基于振動(dòng)能量回收的自供電MR阻尼器集成與試驗(yàn)研究

汪志昊，陳政清

(1.華北水利水電學(xué)院土木與交通學(xué)院，鄭州 450011;2.湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心，長(zhǎng)沙 410082)

所謂能量回收，就是將一些常常直接消耗或廢棄的能量通過(guò)某種方式轉(zhuǎn)化為有用的能量。目前，這些研究主要集中在航天、機(jī)械與微電子領(lǐng)域，其振動(dòng)特點(diǎn)是高頻、微幅，可回收能量的功率在微瓦級(jí)，能量回收裝置主要以壓電材料為載體［1］。土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)也是一種能量，且從理論上講，還是一種很大的能量。通過(guò)回收振動(dòng)能量，有望解決結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)、半主動(dòng)控制的能量源問(wèn)題，而能量源正是制約減振效果較好的結(jié)構(gòu)主動(dòng)與半主動(dòng)控制技術(shù)工程實(shí)際應(yīng)用的重要因素［2］。

孫作玉等［3］提出了一種不需要外部能源供給的主動(dòng)控制方案，其原理是利用“換能器”將結(jié)構(gòu)的一部分振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為液壓能存儲(chǔ)在蓄能器，并利用它作為主動(dòng)控制的動(dòng)力源。Nerves等［4］結(jié)合永磁無(wú)刷直流電機(jī)與調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(TMD)仿真分析了對(duì)某高層建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)振、地震的混合控制，其中TMD充當(dāng)電機(jī)與被控結(jié)構(gòu)之間能量傳遞的中介。Scruggs等［5］提出了基于永磁無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)能量回收的主動(dòng)質(zhì)量阻尼器(AMD)，即利用回收的振動(dòng)能量施加AMD所需的主動(dòng)控制力;Scruggs等［6］還首次系統(tǒng)提出了基于結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量回收的土木工程結(jié)構(gòu)半主動(dòng)或主動(dòng)控制理論設(shè)想;Scruggs等［7］最近又成功研制了最大出力達(dá)1 kN的三相能量回收電機(jī)，推進(jìn)了振動(dòng)能量回收技術(shù)在土木工程中的潛在應(yīng)用。

由于土木工程結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的振動(dòng)能量回收技術(shù)效率較低，難以驅(qū)動(dòng)主動(dòng)控制裝置，研究者就聯(lián)想到將能量回收技術(shù)與需要較小能耗的磁流變(MR)阻尼器結(jié)合起來(lái)使用。Cho等［8］提出在傳統(tǒng)的MR阻尼器的活塞桿上額外固定永磁體，在其周?chē)瑫r(shí)設(shè)置感應(yīng)線圈。當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)，感應(yīng)線圈的磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，然后直接給MR阻尼器的勵(lì)磁線圈供電，從而形成具有自供電特性的MR阻尼器。遺憾的是，Choi等［9］的振動(dòng)臺(tái)測(cè)試結(jié)果僅給出了在各種激勵(lì)下感應(yīng)線圈產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)，卻沒(méi)有將MR阻尼器作為負(fù)載，測(cè)試在同源激勵(lì)下MR阻尼器的出力。事實(shí)上，對(duì)于MR阻尼器這個(gè)用電器而言，雖然所需供電功率較低，正常工作仍需要兩個(gè)必要條件，即足夠的供給電壓與輸入功率。因此，該方案雖然概念清晰，充滿前景，但事實(shí)上對(duì)于振動(dòng)頻率低、幅值小的土木工程結(jié)構(gòu)，能量回收效率較低，再加上電路損耗，預(yù)計(jì)難以投入到實(shí)際結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中應(yīng)用。與文獻(xiàn)［8-9］的工作類(lèi)似，Sapiński［10］提出采用圖1所示的直線電機(jī)回收振動(dòng)能量，然后供給低功耗的MR阻尼器。然而電機(jī)與MR阻尼器同處在10 mm振幅、1 Hz正弦激勵(lì)下的測(cè)試結(jié)果表明:相對(duì)零電壓輸入，自供電MR阻尼器出力并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化。Choi等［11］理論構(gòu)思了圖2所示的自供電MR阻尼器系統(tǒng)，其通過(guò)TMD子系統(tǒng)來(lái)放大固定在動(dòng)子上的永磁體與感應(yīng)線圈的相對(duì)速度，以期產(chǎn)生更大的電動(dòng)勢(shì)與輸出功率。

圖1 直線發(fā)電機(jī)Fig.1 A linear DC generator

圖2 結(jié)合TMD的自供電MR阻尼器Fig.2 A self-powered MR damper combining with a TMD

從以上的分析可以看出，目前的土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量回收技術(shù)研究仍處于概念階段，離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)大的距離。此外，在能量回收技術(shù)與MR阻尼器的集成研究中，多數(shù)研究者均還局限于采用能量回收效率較低的直線電機(jī)。Gupta等［12］通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比了直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)式電機(jī)在同等尺寸下的輸出功率問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)直線電機(jī)比旋轉(zhuǎn)式電機(jī)至少低21%。雖然將直線發(fā)電機(jī)用于土木結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量回收，原理清楚、概念清晰、裝置簡(jiǎn)單，但其能量的回收效率低，且受行程的制約。針對(duì)以上不足，首先測(cè)試與分析了旋轉(zhuǎn)式永磁電機(jī)的振動(dòng)能量回收效果，接著構(gòu)建了由永磁電機(jī)與MR阻尼器集成的自供電MR阻尼器減振系統(tǒng)，并測(cè)試了相應(yīng)的電、力學(xué)性能，最后定性討論了自供電MR阻尼器系統(tǒng)的減振機(jī)理。

1 旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)的選型與性能測(cè)試

1.1 基本性能

微型旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)的典型代表就是在自動(dòng)控制中常用的測(cè)速發(fā)電機(jī)，它是一種測(cè)試機(jī)械轉(zhuǎn)速的電磁裝置，能把機(jī)械轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為與之成正比的電壓信號(hào)。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)Ea可表示為:

式中:ke表示測(cè)速電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，n表示電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。忽略電樞接觸壓降，負(fù)載為RL時(shí)的輸出電壓為:

式中:Ra表示電樞內(nèi)阻;Ia表示電樞電流，其計(jì)算式為:

把式(1)、(3)代入式(2)即可得到輸出電壓的計(jì)算式:

式中:C表示發(fā)電機(jī)輸出特性的斜率，當(dāng)Ra?RL時(shí)，有C=ke。因此，發(fā)電機(jī)的總功率PT與輸出功率PO分別為:

1.2 電機(jī)選型

用于土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量回收的旋轉(zhuǎn)式電機(jī)需要滿足的要求有:① 磁場(chǎng)由永磁體激發(fā)，不需要外界電源勵(lì)磁;② 在具有較大電動(dòng)勢(shì)常數(shù)ke的前提下，同時(shí)具有較小的內(nèi)阻Ra與重量、尺寸。根據(jù)上述要求，本文中振動(dòng)能量回收裝置采用上海某電機(jī)公司生產(chǎn)的CFX-03型直流測(cè)速發(fā)電機(jī)，見(jiàn)圖3所示。出廠主要性能參數(shù)有:電動(dòng)勢(shì)常數(shù)ke為0.06 V/(r·min-1);靜態(tài)常溫電阻6.4 Ω;重3.7 kg;最大設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

圖3 旋轉(zhuǎn)式永磁測(cè)速發(fā)電機(jī)Fig.3 A rotary permanent magnet tachogenerator

1.3 振動(dòng)源為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電機(jī)性能測(cè)試

為了評(píng)估測(cè)速發(fā)電機(jī)用于土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量回收的可行性，首先通過(guò)變頻電機(jī)帶動(dòng)測(cè)速發(fā)電機(jī)同速轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)試發(fā)電機(jī)的電源電動(dòng)勢(shì)及在一定負(fù)載下的輸出電壓與功率，測(cè)試裝置如圖4所示。試驗(yàn)采用變頻器改變交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，電機(jī)的輸出電壓直接采用DH5920動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)采集。

圖4 發(fā)電機(jī)的輸出電壓與功率特性測(cè)試裝置Fig.4 Experimental setup for measuring output voltage and power of a generator

圖5給出了不同轉(zhuǎn)速下發(fā)電機(jī)的電源電動(dòng)勢(shì)與15 Ω負(fù)載下的輸出電壓，由圖可知，電源電動(dòng)勢(shì)、輸出電壓與轉(zhuǎn)速均接近完全的線性關(guān)系。據(jù)此，可以擬合出發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)ke為0.059 4 Vmin/r(與出廠值幾乎相等)，負(fù)載15 Ω發(fā)電機(jī)的輸出特性斜率C為0.051 9 Vmin/r，此時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)輸出功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系見(jiàn)圖6所示。

圖5 斷路與15 Ω負(fù)載的電機(jī)輸出電壓Fig.5 Output voltages with open circuit and 15 Ω resistor

圖6 負(fù)載15 Ω時(shí)的電機(jī)輸出功率Fig.6 Output power of the generator loaded with 15 Ω

1.4 振動(dòng)源為直線運(yùn)動(dòng)的電機(jī)性能測(cè)試

當(dāng)振動(dòng)源為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，必須首先為能量回收電機(jī)設(shè)計(jì)直線-旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)裝置，將振動(dòng)源的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)。直線-旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)的常見(jiàn)形式有:齒條齒輪機(jī)構(gòu)、鏈條鏈輪機(jī)構(gòu)與精度更高的滾珠絲杠等。由于鏈條鏈輪最為簡(jiǎn)單，對(duì)導(dǎo)向的要求不嚴(yán)，且成本最低、耐久性高，試驗(yàn)最終選用這一方式傳動(dòng)。能量回收電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的原理示意圖見(jiàn)圖7所示，其由變頻電機(jī)、變頻器、偏心輪、測(cè)速電機(jī)、彈簧、鏈條鏈輪與激光位移計(jì)、東華數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。試驗(yàn)中，首先通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻電機(jī)轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)鏈條上的彈簧預(yù)拉力，使得鏈條往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，最后帶動(dòng)測(cè)速電機(jī)的轉(zhuǎn)子正反方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。試驗(yàn)采用了兩種規(guī)格的偏心輪，對(duì)應(yīng)的鏈條直線運(yùn)動(dòng)振幅分別為5 mm、10 mm;鏈輪的有效轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為 2.3 cm。

圖7 能量回收電機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.7 The diagram of experimental setup for performance testing of an energy harvesting motor

圖8給出了直線激振位移幅值5 mm、頻率2 Hz下的發(fā)電機(jī)電源電動(dòng)勢(shì)與負(fù)載為15 Ω時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓時(shí)程曲線，由圖可知，測(cè)速電機(jī)不但可以作為結(jié)構(gòu)振動(dòng)的能量回收裝置，理論上還有望作為結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)的速度傳感器。圖9給出了直線運(yùn)動(dòng)振幅分別為5 mm、10 mm，發(fā)電機(jī)的最大電源電動(dòng)勢(shì)與負(fù)載15 Ω的輸出電壓隨振動(dòng)頻率的變化關(guān)系;圖10給出了負(fù)載15 Ω時(shí)的最大輸出功率隨振動(dòng)頻率的變化關(guān)系。綜合圖9、10可以看出:在運(yùn)動(dòng)振幅一定的情況下，電源電動(dòng)勢(shì)、15 Ω負(fù)載下的輸出電壓均與振動(dòng)頻率成線性關(guān)系;即使在如此小的激勵(lì)振幅下，測(cè)速電機(jī)仍有一定的功率輸出，且隨著激勵(lì)振幅與頻率的增加而迅速放大。圖10還暗示出:對(duì)于振動(dòng)頻率低、幅值小的土木工程結(jié)構(gòu)，采用微型電機(jī)回收得到的電功率也將會(huì)較小，導(dǎo)致能量回收具有一定的挑戰(zhàn)。

圖8 發(fā)電機(jī)的電源電動(dòng)勢(shì)與輸出電壓時(shí)程曲線Fig.8 Time histories of electromotive force and output voltage of the generator

圖9 各種工況下的電機(jī)最大輸出電壓Fig.9 Maximum output voltages of the generator in each case

圖10 各種工況下的電機(jī)最大瞬時(shí)輸出功率Fig.10 Maximum output power of the generator in each case

2 自供電MR阻尼器系統(tǒng)構(gòu)成及力學(xué)性能

2.1 自供電MR阻尼器系統(tǒng)構(gòu)成

構(gòu)建的自供電MR阻尼器智能減振系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖11所示，該系統(tǒng)由電磁調(diào)節(jié)式MR阻尼器、直線與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)、永磁旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)與控制器四部分組成，其中控制器為可選部分。該系統(tǒng)的突出特點(diǎn)有:永磁式直流發(fā)電機(jī)既是結(jié)構(gòu)振動(dòng)的傳感器(可以通過(guò)發(fā)電機(jī)輸出電壓的大小和方向，測(cè)量結(jié)構(gòu)振動(dòng)的相對(duì)速度信息)，又是減振系統(tǒng)控制的能源發(fā)生器(為MR阻尼器提供電源);無(wú)需外界電源，就可實(shí)現(xiàn)MR阻尼器出力的調(diào)節(jié);根據(jù)是否設(shè)置控制器，既可作為具有自適應(yīng)特征的被動(dòng)控制系統(tǒng)，也可實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)控制。半主動(dòng)控制的控制器可由可變電阻器、二極管、繼電器開(kāi)關(guān)、電容器和單片機(jī)等組成。出于實(shí)際工程應(yīng)用考慮，本文僅研究自供電MR阻尼器的被動(dòng)控制。

圖11 基于振動(dòng)能量回收的MR阻尼器智能減振系統(tǒng)Fig.11 The flow chart of a self-powered MR damper system based on vibrational energy harvesting

2.2 自供電MR阻尼器力學(xué)性能測(cè)試

試驗(yàn)采用美國(guó)LORD公司生產(chǎn)的RD-1005-3型MR阻尼器，其主要性能參數(shù)有:最大出力約為3 kN;行程為±2.5 cm;最大瞬時(shí)輸入電壓12 V;功耗小于10 W;勵(lì)磁線圈常溫下內(nèi)阻為5Ω。測(cè)試中將MR阻尼器固定在激勵(lì)試驗(yàn)臺(tái)上，并接入發(fā)電機(jī)的回路，以實(shí)現(xiàn)MR阻尼器與帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的鏈條線位移為同源激勵(lì)的測(cè)試，測(cè)試原理與實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖12所示。測(cè)試的主要參數(shù)有:能量回收電機(jī)的輸出電壓，即MR阻尼器的輸入電壓;MR阻尼器的出力。

圖12 自供電MR阻尼器系統(tǒng)測(cè)試裝置Fig.12 Experimental set-up for a self-powered MR damper system

圖13給出了MR阻尼器出力隨位移、速度及MR阻尼器輸入電壓的變化曲線，其中激振位移振幅為10 mm，激振頻率依次為1、2、3、4和5 Hz。圖14給出了3 Hz激振頻率下，激振位移、MR阻尼器輸入電壓及阻尼力的時(shí)程。綜合圖13、14可知:① 電機(jī)回收的振動(dòng)能量完全足以驅(qū)動(dòng)MR阻尼器，且簡(jiǎn)諧激勵(lì)時(shí)阻尼器的出力也呈簡(jiǎn)諧規(guī)律變化;② 自供電MR阻尼器體現(xiàn)出粘滯阻尼的性質(zhì)，且自供電MR阻尼器的等效粘滯阻尼系數(shù)(即力與速度關(guān)系橢圓的長(zhǎng)軸斜率)與阻尼器激振頻率幾乎無(wú)關(guān);③ 在各個(gè)激振頻率下，自供電MR阻尼器的最大出力既沒(méi)有對(duì)應(yīng)最大輸入電壓時(shí)刻，也沒(méi)有對(duì)應(yīng)最大的阻尼器速度，表明了MR阻尼器的速度與實(shí)際輸入電壓并不是理想的完全同相位，而是存在一定的相位差。

圖13 MR阻尼器出力與位移、速度及輸入電壓的關(guān)系 (由內(nèi)至外依次為1、2、3、4與5 Hz)Fig.13 Loops of MR damper force verse displacement，velocity and voltage(from inner to outer in order as 1-5 Hz)

圖14 激振位移、MR阻尼器的輸入電壓與阻尼力的時(shí)程Fig.14 Time histories of excitation displacement，voltage and damping force of the MR damper

計(jì)算得到MR阻尼器速度與輸入電壓二者之間的相位差隨激振頻率的變化關(guān)系見(jiàn)圖15所示，由圖可知:① 在各個(gè)激振頻率下，相對(duì)阻尼器振動(dòng)速度，MR阻尼器的輸入電壓均有不同程度的時(shí)延，這體現(xiàn)的正是能量回收電機(jī)的電感效應(yīng);② 相位差隨激振頻率的增大先逐漸增大，在3 Hz達(dá)到最大，然后開(kāi)始逐漸下降;③ 根據(jù)相位差與對(duì)應(yīng)的激振周期，可以計(jì)算得到1、2、3、4和5Hz激振時(shí)相對(duì)阻尼器速度，輸入電壓的時(shí)間延遲分別為 10.3、12.0、11.6、8.4 與 4.0 ms，可見(jiàn)低頻(1～3 Hz)激振時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間延遲基本相等。整體而言，發(fā)電機(jī)的電感效應(yīng)在低頻激振時(shí)影響較小。

圖15 自供電MR阻尼器輸入電壓與速度的相位差隨激振頻率的變化關(guān)系Fig.15 Phase lags between input voltages and velocities f the self powered MR damper versus vibration frequencies

3 自供電MR阻尼器被動(dòng)控制的減振機(jī)理

雖然自供電MR阻尼器也可以設(shè)計(jì)為半主動(dòng)控制系統(tǒng)，但本文僅探討自供電MR阻尼器的被動(dòng)控制，也就是將電機(jī)產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)直接供電給MR阻尼器。雖然形式上是被動(dòng)控制，但這里暗含兩種重要的結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)或半主動(dòng)控制思想，分別是速度反饋與離復(fù)位控制，故稱(chēng)作自適應(yīng)被動(dòng)控制。速度反饋控制屬于狀態(tài)反饋控制的一種，即控制指令按照某種控制律通過(guò)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的速度反饋。所謂離復(fù)位控制也稱(chēng)作經(jīng)典的Bang-Bang控制［13］，簡(jiǎn)單實(shí)用，用于 MR阻尼器半主動(dòng)控制時(shí)，阻尼器的輸入電壓切換規(guī)則可以表示為:

式中:v(t)，Vmax分別表示MR阻尼器的控制電壓與最大容許輸入電壓;xm，x·m分別表示阻尼器的位移與速度，或受控結(jié)構(gòu)觀測(cè)點(diǎn)的位移與速度。式(7)表明離復(fù)位控制是一種基于控制裝置或結(jié)構(gòu)局部振動(dòng)位移與速度方向的反饋控制:當(dāng)位移與速度同向，此時(shí)阻尼器或結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離平衡位置，則施加最大輸入電壓;反之，則輸入零電壓。但是，這種控制有一個(gè)主要缺點(diǎn)，即會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)穿越平衡位置時(shí)的速度過(guò)大［14］。

圖16總結(jié)比較了MR阻尼器的最優(yōu)被動(dòng)控制、Bang-Bang控制與自供電控制策略對(duì)應(yīng)的MR阻尼器輸入電壓示意圖。從圖中可以看出，自供電MR阻尼器的被動(dòng)控制兼具離復(fù)位與速度反饋控制的特征。若MR阻尼器與能量回收機(jī)構(gòu)安裝在同一位置，即MR阻尼器與能量回收機(jī)構(gòu)的鏈條線位移完全相等，由于MR阻尼器的電壓控制輸入與結(jié)構(gòu)的振動(dòng)速度成正比，自供電MR阻尼器的被動(dòng)控制也就形成了天然的結(jié)構(gòu)速度反饋控制。忽略發(fā)電機(jī)輸出電壓相對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度的時(shí)間延遲，則有:當(dāng)速度最大，即結(jié)構(gòu)在平衡位置，此時(shí)電機(jī)的輸出電壓最大，若直接輸入到MR阻尼器，使MR阻尼器的可調(diào)阻尼力最大，恰好最大限度抑制結(jié)構(gòu)離開(kāi)平衡位置的運(yùn)動(dòng);反之，結(jié)構(gòu)振動(dòng)速度為零，即位移最大，此時(shí)發(fā)電機(jī)的輸出電壓最小，使MR阻尼器的可調(diào)阻尼力最小。

圖16 基于MR阻尼器的各種控制策略示意圖Fig.16 Various kinds of control strategies based on MR dampers

值得注意的是，自供電MR阻尼器被動(dòng)控制的局限也是顯而易見(jiàn)的:一方面由于速度反饋只是基于結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)速度信息，一般只能最優(yōu)地控制結(jié)構(gòu)的局部響應(yīng)，不能保證對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的最優(yōu)控制;另一方面，如果能量回收電機(jī)的輸出電壓過(guò)大，導(dǎo)致MR阻尼器出力過(guò)大，可能會(huì)導(dǎo)致MR阻尼器的鎖定，從而也就無(wú)法正常耗能減振。因此，基于自供電MR阻尼器的被動(dòng)控制系統(tǒng)成功與否取決于兩個(gè)重要因素:① 結(jié)構(gòu)的局部速度傳感是否能夠完全或基本表征結(jié)構(gòu)的全局振動(dòng)信息，從基于狀態(tài)空間的現(xiàn)代控制論來(lái)看，就是局部的傳感器測(cè)試信息是否足以觀測(cè)或估計(jì)結(jié)構(gòu)的全部狀態(tài);② 能量回收電機(jī)的參數(shù)要預(yù)先根據(jù)被控結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率與幅值水平進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，以控制電機(jī)的最大輸出電壓，避免MR阻尼器呈現(xiàn)嚴(yán)重的嵌固效應(yīng)或完全被鎖定，甚至損壞MR阻尼器。

4 結(jié)論

為了擺脫基于MR阻尼器的振動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)外界電源的依賴(lài)，本文提出了一種采用結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量回收技術(shù)的自供電MR阻尼器減振系統(tǒng)，并進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試與減振機(jī)理的定性分析。主要結(jié)論有:

(1)采用旋轉(zhuǎn)式永磁直流電機(jī)進(jìn)行土木工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量回收是一種切實(shí)可行的技術(shù)與方法，相對(duì)通常采用的直線電機(jī)，旋轉(zhuǎn)式電機(jī)具有能量回收效率高，且基本不受結(jié)構(gòu)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)行程的限制;

(2)只要振動(dòng)源的幅值與頻率處于土木工程結(jié)構(gòu)振動(dòng)的常規(guī)水平，本文提出的結(jié)構(gòu)振動(dòng)能量回收技術(shù)就可以解決足尺結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制用RD-1005型MR阻尼器對(duì)外置電源的依賴(lài);

(3)當(dāng)MR阻尼器與電機(jī)為同源激勵(lì)時(shí)，自供電MR阻尼器的被動(dòng)控制具有天然的速度反饋控制與離復(fù)位控制特性。因此，自供電MR阻尼器具有較好的工程應(yīng)用前景。

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