Page 247 - 《振动工程学报》2025年第11期

第 11 期 何军峰，等：面向大型结构振动抑制的小型轻质低功耗压电半主动实时控制系统 2705

次最优控制器（linear quadratic regulator，LQR），利用 上可以通过控制 SSDEI 电路注能周期频率与电感参
压电纤维复合材料（marco fiber composite，MFC）作为 数实现所需控制力，进一步通过调节注能时间调控
执行器，在柔性梁上实现了良好的振动抑制效果。 作用力大小。鉴于 SSDEI 电路结构简单、能效高，
ZOU 等 [10] 构建了基于压电叠堆的智能多向隔振平 采用 STM32 微控制器作为主控平台，可以真正实现
台，采用弹性结构施加预应力，并通过优化控制增益， 控制系统的小型化与低功耗化。基于该思路，本文
使平台在 0~3000 Hz 范围内实现多方向有效隔振。 设计了一种基于 STM32/Simulink 注能时间自适应调
BENDINE 等 [11] 通过在 3D 打印的航空发动机叶片模 整的开关式压电分流支路抑振技术，该系统利用反
型中集成 MFC，并结合 PID 控制器，实现了对发动机 激式变压器产生非对称的控制电压，主要控制算法
叶片振动的显著抑制。 由 Simulink 搭建，且支持 Simulink 中控制算法的一键
基于压电材料的半主动控制方法最早由 RICHARD 编译下载以及硬件在环控制，并在大展弦比无人机
等 [12] 提出，其核心为同步开关阻尼（synchronized switch 机翼上验证了该方法的有效性和鲁棒性。

damping，SSD）电路，通过在位移达到极值时切换电
路状态，使压电元件电压反向，产生与结构位移方向 1 SSDEI 压 电 半 主 动 控 制 方 法
相反的抑制力以抑制振动。随后，学者们又提出多

种增强型电路形式，如串联电感的 SSDI（SSD based 1.1 SSDEI 工作原理
on inductor） 电 路 [13] ， 在 SSDI 回 路 中 串 联 电 压 源 的
外部激励输入的能量主要转化为结构动能、弹
SSDV（SSD based on voltage）电路 [14] 以及为了解决控
性势能、机械损耗及机电转换能。其中，机电转换
制力与激励力相匹配问题，用自适应的可调电压源
能指机械能转化为电能并通过电路耗散的能量分
代 替 恒 定 电 压 源的 SSDV en 电 路 [15] ， 这 些 电 路 利 用
h
量。提高机电转换能是增强振动抑制效果的关键途
LC 振荡以及外加电压源提升了压电材料的开路电
径，而增加压电元件的工作电压是提升机电转换能
压以达到最优控制效果。为了解决电路品质因子较
的最直接方法之一。SSDEI 技术通过反激式变压器
低的问题，JI 等 [16] 提出了基于负电容的 SSDNC(SSD
向压电元件注入能量，有效提高了其开路电压，进而
based on negative capacitor) 电路。
提升振动抑制效果。
为进一步覆盖压电材料非对称的工作电压区
SSDEI 的 核 心 电 路 结 构 如 图 1 所 示 ， 主 要 包 括
间，JI 等 [17-18] 提出了一种附加旁路电容的非对称同
4 个部分：传感 MFC、STM32 微控制器、串联压电元
步开关阻尼电路。张锦 [19] 在此基础上设计了非对称
件的 SSDI 开关阻尼电路以及带恒定电压源的注能
高压同步开关阻尼电路，但其高压源复杂、能效偏
电路。图中 V 为 MFC 产生的电压信号，L 0 为反激式
低。于是，基于 WU 等 [20-21] 提出的优化型同步+电荷 变压器的原边，L 1 与 L 2 为副边，D 1 与 D 2 为开关二极
提 取（ optimized synchronous electric charge extraction， 管，S 1 与 S 2 为控制开关阻尼电路中 MOS 管的开关信
OSECE） 电 路 ， 刘 轩 等 [22] 设 计 了 一 种 能 量 注 入 型 号，S 3 为控制注能电路中 MOS 管的脉冲信号。当结
SSD（SSD based on energy injection, SSDEI）电路，采用 构在一阶固有频率下振动时，传感 MFC 感知根部应
反激式变压器向回路注能，具有结构简单、抗干扰 变，产生与位移同相的电压信号。STM32 微控制器
能力强、能效高等优势。然而，这些电路均未实现 采集此信号并生成 S 1 、S 2 和 S 3 三个驱动信号分别控
一体化设计，控制系统仍依赖 dSPACE 或 Speedgoat 制三个 MOS 管通断。具体工作如下：在同步开关 Q 1
等平台，体积大、功耗高 [23] ，难以满足实际工程需 或 Q 2 导通前，Q 3 会提前导通一段时间，注能电路形
求。为此，部分学者尝试将控制系统与 STM32 微控 成回路，电压源 V D 的部分能量存储于反激式变压
C
制器结合，石博文 [24] 基于 STM32F407 构建高压 SSDV 器的初级绕组 L 0 中；当位移到达极值，同步开关闭
控制系统，并在 uC/OS-Ⅲ RTOS 的基础上重写了软件

系统。ZHANG 等 [25] 设计了基于 STM32G431 的并联 开关信号
高 压 电 压 源 的 同 步 开 关 阻 尼 电 路 。 裴 万 鹏 等 [26] D 1 D 2 Q 3
传感 驱动
开发了一套基于 STM32F103C8T6 最小系统板的注 MFC STM32 MFC S 3
微控制器 L 2 L 1 L 0 V DC
能取能双向控制电路，然而这些方案在实现自适应
V
V
Q 1 Q 2
控制方面仍存在不足，算法部署流程繁琐，尚未完全
S 1 S 2
突破小型化与低功耗瓶颈。
在大型轻质挠性结构的振动抑制中，为了最大 开关信号

化利用 MFC 的有效工作电压范围，提升抑振效果， 图 1 SSDEI 小型化系统电路示意图
电压应在−500~1500 V 之间进行非对称翻转，在理论 Fig. 1 Circuit schematic of the miniaturized SSDEI system