CN111383622A - 板状部件的制振装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种包括压电元件致动器、压电元件传感器及控制电路的板状部件的制振装置,其目的在于能够在振动频率为规定值以上的区域中防止振动放大、增大反馈增益,实现振动抑制及与之相伴的噪音降低。板状部件(11)的制振装置包括:压电元件致动器(14);压电元件传感器(15);控制电路(17),其基于压电元件传感器的输出电压对压电元件致动器的动作进行反馈控制,以抑制板状部件的振动。控制电路具有在板状部件的振动频率为规定值以上的区域中减小向压电元件致动器输入的输入电压的高频增益的低通滤波器(24),因此能够抑制该频率区域中的振动的放大。由此能够通过在控制对象频率中增大反馈增益来抑制振动并改善与之相伴的噪音。
Description
技术领域
本发明涉及板状部件的制振装置,包括:在板状部件的表面配置的压电元件致动器及压电元件传感器;以及控制电路,其基于所述压电元件传感器的输出电压对所述压电元件致动器的动作进行反馈控制,以抑制所述板状部件的振动。
背景技术
根据下述专利文献1已知下述技术:在汽车的悬架装置的减震器的周壁面固定压电元件传感器(检测用压电元件)和压电元件致动器(制振用压电元件),压电元件传感器检测自身的与减震器的振动相伴的变形作为电压信号,由放大电路将该电压信号放大并驱动压电元件致动器,从而使减震器伸缩以抑制前述振动。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2014-206257号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而,在板状部件的表面固定压电元件致动器及压电元件传感器,基于检测对应于板状部件的膜面振动而在板的表面产生的应变的压电元件传感器输出的电压信号,从电路反馈向压电元件致动器的输入,能够抑制板状部件的振动,改善与之相伴的噪音。
为了使压电元件致动器发挥制振效果,需要将反馈增益设定为大于0dB,但如具体实施方式部分详细说明,若为了进一步获得大的制振量而将反馈增益设定为大于0dB,则存在在压电元件传感器的输出电压的相位滞后超过180゜的频率区域中振动被放大并产生噪声的问题。
本发明是鉴于前述情况提出的,其目的在于,在包括压电元件致动器、压电元件传感器及控制电路并板状部件的制振装置中,能够在振动频率为规定值以上的区域中防止振动放大,并能够增大反馈增益,实现振动抑制及与之相伴的噪音降低。
用于解决课题的方案
为了达成上述目的,技术方案1记载的发明提出一种板状部件的制振装置,其包括:在板状部件的表面配置的压电元件致动器及压电元件传感器;以及控制电路,其基于所述压电元件传感器的输出电压对所述压电元件致动器的动作进行反馈控制,以抑制所述板状部件的振动,所述板状部件的制振装置的特征在于,所述控制电路包括低通滤波器,该低通滤波器在所述板状部件的振动频率为规定值以上的区域中,减小向所述压电元件致动器输入的输入电压的高频增益。
另外,技术方案2记载的发明提出一种板状部件的制振装置,在技术方案1的构成的基础上,其特征在于,所述压电元件致动器构成所述低通滤波器的至少一部分。
另外,技术方案3记载的发明提出一种板状部件的制振装置,在技术方案2的构成的基础上,其特征在于,所述低通滤波器由在所述控制电路内将要与所述压电元件致动器连接前配置的电阻和该压电元件致动器构成。
另外,根据技术方案4记载的发明提出一种板状部件的制振装置,在技术方案3的构成的基础上,其特征在于,所述电阻及所述压电元件致动器串联或并联连接。
发明效果
根据技术方案1的构成,板状部件的制振装置包括:在板状部件的表面配置的压电元件致动器及压电元件传感器;以及控制电路,其基于压电元件传感器的输出电压对压电元件致动器的动作进行反馈控制,以抑制板状部件的振动,因此能够抑制板状部件的振动并改善与之相伴的噪音。
控制电路包括减小向压电元件致动器输入的输入电压的高频增益的低通滤波器,因此能够在振动频率为规定值以上的区域中防止振动放大,能够增大反馈增益,实现振动抑制及与之相伴的噪音降低。
另外,根据技术方案2的构成,由于压电元件致动器发挥低通滤波器内的电容分量的作用,因此与另行设置构成低通滤波器的电容器的情况相比,能够减少部件数量,实现小型轻量化及成本削减。
另外,根据技术方案3的构成,低通滤波器由在控制电路内将要与压电元件致动器连接前配置的电阻和该压电元件致动器,因此能够由电阻和压电元件致动器构成低通滤波器。
另外,根据技术方案4的构成,电阻及压电元件致动器串联或并联连接,因此在将电阻及压电元件致动器串联连接的情况下,能够使电容器的电容减小以增大电阻值,在将电阻及压电元件致动器并联连接的情况下,能够使电容器的电容增加以减小电阻值,由此,电阻值的设定自由度增加。
附图说明
图1是示出具有传感器和致动器的板状部件的图。
图2是示出制振装置的整体构成的图。
图3是制振装置的控制框线图。
图4是制振装置的控制***的开环传递函数的波特图。
图5是制振装置的电路图。
附图标记说明
11 板状部件
14 压电元件致动器
15 压电元件传感器
17 控制电路
22 电阻
24 低通滤波器
具体实施方式
以下,基于图1~图5说明本发明的实施方式。
如图1及图2所示,应用本发明的制振装置的板状部件11由碳纤维增强树脂制的矩形状面板构成,借助与金属制框架相比弹性模量足够低的弹性材料支承板状部件11的外周部的金属制的框架12与励振装置13连接,被以多种频率励振。对在励振装置13的作用下振动的板状部件11进行制振的制振装置包括:两个矩形薄板状的压电元件致动器14;一个矩形薄板状的压电元件传感器15;电源16;以及控制电路17,其基于压电元件传感器15的输出来控制压电元件致动器14的动作。
如图5所示,在压电元件传感器15及压电元件致动器14之间配置的控制电路17包括:由运算放大器构成的放大器18;由并联连接的电容器19及电阻20构成的高通滤波器21;以及由串联连接的电阻22及电容器23构成的低通滤波器24。能够作为电容器发挥作用的压电元件致动器14兼用作低通滤波器24的电容器23。
在将板状部件11配置为例如水平状态的情况下,一个压电元件传感器15通过粘接而固定在板状部件11的一个表面(例如上表面)的中央部,两个压电元件致动器14以从两侧夹着一个压电元件传感器15的方式,通过粘接固定在板状部件11的上表面。
压电元件传感器15固定于在励振装置13的作用下在上下方向上膜面振动的板状部件11的上表面,因此在板状部件11以向上方鼓凸的方式弯曲时,压电元件传感器15被拉伸而输出负电压,反之,在板状部件11向下方向鼓凸而弯曲时,压电元件传感器15被压缩而输出正电压。
压电元件致动器14固定在板状部件11的上表面,因此在板状部件11以向上方鼓凸的方式弯曲了时,若对压电元件致动器14施加正电压以使其在面内方向上收缩,则产生抑制板状部件11的上述弯曲的制振力,反之,在板状部件11以向下方鼓凸的方式弯曲了时,若对压电元件致动器14施加负电压以使其在面内方向上伸长,则产生抑制板状部件11的上述弯曲的制振力。
因此,控制电路17对压电元件致动器14的伸缩进行反馈控制,从而能够以检测由板的弯曲振动引起的板表面的应变的压电元件传感器15检测到的板状部件11的应变收敛为零的方式,对板状部件11的振动进行制振。
特别是在板状部件11大幅度振动的一阶共振模式或三阶共振模式下,板状部件11的中央部成为振动的波腹而振幅最大,通过将压电元件传感器15配置在该位置,从而能够可靠地检测板状部件11的应变,能够有效对由于共振而放大了的振动进行制振。
在图3所示的控制***的框线图中,P(s)[V/V]是压电元件传感器15输出的电压相对于施加于压电元件致动器14的电压的传递函数(FRF),C(s)[V/V]是向压电元件致动器14输入的电压相对于压电元件传感器15输出的电压的传递函数,SA(s)[V/m/s2]是由励振装置13励振时的传感器电压/加速度传递函数,AS(s)[m/s2/V]是由压电元件致动器14励振时的加速度/传感器电压传递函数。
表示压电元件传感器/压电元件致动器(SNS/ACT)传递函数的P(s)由压电元件致动器14及压电元件传感器15的尺寸、形状、作为位置关系的布局决定。控制电路17的传递函数C(s)规定控制电路17的放大量。SA(s)及AS(s)大致成倒数关系,因此决定控制***的制振性能的开环传递函数由[C(s)×P(s)]表示。
图4是开环传递函数[C(s)×P(s)]的波特图,图4的(A)是针对板状部件11的振动频率的增益线图,图4的(B)是针对板状部件11的振动频率的相位线图。虚线表示特性P(s),点划线表示控制电路17的放大装置18放大后的特性,实线示出100Hz以下频率区域的振荡抑制和通过控制电路17进行了放大及高频振荡抑制后的特性。
根据后述的高通滤波器的效果,在100Hz以下的频率区域中,如点划线所示发生增益下降和相位提前。
为了使压电元件致动器14发挥有效的制振功能,需要增益大于0dB且相位偏移位于-90°~90゜的区域,但由于如虚线所示的放大前的特性为增益小于0dB,因此需要利用控制电路17的放大器18使增益从0dB大幅度增加而成为点划线的状态。但是,在为了减小振动而使反馈增益增大且增益变为大于0dB的情况下,在振动频率为100Hz以下的频率区域中,相位偏移远超出-90°~90゜的区域而超过180°,在该频率区域中振动被放大并产生噪声。
相位偏移超过180°的理由如下。压电元件传感器15的输出中由于温度变化、静态变形的影响而无法避免地包含直流成分,若将压电元件传感器15的输出的振动成分在包含直流成分的状态下放大则达到放大器18的放大极限,因此需要使用高通滤波器21去除直流成分。但是,若使用高通滤波器21,则不仅增益下降而且相位提前,因此若使用两个以上高通滤波器21,则相位偏移超过180°。
另外,由于压电元件致动器14与压电元件传感器15隔开规定的距离配置,因此无法避免直到压电元件致动器14中产生的应变传递到压电元件传感器15而被检测产生恒定的时间延迟。在低频区域中,由于振动周期长,因此前述时间延迟对相位的影响较小,但在高频区域中,由于振动周期短,因此前述时间延迟对相位的影响较大,在1000Hz以上的高频区域中,相位偏移远超出-90°~90゜的区域而超过-180°,在该高频区域中存在振动被放大并产生噪声的问题。
为了减小压电元件致动器14与压电元件传感器15的距离,只要将压电元件致动器14及压电元件传感器15以相互重叠的方式配置即可,但若采用这种方式,则压电元件传感器15优先检测由压电元件致动器14引起的板状部件11的应变,很难检测由外部干扰引起的板状部件11的应变,因此出现制振性能降低的问题。
本发明利用控制电路17的低通滤波器24解决上述极低频区域及高频区域中的振荡现象中的高频区域中的振荡现象。
即,在图4的波特图中,由于压电元件致动器14与压电元件传感器15隔开规定的距离配置,因此存在在高频区域中相位滞后超过-180゜而振动放大的问题,但利用控制电路17的低通滤波器24减小至低于高频率增益0dB。其结果,通过抑制高频区域的振动放大,从而能够增大反馈增益,能够抑制振动并改善与之相伴的噪音。
而且,由于将用于对板状部件11进行制振的压电元件致动器14作为低通滤波器24的电容器23使用,因此与另行设置电容器的情况相比,能够减少制振装置的部件数量,实现小型轻量化及成本削减。
以上对本发明的实施方式进行了说明,但本发明能够在不脱离其要旨的范围内进行多种设计变更。
例如,在实施方式中,在板状部件11的同侧表面上固定有压电元件致动器14及压电元件传感器15,但也可以将压电元件致动器14固定在板状部件11的一个表面并将压电元件传感器15固定在板状部件11的另一个表面。需要说明的是,压电元件传感器15的输出电压的极性根据将其固定于哪一侧的表面而变化,因此在控制电路17中需要对应于固定压电元件传感器15的表面来处理压电元件传感器15的输出电压的极性。
另外,在实施方式中将电阻22及电容器23(压电元件致动器14)串联连接,但也可以将二者并联连接。低通滤波器24的截止频率由1/2πRC(电阻值与静电电容的乘积)表示,因此在电容器23(压电元件致动器14)的电容确定的情况下,需要以电阻值来调节截止频率。在该情况下,在电阻值极低的情况下需要设为具有温度稳定性的电阻而成本增加,而在极高的情况下同样成本增加。从成本降低的角度出发,能够通过将压电元件致动器14从并联变更为串联来使电容器电容减小,因此能够增大电阻值,另外,通过将压电元件致动器14从串联设为并联来使电容器电容增加,因此能够减小电阻值,从而电阻值的设定自由度增加。
另外,压电元件致动器11的数量及压电元件传感器15的数量不限定于实施方式,其数量是任意的。
另外,板状部件11的材质不限定于实施方式的碳纤维增强树脂板,也可以是其他种类的纤维增强树脂板、钢板或铝板等任意的金属板。
另外,在实施方式中将压电元件致动器14及压电元件传感器15通过粘接固定于板状部件11,但也可以以除了粘接以外的方法固定,或以拆装自如的方式安装。
Claims (4)
1.一种板状部件的制振装置,其包括:
压电元件致动器(14)及压电元件传感器(15),其配置在板状部件(11)的表面;以及控制电路(17),其基于所述压电元件传感器(15)的输出电压对所述压电元件致动器(14)的动作进行反馈控制,以抑制所述板状部件(11)的振动,
所述板状部件的制振装置的特征在于,
所述控制电路(17)包括低通滤波器(24),该低通滤波器(24)在所述板状部件(11)的振动频率为规定值以上的区域中,去除向所述压电元件致动器(14)输入的输入电压的高频成分。
2.根据权利要求1所述的板状部件的制振装置,其特征在于,
所述压电元件致动器(14)构成所述低通滤波器(24)的至少一部分。
3.根据权利要求2所述的板状部件的制振装置,其特征在于,
所述低通滤波器(24)由在所述控制电路(17)内将要与所述压电元件致动器(14)连接前配置的电阻(22)和该压电元件致动器(14)构成。
4.根据权利要求3所述的板状部件的制振装置,其特征在于,
所述电阻(22)与所述压电元件致动器(14)串联或并联连接。
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