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磁流变弹性体中减震系统研究

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《安徽职业技术学院学报》2016年第2期

摘要:

基于磁流变弹性体减震设备电控系统利用转速、加速度传感器检测设备运行工况,传感器检测输出信号传输给AT89C51控制器,并通过闭环恒流控制系统控制磁流变弹性体励磁电流,使磁流变弹性体隔振器瞬间做出反应,主动抑制设备的振动。

关键词:

磁流变弹性体;主动减震;恒流控制

现代制造业中,很多元器件尺度需要在微米、亚微米级精度上进行超精密加工。机械设备的振动是影响其加工精度的重要因素。降低设备自身振动,以解决机械振动对工件加工过程的影响是目前现代制造业亟需解决的核心技术之一。本文基于磁流变弹性体减震设备电控系统利用转速、加速度传感器检测设备运行工况,传感器检测输出信号传输给AT89C51控制器,并通过闭环恒流控制系统控制磁流变弹性体励磁电流,使磁流变弹性体隔振器瞬间做出反应,主动抑制设备的振动。

1减震系统概述

当前常用的减振技术主要有被动隔振和主动减振两种。被动隔振是在振动源与受控对象之间串加一个弹性、阻尼元件甚至惯性元件或它们之间组合构成的子系统来隔离振动的直接传递,从而减弱或隔绝振动能量的传递,进而达到减振降噪的目的。被动隔振的优点是易于实现、结构简单、经济性好、可靠性高,具有普遍的适用性,故在工程中得到了广泛应用。但这种方法的结构参数一经设定,就不能改变。在某环境条件下工作最优的参数,在其他环境下不能保证最优,缺乏控制的灵活性。而且由于稳定性的限制,被动隔振也无法对低频振动进行衰减处理。主动减振是在被动隔振装置的基础上,串联或并联能提供满足一定控制要求的作动器,甚至用作动器替代被动隔振装置的部分或全部元件,通过合理控制作动器的运动,达到减振的效果。它特别适用于超低频振动和高精度的微振动控制。主动减振按形式可分为完全主动控制和主被动一体控制。但是由于完全主动振动控制结构复杂、需消耗大量的能量,因而限制了它在工程中的实际应用。近年来提出的基于智能材料与结构的主被动一体振动控制结合主动和被动控制的优点,既可以通过被动控制系统来消耗系统的能量,又可以利用主动控制系统达到设定的控制效果,是目前振动控制技术的研究热点。[1]磁流变弹性体是磁流变材料的一个分支。是将铁磁性颗粒掺入到塑性高分子聚合物(橡胶)中,在磁场下固化。这种材料在外加磁场强度变化时其弹性模量随之改变,因此在变刚度器件减震等方面得到广泛应用。与普通磁流变液相比,磁流变弹性体克服了磁流变液稳定性差等缺点,同时兼有磁流变材料的阻尼可控性、可逆性、响应迅速等高技术特征。磁流变弹性体可应用于汽车、火车等运输工具的减振系统中。[2]磁流变弹性体见图1,磁流变弹性体隔振器外本文建立在与安徽微威橡胶减震技术有限公司合作基础上,对磁流变弹性体励磁控制电路进行研究,设计出通过隔振系统的频率变化来控制磁流变弹性体励磁电流的实用电路。该电控系统可用于动态环境下的车辆通过静态磁流变弹性体恒流控制主动减震系统对汽车发电机进行主动性减震。

2系统性能要求

(1)要求对汽车发电机的转速及爆震信号进行实时检测,通过单片机对检测信号的处理产生PWM脉冲控制信号。

(2)由单片机输出的PWM脉冲控制信号去控制恒流电路系统工作,控制恒流电路系统输出的电流去控制磁流变弹性体隔振系统对发电机实现主动性减震。

(3)要求电控系统反应精度:0.2%(动态精度<0.5%);响应时间<0.5s。

3控制方法设计分析

控制变量、干扰量、控制途径与控制要求的关联性,制定、设计满足实际工况要求的控制策略。采取分层递阶优化控制策略,开发的特有的控制系统能够有效防止频率频繁变更、快速变更、冲击干扰等问题,提高系统的安全性,具有较高的商品化推广应用前景。图4是分层递阶优化换挡控制策略方框图,将车辆驾驶人员的上层决策与发动机的转速变化量和振动加速度变化量结合,形成对下层控制的输入量,从输入量中提取频率信息,并进行决策优化,控制电流的输出跟随,以改变发动机悬置系统的动力学特性。

4系统结构设计

根据该系统性能要求,我们确定整体控制系统框图如图5所示。(1)以AT89C51单片机为控制核心,实现励磁电流“频率—电流”闭环控制。(2)以12V和24V两档可调的直流电源为控制电源,输出电流为0-5A至10A连续可调。(3)以汽车发动机的转速信号或爆震加速度信号为输入信号,输出频率范围为5Hz-50Hz,对应4缸发动机而言,输出转速为600rpm~6000rpm。弹性体共振频率与控制电流关系如图6所示。

5系统设计的主要内容

(1)转速传感器信号的处理电路设计

确定一种合适的转速传感器(模拟式或数字式)作为实施传感器;根据转速传感器的形式,设计跟踪滤波电路和信号处理电路。如果选择模拟式转速传感器,需要设计模拟信号的跟踪滤波处理电路、A/D转换电路和抗干扰保护电路;如果选择数字式转速传感器,则无需设计信号处理电路。该系统选用数字式转速传感器。

(2)单片机系统的设计

主要任务:①将传感器传送来的数字信号转换成频率信号(5Hz-50Hz);②单片机根据频率信号,向控制电路发出PWM控制信号。设计内容:①单片机的选型;系统选用AT89C51单片机;②单片机与其它设备之间的硬件电路;单片机输入接口与转速传感器之间的连接电路;单片机与车载电源之间的电源控制电路(电压转换芯片);单片机输出接口与控制电路之间的硬件连接。如图7所示。③内部的软件程序的开发设计。

(3)控制电路的设计

根据单片机输出的控制信号通过PWM调制电路产生脉冲宽度连续可调的脉冲触发信号,送给后方的U/I转换主电路。设计内容包括控制电路设计、电路中元器件的选取等,如图7所示。

(4)主电路的设计

根据PWM脉宽调制电路输出的脉冲触发信号产生0-5A/10A的连续可调直流电流,同时做出实时电压、电流显示,并将此电流提供给磁流变弹性体。设计内容包括主电路图设计、电路中元器件的选取等,如图7所示。

(5)电源控制电路的设计

主要任务:实现12V和24V两种直流电源共用一套控制系统。设计内容包括电源控制电路图设计、电路中元器件的选取等。如图7所示。

(6)试验电路设计

在控制系统研发期间,采用函数发生器来模拟发动机的转速信号,对控制系统的功能进行调试,采用大功率电源(240W)代替汽车电瓶进行试验,由于磁流变弹性体的具体特性参数不能完全确定,故只能人为将负载直流部分初步确定为3Ω进行测试。

6系统设计的实施方法

本控制系统先后采用了理论计算、计算机仿真和实验验证等研究方法。首先通过理论计算确定电路中各元器件的具体理论值;然后通过计算机仿真软件对选定的元器件参数进行验证;最后将控制电路实物组建后进行实验验证。

7系统设计的成果

通过对磁流变弹性体励磁控制电路进行研制设计,实现了以下成果:

(1)实现低通滤波,输入信号的有效频带设置为5-50Hz。

(2)实现自动检测输入信号的强弱,并自动跟踪强信号的频率。

(3)实现脉宽调制信号(PWM)的输出,脉宽实时跟踪输入信号频率。

(4)通过实际电路的调试该电控系统反应精度:0.4%(动态精度<0.6%);响应时间<0.6s,基本达到设计要求。

参考文献:

[1]徐鉴.振动控制研究进展综述[J].力学季刊,2015,36(4):548—550.

[2]魏克湘,孟光,夏平,等.磁流变弹性体隔振器的设计与振动特性分析[J].机械工程学报,2011,47(11):70—71.

作者:马卫民 单位:安徽职业技术学院

安徽职业技术学院学报责任编辑:冯紫嫣    阅读:人次
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