CN114165557A - 一种具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有负刚度特性的主动‑半主动复合减振系统，包括主动控制作动器、负刚度组件、磁流变阻尼单元以及悬架套筒。主动控制作动器由圆筒式直线电机来实现，主要包括电机轴、动子和定子；负刚度组件包括内环形磁铁和外环形磁铁；磁流变阻尼单元实现半主动控制，包括一个阻尼器缸、活塞杆、活塞和电磁线圈。阻尼器缸与电机的定子固定连接；电机轴同时充当磁流变阻尼单元的活塞杆，贯穿圆筒式直线电机和磁流变阻尼单元；内环形磁铁固定在定子铁芯上；外环形磁铁通过悬架套筒与电机轴相连。本发明结合了主动控制、半主动控制、负刚度特性各自的优势，不仅能够将半主动控制的减振效果提高到主动控制水平，而且稳定性好、系统成本低。

Description

一种具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统
技术领域
本发明涉及振动控制领域，具体涉及一种具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统，这种减振系统具有主动控制系统的减振效果，但是成本低，可靠性高，稳定性好，避免了主动控制可能引起的系统失稳问题。
背景技术
振动控制是车辆和高铁实现更舒适、更安全、更稳定的驾驶不可或缺的重要技术，振动控制技术主要体现于车辆悬架，座椅悬架和高铁转向架中。当前，主动控制和半主动控制是振动控制的两种典型方法。主动控制在减振方面有较好的效果，但是目前纯粹的主动控制系统存在的稳定性差、成本高、功耗大等缺点限制了其广泛使用。半主动控制由于功耗小、硬件成本低、性能好等优点，近年来受到了广泛的关注。通过在阻尼器中填充磁流变液来实现半主动控制已成为一种主流方式。作为一种典型的可控流体，磁流变液在磁场激励下，只需一个低电压就能从自由流动的粘性流体状态转变为半固态，而且无需安装多余活动件，因而基于磁流变液的阻尼器，具有整体结构简单可靠、安全、实用性高的优点。然而，当前的半主动减振系统只在共振频率附近有良好的减振效果，与主动控制相比，其减振效果还有一定差距。
为了更好的提高车辆及列车的减振性能、保证其高速行驶时的安全性和舒适性、同时克服半主动控制效果的局限性，本项发明结合主动控制、半主动控制、负刚度特性各自的优势，开发出具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统。它采用主动控制方法，具有良好的减振性能，同时负刚度特性的引入能够节省主动控制所需的能量，降低系统成本。此外磁流变阻尼单元的引入能够进一步提升振动控制效果，同时很好的规避主动控制不稳定问题，即在主动控制失效的情况下仍能提供大阻尼保证系统的稳定性。
发明内容
本发明解决的技术问题是通过公开一种具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统，解决以下技术问题：其一，主动控制系统和负刚度组件的结合实现了负刚度力对主动力的补偿，从而克服了纯粹主动系统中对硬件要求高，成本高、耗能高的缺点；其二，主动控制系统和半主动控制系统的结合克服了纯粹主动控制系统稳定性差的问题，半主动系统提供的可控大阻尼避免了由于主动系统失能而引起的系统失稳问题，大大提供了系统的可靠性和稳定性；其三，此发明能达到主动控制的减振效果，从而克服了纯粹半主动系统中良好的减振效果只局限于共振频率附近的缺点，突破了半主动减振的技术瓶颈；其四，半主动控制力的可控性可以实时对主动力进行补偿，从而在保证系统稳定性的同时进一步提高系统的减振性能。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术解决方案为：
一种具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统，包括：主动控制作动器、负刚度组件、磁流变阻尼单元以及悬架套筒；
主动控制作动器，提供自适应主动力，由圆筒式直线电机实现，圆筒式直线电机包括电机轴、动子和定子；其中，电机轴与悬架套筒固定连接，动子包括第一动子磁极和第二动子磁极，两组动子磁极安装在电机轴上；
负刚度组件，产生负刚度力，包括两个环形永磁体，分别为内环形磁铁和外环形磁铁，内环形磁铁和外环形磁铁的高度相同，外环形磁铁的直径大于内环形磁铁的直径；
磁流变阻尼单元，输出半主动阻尼力，补偿主动控制作动器的减振效果，同时规避由主动控制所引起的不稳定问题，磁流变阻尼单元包括阻尼器缸、活塞杆、活塞以及电磁线圈；阻尼器缸内填充磁流变液，活塞的凹槽上缠绕着电磁线圈，阻尼器缸与电动机的定子固定连接；电机轴同时充当磁流变阻尼单元的活塞杆，贯穿圆筒式直线电机和磁流变阻尼单元；内环形磁铁固定于定子上，并固定于定子横向长度的中点位置；外环形磁铁通过悬架套筒与电机轴固定相连，有外部激励时，电机轴带动悬架套筒和外环形磁铁运动，外环形磁铁从而与内环形磁铁产生相对位移，两组永磁铁之间产生相互排斥力，即负刚度力，负刚度力的大小会随着内外环形磁铁之间相对位移的变化而变化。
本发明的动态工作过程如下：主动控制能够在全频范围内实现非常好的减振效果，但是主动控制对硬件要求高，实现和维护成本高，而且在控制失效时会引起系统失稳。而半主动控制耗能小，成本低，可靠稳定，纯粹的半主动控制也能实现比较好的减振效果，但是相对于主动控制而言，其减振效果还有一定差距，而且其明显的减振效果只局限于系统的共振频率附近。而负刚度力的引入主要是对电机输出的主动力进行补偿，从而降低对电机输出主动力大小的要求。本发明将主动控制，半主动控制和负刚度组件结合在一起，通过这种结合，保留了各个组件的优点，同时又相互弥补了缺点。具体为：主动控制和负刚度特性的结合能够降低对电机性能和体积的要求，达到减少成本的目的，这一设计很好的解决了传统主动悬架成本高、能耗高的缺点；而主动控制和半主动控制相结合能够在保证车辆和列车高速稳定运行的前提下实现主动控制的减振效果，同时，可控的半主动阻尼力通过实时调整其大小与电机输出的主动力协同作用，即当电机输出主动力不足时，通过加大电流从而增大半主动力对主动力进行补偿，而当主动力足够时，可减小电流或者关闭电源让半主动力最小，以此可进一步提高系统的减振性能，除此之外，即使在主动力控制不当而导致系统失稳时，磁流变阻尼单元仍然通过控制电流提供大阻尼，从而维持列车高速行驶的稳定性。因此，主动控制和半主动控制的结合不仅保留了主动控制的减振效果和半主动系统的稳定可靠性，而且还避免了纯粹主动控制可能带来的系统失稳问题。
当没有外界激励时，电机不工作，磁流变阻尼单元中的磁流变液在无磁场作用下处于低粘度的牛顿流体状态，此时，内环形磁铁的中心与外环形磁铁的中心重合，此时两组磁铁之间无作用力产生。当有外界激励时，电机轴首先接收激励信号，直线电机产生主动控制力，同时，由于外环形磁铁通过悬架套筒与电机轴固定，因此外环形磁铁随着电机轴运动，进而产生与内环形磁铁的相对位移，相对位移一旦发生，两组磁铁之间产生负刚度力，此负刚度力对电机产生的主动控制力进行补偿。此外，绕在活塞上的电磁线圈通入电流之后产生电磁场作用于磁流变液，磁流变液表现出流变特性：当所加电流大的时候，磁流变液的阻尼变大，反之，阻尼变小。因此，磁流变阻尼单元输出半主动力的大小可通过调节外加电流的大小进行实时控制。由此，主动力、半主动力和负刚度力相辅相成，在保证列车高速稳定行驶的同时实现主动控制。
其中，圆筒式直线电机与磁流变阻尼单元共用一根轴，此轴贯穿悬架套筒、圆筒式直线电机和磁流变阻尼单元，同时充当电机轴和活塞杆，并通过螺钉连接与套筒固定；在外部激励下，电机轴和悬架套筒同时相对于圆筒式直线电机和磁流变阻尼单元运动。
其中，定子和阻尼器缸通过螺钉连接固定在一起，共同围成密闭的阻尼器缸；阻尼器缸内充满磁流变液，并在与定子连接端安装有密封件防止磁流变液泄露。
其中，内环形磁铁套于定子外表面，并通过卡簧固定于定子横向长度的中点位置。
其中，内环形磁铁和外环形磁铁的设计和安装必须满足它们在同一平面内并且它们的几何中心重合；内外环形磁铁之间保留间隙，且磁极方向相同。
其中，圆筒式直线电机在输出与激励方向相反的自适应主动力时，其力-位移曲线表现负刚度特性，基于此，本发明中引入的负刚度组件可产生负刚度力，对圆筒式直线电机输出的主动力起到补偿作用，从而降低对主动控制作动器输出力的要求，从而降低对电机性能的要求，减小所需电机的体积，减少了整个系统的能量消耗，最终降低了系统成本。
其中，磁流变液在通电时可在几微秒内表现出流变特性，使得磁流变阻尼单元输出可控阻尼力，即所加电流大的时候，输出大阻尼力，反之，输出小阻尼力。其输出的可控阻尼力通过实时调节其大小与直线电机输出的主动力协同作用，可进一步提高减振系统的减振性能。
其中，在主动控制失效的情况下，磁流变阻尼单元仍能通过调整所加电流控制阻尼的大小，从而避免系统失稳。此特征利用半主动控制的可控性，克服了在纯粹的主动控制中存在的系统失稳问题，大大提高了系统的稳定性和可靠性。
其中，通过设计基于TS模糊控制的鲁棒控制算法，可实现对主动力、半主动力和负刚度力三个力的合力的精确控制。TS模糊控制是在建模过程中，将系统中高度非线性部分线性化，为鲁棒控制算法的设计和应用提供模型基础。鲁棒控制是通过将系统即时状态反馈给控制器，控制器根据当前的工况计算出最优增益矩阵，从而求出当前系统所需要的力，同时控制器输出电流控制信号给磁流变阻尼单元，至此，三个力的合力共同作用，达到减振的目的。
本发明的优点及积极效果为：
(1)本发明基于主动控制表现负刚度特性这一理论依据，通过对永磁铁的巧妙利用引入负刚度力，实现了负刚度力对主动力的补偿，从而在保证主动力减振效果的基础上，克服了纯粹主动系统中对硬件要求高，成本高、耗能高的缺点；另外，用两组永磁铁实现负刚度组件，成本低，易于维护和实现，无需消耗任何能量。
(2)本发明中磁流变阻尼单元在主动控制失效时仍然可以提供大阻尼来保证车辆或列车高速行驶的稳定性，克服了纯粹主动控制系统稳定性差的缺点，避免了由于主动系统失能而引起的系统失稳问题，大大提供了系统的可靠性和稳定性；
(3)本发明能达到主动控制的减振效果，从而克服了纯粹半主动系统中良好的减振效果只局限于共振频率附近的缺点，突破了半主动减振的技术瓶颈；
(4)本发明中由磁流变阻尼单元产生的半主动力大小可变，具有可控性，从而可以实时对主动力进行补偿，从而在保证系统稳定性的同时进一步提高系统的减振性能。
附图说明
图1为本发明具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统的整体结构示意图；
图2为本发明具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统应用在高铁转向架上的结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，一种具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统，包括气室1，活塞2，电磁线圈3，磁流变液4，密封件5，内环形磁铁6，悬架套筒7，电机轴(活塞杆)8，阻尼器缸9，定子10，外环形磁铁11，绕组12，第一动子磁极13，第二动子磁极14，其中，绕组12，第一动子磁极13和第二动子磁极14组成了电动机的动子。
其中，阻尼器缸9内填充磁流变液4，活塞2的凹槽上缠绕着电磁线圈3，阻尼器缸9与电动机的定子10固定连接；电机轴8同时充当磁流变阻尼单元的活塞杆，贯穿圆筒式直线电机和磁流变阻尼单元；内环形磁铁6固定于定子10上，并固定于定子10横向长度的中点位置；外环形磁铁11通过悬架套筒7与电机轴8固定相连。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，本发明应用于高铁转向架16的实例。本实例中有两个二系横向阻尼器15。二系横向阻尼器15一端与转向架16相连，另一端与高铁车身相连。当高铁高速行驶时，高铁会受来自轨道的横向振动的影响，振动信号通过转向架16传递给二系横向阻尼器15，电机轴8在外部振动信号的作用下带动悬架套筒7和外环形磁铁11运动。从而，圆筒式直线电机输出主动力，磁流变阻尼单元输出半主动力，而内环形磁铁6和外环形磁铁11之间产生负刚度力，此三个力共同作用于车身及转向架，从而影响车身的振动响应，同时，车身的响应(例如振动加速度或者振动幅值)作为输入信号通过传感器反馈给控制器，控制器根据控制规则输出控制信号并传递给二系横向阻尼器15，从而，实现主动力和半主动力的精确控制。即由车身、控制器和二系横向阻尼器15组成闭环控制回路，根据车身的即时响应对主动力和半主动力进行实时调节和控制，从而控制车身的振动。

Claims (9)

1.一种具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统，其特征在于：包括主动控制作动器、负刚度组件、磁流变阻尼单元以及悬架套筒；
主动控制作动器，提供自适应主动力，由圆筒式直线电机实现，圆筒式直线电机包括电机轴、动子和定子；其中，电机轴与悬架套筒固定连接，动子包括第一动子磁极和第二动子磁极，两组动子磁极安装在电机轴上；
负刚度组件，产生负刚度力，包括两个环形永磁体，分别为内环形磁铁和外环形磁铁，内环形磁铁和外环形磁铁的高度相同，外环形磁铁的直径大于内环形磁铁的直径；
磁流变阻尼单元，输出半主动阻尼力，补偿主动控制作动器的减振效果，同时规避由主动控制所引起的不稳定问题，磁流变阻尼单元包括阻尼器缸、活塞杆、活塞以及电磁线圈；阻尼器缸内填充磁流变液，活塞的凹槽上缠绕着电磁线圈，阻尼器缸与电动机的定子固定连接；电机轴同时充当磁流变阻尼单元的活塞杆，贯穿圆筒式直线电机和磁流变阻尼单元；内环形磁铁固定于电动机定子上，并固定于定子横向长度的中点位置；外环形磁铁通过悬架套筒与电机轴固定相连，有外部激励时，电机轴带动悬架套筒和外环形磁铁运动，外环形磁铁从而与内环形磁铁产生相对位移，两组永磁铁之间产生相互排斥力，即负刚度力，负刚度力的大小会随着内外环形磁铁之间相对位移的变化而变化；
具体为：主动控制和负刚度特性的结合能够降低对电机性能和体积的要求，达到减少成本的目的，这一设计很好的解决了传统主动悬架成本高、能耗高的缺点；而主动控制和半主动控制相结合能够在保证车辆和列车高速稳定行驶的前提下实现主动控制的减振效果，同时，可控的半主动阻尼力通过实时调整其大小与电机输出的主动力协同作用，即当电机输出主动力不足时，通过加大电流增大半主动力从而对主动力进行补偿，而当主动力足够时，可减小电流或者关闭电源让半主动力最小，以此进一步提高列车的减振性能，除此之外，即使在主动力控制不当而导致系统失稳时，磁流变阻尼单元仍然能通过调整所加电流控制阻尼的大小，从而维持车辆和列车高速行驶的稳定性。因此，主动控制和半主动控制的结合不仅保留了主动控制的减振效果和半主动系统的稳定可靠性，而且还避免了纯粹主动控制可能带来的系统失稳问题。
当没有外界激励时，电机不工作，磁流变阻尼单元中的磁流变液在无磁场作用下处于低粘度的牛顿流体状态，此时，内环形磁铁的中心与外环形磁铁的中心重合，此时两组磁铁之间无作用力产生；当有外界激励时，电机轴首先接收激励信号，直线电机产生主动控制力，同时，由于外环形磁铁通过悬架套筒与电机轴固定，因此外环形磁铁随着电机轴运动，进而产生与内环形磁铁的相对位移，相对位移一旦发生，两组磁铁之间产生负刚度力，此负刚度力对电机产生的主动控制力进行补偿；此外，绕在活塞上的电磁线圈通入电流之后产生电磁场作用于磁流变液，磁流变液表现出流变特性：当所加电流大的时候，磁流变液阻尼变大，反之，阻尼变小；磁流变阻尼单元输出半主动力的大小通过调节外加电流的大小进行实时控制；由此，主动力、半主动力和负刚度力相辅相成，在保证车辆和列车高速稳定行驶的同时实现主动减振控制。
2.根据权利要求1所述的具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统，其特征在于：所述圆筒式直线电机与磁流变阻尼单元共用一根轴，此轴贯穿悬架套筒、圆筒式直线电机和磁流变阻尼单元，同时充当电机轴和活塞杆，并通过螺钉连接与套筒固定；在外部激励下，电机轴和悬架套筒同时相对于圆筒式直线电机和磁流变阻尼单元运动。
3.根据权利要求1所述的具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统，其特征在于：所述定子和阻尼器缸通过螺钉连接固定在一起，共同围成密闭的阻尼器缸；阻尼器缸内充满磁流变液，并在与定子连接端安装有密封件防止磁流变液泄露。
4.根据权利要求1所述的具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统，其特征在于：所述内环形磁铁套于定子外表面，并通过卡簧固定于定子横向长度的中点位置。
5.根据权利要求1所述的具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统，其特征在于：所述内环形磁铁和外环形磁铁的设计和安装必须满足它们在同一平面内，并且它们的几何中心重合；内外环形磁铁之间保留间隙，且磁极方向相同。
6.根据权利要求1所述的具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统，其特征在于：所述圆筒式直线电机在输出与激励方向相反的自适应主动力时，其力-位移曲线表现负刚度特性，引入的负刚度组件产生负刚度力，对圆筒式直线电机输出的主动力起到补偿作用，降低对主动控制作动器输出力的要求，从而降低对电机性能的要求，减小所需电机的体积，减少了整个系统的能量消耗，最终降低系统成本。
7.根据权利要求1所述的具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统，其特征在于：所述磁流变液在通电时在几微秒内表现出流变特性，使得磁流变阻尼单元能在输出可控阻尼力，即所加电流大的时候，磁流变阻尼单元输出阻尼力变大，反之，输出阻尼力变小，其输出的可控阻尼力通过实时调节其大小与直线电机输出的主动力协同作用，进一步提高减振系统的减振性能。
8.根据权利要求1所述的具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统，其特征在于，在主动控制失效的情况下，磁流变阻尼单元仍能通过调整所加电流控制阻尼的大小，从而避免系统失稳，此特征利用半主动控制的可控性，克服了在纯粹的主动控制中存在的系统失稳问题，大大提高了系统的稳定性和可靠性。
9.根据权利要求1所述的具有负刚度特性的主动-半主动复合减振系统，其特征在于：通过设计基于TS模糊控制的鲁棒控制算法实现对主动力、半主动力和负刚度力三个力的合力的精确控制；基于TS模糊控制的鲁棒控制算法实现为：TS模糊控制在建模过程中，将系统中高度非线性部分线性化，为鲁棒控制算法的设计和应用提供模型基础，鲁棒控制通过将系统即时状态反馈给控制器，控制器根据当前的工况计算出最优增益矩阵，求出当前系统所需要的力，同时控制器输出电流控制信号至磁流变阻尼单元，磁流变阻尼单元输出半主动阻尼力，至此，三个力的合力将同时作用，达到减振的目的。
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