基于磁流變彈性體減震設備電控系統(tǒng)的設計

馬衛(wèi)民

(安徽職業(yè)技術學院　電氣工程系，安徽　合肥　230051)

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基于磁流變彈性體減震設備電控系統(tǒng)的設計

馬衛(wèi)民

(安徽職業(yè)技術學院電氣工程系，安徽合肥230051)

摘要：基于磁流變彈性體減震設備電控系統(tǒng)利用轉速、加速度傳感器檢測設備運行工況，傳感器檢測輸出信號傳輸給AT89C51控制器，并通過閉環(huán)恒流控制系統(tǒng)控制磁流變彈性體勵磁電流，使磁流變彈性體隔振器瞬間做出反應，主動抑制設備的振動。

關鍵詞：磁流變彈性體；主動減震；恒流控制

現(xiàn)代制造業(yè)中，很多元器件尺度需要在微米、亞微米級精度上進行超精密加工。機械設備的振動是影響其加工精度的重要因素。降低設備自身振動，以解決機械振動對工件加工過程的影響是目前現(xiàn)代制造業(yè)亟需解決的核心技術之一。本文基于磁流變彈性體減震設備電控系統(tǒng)利用轉速、加速度傳感器檢測設備運行工況，傳感器檢測輸出信號傳輸給AT89C51控制器，并通過閉環(huán)恒流控制系統(tǒng)控制磁流變彈性體勵磁電流，使磁流變彈性體隔振器瞬間做出反應，主動抑制設備的振動。

1減震系統(tǒng)概述

當前常用的減振技術主要有被動隔振和主動減振兩種。被動隔振是在振動源與受控對象之間串加一個彈性、阻尼元件甚至慣性元件或它們之間組合構成的子系統(tǒng)來隔離振動的直接傳遞，從而減弱或隔絕振動能量的傳遞，進而達到減振降噪的目的。被動隔振的優(yōu)點是易于實現(xiàn)、結構簡單、經(jīng)濟性好、可靠性高，具有普遍的適用性，故在工程中得到了廣泛應用。但這種方法的結構參數(shù)一經(jīng)設定，就不能改變。在某環(huán)境條件下工作最優(yōu)的參數(shù)，在其他環(huán)境下不能保證最優(yōu)，缺乏控制的靈活性。而且由于穩(wěn)定性的限制，被動隔振也無法對低頻振動進行衰減處理。

主動減振是在被動隔振裝置的基礎上，串聯(lián)或并聯(lián)能提供滿足一定控制要求的作動器，甚至用作動器替代被動隔振裝置的部分或全部元件，通過合理控制作動器的運動，達到減振的效果。它特別適用于超低頻振動和高精度的微振動控制。主動減振按形式可分為完全主動控制和主被動一體控制。但是由于完全主動振動控制結構復雜、需消耗大量的能量，因而限制了它在工程中的實際應用。近年來提出的基于智能材料與結構的主被動一體振動控制結合主動和被動控制的優(yōu)點，既可以通過被動控制系統(tǒng)來消耗系統(tǒng)的能量，又可以利用主動控制系統(tǒng)達到設定的控制效果，是目前振動控制技術的研究熱點。[1]

磁流變彈性體是磁流變材料的一個分支。是將鐵磁性顆粒摻入到塑性高分子聚合物(橡膠)中，在磁場下固化。這種材料在外加磁場強度變化時其彈性模量隨之改變，因此在變剛度器件減震等方面得到廣泛應用。與普通磁流變液相比，磁流變彈性體克服了磁流變液穩(wěn)定性差等缺點，同時兼有磁流變材料的阻尼可控性、可逆性、響應迅速等高技術特征。磁流變彈性體可應用于汽車、火車等運輸工具的減振系統(tǒng)中。[2]

磁流變彈性體見圖1，磁流變彈性體隔振器外形見圖2，磁流變彈性體隔振器內(nèi)部結構見圖3。

圖1磁流變彈性體

圖2磁流變彈性體隔振器外形

圖3磁流變彈性體隔振器內(nèi)部結構

本文建立在與安徽微威橡膠減震技術有限公司合作基礎上，對磁流變彈性體勵磁控制電路進行研究，設計出通過隔振系統(tǒng)的頻率變化來控制磁流變彈性體勵磁電流的實用電路。該電控系統(tǒng)可用于動態(tài)環(huán)境下的車輛通過靜態(tài)磁流變彈性體恒流控制主動減震系統(tǒng)對汽車發(fā)電機進行主動性減震。

2系統(tǒng)性能要求

(1)要求對汽車發(fā)電機的轉速及爆震信號進行實時檢測，通過單片機對檢測信號的處理產(chǎn)生PWM脈沖控制信號。

(2)由單片機輸出的PWM脈沖控制信號去控制恒流電路系統(tǒng)工作，控制恒流電路系統(tǒng)輸出的電流去控制磁流變彈性體隔振系統(tǒng)對發(fā)電機實現(xiàn)主動性減震。

(3)要求電控系統(tǒng)反應精度：0.2%(動態(tài)精度<0.5%)；響應時間<0.5s。

3控制方法設計

分析控制變量、干擾量、控制途徑與控制要求的關聯(lián)性，制定、設計滿足實際工況要求的控制策略。采取分層遞階優(yōu)化控制策略，開發(fā)的特有的控制系統(tǒng)能夠有效防止頻率頻繁變更、快速變更、沖擊干擾等問題，提高系統(tǒng)的安全性，具有較高的商品化推廣應用前景。圖4是分層遞階優(yōu)化換擋控制策略方框圖，將車輛駕駛人員的上層決策與發(fā)動機的轉速變化量和振動加速度變化量結合，形成對下層控制的輸入量，從輸入量中提取頻率信息，并進行決策優(yōu)化，控制電流的輸出跟隨，以改變發(fā)動機懸置系統(tǒng)的動力學特性。

圖4分層遞階優(yōu)化換擋控制策略方框圖

4系統(tǒng)結構設計

根據(jù)該系統(tǒng)性能要求，我們確定整體控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

(1)以AT89C51單片機為控制核心，實現(xiàn)勵磁電流“頻率—電流”閉環(huán)控制。

(2)以12V和24V兩檔可調(diào)的直流電源為控制電源，輸出電流為0-5A至10A連續(xù)可調(diào)。

(3)以汽車發(fā)動機的轉速信號或爆震加速度信號為輸入信號，輸出頻率范圍為5Hz-50Hz，對應4缸發(fā)動機而言，輸出轉速為600rpm～6000rpm。彈性體共振頻率與控制電流關系如圖6所示。

圖6彈性體共振頻率與控制電流關系曲線

圖5控制系統(tǒng)框圖

5系統(tǒng)設計的主要內(nèi)容

(1)轉速傳感器信號的處理電路設計

確定一種合適的轉速傳感器(模擬式或數(shù)字式)作為實施傳感器；根據(jù)轉速傳感器的形式，設計跟蹤濾波電路和信號處理電路。如果選擇模擬式轉速傳感器，需要設計模擬信號的跟蹤濾波處理電路、A/D轉換電路和抗干擾保護電路；如果選擇數(shù)字式轉速傳感器，則無需設計信號處理電路。該系統(tǒng)選用數(shù)字式轉速傳感器。

(2)單片機系統(tǒng)的設計

主要任務：①將傳感器傳送來的數(shù)字信號轉換成頻率信號(5Hz-50Hz)；②單片機根據(jù)頻率信號，向控制電路發(fā)出PWM控制信號。

設計內(nèi)容：①單片機的選型；系統(tǒng)選用AT89C51單片機；②單片機與其它設備之間的硬件電路；單片機輸入接口與轉速傳感器之間的連接電路；單片機與車載電源之間的電源控制電路(電壓轉換芯片)；單片機輸出接口與控制電路之間的硬件連接。如圖7所示。③內(nèi)部的軟件程序的開發(fā)設計。

(3)控制電路的設計

根據(jù)單片機輸出的控制信號通過PWM調(diào)制電路產(chǎn)生脈沖寬度連續(xù)可調(diào)的脈沖觸發(fā)信號，送給后方的U/I轉換主電路。設計內(nèi)容包括控制電路設計、電路中元器件的選取等，如圖7所示。

(4)主電路的設計

根據(jù)PWM脈寬調(diào)制電路輸出的脈沖觸發(fā)信號產(chǎn)生0-5A/10A的連續(xù)可調(diào)直流電流，同時做出實時電壓、電流顯示，并將此電流提供給磁流變彈性體。設計內(nèi)容包括主電路圖設計、電路中元器件的選取等，如圖7所示。

(5)電源控制電路的設計

主要任務：實現(xiàn)12V和24V兩種直流電源共用一套控制系統(tǒng)。設計內(nèi)容包括電源控制電路圖設計、電路中元器件的選取等。如圖7所示。

(6)試驗電路設計

在控制系統(tǒng)研發(fā)期間，采用函數(shù)發(fā)生器來模擬發(fā)動機的轉速信號，對控制系統(tǒng)的功能進行調(diào)試，采用大功率電源(240W)代替汽車電瓶進行試驗，由于磁流變彈性體的具體特性參數(shù)不能完全確定，故只能人為將負載直流部分初步確定為3Ω進行測試。

圖7控制電路圖

6系統(tǒng)設計的實施方法

本控制系統(tǒng)先后采用了理論計算、計算機仿真和實驗驗證等研究方法。首先通過理論計算確定電路中各元器件的具體理論值；然后通過計算機仿真軟件對選定的元器件參數(shù)進行驗證；最后將控制電路實物組建后進行實驗驗證。

7系統(tǒng)設計的成果

通過對磁流變彈性體勵磁控制電路進行研制設計，實現(xiàn)了以下成果：

(1)實現(xiàn)低通濾波，輸入信號的有效頻帶設置為5-50Hz。

(2)實現(xiàn)自動檢測輸入信號的強弱，并自動跟蹤強信號的頻率。

(3)實現(xiàn)脈寬調(diào)制信號(PWM)的輸出，脈寬實時跟蹤輸入信號頻率。

(4)通過實際電路的調(diào)試該電控系統(tǒng)反應精度：0.4%(動態(tài)精度<0.6%)；響應時間<0.6s，基本達到設計要求。

參考文獻：

[1]徐鑒.振動控制研究進展綜述[J].力學季刊，2015，36(4)：548—550.

[2]魏克湘，孟光，夏平，等.磁流變彈性體隔振器的設計與振動特性分析[J].機械工程學報，2011，47(11)：70—71.

(責任編輯：文涵)

基金項目：安徽微威橡膠減震技術有限公司委托項目“磁流變彈性體勵磁控制電路的研制”

作者簡介：馬衛(wèi)民(1973—)，男，江蘇宜興人，安徽職業(yè)技術學院電氣工程系講師，工程碩士，主要研究方向：電氣自動化。

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1672—9536(2016)02—0014—04

Abstract：The magnetorheological elastomers damping system is based on the use of speed，acceleration sensor detection equipment operation condition，sensor output signal transmission to AT89C51 controller.The constant current closed-loop control system control the magnetorheological elastomers excitation current，to make the magnetorheological elastomer vibration isolator react instantly，and to take the initiative to suppress the vibration of the equipment.

Key words：magnetorheological elastomers; active suspension; constant current control