CN101737450A - 智能磁流变减振系统 - Google Patents

Abstract

一种智能磁流变减振系统包括磁流变减振器、若干传感器、信号调理单元、信号处理器、主处理器和可控电流控制器模块。若干传感器采集磁流变减振器的振动信息；每一信号调理单元与一个传感器连接，所述信号调理单元对磁流变减振器的振动信息依次进行放大、滤波和电平转换。信号处理器对信号调理单元的信息进行频谱分析。主处理器处理结合存储在主处理器内的磁流变减振器的控制模型与控制策略对处理单元的信息进行处理。可控电流控制模块根据主处理器的处理结果改变输入磁流变减振器的电流值。本发明数据处理能力强，能很好的衔接硬件平台和软件平台。

Description

智能磁流变减振系统

技术领域

本发明涉及一种半主动阻尼减振系统，尤其涉及采用磁流变阻尼器来减振的智能磁流变减振系统。

背景技术

现代航空、航天、国防和电子等新技术的兴起，几乎带动所有工业技术的迅速发展。例如，汽轮机、水轮机和电机等动力机械，汽车、船舶、飞机等交通运输工具，航天发射器、武器发射系统、核电站保护装置等国防和武器系统等，都向着高速重载的方向发展，其振动问题已经日益成设计者们所面临的问题。车辆、飞机、导弹、舰艇以及自动武器通常在最恶劣的环境中工作，其对减振技术的要求最为迫切。

目前，国内市场车辆用减振器一般采用液力减振器(或充气式减振器)和机械调节方式，普遍存在的问题是“发硬”、“异响”、“漏油”三大难题，且存在结构复杂、响应速度慢、工作频带窄等缺陷。

为了解决上述问题，目前，出现磁流变减振系统。该系统利用磁流变减振器在零磁场条件下呈现出低粘度的特性，而在强磁场作用下，呈现出高粘度、低流动性的液体特性，从而，改变阻尼力，实现减振控制，但是，目前的磁流变减振系统都采用单片机或者DSP处理器，单片机或者DSP处理器的系统内部的资源有限，无法很好地衔接硬件和软件平台，而且，处理数据能力弱。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能磁流变减振系统，该系统能够很好的衔接硬件和软件平台，而且，数据处理能力强。

为解决上述问题，本发明的技术方案是：

一种智能磁流变减振系统包括磁流变减振器、若干传感器、信号调理单元、信号处理器、主处理器和可控电流控制器模块。若干传感器采集磁流变减振器的振动信息；每一信号调理单元与一个传感器连接，所述信号调理单元对磁流变减振器的振动信息依次进行放大、滤波和电平转换。信号处理器对信号调理单元的信息进行频谱分析、小波变换或冲击谱分析。主处理器处理结合存储在主处理器内的磁流变减振器的控制模型与控制策略对来自信号处理器的信息进行处理。可控电流控制模块根据主处理器的处理结果改变输入磁流变减振器的电流值。

可选地，当进行频谱分析不能反映被控对象的振动信息，所述信号处理器对信号调理单元的信息进行小波分析。

可选地，在振动信息中包含冲击载荷时，所述信号处理器对信号调理单元的信息进行冲击谱分析。

可选地，所述主处理器还包括CAN总线模块，该CAN总线模块交换上位机与主处理器的指令。

可选地，所述信号调理单元包括电荷-电压转换电路、信号放大电路、滤波电路及电平转换电路，电荷-电压转换电路、信号放大电路、滤波电路及电平转换电路依次级联，电荷-电压转换电路将所述传感器采集的电荷信号转换为电压信号，信号放大电路对电荷-电压转换电路的信号进行放大，滤波电路将信号中的混频信号消除，电平转换电路对滤波电路的信号进行电平转换。

可选地，所述可控电流控制模块包括电流比较放大电路，放大调整电路和电流取样电路，所述电流比较放大电路与主处理器连接，所述电流比较放大电路的输出端连接放大调整电路，所述电流取样电路与放大调整电路连接，所述磁流变减振器连接于电流取样电路的输出端。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明包括数据处理器和主处理器，因此，数据处理能力强，主处理器能够很好的衔接硬件平台和软件平台，而且，所述传感器采集振动信息后将振动信息传递给信号调理单元，所述信号调理单元对采集的信号进行滤波、放大和电平转换后传输给信号处理器，信号处理器对信号进行频谱分析、小波变换或者冲击谱分析后传输给主处理器，主处理器根据存储在主处理器内的磁流变减振器的控制模型与控制策略对信号处理器的信息进行处理后对可控电流控制模块输出控制信号。可控电流控制模块根据主处理器的处理结果改变输入磁流变减振器的电流值，使磁流变减振器中的磁流变液的流动特性发生变化，从而以百万分之一秒的频率连续不断地调节阻尼力的大小，实现对磁流变减振器的精确控制，可以用于豪华客车悬架减振技术，同时提升车辆的安全性和可靠性，提高驾驶平顺性，并使操作更精确、反应更迅速，实现车辆振动状态信息的交换；也可进一步用于飞机、舰艇、自动武器、军用车辆、土木工程结构及桥梁等的半主动振动控制以及不同振动控制方法的工程适用性评价。

2、主处理器模块包括CAN总线模块，CAN总线模块实现上位机与主处理器之间的通信，采样的振动信号和被控对象的状态信息可由CAN总线在主处理器以及被控对象其它电子单元间传输，使得本发明其具有良好的信息交换能力，主处理器具备CAN通讯模块连接于PC机，实现与基于PC机的DSPACE、Labview等测控系统连接，另外，利用CAN总线通讯模块可以随时将车辆或其它被控对象振动状态信息发送到监控中心、显示器和远程监控器，使得主处理器模块能很好的衔接硬件平台。

3、所述信号调理单元包括电荷-电压转换电路、信号放大电路、滤波电路及电平转换电路，这样，使得信号处理器接受的信号不受干扰，保证控制的精度与可靠性。

4、所述可控电流控制模块包括电流比较放大电路，放大调整电路，电流取样电路，这样，这样可以通过上位机控制处理器来改变电流比较放大电路同相输入端的基准值来调节电流的变化，控制方便、容易。

附图说明

图1是本发明智能磁流变减振系统的原理框图；

图2是本发明智能磁流变减振系统的磁流变减振器的结构示意图；

图3是本发明智能磁流变减振系统的信号调理单元的结构示意图；

图4是本发明智能磁流变减振系统的可控电流控制模块的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本实施例中，智能磁流变减振系统包括磁流变减振器1、若干传感器2、信号调理单元20、信号处理器30、主处理器40和可控电流控制器模块50。该智能磁流变减振系统用于控制被控对象7，被控对象7可以是车辆、土木工程结构、桥梁等。

请参阅图2，本实施例中，磁流变减振器1包括缸筒8、活塞杆1、活塞3、导向套7、前后两个密封塞14、9以及前后端盖15、10。活塞杆1是轴线处有一细长线圈引孔2的细长杆。活塞3中间也设置一个线圈引孔5，它的外侧有三个并排的环形绕线槽13。导向套7对活塞3起导向作用；前后两个密封塞14、9能够起到很好的密封作用，而前后两个端盖15、10紧固缸筒8，使之能够承受很大的冲击力。漆包线由活塞杆1中心的线圈引孔2和活塞3中心的线圈引孔5进入，并从绕线槽4伸出缠绕形成三级电磁线圈，从第三级线圈处返回线圈引孔5，从而形成闭合回路。密封盖6密封活塞内部的线圈引孔5。活塞3和缸筒8之间是一环形间隙，磁流变液11充满整个缸筒8内部，只在三级电磁线圈处产生磁流变效应。当然，本发明的磁流变减振器还可以采用其他类型的磁流变减振器，这里，只是为了方便后续说明智能磁流变减振系统的工作原理而采用的一种长行程磁流变减振器。

所述传感器安装在磁流变减振器1上(图中未示)，在本实施例中，所述传感器包括位移传感器、速度传感器、加速度传感器和压力传感器。

请参阅图1和图3，所述信号调理单元20的数量与传感器2的数量一致，也就是说，每一信号调理单元20连接有一传感器2。信号调理单元20包括电荷-电压转换电路201、信号放大电路202、滤波电路203及电平转换电路204。电荷-电压转换电路201、信号放大电路202、滤波电路203及电平转换电路204依次级联，其中，所述电荷-电压转换电路201与一个传感器连接。

请参阅图3，所述电荷-电压转换电路201包括电容C2、电容C3、电阻R1、电容C4、电阻R2、运算放大器、电容C1和电阻R3。电容C2、电容C3、电阻R1、电容C4、电容C2的两端分别连接于运算放大器的同相输入端和反向输入端。电阻R3和电容C1并联且其两端分别连接于运算放大器的同相输入端和输出端。在该电路中，电容C2代表传感器本身的电容，电容C3代表从传感器至信号调理单元20的电缆的电容，电容C4、电阻R2、电容C1、电阻R3和运算放大器构成一个具有深度负反馈的高增益放大电路，该放大电路将电荷转换为电压，电荷-电压转换电路配接电容C2一般为数千pF，1/2R2C4决定传感器低频下限，电容C1为反馈电容。在该图中，电荷与输出电压满足的关系为U＝Q/C1。

请继续参阅图3，信号放大电路202包括串联的两级放大电路，第一级放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3和放大器U1A，其中，电阻R1的一端连接运算放大器U1A的输出端，电阻R2连接在放大器U1A的反向输入端和输出端，电阻R3连接在放大器U1A的同相输入端和地之间。第二级放大电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6和放大器U1B，其中电阻R4连接在放大器U1A的输出端，电阻R5连接在放大器U1B的同相输入端和地之间，电阻R6为可调电阻，电阻R6的两端分别连接在放大器U1B的方向输入端和输出端之间。在图3中，第一级信号放大电路的增益为

第二季信号放大电路的增益为

所以，图3的信号放大电路202的整个增益为

也就是，当图3的信号放大电路202能够将电荷-电压转换电路201的电压信号放大

倍。

请继续参阅图3，滤波电路203包括电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、R10、R11、电容C1、电容C2、放大器U2A、电容C3、电容C4、电阻R12、电阻R13、电阻R14、电阻R15。其中，电阻R6和电阻R7串联且连接在放大器U2A的同相输入端和信号放大电路202的输出端。电容C1一端连接在电阻R6和电阻R7之间，另外一端连接在放大器U2A的输出端。电容C2连接在放大器U2A的同相输入端和地之间。电阻R8连接在放大器U2A的反相输入端与地之间。电阻R9连接在放大器U2A的输出端和正相输入端之间且与电阻R8连接。电阻R10、电阻R11串联在运算器U2A的输出端电容C3和电容C4串联后连接在放大器U2B的正相输入端和电阻R10的可调端，电阻R13一端连接在电容C3和电容C4之间，另外一端连接在放大器U2B的输出端，电阻R12连接在放大器U2B的正相输入端和地之间.电阻R14连接在放大器U2B的反相输入端和地之间。电阻R15连接在放大器U2B的输出端和反相输入端之间。在该图中，所述滤波电路203为两级有源滤波电路，第一级为二阶低通有源滤波电路，第二级为二阶高通有源滤波电路，来自信号放大电路202的电压信号输入滤波电路203后，经过第一级低通滤波器，该低通滤波器信号截止频率为

通带增益为

然后经过第二级高通滤波器，该高通滤波器信号截止频率为

通带增益为

请继续参阅图3，所述电平转换电路204包括放大器U3A、电阻R8、电阻R7、放大器U3B、电阻R9和电容C5，放大器U3A的正相输入端与滤波电路203的输出端连接，放大器U3A的反相输入端与放大器U3A的输出端连接，放大器U3A的输出端通过电阻R7与放大器U3B的正相输入端连接，放大器U3B还连接有电阻R8，电阻R8连接有VEF，放大器U3B的反相输入端与输出端连接，电阻R9一端与放大器U3B的输出端连接，另外一端连接有第一二极管的正极和第二二极管的负极，第一二极管的负极连接有电源VCC，第二二极管的正极接地，电容C5连接在第二二极管的正极和负极之间，电平转换电路204用以将来自滤波电路203得电压信号的电平转化为信号处理器30所需的电平，比如0-0.3V。

请参阅图3，信号处理器30在本实施例中采用DSP处理器，比如，TI公司的TMS320281232位DSP处理器。在该实施例中，信号处理器30拥有工作频率达150MHz的32位DSP内核处理器，每秒中可以执行15亿条指令(150MIPS)，单周期完成一条32bitx32bit MAC(或两条16bitx16bit MAC)指令，极快的中断响应，具有多个标准的通信接口，简化了与其它器件的接口，可以很方便地实现诸如AD采样、PWM输出、非屏蔽中断、脉冲测量等功能。信号处理器30可以高效可靠地实现诸如自适应控制、卡尔曼滤波和状态控制等先进控制技术。

请参阅图3，主处理器40在本实施例中采用ARM处理器，所述主处理器40包括有最小扩展系统如CPU芯片S3C44B0、SDRAM、FLASH、电源模块、复位电路模块，键盘模块和液晶显示模块。所述主处理器40处理信号处理器30传输来的信号并将处理结果通过液晶显示模块显示，所述键盘模块可完成文档处理和人机接口任务，包括参数设置、控制模式选择、采样方式选择等。

请参阅图1和图4，可控电流控制器模块50包括电流比较放大电路，放大调整电路，电流取样电路。所述电流比较放大电路包括芯片IC和电容C1。放大调整电路包括晶体管V1、晶体管V2、电阻R1、电阻R2、晶体管V4和晶体管V5，其中，晶体管V1、晶体管V2、电阻R1和电阻R2构成放大电路，晶体管V4和晶体管V5组成调整电路。电流取样电路包括电阻R4、电阻R5、电阻R6和电阻R7，在图4中，电感L和电阻R9是磁流变阻尼器的简化的电感和电阻，C2、C3电容主要起到滤波与稳压的作用；当磁流变阻尼器的输入电压为零，R8和V6在回路电感的作用下导通，构成续流回路。所述电流比较放大电路的输出端连接放大调整电路的放大电路，放大电路的输出端与调整电路连接，所述调整电路的输出端与电流取样电路连接，所述磁流变减振器连接于电流取样电路的输出端。如图4所示，可控电流控制器模块50的工作过程是：该可控电流控制器模块50接收处理器40的PWM信号，经过电位器PRA1和PRA2后输入到运算放大器IC的同相端，电位器PRA1和PRA2将控制信号由PWM电压信号转变成为电流信号并实现电流信号幅值大小的手动调节，由R4、R5、R6和R7组成电流取样电路将实际输出的电流信号作为反馈信号输入到运算放大器IC的反向输入端；电流比较放大电路IC比较所述实际输出的电流与经过PRA1和PRA2B变换后的电流信号，比较后，电流比较放大电路IC输出电压信号，该电压信号经过两级共射级放大电路V1和V2实现电压信号的放大，二极管V3用以代替V2的基极电阻，R1位为V2发射级，经过V2放大后又作为V1的基极电压信号；V4和V5为两个并联的三极管电路，其用以调整电路中的电压信号，使其满足最后所需的输出电流大小。最后的输出电流输至电感L和电阻R9，从而，实现电流的调节。

在驱动电源中，电流比较放大电路的运算放大器的反相端电压高低反映了输出电流的大小，反相端电压是通过输出电流流过电流取样电路产生的电压降，当主处理器给出的控制电压改变时，比较放大电路同相输入端的基准值随之变化，比较放大电路输出电压也会随之变化，电流取样电路的电压降变化，从而改变恒定的输出电流值。这样可以通过计算机控制来改变电流比较放大电路同相输入端的基准值来调节电流的变化。

请参阅图1至图4，本实施例的工作过程如下：

在正常情况下，绕线槽121中的电磁线圈中没有电流，缸筒8内部的磁流变液是液体状态，活塞3处于缸筒8的底部。当被控对象7受力时，被控对象7向外拉活塞杆1，缸筒8内部的磁流变液在活塞杆1和活塞3的挤压下向后腔快速流动，同时，设置在磁流变减振器1上的传感器基于压电效应将振动信息转换为电荷，然后将电荷信号传输至信号调理单元20的电荷-电压转换电路201，电荷-电压转换电路201将电荷信息转化为电压信号，由于美伊信号调理单元20连接一个传感器，所以，所有传感器的电荷都能通过电荷-电压转换电路201转换为电压信号，这里，仅仅以其中一个传感器为例说明。电压信号被传输至信号放大电路202，经过放大后传输至滤波电路203，滤波电路203将电压信号中的混频信号滤掉，然后将电压信号传输至电平转换电路35，电平转换电路35改变电压信号的电平从而使得该电平与信号处理器30的输入电平相适应。信号处理器30对接收的电压信号通过傅里叶变换实现频谱分析，当进行频谱分析不能反映被控对象的振动信息，所述信号处理器30还需要对信号调理单元20的信息进行小波分析，如果在振动信息中包含冲击载荷时，所述信号处理器30还需要对信号调理单元20的信息进行冲击谱分析。经过信号处理器30处理后的信息传递给主处理器40，所述主处理器40根据信号分析的情况调用指定的控制策略运算，将运算得到的控制信号通过PWM波转换输入至可控电流控制模块6的输入端，可控电流控制模块6将所述主处理器40的电压信号调整为所需要的电流后，通过电流取样电路向磁流变减振器1传输电流，当磁流变液流经活塞3和缸筒8之间的环形间隙时，通过电流取样电路向磁流变减振器1输出的电流使得电磁线圈通电产生磁场，使得在此环形间隙之间的磁流变液产生磁流变效应，磁流变液由液态转化为类固态，液体的粘度发生变化，阻止活塞杆1向前运动。

以上所述仅仅是本发明的优选实施方式，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进或者润饰也应该视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种智能磁流变减振系统，其特征在于：包括磁流变减振器、位移传感器、速度传感器、加速度传感器、压力传感器、信号调理单元、信号处理器、主处理器和可控电流控制器模块；

加速度传感器安装在被控对象上，位移传感器、速度传感器以及压力传感器安装在磁流变减振器上，位移传感器、速度传感器、加速度传感器和压力传感器采集相关被控对象的振动信息；

每一信号调理单元与一个传感器连接，所述信号调理单元对磁流变减振器的振动信息依次进行放大、滤波和电平转换；

信号处理器对信号调理单元的信息进行频谱分析；

主处理器结合存储在主处理器内的磁流变减振器的控制模型与控制策略对信号处理器传输来的信息进行处理；主处理器根据处理结果改变可控电流控制模块输入磁流变减振器的电流值。

2.如权利要求1所述的智能磁流变减振系统，其特征在于：当进行频谱分析不能反映被控对象的振动信息，所述信号处理器对信号调理单元的信息进行小波分析。

3.如权利要求1所述的智能磁流变减振系统，其特征在于，在振动信息中包含冲击载荷时，所述信号处理器对信号调理单元的信息进行冲击谱分析。

4.如权利要求1所述的智能磁流变减振系统，其特征在于：所述主处理器还包括CAN总线模块，该CAN总线模块交换上位机与主处理器的指令。

5.如权利要求1所述的智能磁流变减振系统，其特征在于：所述信号调理单元包括电荷-电压转换电路、信号放大电路、滤波电路及电平转换电路，电荷-电压转换电路、信号放大电路、滤波电路及电平转换电路依次级联，电荷-电压转换电路将所述传感器采集的电荷信号转换为电压信号，信号放大电路对电荷-电压转换电路的信号进行放大，滤波电路将信号中的混频信号消除，电平转换电路对滤波电路的信号进行电平转换。

6.如权利要求1所述的智能磁流变减振系统，其特征在于：所述可控电流控制模块包括电流比较放大电路，放大调整电路和电流取样电路，所述电流比较放大电路与主处理器连接，所述电流比较放大电路的输出端连接放大调整电路，所述电流取样电路与放大调整电路连接，所述磁流变减振器连接于电流取样电路的输出端。

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