CN112610643B - 具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器及其驱动电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器及其驱动电路，包括阻尼器输出轴、阻尼叶片、阻尼器外壳和励磁线圈，所述阻尼器输出轴在其纵向方向上设有至少两个立柱，每个立柱上均设有一齿形盘，每个齿形盘上方均设有扭矩传感器。本发明通过在阻尼器输出轴上设置立柱和齿形盘，在输出轴进行转动时，由于扭矩传感器与齿形盘的齿和齿间气隙的磁导率交替变化，导致两扭矩传感器中产生固定相位差的感应电动势；当输出轴承受一定的扭矩作用时，由于弹性扭转变形会使得两齿形盘产生一定的扭转角，从而导致两扭矩传感器产生的感应电动势的相位差发生改变，通过相位差的变化即可求得输出扭矩的大小。
Description
技术领域
本发明涉及阻尼器领域，特别涉及一种具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器及其驱动电路。
背景技术
磁流体是一种新型的功能材料，是由直径在纳米级的铁磁颗粒、基载液和表面活性剂三者混合组成的稳定的胶状液体；由于其特殊的成分构成，在无外界磁场作用时表现为无磁性和低的剪切屈服应力，在外界磁场作用下表现为高磁性和较高的屈服应力，随着磁场的增加其剪切屈服应力也增加，宏观上呈现出宾汉姆流体特征。正因其剪切屈服应力随外界磁场可变的特征，磁流体在流体密封、可调阻尼器、机械动力传动、机器人关节驱动、声光显示等领域有着广泛的应用前景。
在机械传动、机器人驱动领域应用的旋转式磁流体阻尼器通过改变励磁磁场强度来调整旋转阻尼力矩大小，可实现动力传动的制动、机械传动链路的切换或者调节机器人关节的阻尼特性。但由于磁流体阻尼器制造过程中部件结构的离散性、磁流体特性的离散性和非线性、磁路结构的离散性等因素导致输出阻尼力矩与励磁线圈的励磁电流之间的关系与理论值出现偏差，阻尼器实际输出力矩偏离了预定的输出力矩值。目前尚无具有输出扭矩反馈调节功能的磁流体旋转阻尼器的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器及其驱动电路，通过在旋转磁流变阻尼器输出轴集成磁电式力矩传感器实时测量阻尼器输出力矩大小，并将该力矩大小转换成对应的线圈电流值与设定的线圈电流值进行比较，根据比较值的大小调整线圈电流值使得阻尼器实际输出力矩追踪给定力矩值。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器，包括阻尼器输出轴、阻尼叶片、阻尼器外壳和励磁线圈，所述阻尼器输出轴在其纵向方向上设有至少两个立柱，每个立柱上均设有一齿形盘，每个齿形盘上方均设有扭矩传感器。
与现有技术相比，本发明的优点在于：通过在阻尼器输出轴上设置立柱和齿形盘，在输出轴进行转动时，由于扭矩传感器与齿形盘的齿和齿间气隙的磁导率交替变化，导致两扭矩传感器中产生固定相位差的感应电动势；当输出轴承受一定的扭矩作用时，由于弹性扭转变形会使得两齿形盘产生一定的扭转角，从而导致两扭矩传感器产生的感应电动势的相位差发生改变，通过相位差的变化即可求得输出扭矩的大小。
优选的，所述阻尼叶片包括动叶片和静叶片，所述动叶片与阻尼器输出轴连接，所述静叶片与阻尼器外壳连接，所述动叶片与静叶片之间填充有磁流变液。
优选的，所述励磁线圈设置于阻尼叶片的径向外侧，并通过一励磁线圈座与阻尼器外壳固定。这样，励磁线圈通电之后产生磁场从而调节磁流变液的剪切屈服强度。
优选的，所述阻尼器输出轴上还设有阻尼器输出轴轴承，所述阻尼器输出轴轴承固定于阻尼器外壳内。
优选的，所述阻尼器外壳包括阻尼器前盖和阻尼器后盖，所述阻尼叶片设置于阻尼器前盖和阻尼器后盖之间。
优选的，所述扭矩传感器为磁电式扭矩传感器，所述磁电式扭矩传感器包括永磁铁和环绕设置在永磁铁上的感应线圈。
一种具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器驱动电路，包括信号输入模块、PI调节器和电压/电流转换模块，所述信号输入模块与PI调节器连接，所述扭矩传感器依次串联模拟乘法器和低通滤波器与放大器连接，所述放大器与PI调节器连接，所述PI调节器通过电压/电流转换单元与励磁线圈连接。
优选的，所述信号输入模块包括差分放大器、斜波发生器、P系数调节电阻和I系数调节电阻，所述差分放大器通过斜波发生器与P系数调节电阻的一端连接，所述P系数调节电阻的另一端接地，所述P系数调节电阻的调节端与PI调节器连接，所述I系数调节电阻的调节端与PI调节器连接，所述I系数调节电阻的一端接地。
优选的，所述PI调节器包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述信号输入模块的输出端通过电阻R1与第一运算放大器的正极接线端连接，所述放大器通过电阻R3与第一运算放大器的负极接线端连接，所述第一运算放大器的负极接线端还通过电阻R4接地，所述第一运算放大器的正极接线端通过电阻R2与第一运算放大器的输出端连接；所述第一运算放大器的输出端通过可调电阻Rg1与第二运算放大器的正极接线端连接，所述第二运算放大器的正极接线端通过电阻R5接地，所述第二运算放大器的负极接线端通过可调电阻Rg2接地，所述第二运算放大器的负极接线端依次串联电阻R5和电容C与第二运算放大器的输出端连接；所述第二运算放大器的输出端通过电压/电流转换模块与励磁线圈连接。
附图说明
图1本发明具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器结构示意图；
图2本发明齿形盘结构俯视图；
图3本发明阻尼器输出轴力矩检测及线圈电流自调整原理图；
图4本发明PI调节器内部原理图。
图中标号说明：1、动叶片，2、静叶片，3、励磁线圈，4、阻尼器后盖，5、磁流变液，6、励磁线圈座，7、阻尼器前盖，8、阻尼器输出轴，9、感应线圈，10、永磁铁，11、立柱，12、立柱，13、阻尼器输出轴轴承。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步描述。
实施例一
如图1-2所示，本实施例涉及一种具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器，包括阻尼器输出轴8、阻尼叶片、阻尼器外壳和励磁线圈3。阻尼器输出轴8在其纵向方向上设有至少两个立柱11,12，每个立柱上均设有一齿形盘，每个齿形盘上方均设有扭矩传感器。
其中，扭矩传感器最好选择磁电式扭矩传感器，磁电式扭矩传感器包括永磁铁10和环绕设置在永磁铁10上的感应线圈9。当然，扭矩传感器也可以由霍尔式、差动电容式、差动变压器式等其它形式的扭矩传感器所替代。
如图2所示，齿形盘上均匀设有各个齿结构，齿形盘固定于立柱11,12上方。在实际设计过程中，立柱至少需要设置两个。本实施例以设置两个立柱为例，阻尼器输出轴8转动时，由于两个永磁铁10与齿形盘的齿和齿间气隙的磁导率交替变化，导致两个感应线圈9中产生固定相位差的感应电动势。当阻尼器输出轴8承受一定的扭矩作用时，由于弹性扭转变形会使得两个齿形盘产生一定的扭转角，从而导致两个感应线圈9产生的感应电动势的相位差发生改变，通过相位差的变化即可求得输出扭矩的大小。
在本实施例中，阻尼叶片包括动叶片1和静叶片2，动叶片1与阻尼器输出轴8连接，静叶片2与阻尼器外壳连接，动叶片1与静叶片2之间填充有磁流变液5。动叶片1和静叶片2是径向分布在阻尼器输出轴8上的，也可以通过轴向分布在阻尼器输出轴8上，轴向分布的时候，需要设置相应的固定助力叶片装置。
其中，励磁线圈3设置于阻尼叶片的径向外侧，并通过一励磁线圈座6与阻尼器外壳固定。励磁线圈3通电之后产生磁场从而调节磁流变液5的剪切屈服强度。
在本实施例中，阻尼器输出轴8上还设有阻尼器输出轴轴承13，阻尼器输出轴轴承13固定于阻尼器外壳内。通过阻尼器输出轴轴承13来对阻尼器输出轴8进行一个支撑。
在本实施例中，阻尼器外壳包括阻尼器前盖7和阻尼器后盖4，阻尼叶片设置于阻尼器前盖和阻尼器后盖之间。
本实施例主要通过在阻尼器输出轴8上设置立柱11和齿形盘，在阻尼器输出轴8进行转动时，由于扭矩传感器与齿形盘的齿和齿间气隙的磁导率交替变化，导致两扭矩传感器中产生固定相位差的感应电动势。当阻尼器输出轴8承受一定的扭矩作用时，由于弹性扭转变形会使得两齿形盘产生一定的扭转角，从而导致两扭矩传感器产生的感应电动势的相位差发生改变，通过相位差的变化即可求得输出扭矩的大小。
本实施例中的磁电式扭矩传感器可通过感应线圈反电动势的频率来计算阻尼器输出轴的转速大小，可通过转速大小速算粘性阻尼力矩，进一步精确获得与屈服剪切应力成正比的励磁电流大小，提高预定电流的计算精度。
实施例二
如图1-4所示，本实施例涉及一种具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器驱动电路，包括信号输入模块、PI调节器和电压/电流转换模块，信号输入模块与PI调节器连接，扭矩传感器依次串联模拟乘法器和低通滤波器与放大器连接，放大器与PI调节器连接，PI调节器通过电压/电流转换单元与励磁线圈连接。
在实际使用过程中，扭矩传感器可采用磁电式扭矩传感器，磁电式扭矩传感器包括永磁铁10和环绕设置在永磁铁10上的感应线圈9。所说，具体的来说，是通过磁电式扭矩传感器中的感应线圈9依次串联模拟乘法器和低通滤波器与放大器连接。
旋转式磁流变阻尼器因结构部件制造及材料属性的离散性(加工及装配误差导致的磁流体填充间隙、阻尼界面的尺寸误差、软磁材料的磁导率等)、运动部件之间的摩擦力、磁流体特性的离散性(磁导率、饱和磁化强度、响应时间等)、磁路的非线性特性(励磁电流与磁路磁场强度和磁感应强度之间的非线性关系)、旋转部件的弹性与惯性导致的动态响应等多重因素的共同作用，使得旋转磁流体阻尼器的实际输出力矩与设定力矩之间存在幅值和相位上的差异，导致旋转磁流体阻尼器在机械传动、机器人关节驱动等领域的应用时其输出力矩的精度降低。
而在本实施例中，通过在旋转磁流变阻尼器输出轴集成磁电式力矩传感器实时测量阻尼器输出力矩大小，并将该力矩大小转换成对应的线圈电压值与设定的线圈电压值进行比较，根据比较值的大小调整线圈电压值使得阻尼器实际输出力矩追踪给定力矩值。
具体的来说，阻尼器上的扭矩传感器内两感应线圈产生的感应电动势信号，通过模拟乘法器和低通滤波电路提取其直流电压分量。在这个过程中，通常将无扭矩作用时两感应线圈的相位差调节为零，由于两线圈感应电动势的相位差较小，因此该滤波后的直流电压数值上与扭矩成比例关系。
然后，将上述测量获得的与输出扭矩成正比的直流电压分量信号经过放大器的比例放大之后(其放大系数可调)，与信号输入模块提供的给定电压信号(正比于给定的力矩信号)进行比较，并通过PI调节器(模拟式比例-积分调节器)之后，输出控制电压信号至电压/电流转换模块，输出至磁流变阻尼器线圈。
其中，信号输入模块包括差分放大器、斜波发生器、P系数调节电阻和I系数调节电阻，差分放大器通过斜波发生器与P系数调节电阻的一端连接，P系数调节电阻的另一端接地，P系数调节电阻的调节端与PI调节器连接，I系数调节电阻的调节端与PI调节器连接，I系数调节电阻的一端接地。
在本实施例中，PI调节器包括第一运算放大器和第二运算放大器，信号输入模块的输出端通过电阻R1与第一运算放大器的正极接线端连接，放大器通过电阻R3与第一运算放大器的负极接线端连接，第一运算放大器的负极接线端还通过电阻R4接地，第一运算放大器的正极接线端通过电阻R2与第一运算放大器的输出端连接。
第一运算放大器的输出端通过可调电阻Rg1与第二运算放大器的正极接线端连接，第二运算放大器的正极接线端通过电阻R5接地，第二运算放大器的负极接线端通过可调电阻Rg2接地，第二运算放大器的负极接线端依次串联电阻R5和电容C与第二运算放大器的输出端连接。
第二运算放大器的输出端通过电压/电流转换模块与励磁线圈连接。
本发明的有益效果为：通过在阻尼器输出轴上设置立柱和齿形盘，在输出轴进行转动时，由于扭矩传感器与齿形盘的齿和齿间气隙的磁导率交替变化，导致两扭矩传感器中产生固定相位差的感应电动势；当输出轴承受一定的扭矩作用时，由于弹性扭转变形会使得两齿形盘产生一定的扭转角，从而导致两扭矩传感器产生的感应电动势的相位差发生改变，通过相位差的变化即可求得输出扭矩的大小。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器，包括阻尼器输出轴、阻尼叶片、阻尼器外壳和励磁线圈，其特征在于：所述阻尼器输出轴在其纵向方向上设有至少两个立柱，每个立柱上均设有一齿形盘，每个齿形盘上方均设有扭矩传感器；所述齿形盘上均匀设有各个齿结构，所述扭矩传感器为磁电式扭矩传感器，所述磁电式扭矩传感器包括永磁铁和环绕设置在永磁铁上的感应线圈；
磁流体阻尼器的驱动电路包括信号输入模块、PI调节器和电压/电流转换模块，所述信号输入模块与PI调节器连接，所述扭矩传感器依次串联模拟乘法器和低通滤波器与放大器连接，所述放大器与PI调节器连接，所述PI调节器通过电压/电流转换单元与励磁线圈连接；所述信号输入模块包括差分放大器、斜波发生器、P系数调节电阻和I系数调节电阻，所述差分放大器通过斜波发生器与P系数调节电阻的一端连接，所述P系数调节电阻的另一端接地，所述P系数调节电阻的调节端与PI调节器连接，所述I系数调节电阻的调节端与PI调节器连接，所述I系数调节电阻的一端接地。
2.根据权利要求1所述的具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器，其特征在于：所述阻尼叶片包括动叶片和静叶片，所述动叶片与阻尼器输出轴连接，所述静叶片与阻尼器外壳连接，所述动叶片与静叶片之间填充有磁流变液。
3.根据权利要求2所述的具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器，其特征在于：所述励磁线圈设置于阻尼叶片的径向外侧，并通过一励磁线圈座与阻尼器外壳固定。
4.根据权利要求1所述的具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器，其特征在于：所述阻尼器输出轴上还设有阻尼器输出轴轴承，所述阻尼器输出轴轴承固定于阻尼器外壳内。
5.根据权利要求1所述的具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器，其特征在于：所述阻尼器外壳包括阻尼器前盖和阻尼器后盖，所述阻尼叶片设置于阻尼器前盖和阻尼器后盖之间。
6.一种根据权利要求1-5任意一项所述具有力矩自调节功能的磁流体阻尼器的驱动电路，其特征在于：所述PI调节器包括第一运算放大器和第二运算放大器，所述信号输入模块的输出端通过电阻R1与第一运算放大器的正极接线端连接，所述放大器通过电阻R3与第一运算放大器的负极接线端连接，所述第一运算放大器的负极接线端还通过电阻R4接地，所述第一运算放大器的正极接线端通过电阻R2与第一运算放大器的输出端连接；
所述第一运算放大器的输出端通过可调电阻Rg1与第二运算放大器的正极接线端连接，所述第二运算放大器的正极接线端通过电阻R5接地，所述第二运算放大器的负极接线端通过可调电阻Rg2接地，所述第二运算放大器的负极接线端依次串联电阻R5和电容C与第二运算放大器的输出端连接；
所述第二运算放大器的输出端通过电压/电流转换模块与励磁线圈连接。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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