表示系统处于正常的工作状态。

电磁负刚度组件还包括平垫圈21、弹簧垫圈22和固定螺母23，中心轴16上设置有轴肩，轴肩设置于轴固定环18的下方，第一环形磁铁19上端与轴肩相接触，第二环形磁铁20的下端依次设置有套设于中心轴16上的平垫圈21、弹簧垫圈22和固定螺母23对其进行固定防松。

圆筒3的下表面设置有环形凹槽，底座1的上表面设置有第二环形凸台，第二环形凸台与环形凹槽结构相匹配，利于底座1与圆筒3的相互定位配合，进而保证底座1与圆筒3同轴心，圆筒3和底座1通过螺栓固定连接。

为了便于观测内部安装情况，圆筒3的侧面设置有多个槽口，多个槽口沿周向均匀分布。具体地，本实施例中槽口设置为三个，三个槽口沿圆周间隔120°均匀分布。

本实施例中还包括十字形的连接短轴13，连接短轴13设置于柔性梁固定机构10的上端，通过设置于连接短轴13下端的第一螺母14实现连接短轴13与柔性梁固定机构10的固定，连接短轴13的上端与负载平台12螺纹连接。柔性梁固定机构10的下端通过第二螺母15与中心轴16固定连接。

本实施例还提供一种基于压电自供电的电磁负刚度隔振系统的控制方法，包括以下步骤：当外部激励作用于负载平台12时，柔性梁固定机构10受压变形，压电片及弯曲柔性梁11发生变形，当压电片变形达到一定程度，即产生的电压达到某一临界值时，电路系统开始工作。通过压电片的正压电效应，产生的电能通过整流电路25将交流电转化为直流电，DC-DC电压转换电路26通过电压转换实现与后续电路的电压匹配，储能电路27进行能量的存储，控制电路28通过开关控制律将收集的电能作用于第一电磁线圈6和第二电磁线圈7，其中第二电磁线圈7的电流绕向为顺时针，第一电磁线圈6的电流绕向为逆时针，通过电磁感应定律，第一电磁线圈6和第二电磁线圈7产生相反方向的磁场，与内部磁极相反安装的第一环形磁铁19和第二环形磁铁20的磁场相互作用，产生磁负刚度，用于系统的振动控制。充电电池30在整个过程中主要作用为获取部分转换能量为电路系统中的低功耗逻辑电路供电。

以下对本发明中的隔振机构、被动隔振机构和原始机构的隔振原理进行对比：

如图9所示，原始机构通过传统的弹簧-质量-阻尼单元构成，实现简单的被动隔振，其传递率曲线函数G：

式中，x₁为负载平台的振动位移量，x₂是基础平台的振动位移量，c是系统的等效阻尼，k是系统的等效刚度，m是负载平台的质量，s＝jω为拉氏变换的复变量，ω为频域系数。

如图10所示，在原始机构基础上，串联一个被动弹性元件(本实施例中采用金属弹簧)形成被动隔振机构，对应的传递率曲线函数G₀：

式中，x′₁为原始机构串联弹性元件后负载平台的振动位移量，x′₂是基础平台的振动位移量，c是系统的等效阻尼，k'是此系统的等效刚度，k₁为原系统的等效刚度，k₂为串联添加的弹簧刚度。

如图11所示，本发明在被动隔振机构的基础上，并联添加一个电磁负刚度组件，构成主动隔振机构，其传递率曲线函数G₁：

式中，x″₁为本发明隔振机构中负载平台的振动位移量，x″₂是基础平台的振动位移量，c是系统的等效阻尼，k'是系统的正刚度，k_α为系统的电磁弹簧负刚度。

图12为图9-11中三种情况下的传递率曲线图。从图中实线可以看出采用原始机构隔振时，其传递率在共振峰处有较高的峰值，且系统的固有频率较高。从图中点画线可以看出，采用被动隔振机构后，由于串联一个附加的刚度弹簧，系统的刚度得到进一步下降，阻尼也得到进一步提升。从图中虚线可以看出，在采用本发明结构的基础上，配合主动控制方法，系统的阻尼效应进一步增强，从系统的传递率曲线可以看出，固有频率进一步减小，系统的共振峰值得到明显的改善，本发明使得系统振动抑制能力得到了进一步性能的提升。

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。