電流傳輸器模擬電感的設計及其在振動控制中的應用

柳維瑋,毛崎波

（南昌航空大學飛行器工程學院，江西南昌,330063）

電流傳輸器模擬電感的設計及其在振動控制中的應用

柳維瑋,毛崎波

（南昌航空大學飛行器工程學院，江西南昌,330063）

通過電流型運算放大器組成第二代電流傳輸器與RC元件實現模擬電路的設計，由此搭建壓電分流阻尼系統控制機械結構振動。通過軟件仿真測試模擬電感電路設計的正確性，并以根部粘貼壓電陶瓷片的固支梁結構為例，對該結構的第三階模態振動控制進行了實驗研究和分析，結果表明：所設計的新型壓電分流電路具有良好的減振效果。

第二代電流傳輸器；模擬電感；仿真；壓電分流電路

0　引言

對于大電感值的無源電感體積龐大的問題，現普遍的做法是運用有源器件模擬電感來解決。第二代電流傳輸器（CCⅡ）具有電流變換的功能以及較寬的頻率范圍和動態范圍，在阻抗變換、有源濾波、正弦振蕩器等方面得到廣泛應用。用第二代電流傳輸器模擬電感相對電壓型集成運算放大器模擬電感是一種新的設計方法，有利于模擬電感性能的提高和進一步集成化。

壓電分流阻尼技術的基本思路是利用壓電材料的正壓電效應，將結構振動的機械能轉化為電能，再通過外接電路將電能轉化為熱能被電阻元件消耗，從而起到抑制結構振動作用。而在控制低頻振動的分流電路設計中通常需要較大的電感，才能達到較好的控制振動目的。

本文應用第二代電流傳輸器實現壓電分流阻尼電路的模擬電感設計，通過Multisim軟件仿真驗證模擬電感設計的正確性，并通過實驗把所設計的模擬電感應用于控制結構振動的分流阻尼電路中。

1　電路設計

第二代電流傳輸器是三端口器件，其符號如圖1所示。其電壓電流輸入輸出特性用矩陣表示為：

圖1　CCⅡ符號

1.1CCⅡ模擬電感的設計

圖2是CCⅡ模擬電感設計的電路原理圖

圖2　模擬電感原理圖

結合圖2和（1）式，可以寫得：

式中：

輸入電流可表示為：

聯立（2）式與（3）式，化得：

從而，

式中等效電感為：

1.2帶電阻補償的CCⅡ模擬電感的設計

在圖2所示電路上加入一級負阻抗轉換器，重新設計帶電阻補償的接地模擬電感，如圖3所示。

圖3　帶電阻補償的CCⅡ模擬電感原理圖

結合圖3和（1）式，輸入電壓可表示為：

同理，圖3的輸入電流可表示為：

式中：

由式（8）可得：

結合式（7）和（9）可得圖3所示電路的阻抗為：

從式（10）可知，該電路的等效電感和等效電阻分別為：

式中，Ri為分流電路的寄生內阻。

從式（11）可以發現，該壓電分流電路的主要優點在于可以獨立調節所需的等效電感值和等效電阻值。

2　模擬電感的軟件仿真

（b）模擬電感的RLC電路仿真結果

圖4　Multisim仿真圖片

針對帶電阻補償的CCⅡ模擬電感的電路設計運用Multisim進行軟件仿真。采用商用電流型集成運算放大器AD844實現電流傳輸器，在此基礎上如圖3的原理圖搭建模擬電感。圖4（a）是由模擬電感組成的RLC電路，其中虛線框內為模擬電感，假設模擬電感串聯一個100Ω的內阻，正好由-100Ω的補償電阻抵消為一個純電感，將其電路與圖4 （c）無源電感組成的RLC電路對比。通過波特圖示儀觀察兩者的幅頻特性曲線，模擬電感的RLC電路與無源電感的RLC電路上升峰值分別為19.909dB和19.863dB，其峰值頻率分別為1.588kHz和1.583kHz，兩條曲線形狀也完全吻合，由此驗證了所設計的模擬電感的正確性。

3　振動實驗研究

針對本文采用的分流電路，可將分流電路模擬為一個等效電阻Req和一個等效電感Leq串聯的電路。由于本文主要目的是通過實驗驗證運用第二代電流傳輸器所設計的模擬電感在壓電分流技術中的可行性，對于分流電路中的電感和電阻最優值不做詳細推導。由文獻[5-7]可知，最佳等效電感值Lopt和等效電阻值Ropt分別為 ：

4　結束語

第二代電流傳輸器模擬電感，解決了電路設計中電感量值與體積之間的矛盾。仿真模擬電感電路與物理無源器件組成的電路特性基本相同，這為壓電分流阻尼電路提供了一種新的設計方法。通過實驗驗證了所設計的電路抑制振動效果良好。可見，第二代電流傳輸器模擬電感能夠廣泛應用于工程實踐當中。

本實驗采用兩端固支的6061鋁合金梁，該梁的尺寸為580mm×30mm×3.5mm。選擇兩片P-5H型的壓電陶瓷片（PZT）對位粘貼在梁的根部，粘貼于梁下表面的陶瓷片作為激振源，而粘貼于梁上表面的陶瓷片作為與分流電路相連實現壓電分流阻尼系統。使用CA-YD-107型號加速度傳感器來測試固支梁的振動情況，并選用江蘇泰斯特電子設備制造有限公司的TST5912動態信號測試分析儀進行振動分析。實驗圖片如圖5所示。

根據上述參數在面包板上搭建了壓電分流電路。選用AD844電流型集成運算放大器實現第二代電流傳輸器，由圖3帶電阻補償的CCⅡ模擬電感原理圖搭建模擬電感，并選擇, ,。然后搭建RLC串聯壓電分流阻尼電路，其壓電分流阻尼系統中的壓電陶瓷所帶電容相當與RLC串聯電路中的電容，然而電阻的理論最優值與實際最優值有較大誤差，所以采用在線調節的方式得到RLC串聯電路中實際最佳電阻值。

圖5　實驗圖片

針對第三階模態，將電路設置為最佳參數后，選擇掃頻激勵方式，分別將最佳等效電阻值調節增大5%和減小5%，對梁的振動進行振動信號采集分析。圖5表示在最佳等效電感值（3.55H）時，不同等效電阻值下振動信號與激勵信號的傳遞函數圖。可以發現當等效電阻值小于最佳值時，控制頻率處的尖峰有明顯下降，并且在兩側產生尖峰。而在等效電阻值大于最佳值時，控制效果會隨之下降。并從圖可以看出，當選取最佳等效電感值及最佳等效電阻值時，所設計的壓電分流阻尼電路具有良好的抑制振動的效果。

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Design of inductance simulators based on current conveyor and its application to Vibration Control

Liu Weiwei,Mao Qibo (School of Aircraft Engineering,Nanchang Hangkong University,JiangXi Nanchang,330063)

Design of inductance simulators using second-generation current conveyor and RC components, and second-generation current conveyor composed of current-mode operational amplifier.From this design to set up piezoelectric shunt damping system to control mechanical structure vibration.Through software simulation test the correctness of the simulation inductance circuit design.Furthermore,with an example of clamped-clamped beam bonded piezoelectric patch, the third natural frequency of the beam is targeted to be controlled,and the experiment research is performed. The experimental results show that the design of new type piezoelectric shunt circuit has good vibration damping effect.

second-generation current conveyor(CCⅡ); inductance simulators;simulation;piezoelectric shunt circuit