CN1268054C - 智能控制旋转式磁流变阻尼器 - Google Patents

Abstract

智能控制旋转式磁流变阻尼器，将机械结构和控制电路相结合，机械结构包括扭矩传感器，以及设置在由前盖和阻尼器壳体共同组成了的空腔内的线圈、内环和转子，且在内环与转子之间还设置有磁流变液，在转子的上端还设置有顶尖，顶尖通过扭矩接头与传感器相连接，控制电路的单片机通过A/D模数转换器采集扭矩单元的输出信号，经过运算后由D/A数模转换器输出控制信号，电压/电流转换电路把该信号转化为电流输入至旋转式磁流变阻尼器中的线圈，阻尼器特性即刻发生变化。通过闭环控制，使磁流变阻尼器工作在恒扭矩状态。所有的单元都集成为模块，对整个系统的调试，测试都方便简单，且散热良好、旋转稳定、可控性好、测试精度高。

Description

智能控制旋转式磁流变阻尼器

技术领域

本发明属于机电一体化控制技术领域，特别涉及一种智能控制旋转式磁流变阻尼器。

背景技术

目前的旋转式负载是干磁粉式扭矩负载。干磁粉式扭矩负载有如下缺点：只能在不高于1000转/分钟的低转速下使用，否则将烧坏磁粉，导致失效；干磁粉容易堆积，造成卡死，使其无法使用；磁粉分布很难均匀，在旋转过程中使扭矩负载产生波动；磁粉导热效果差，不利于长时间工作。磁流变液是在外加磁场作用下其流变特性发生急剧变化的新型智能材料，他们的基本特征是在磁场作用下能在瞬间(毫秒级)从自由流动的液体转变为半固体，呈现可控的屈服强度，而且这种变化是可逆的。利用这类液体的流变效应可制成各种阻尼器，用于调节系统的阻尼或刚度特性，而且磁流变液具有屈服强度高，对污染不敏感，采用低电流，容易控制等特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种数字化控制的，散热性能良好、旋转稳定、可控性好、测试精度高，允许转速至少可达到5000转/分钟的旋转式磁流变阻尼器。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括机械部分和控制电路，机械部分包括支架以及依次设置在支架上的传感器支架、中支架和前支架，传感器支架上设置有扭矩传感器，其特点是，前支架上设置的前盖和中支架上设置的阻尼器壳体共同组成了一空腔，在此空腔内设置有线圈、内环和转子，且在内环与转子之间还设置有磁流变液，在转子的上端还设置有顶尖，顶尖通过设置在中支架上的扭矩接头与传感器相连接，控制电路的电压和电流转换电路的输出端与磁流变阻尼器线圈的输入端相联接，电压和电流转换电路的输入端通过D/A数模转换器与单片机相联接，扭矩单元通过A/D模数转换器与单片机相联接。

本发明的另一特点是：控制电路的单片机通过RS485串行通讯口与远程控制的微机相联接；控制电路单片机的第一端口(P0)的第零至第七引脚(P00～P07)接A/D模数转换器的第零至第七(D0～D7)数据端口，单片机的写引脚和读引脚分别接A/D模数转换器的写引脚和读引脚，单片机的第四端口(P3)的第三十五引脚(P35)接A/D模数转换器的片选端(CS)，单片机的第四端口(P3)的第三十二引脚(P32)与A/D模数转换器的转换结束中断(INT)相连，单片机的第四端口(P3)的第三十三引脚(P33)与A/D模数转换器的高字节控制端(HBEN)相连，单片机的第四端口(P3)的第三十四引脚(P34)与看门狗芯片SP813LCP的输入引脚(WDI)端相连；单片机的第二端口(P1)的第十一引脚(P11)与D/A数模转换器的片选端(CS)相联接，单片机的第二端口(P1)的第十二引脚(P12)接D/A数模转换器的时钟端(SCLK)，单片机的第二端口(P1)的第十三引脚(P13)接D/A数模转换器的数据输入端(DIN)，单片机的第一晶振端口(X1)和第二晶振端口(X2)接一个石英晶体振荡器(XTAL)并分别接第一谐振电容(C4)和第二谐振电容(C5)的其中一脚，第一谐振电容(C4)和第二谐振电容(C5)的另一脚接公共地；A/D模数转换器的基准电压调节端(REFADJ)接第一稳压电容(C2)，基准电压端(REF)接第二稳压电容(E4)，电源端(VDD)外接5V电源并接第一滤波电容(C3)和第二滤波电容(E3)，时钟设定电容(C8)的一端接A/D模数转换器的时钟(CLK)端，另一端接公共地，A/D模数转换器的模拟输入通道(CH0)接扭矩单元的引脚(2)，A/D模数转换器的模拟输入通道(CH1)与电流检测放大器(U8A)的输出引脚(1)相联接；D/A数模转换器的电源端(VDD)接+5V，参考电压端(REFIN)连接由第一分压电阻(R11)和第二分压电阻(R12)组成的分压端，模拟信号输出端(OUTA)接第二电流控制放大器(U5B)的正相输入(5)脚，第二电流控制放大器(U5B)的负相输入(6)脚分别接比例放大电阻(R13)和第一比例调节电位器(P1)，第一比例调节电位器(P1)的另一端接第二电流控制放大器(U5B)的输出(7)脚，第二电流控制放大器(U5B)的输出(7)脚接第一电流控制放大器(U5A)的正相输入(3)脚，第一电流控制放大器(U5A)的负相输入(2)脚接电流检测放大器(U8A)的输出(1)脚，第一电流控制放大器(U5A)的输出(1)脚通过微电流调节电阻(R6)接控制三极管(Q2)的基极，控制三极管(Q2)的集电极通过基极电流调节电阻(R7)接功率调节三极管(Q1)的基极，功率调节三极管(Q1)的发射极接外部直流供电+24V、集电极接磁流变阻尼器线圈的其中一端，磁流变阻尼器线圈的另一端接采样电阻(R8)并连接电流检测放大器(U8A)的正相输入(3)脚，电流检测放大器(U8A)的负相输入(2)脚与输出(1)脚之间并联反馈电阻(R9)和第三滤波电容(C7)，电流检测放大器(U8A)的负相输入(2)脚还连接第二比例调节电位器(P2)的一端，第二比例调节电位器(P2)的另一端接公共地；单片机的第二端口(P1)的第十四引脚(P14)还与RS485串行通讯口的数据输入控制端(RE)和驱动输出控制端(DE)相联接，单片机的第一串行通讯端口(RXD)接RS485串行通讯口的数据输出端口(RO)，单片机的第二串行通讯端口(TXD)引脚接RS485串行通讯口的数据输入(DI)；阻尼器壳体上还设置有端盖，在端盖内设置有转子轴承和定位块；顶尖上还设置有压帽。

本发明将机械结构和控制电路相结合，机械结构包括扭矩传感器，，以及设置在由前盖和阻尼器壳体共同组成了的空腔内的线圈、内环和转子，且在内环与转子之间还设置有磁流变液，在转子的上端还设置有顶尖，顶尖通过扭矩接头与传感器相连接，控制电路的单片机通过A/D模数转换器采集扭矩单元的输出信号，经过运算后由D/A数模转换器输出控制信号，电压和电流转换电路把该信号转化为电流输入至旋转式磁流变阻尼器中的线圈，阻尼器特性即刻发生变化。通过闭环控制，使磁流变阻尼器工作在恒扭矩状态。所有的单元都集成为模块，对整个系统的调试，测试都方便简单，且散热良好、旋转稳定、可控性好、成本低、测试精度高。

附图说明

图1是本明的控制电路框图；

图2是本发明的机械结构图；

图3是本发明控制电路的电原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，控制电路的电压和电流转换电路23的输出端与磁流变阻尼器线圈10的输入端相联接，电压和电流转换电路23的输入端通过D/A数模转换器27与单片机29相联接，扭矩单元26通过A/D模数转换器28与单片机29相联接。单片机29通过A/D模数转换器28采集扭矩单元26的输出信号，经过运算后由D/A数模转换器27输出控制信号，电压和电流转换电路23把该信号转化为电流输入至旋转式磁流变阻尼器中线圈10，阻尼器特性即刻发生变化。通过闭环控制，使磁流变阻尼器工作在恒扭矩状态。控制电路通过RS485串行通讯口25与外部微机24连接，达到远程微机控制的目的。

参见图2，机械部分包括支架18以及依次设置在支架18上的传感器支架1、中支架4和前支架15，传感器支架1上设置有扭矩传感器2，前支架15上设置的前盖13和中支架4上设置的阻尼器壳体19共同组成了一空腔，在此空腔内设置有线圈10、内环20和转子17，在线圈10通过绕线架9固定在阻尼器壳体19内，且在内环20与转子17之间还设置有磁流变液8，转子17下端的阻尼器壳体19内还设置有油封压盖11和油封12，阻尼器壳体19上设置有端盖16，在端盖16内设置有转子轴承22和定位块21，阻尼器壳体19通过后轴承5设置在中支架4上，前盖13通过前轴承14设置在前支架15上，在转子17的上端还设置有顶尖7，顶尖7上还设置有压帽6，顶尖7通过设置在中支架4上的扭矩接头3与传感器2相连接，

参见图3，本发明的控制电路的单片机29的第一端口P0的第零至第七引脚P00～P07接A/D模数转换器28的数据第零至第七端口D0～D7，单片机29的写引脚和读引脚分别接A/D模数转换器28的写引脚和读引脚，单片机29的第四端口P3的第三十五引脚P35接A/D模数转换器28的片选端CS，单片机29的第四端口P3的第三十二引脚P32与A/D模数转换器28的转换结束中断INT相连，单片机29的第四端口P3的第三十三引脚P33与A/D模数转换器28的高字节控制端HBEN相连，单片机29的第四端口P3和第三十四引脚P34与看门狗芯片SP813LCP的输入引脚WDI端相连，单片机29的第二端口P1的第十一引脚P11接D/A数模转换器27的片选端CS，单片机29的第二端口P1的第十二引脚P12接D/A数模转换器27的时钟端SCLK，单片机29的第二端口P1的第十三引脚P13接D/A数模转换器27的数据输入端DIN，单片机29的第二端口P1的第十四引脚P14接RS485串行通讯芯片U6的数据输入控制端RE和驱动输出控制端DE，单片机29的第一串行通讯端口RXD接RS485串行通讯芯片U6的数据输出端口RO，单片机29的第二串行通讯端口TXD引脚接RS485串行通讯芯片U6的数据输入DI，单片机29的第一晶振端口X1和第二晶振端口X2接一个石英晶体振荡器XTAL并分别接第一谐振电容C4和第二谐振电容C5的其中一脚，第一谐振电容C4和第二谐振电容C5的另一脚接公共地，A/D模数转换器28的基准电压调节端REFADJ接第一稳压电容C2，基准电压端REF接第二稳压电容E4，电源端VDD外接5V电源并接第一滤波电容C3和第二滤波电容E3，时钟设定电容C8的一端接A/D模数转换器28的时钟CLK端，另一端接公共地，A/D模数转换器28的模拟输入通道CH0接扭矩单元的引脚2，A/D模数转换器28的模拟输入通道CH1与电流检测放大器U8A输出1脚相联接，磁流变阻尼器线圈10与电压和电流转换电路23相联接，在电压和电流转换电路23中，D/A数模转换器27的电源端VDD接+5V，参考电压端REFIN连接由第一分压电阻R11和第二分压电阻R12组成的分压端，模拟信号输出端OUTA接第二电流控制放大器U5B的正相输入5脚，第二电流控制放大器U5B的负相输入6脚分别接比例放大电阻R13和第一比例调节电位器P1，第一比例调节电位器P1的另一端接第二电流控制放大器U5B的输出7脚，第二电流控制放大器U5B的输出7脚接第一电流控制放大器U5A的正相输入3脚，第一电流控制放大器U5A的负相输入2脚接电流检测放大器U8A的输出1脚，第一电流控制放大器U5A的输出1脚通过微电流调节电阻R6接控制三极管Q2的基极，控制三极管Q2的集电极通过基极电流调节电阻R7接功率调节三极管Q1的基极，功率调节三极管Q1的发射极接外部直流供电+24V、集电极接磁流变阻尼器线圈10的其中一端，磁流变阻尼器线圈10的另一端接采样电阻R8并连接电流检测放大器U8A的正相输入3脚，电流检测放大器U8A的负相输入2脚与输出1脚之间并联反馈电阻R9和第三滤波电容C7，电流检测放大器U8A的负相输入2脚还连接第二比例调节电位器P2的一端，第二比例调节电位器P2的另一端接公共地。

本发明的单片机29是89C52是一种带8k字节闪速可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微控制器。它接5V电源工作；A/D模数转换器28采用MAX197是一个12位分辨率的模数转换器(ADC)，它在单5V电压下就可以工作，6μs转换时间，100ksps采集速率；D/A数模转换器27采用TLV5618，是带有高阻抗缓冲基准输入的双路12位电压输出数模转换器(DAC)，它用单5V电源工作。

转子17与外部旋转构件连接，例如电机，用于输入旋转动能，旋转扭矩传递给安装在后支架上的扭矩传感器2，扭矩传感器2通过信号线与外部控制电路相连，内部线圈10引出二根导线连接外部控制电路。通过调节该线圈10的电流，施加于转子17周围磁流变液8中的磁场即刻发生相应改变，扭矩立即随磁流变液8阻尼特性的变化而变化。控制电路中的单片机29不断的检测扭矩大小、运行控制算法、调节线圈10的电流，使扭矩得到精确控制。

本发明是一种半主动式的旋转阻尼器，可用于汽车等结构的半主动减振，各种电机驱动特性的测试，也可用于造纸、纺织等需要恒定张力控制的工业现场。

Claims (9)

1、一种智能控制旋转式磁流变阻尼器，包括机械部分和控制电路，机械部分包括支架[18]以及依次设置在支架[18]上的传感器支架[1]、中支架[4]和前支架[15]，传感器支架[1]上设置有扭矩传感器[2]，其特征在于：前支架[15]上设置的前盖[13]和中支架[4]上设置的阻尼器壳体[19]共同组成了一空腔，在此空腔内设置有线圈[10]、内环[20]和转子[17]，且在内环[20]与转子[17]之间还设置有磁流变液[8]，在转子[17]的上端还设置有顶尖[7]，顶尖[7]通过设置在中支架[4]上的扭矩接头[3]与传感器[2]相连接，控制电路的电压和电流转换电路[23]的输出端与磁流变阻尼器线圈[10]的输入端相联接，电压和电流转换电路[23]的输入端通过D/A数模转换器[27]与单片机[29]相联接，扭矩单元[26]通过A/D模数转换器[28]与单片机[29]相联接。

2、根据权利要求1所述的智能控制旋转式磁流变阻尼器，其特征在于：所说的控制电路的单片机[29]通过RS485串行通讯口[25]与远程控制的微机[24]相联接。

3、根据权利要求1所述的智能控制旋转式磁流变阻尼器，其特征在于：所说的控制电路单片机[29]的第一端口(P0)的第零至第七引脚(P00～P07)接A/D模数转换器[28]的第零至第七(D0～D7)数据端口，单片机[29]的写引脚和读引脚分别接A/D模数转换器[28]的写引脚和读引脚，单片机[29]的第四端口(P3)的第三十五引脚(P35)接A/D模数转换器[28]的片选端(CS)，单片机[29]的第四端口(P3)的第三十二引脚(P32)与A/D模数转换器[28]的转换结束中断(INT)相连，单片机[29]的第四端口(P3)的第三十三引脚(P33)与A/D模数转换器[28]的高字节控制端(HBEN)相连，单片机[29]的第四端口(P3)的第三十四引脚(P34)与看门狗芯片SP813LCP的输入引脚(WDI)端相连。

4、根据权利要求1所述的智能控制旋转式磁流变阻尼器，其特征在于：所说的单片机[29]的第二端口(P1)的第十一引脚(P11)与D/A数模转换器[27]的片选端(CS)相联接，单片机[29]的第二端口(P1)的第十二引脚(P12)接D/A数模转换器[27]的时钟端(SCLK)，单片机[29]的第二端口(P1)的第十三引脚(P13)接D/A数模转换器[27]的数据输入端(DIN)，单片机[29]的第一晶振端口(X1)和第二晶振端口(X2)接一个石英晶体振荡器(XTAL)并分别接第一谐振电容(C4)和第二谐振电容(C5)的其中一脚，第一谐振电容(C4)和第二谐振电容(C5)的另一脚接公共地。

5、根据权利要求1所述的智能控制旋转式磁流变阻尼器，其特征在于：所说的A/D模数转换器[28]的基准电压调节端(REFADJ)接第一稳压电容(C2)，基准电压端(REF)接第二稳压电容(E4)，电源端(VDD)外接5V电源并接第一滤波电容(C3)和第二滤波电容(E3)，时钟设定电容(C8)的一端接A/D模数转换器[28]的时钟(CLK)端，另一端接公共地，A/D模数转换器[28]的模拟输入通道(CHO)接扭矩单元的引脚(2)，A/D模数转换器[28]的模拟输入通道(CHl)与电流检测放大器(U8A)的输出引脚(1)相联接。

6、根据权利要求1所述的智能控制旋转式磁流变阻尼器，其特征在于：所说的D/A数模转换器[27]的电源端(VDD)接+5V，参考电压端(REFIN)连接由第一分压电阻(R11)和第二分压电阻(R12)组成的分压端，模拟信号输出端(OUTA)接第二电流控制放大器(U5B)的正相输入(5)脚，第二电流控制放大器(U5B)的负相输入(6)脚分别接比例放大电阻(R13)和第一比例调节电位器(P1)，第一比例调节电位器(P1)的另一端接第二电流控制放大器(U5B)的输出(7)脚，第二电流控制放大器(U5B)的输出(7)脚接第一电流控制放大器(U5A)的正相输入(3)脚，第一电流控制放大器(U5A)的负相输入(2)脚接电流检测放大器(U8A)的输出(1)脚，第一电流控制放大器(U5A)的输出(1)脚通过微电流调节电阻(R6)接控制三极管(Q2)的基极，控制三极管(Q2)的集电极通过基极电流调节电阻(R7)接功率调节三极管(Q1)的基极，功率调节三极管(Q1)的发射极接外部直流供电+24V、集电极接磁流变阻尼器线圈[10]的其中一端，磁流变阻尼器线圈[10]的另一端接采样电阻(R8)并连接电流检测放大器(U8A)的正相输入(3)脚，电流检测放大器(U8A)的负相输入(2)脚与输出(1)脚之间并联反馈电阻(R9)和第三滤波电容(C7)，电流检测放大器(U8A)的负相输入(2)脚还连接第二比例调节电位器(P2)的一端，第二比例调节电位器(P2)的另一端接公共地。

7、根据权利要求1所述的智能控制旋转式磁流变阻尼器，其特征在于：所说的单片机[29]的第二端口(P1)的第十四引脚(P14)还与RS485串行通讯口[25]的数据输入控制端(RE)和驱动输出控制端(DE)相联接，单片机[29]的第一串行通讯端口(RXD)接RS485串行通讯口[25]的数据输出端口(RO)，单片机[29]的第二串行通讯端口(TXD)引脚接RS485串行通讯口[25]的数据输入(DI)。

8、根据权利要求1所述的智能控制旋转式磁流变阻尼器，其特征在于：所说的阻尼器壳体[19]上还设置有端盖[16]，在端盖[16]内设置有转子轴承[22]和定位块[21]。

9、根据权利要求1所述的智能控制旋转式磁流变阻尼器，其特征在于：所说的顶尖[7]上还设置有压帽[6]。

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