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《安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)》2016年第2期

摘要:

基于磁流變彈性體減震設(shè)備電控系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)速、加速度傳感器檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行工況，傳感器檢測(cè)輸出信號(hào)傳輸給AT89C51控制器，并通過(guò)閉環(huán)恒流控制系統(tǒng)控制磁流變彈性體勵(lì)磁電流，使磁流變彈性體隔振器瞬間做出反應(yīng)，主動(dòng)抑制設(shè)備的振動(dòng)。

關(guān)鍵詞:

磁流變彈性體;主動(dòng)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(jí)精度上進(jìn)行超精密加工。機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)是影響其加工精度的重要因素。降低設(shè)備自身振動(dòng)，以解決機(jī)械振動(dòng)對(duì)工件加工過(guò)程的影響是目前現(xiàn)代制造業(yè)亟需解決的核心技術(shù)之一。本文基于磁流變彈性體減震設(shè)備電控系統(tǒng)利用轉(zhuǎn)速、加速度傳感器檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行工況，傳感器檢測(cè)輸出信號(hào)傳輸給AT89C51控制器，并通過(guò)閉環(huán)恒流控制系統(tǒng)控制磁流變彈性體勵(lì)磁電流，使磁流變彈性體隔振器瞬間做出反應(yīng)，主動(dòng)抑制設(shè)備的振動(dòng)。

1減震系統(tǒng)概述

當(dāng)前常用的減振技術(shù)主要有被動(dòng)隔振和主動(dòng)減振兩種。被動(dòng)隔振是在振動(dòng)源與受控對(duì)象之間串加一個(gè)彈性、阻尼元件甚至慣性元件或它們之間組合構(gòu)成的子系統(tǒng)來(lái)隔離振動(dòng)的直接傳遞，從而減弱或隔絕振動(dòng)能量的傳遞，進(jìn)而達(dá)到減振降噪的目的。被動(dòng)隔振的優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)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(yīng)用。但這種方法的結(jié)構(gòu)參數(shù)一經(jīng)設(shè)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(dòng)隔振也無(wú)法對(duì)低頻振動(dòng)進(jìn)行衰減處理。主動(dòng)減振是在被動(dòng)隔振裝置的基礎(chǔ)上，串聯(lián)或并聯(lián)能提供滿(mǎn)足一定控制要求的作動(dòng)器，甚至用作動(dòng)器替代被動(dòng)隔振裝置的部分或全部元件，通過(guò)合理控制作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)，達(dá)到減振的效果。它特別適用于超低頻振動(dòng)和高精度的微振動(dòng)控制。主動(dòng)減振按形式可分為完全主動(dòng)控制和主被動(dòng)一體控制。但是由于完全主動(dòng)振動(dòng)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需消耗大量的能量，因而限制了它在工程中的實(shí)際應(yīng)用。近年來(lái)提出的基于智能材料與結(jié)構(gòu)的主被動(dòng)一體振動(dòng)控制結(jié)合主動(dòng)和被動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，既可以通過(guò)被動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)消耗系統(tǒng)的能量，又可以利用主動(dòng)控制系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定的控制效果，是目前振動(dòng)控制技術(shù)的研究熱點(diǎn)。［1］磁流變彈性體是磁流變材料的一個(gè)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(chǎng)下固化。這種材料在外加磁場(chǎng)強(qiáng)度變化時(shí)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(yīng)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(diǎn)，同時(shí)兼有磁流變材料的阻尼可控性、可逆性、響應(yīng)迅速等高技術(shù)特征。磁流變彈性體可應(yīng)用于汽車(chē)、火車(chē)等運(yùn)輸工具的減振系統(tǒng)中。［2］磁流變彈性體見(jiàn)圖1，磁流變彈性體隔振器外本文建立在與安徽微威橡膠減震技術(shù)有限公司合作基礎(chǔ)上，對(duì)磁流變彈性體勵(lì)磁控制電路進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出通過(guò)隔振系統(tǒng)的頻率變化來(lái)控制磁流變彈性體勵(lì)磁電流的實(shí)用電路。該電控系統(tǒng)可用于動(dòng)態(tài)環(huán)境下的車(chē)輛通過(guò)靜態(tài)磁流變彈性體恒流控制主動(dòng)減震系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)發(fā)電機(jī)進(jìn)行主動(dòng)性減震。

2系統(tǒng)性能要求

(1)要求對(duì)汽車(chē)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及爆震信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)單片機(jī)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的處理產(chǎn)生PWM脈沖控制信號(hào)。

(2)由單片機(jī)輸出的PWM脈沖控制信號(hào)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(duì)發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)性減震。

(3)要求電控系統(tǒng)反應(yīng)精度:0.2%(動(dòng)態(tài)精度＜0.5%);響應(yīng)時(shí)間＜0.5s。

3控制方法設(shè)計(jì)分析

控制變量、干擾量、控制途徑與控制要求的關(guān)聯(lián)性，制定、設(shè)計(jì)滿(mǎn)足實(shí)際工況要求的控制策略。采取分層遞階優(yōu)化控制策略，開(kāi)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(wèn)題，提高系統(tǒng)的安全性，具有較高的商品化推廣應(yīng)用前景。圖4是分層遞階優(yōu)化換擋控制策略方框圖，將車(chē)輛駕駛?cè)藛T的上層決策與發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化量和振動(dòng)加速度變化量結(jié)合，形成對(duì)下層控制的輸入量，從輸入量中提取頻率信息，并進(jìn)行決策優(yōu)化，控制電流的輸出跟隨，以改變發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性。

4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)勵(lì)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)或爆震加速度信號(hào)為輸入信號(hào)，輸出頻率范圍為5Hz－50Hz，對(duì)應(yīng)4缸發(fā)動(dòng)機(jī)而言，輸出轉(zhuǎn)速為600rpm～6000rpm。彈性體共振頻率與控制電流關(guān)系如圖6所示。

5系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

(1)轉(zhuǎn)速傳感器信號(hào)的處理電路設(shè)計(jì)

確定一種合適的轉(zhuǎn)速傳感器(模擬式或數(shù)字式)作為實(shí)施傳感器;根據(jù)轉(zhuǎn)速傳感器的形式，設(shè)計(jì)跟蹤濾波電路和信號(hào)處理電路。如果選擇模擬式轉(zhuǎn)速傳感器，需要設(shè)計(jì)模擬信號(hào)的跟蹤濾波處理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路和抗干擾保護(hù)電路;如果選擇數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器，則無(wú)需設(shè)計(jì)信號(hào)處理電路。該系統(tǒng)選用數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器。

(2)單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

主要任務(wù):①將傳感器傳送來(lái)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)(5Hz－50Hz);②單片機(jī)根據(jù)頻率信號(hào)，向控制電路發(fā)出PWM控制信號(hào)。設(shè)計(jì)內(nèi)容:①單片機(jī)的選型;系統(tǒng)選用AT89C51單片機(jī);②單片機(jī)與其它設(shè)備之間的硬件電路;單片機(jī)輸入接口與轉(zhuǎn)速傳感器之間的連接電路;單片機(jī)與車(chē)載電源之間的電源控制電路(電壓轉(zhuǎn)換芯片);單片機(jī)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

(3)控制電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)單片機(jī)輸出的控制信號(hào)通過(guò)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(hào)，送給后方的U/I轉(zhuǎn)換主電路。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括控制電路設(shè)計(jì)、電路中元器件的選取等，如圖7所示。

(4)主電路的設(shè)計(jì)

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

(5)電源控制電路的設(shè)計(jì)

主要任務(wù):實(shí)現(xiàn)12V和24V兩種直流電源共用一套控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電源控制電路圖設(shè)計(jì)、電路中元器件的選取等。如圖7所示。

(6)試驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)研發(fā)期間，采用函數(shù)發(fā)生器來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，對(duì)控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行調(diào)試，采用大功率電源(240W)代替汽車(chē)電瓶進(jìn)行試驗(yàn)，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(fù)載直流部分初步確定為3Ω進(jìn)行測(cè)試。

6系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)施方法

本控制系統(tǒng)先后采用了理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等研究方法。首先通過(guò)理論計(jì)算確定電路中各元器件的具體理論值;然后通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)選定的元器件參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證;最后將控制電路實(shí)物組建后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

7系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成果

通過(guò)對(duì)磁流變彈性體勵(lì)磁控制電路進(jìn)行研制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了以下成果:

(1)實(shí)現(xiàn)低通濾波，輸入信號(hào)的有效頻帶設(shè)置為5－50Hz。

(2)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)輸入信號(hào)的強(qiáng)弱，并自動(dòng)跟蹤強(qiáng)信號(hào)的頻率。

(3)實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)的輸出，脈寬實(shí)時(shí)跟蹤輸入信號(hào)頻率。

(4)通過(guò)實(shí)際電路的調(diào)試該電控系統(tǒng)反應(yīng)精度:0.4%(動(dòng)態(tài)精度＜0.6%);響應(yīng)時(shí)間＜0.6s，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn):

［1］徐鑒．振動(dòng)控制研究進(jìn)展綜述［J］．力學(xué)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(shè)計(jì)與振動(dòng)特性分析［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(11):70—71．

作者:馬衛(wèi)民 單位:安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院