CN102518737B - 一体化智能磁流变阻尼器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一体化智能磁流变阻尼器及其控制方法，涉及一体化磁流变阻尼器，为了解决传统半主动控制系统采用集中控制方式，系统以及MRD的控制模型集成于系统控制器中，这加重了系统控制器的负担；传统集中控制方法在解决信号长距离传输的能力有限，制约了MRD在半主动振动控制系统中的应用的问题，它包括MRD适配器和集成传感式MRD，MRD适配器由电源单元、通讯单元、运算控制单元、电流驱动器和信号调理单元组成，电源单元的输出端分别连接在通讯单元的电源输入端、运算控制单元的电源输入端和电流驱动器的电源输入端，集成传感式MRD由剪切阀式MRD、后盖、LVDT线性位移传感器主次级线圈和LVDT动铁芯组成。用于卫星整星隔振器。

Description

一体化智能磁流变阻尼器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一体化磁流变阻尼器。

背景技术

磁流变阻尼器(缩写为MRD)具有结构简单、阻尼力连续可调、响应快、出力大、而且耗能小、可靠性高等优点。在半主动隔振领域，MRD是一种广泛应用的执行器件。

在采用磁流变阻尼器进行半主动控制时，其精确的力学模型是获得良好控制效果的前提。由于磁流变液的强非线性，以及MRD结构的差异性，建立统一的MRD控制模型不太容易。传统的半主动控制系统在考虑MRD控制模型时，先建立MRD唯像的数学模型，即：阻尼力与速度、电流、温度等的函数，再通过实际MRD的动力特性实验数据，拟合出数学模型中的若干个参数，从而得到实际MRD的数学模型；控制系统将实际MRD的数学模型整合在控制算法中完成。

由于传统的半主动控制系统采用集中控制方式，系统以及MRD的控制模型集成于系统控制器中，这加重了系统控制器的负担；特别是高频振动的隔离控制，对控制系统响应速度和控制精度要求较高，同时对于大型结构，各MRD的分布距离相对较远，传统集中控制方法在解决信号长距离传输的能力有限，这些都制约了MRD在半主动振动控制系统中的应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统的半主动控制系统采用集中控制方式，系统以及MRD的控制模型集成于系统控制器中，这加重了系统控制器的负担；传统集中控制方法在解决信号长距离传输的能力有限，制约了MRD在半主动振动控制系统中的应用的问题，提供一种一体化智能磁流变阻尼器及其控制方法。

一体化智能磁流变阻尼器，它包括MRD适配器和集成传感式MRD，所述MRD适配器由电源单元、通讯单元、运算控制单元、电流驱动器和信号调理单元组成，电源单元的输出端分别连接在通讯单元的电源输入端、运算控制单元的电源输入端、电流驱动器的电源输入端和信号调理单元的电源输入端，通讯单元的控制阻尼力数据交换端连接在运算控制单元的数据交换端，运算控制单元的控制电流信号输出端连接在电流驱动器的控制信号输入端，电流驱动器的驱动电流输出端连接在集成传感式MRD的驱动电流输入端，集成传感式MRD的信号输出端连接在信号调理单元的信号输入端，信号调理单元的信号输出端连接在运算控制单元的状态信号输入端；

所述集成传感式MRD由剪切阀式MRD、后盖、LVDT线性位移传感器主次级线圈和LVDT动铁芯组成；后盖为桶底中心带有通孔的圆桶，后盖与剪切阀式MRD的缸体内径相同，后盖的开口端与剪切阀式MRD的缸体后端固接连接，且后盖与所述缸体同轴，LVDT线性位移传感器主次级线圈为圆环形，所述LVDT线性位移传感器主次级线圈固定在后盖的内侧壁上，且紧邻该后盖的桶底，LVDT动铁芯固接在剪切阀式MRD的非受力杆的端部，剪切阀式MRD的感应线圈的驱动电流输入端为集成传感式MRD的驱动电流输入端，LVDT线性位移传感器主次级线圈的信号输出端为集成传感式MRD的信号输出端。

一体化智能磁流变阻尼器的控制方法为：所述MRD适配器采用通讯中断的方式接收通讯单元发送的控制指令，并在通讯中断过程中，更新控制阻尼力，具体过程为：MRD适配器读取通讯单元发送的数据，所述数据为控制阻尼力Fc；所述MRD适配器比较控制阻尼力Fc与存储的控制阻尼力Fcl，如果不同，将控制阻尼力Fc赋值给存储的控制阻尼力Fcl；

MRD适配器采用定时中断的方式通过信号调理单元读取LVDT线性位移传感器测量获得的磁流变阻尼器的阻尼杆的相对位移X，并采用力传感器获得磁流变阻尼器的实际阻尼力F；

所述一体化智能磁流变阻尼器的控制过程为：

运算控制单元判断获得的实际阻尼力F与存储的控制阻尼力Fc1是否相同，若不同，则根据相对位移X和实际阻尼力F、以及磁流变阻尼器的三维表，采用查表法和二维插值法求得对应的电流值I0，然后根据该电流值I0发送控制电流信号给电流驱动器，所述电流驱动器驱动磁流变阻尼器的控制线圈的驱动电流为I0。

本发明提出一种分散式控制模式，并设计一种智能MRD，将位移传感器与MRD设计为一体，同时每个MRD配备有MRD适配器，MRD适配器负责处理各自MRD的状态监控、输出阻尼力解耦控制、以及电流驱动工作，系统控制器由传统集中控制方法的控制每个MRD变成通过CAN总线向智能MRD发送动作指令，这样就能减轻系统控制器60%的负担，从而提高控制系统的响应速度和控制精度。同时智能MRD与CAN总线之间采用数字通讯接口，有效解决了控制信号长距离传输中的干扰和失真问题。

附图说明

图1为一体化智能磁流变阻尼器的组成示意图，图2为MRD适配器通讯单元示意图，图3为集成传感式MRD的剖面视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一体化智能磁流变阻尼器包括MRD适配器2和集成传感式MRD3，所述MRD适配器2由电源单元2-1、通讯单元2-2、运算控制单元2-3、电流驱动器2-4和信号调理单元2-5组成，电源单元2-1的输出端分别连接在通讯单元2-2的电源输入端、运算控制单元2-3的电源输入端、电流驱动器2-4的电源输入端和信号调理单元2-5的电源输入端，通讯单元2-2的控制阻尼力数据交换端连接在运算控制单元2-3的数据交换端，运算控制单元2-3的控制电流信号输出端连接在电流驱动器2-4的控制信号输入端，电流驱动器2-4的驱动电流输出端连接在集成传感式MRD3的驱动电流输入端，集成传感式MRD3的信号输出端连接在信号调理单元2-5的信号输入端，信号调理单元2-5的信号输出端连接在运算控制单元2-3的状态信号输入端；

所述集成传感式MRD3由剪切阀式MRD3-4、后盖3-1、LVDT线性位移传感器主次级线圈3-2和LVDT动铁芯3-3组成；后盖3-1为桶底中心带有通孔的圆桶，后盖3-1与剪切阀式MRD3-4的缸体内径相同，后盖3-1的开口端与剪切阀式MRD3-4的缸体后端固接连接，且后盖3-1与所述缸体同轴，LVDT线性位移传感器主次级线圈3-2为圆环形，所述LVDT线性位移传感器主次级线圈3-2固定在后盖3-1的内侧壁上，且紧邻该后盖3-1的桶底，LVDT动铁芯3-3固接在剪切阀式MRD3-4的非受力杆的端部，剪切阀式MRD3-4的感应线圈的驱动电流输入端为集成传感式MRD3的驱动电流输入端，LVDT线性位移传感器主次级线圈3-2的信号输出端为集成传感式MRD3的信号输出端。

本发明的集成传感式MRD3：集成传感式MRD3工作部分采用现有剪切阀式MRD3-4的工作形式，即活塞与缸筒之间存在间隙环，如附图3所示，活塞往复运动时，磁流变液在间隙环中间流动，线圈沿轴向绕于活塞上，产生的磁路沿径向通过间隙环，与磁流变液流动方向垂直。为保证阻尼器的可靠性，将LVDT线性位移传感器及其信号调理电路集成于阻尼器的后端的腔体内。这样即可以减小阻尼器附属结构尺寸，也可以提高传感器的抗干扰能力。

MRD适配器2所需的状态量主要有三个：MRD的相对位移、MRD的输出阻尼力和MRD的输入电流，MRD的相对位移采用LVDT线性位移传感器测得，其信号调理单元电路选用AD689作为主控芯片，输出电压范围0-5V；MRD的输出阻尼力采用压电式力传感器测得，通过相应放大电路，输出电压范围0-5V，其中2.5V为阻尼力零点；MRD输入电流通过在回路中串接检流电阻，将其两端电压通过放大电路调整至0-5V范围。

MRD适配器2中的电源单元2-1负责将电网电压转换为各模块所需的电压，电源单元2-1能提供5V、±12V和大电流5～9V可调的电源，其中5V电源为通讯单元2-2供电，±12V电源为MRD适配器2供电，大电流5～9V可调的电源为电流驱动器2-4供电；通讯单元2-2负责接收系统控制器连接器的控制指令，并转给运算控制单元2-3；运算控制单元2-3根据控制指令以及MRD当前状态(包括位移及阻尼力)，通过控制算法计算出所需控制电流值，最后通过电流驱动器2-4驱动集成传感式MRD3；集成传感式MRD3的状态利用LVDT传感器以及力传感器监测，并通过信号调理单元2-5反馈给运算控制单元2-3。

具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述一体化智能磁流变阻尼器的通讯单元2-2的进一步限定，所述通讯单元2-2由CAN总线驱动器、高速光耦合器和CAN总线控制器组成，CAN总线驱动器的总线数据端连接在CAN总线上，CAN总线驱动器的光耦合数据端连接在高速光耦合器的驱动器数据端，高速光耦合器的控制器数据端连接在CAN总线控制的光耦合数据端，CAN总线控制器的运算控制数据端连接在运算控制单元2-3的数据输入端。

系统控制器负责CAN总线控制器的初始化，系统控制器通过控制CAN总线控制器实现数据的接收和发送等通讯任务；

集成传感式MRD3与上位系统控制器采用CAN总线通讯协议，在硬件上采用独立CAN总线控制器SJA1000、CAN总线驱动器82C250和高速光耦合器ADuM1201作为主要器件。SJA1000与系统控制器的处理器或MRD控制器并口连接，控制器负责SJA1000的初始化，通过控制SJA1000实现数据的接收和发送等通讯任务。为增强CAN总线节点的抗干扰能力，SJA1000的TX0和RX0通过高速光耦ADuM1201后与82C250的TXD和RXD相连，以实现总线上各CAN节点的电气隔离。

具体实施方式三：具体实施方式一或二所述的一体化智能磁流变阻尼器的控制方法为：

所述MRD适配器2采用通讯中断的方式接收通讯单元2-2发送的控制指令，并在通讯中断过程中，更新控制阻尼力，具体过程为：MRD适配器2读取通讯单元2-2发送的数据，所述数据为控制阻尼力Fc；所述MRD适配器2比较控制阻尼力Fc与存储的控制阻尼力Fcl，如果不同，将控制阻尼力Fc赋值给存储的控制阻尼力Fcl；

MRD适配器2采用定时中断的方式通过信号调理单元2-5读取LVDT线性位移传感器测量获得的磁流变阻尼器的阻尼杆的相对位移X，并采用力传感器获得磁流变阻尼器的实际阻尼力F；

所述一体化智能磁流变阻尼器的控制过程为：

运算控制单元2-3判断获得的实际阻尼力F与存储的控制阻尼力Fc1是否相同，若不同，则根据相对位移X和实际阻尼力F、以及磁流变阻尼器的三维表，采用查表法和二维插值法求得对应的电流值I0，然后根据该电流值I0发送控制电流信号给电流驱动器2-4，所述电流驱动器2-4驱动磁流变阻尼器的控制线圈的驱动电流为I0。

所述磁流变阻尼器的三维表是采用实验的方法获得的该测得的磁流变阻尼器的位移、阻尼力和控制电流的表格。

本实施方式所述的控制方法，可以采用运算控制单元2-3的内部嵌入有控制软件模块实现，例如：所述控制软件模块的控制流程为：首先是对MRD适配器2初始化、对程序各参数赋初值，对总线控制器初始化：设定总线控制器的验收滤波器以及定时参数和中断设置；初始化完成，当总线控制器接收到上位系统发送的控制指令后，向MRD适配器2申请中断，MRD适配器2调用中断函数，将总线控制器接收到的数据读取出来，并赋值给控制程序中的变量Fc，Fc为阻尼力；比较Fc与上一次的Fcl，如果不同，即期望阻尼力发生了变化，将Fc值赋给Fcl并判断Fc是否与实际阻尼力F相同，所述实际阻尼力F采用力传感器测量得到，若不同则根据LVDT测量获得的MRD相对位移X以及Fc，查电流、阻尼力和位移构成的三维表，所述三维表从实验测得的二维数据表中插值求得，查表得到输出电流初值I0，采用电流控制阻尼器的线圈电流，将电流初值I0赋值给控制电流Ic，进入阻尼力控制循环；在阻尼力控制循环内先将控制电流Ic通过并口输出至电流驱动器2-4产生相应电流驱动MRD，接着测试并更新MRD的相对位移X和实际阻尼力F，比较F与Fc，若不一致，则根据相应控制策略(PID、滑模或者微分几何反馈控制)，重新计算控制电流Ic；判断是否有新指令，若无则将Ic通过并口输出至电流驱动器产生相应电流驱动MRD，重复阻尼力控制循环。

控制程序中包括两个中断程序：总线控制器接收中断和定时发送MRD状态中断程序；如前面所述，当总线控制器接收到总线传送的控制力指令后，向MRD适配器2申请中断，若通过则进入中断服务程序，将总线控制器接收的数据通过并口读入MRD适配器2中，并根据预设的数据格式，解析出预期阻尼力，存入Fc变量中，同时将Flag设置为有新指令状态；定时发送MRD状态程序是利用MRD适配器2内部时钟中断资源，设定一固定时间点，将MRD的状态，如相对位移X、实际阻尼力F和当前电流值Ic，发送给总线控制器，并传送至总线上。

对MRD解耦控制的核心在于建立MRD的数学模型。由于建立MRD准确数学模型难度较大，目前国内外也有不少学者在研究MRD的数学模型。本发明采用预估加解耦反馈控制的方法，对MRD的阻尼力进行解耦控制，具体方法：针对实际MRD进行动力特性实验，即在不同电流下测试其输入位移与输出阻尼力之间的关系；从实验数据中提取出样本数据，即一个周期内不同电流情况下的输入位移与输出阻尼力关系曲线。MRD适配器在接收到新的预期阻尼力后，先通过这些关系曲线预估出可能电流值，并输出至电流驱动器产生相应电流以驱动MRD，同时测试MRD的状态包括相对位移和实际阻尼力，根据实际阻尼力与预期阻尼力之间的差值，利用反馈控制策略计算新的输出电流值。从而达到精确控制MRD阻尼力的目的。

Claims (3)

1.一体化智能磁流变阻尼器，其特征是它包括MRD适配器(2)和集成传感式MRD(3)，所述MRD适配器(2)由电源单元(2-1)、通讯单元(2-2)、运算控制单元(2-3)、电流驱动器(2-4)和信号调理单元(2-5)组成，电源单元(2-1)的输出端分别连接在通讯单元(2-2)的电源输入端、运算控制单元(2-3)的电源输入端、电流驱动器(2-4)的电源输入端和信号调理单元(2-5)的电源输入端，通讯单元(2-2)的控制阻尼力数据交换端连接在运算控制单元(2-3)的数据交换端，运算控制单元(2-3)的控制电流信号输出端连接在电流驱动器(2-4)的控制信号输入端，电流驱动器(2-4)的驱动电流输出端连接在集成传感式MRD(3)的驱动电流输入端，集成传感式MRD(3)的信号输出端连接在信号调理单元(2-5)的信号输入端，信号调理单元(2-5)的信号输出端连接在运算控制单元(2-3)的状态信号输入端；

所述集成传感式MRD(3)由剪切阀式MRD(3-4)、后盖(3-1)、LVDT线性位移传感器主次级线圈(3-2)和LVDT动铁芯(3-3)组成；后盖(3-1)为桶底中心带有通孔的圆桶，后盖(3-1)与剪切阀式MRD(3-4)的缸体内径相同，后盖(3-1)的开口端与剪切阀式MRD(3-4)的缸体后端固接连接，且后盖(3-1)与所述缸体同轴，LVDT线性位移传感器主次级线圈(3-2)为圆环形，所述LVDT线性位移传感器主次级线圈(3-2)固定在后盖(3-1)的内侧壁上，且紧邻该后盖(3-1)的桶底，LVDT动铁芯(3-3)固接在剪切阀式MRD(3-4)的非受力杆的端部，剪切阀式MRD(3-4)的感应线圈的驱动电流输入端为集成传感式MRD(3)的驱动电流输入端，LVDT线性位移传感器主次级线圈(3-2)的信号输出端为集成传感式MRD(3)的信号输出端。

2.根据权利要求1所述一体化智能磁流变阻尼器，其特征在于通讯单元(2-2)由CAN总线驱动器、高速光耦合器和CAN总线控制器组成，CAN总线驱动器的总线数据端为通讯单元(2-2)的外部连接端口，与CAN总线连接，CAN总线驱动器的数据端连接在高速光耦合器的光隔离信号输入输出端，高速光耦合器的隔离后的信号输入输出端连接在CAN总线控制器的串行数据端，CAN总线控制器的数据输入输出端连接在运算控制单元(2-3)的数据输入输出端。

3.权利要求1或2所述的一体化智能磁流变阻尼器的控制方法，其特征在于，所述MRD适配器(2)采用通讯中断的方式接收通讯单元(2-2)发送的控制指令，并在通讯中断过程中，更新控制阻尼力，具体过程为：MRD适配器(2)读取通讯单元(2-2)发送的数据，所述数据为控制阻尼力Fc；所述MRD适配器(2)比较控制阻尼力Fc与存储的控制阻尼力Fc1，如果不同，将控制阻尼力Fc赋值给存储的控制阻尼力Fc1；

MRD适配器(2)采用定时中断的方式通过信号调理单元(2-5)读取LVDT线性位移传感器测量获得的磁流变阻尼器的阻尼杆的相对位移X，并采用力传感器获得磁流变阻尼器的实际阻尼力F；

所述一体化智能磁流变阻尼器的控制过程为：

运算控制单元(2-3)判断获得的实际阻尼力F与存储的控制阻尼力Fc1是否相同，若不同，则根据相对位移X和实际阻尼力F、以及磁流变阻尼器的三维表，采用查表法和二维插值法求得对应的电流值IO，然后根据该电流值IO发送控制电流信号给电流驱动器(2-4)，所述电流驱动器(2-4)驱动磁流变阻尼器的控制线圈的驱动电流为IO。

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