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用于磁流变阻尼器的电流控制器
发布时间:2018-06-12    点击次数:次   
摘 要:磁流变阻尼器已经成功使用于轿车半主动悬架体系以及大型土木结构的振动操控。鉴于电流操控器在磁流变阻尼器的使用中起着调理磁场的重要效果,创造了一种根据脉冲宽度调制(pwm)集成电路的电流操控器。通过对一商业化磁流变阻尼器的操控功能测验显示,改动操控电压电流操控器的输出电流可完成0.15~2.01a接连输出,且与输出电流出现高度的线性联系,具有呼应速度快、输出电流精度高、价格低廉等特色。因而,所创造的电流操控器能够使用于磁流变阻尼器的操控。
 
1 引 言
 
磁流变(mr)阻尼器是一种根据磁流变液的智能操控设备,它能够通过调理外加磁场的巨细完成阻尼力改动[1]。磁流变阻尼器的优秀可控功能,使得它的使用十分广泛,例如滚筒洗衣机和康复机的使用[2],车辆悬架体系的减振[3],斜拉索的振动操控[4-7],以及大型土木工程结构的抗震[8]等。磁流变液是一种新式相变资料,它是由高磁导率、低磁滞性的细小软磁性颗粒和非导磁磁性体混合而成的悬浮体。由相变理论以为,在无磁场时,弥散在母液中的悬浮颗粒为随机状况,其迁徙和滚动受热动摇影响,即铁颗粒自在随液体运动。当施加磁场时,受热动摇和场强两方面影响,这些悬浮的微粒铁颗粒被彼此招引,构成一串串链式结构从磁场一级到另一级[9]。此刻,磁流变液体在ms级瞬间由牛顿流体变成塑性体或有一定屈从剪应力的粘弹性体,磁流变铁颗粒在零磁场与强磁场下的状况,如图1所示。
 
可用宾汉姆(bing-ham)流体塑性模型有用地描绘磁流变液体的上述性质,如式(1)所示:
 
τ=τy(field)sgn(γ·)+ηγ·(1)
 
式中:γ·=流体剪应变率;η=和磁场强度无关的液体屈从后黏度(实测屈从后剪应力的斜率);τyfield)=磁流变液的屈从剪应力,它是磁场强度的非线性函数[9]。而电流操控器在磁流变液体的使用中起着调理磁场的效果,所以规划一种接连可调、精度高、呼应速度快的电流操控器关于阻尼器的操控至关重要。
 
线圈中的电流一般由2种方法发生,别离是电压驱动和电流驱动。电压驱动器的坏处是线圈电阻在长期电流励磁下,阻值随温度升高而改动,在输入电压不变的情况下,线圈中电流值会发生改动,而阻尼力是与线圈中电流相关,所以在相同电压励磁下会由于每次电压励磁线圈作业时间长短不同,而构成线圈中电流值的不同。别的一点是恒压源的动态呼应较恒流源慢,而工程实践常常要求阻尼器的阻尼力能够在很短时间内对操控目标进行呼应,所以挑选动态呼应快的输入操控方法能够保障体系关于结构在第一时间得到操控。选用电流操控方法能够有用处理上述2个问题。
 
国内的专家学者关于磁流变阻尼器的操控器部分做了许多研讨。文献[10]使用德州仪器公司出产的tms320f240数字信号处理芯片作为操控体系的中心,开为阻尼器的操控器。文献[11]以德州仪器芯片中的drv103为中心规划的可控电流扩大器,文献[12-13]以德州仪器出产的tl494芯片为中心进行压控电流源的规划,上述
 
2种尽管外围电路规划简略,但功能曲线
 
不行线性,且调理规模很窄,不符合阻尼器操控器的的要求。通过上述分析与比较,为了获得接连可调的操控电流,电流操控器由tl494,功率场效应管mosfet和运放组成,操控器可完成在0~5v接连可调,输出电流0.15~2.01a,操控电压与输出电流出现高度的线性联系,具有电路简略、输出电流安稳、精度高、价格低廉、使用规模广等特色。2 电流操控器的规划思路本电路选用美国德州仪器公司出产的tl494芯片,即一种电压驱动型脉宽调制操控集成电路,选用闭环电流扩大器,使得pwm占空比按照输入操控电压的改动而改动。图2为电流操控器的体系框图。该体系包括4部分:调整电路、波发生电路、输出操控电路及差错采样电路。调整电路供给了2种调理方法:手动调理和主动调理。它与差错采样电路一起调理pwm波的占空比巨细。pwm波发生电路是操控器的中心,效果是发生脉宽调制波形。输出操控电路是关于脉宽调制波形的进一步扩大然后驱动负载,负载是由一商用磁流变阻尼器以及小阻值的采样电阻组成。差错采样电路将采样电阻上的电压采样后与tl494芯片协同效果操控电流输出的安稳度。
 
2.1 调整电路
 
为了便利使用,电路规划为手动调理和上位机调理2种方法。如图3所示,手动调理能够调理电位器旋钮p,然后使得输入操控电压值随接入电阻的巨细而改动。上位机调理也能够使用计算机结合labview程序操控daq收集器(ni6251)输出恣意步长的操控电压。
 
要注意的是,在上位机调理时电位器必须逆时针旋究竟,此刻输入电阻为最大,然后使得二极管d1截止,通过调理vctr输入电压的巨细,使得二极管d2导通。二极管的效果是防止输入为沟通信号时电路作业处于反常状况。第一级份额积分运算电路是u1为了补偿二极管的导通压降,调整其增益为ko1使得输出uo1仍为0~5 v。
 
uo1=ko1×ui(2)
 
式中:ko1为运算扩大器u1的增益巨细。
 
第二个份额运算扩大器u2 a主要是用来操控输入以及反应到tl494反应端的电压幅度,使输入tl494芯片3脚的最大值不超越3.5v。下式即为第二级份额运算扩大器之间的传递函数:
 
uo=-a×uo1+b(3)
 
式中:a、b为减法器u2a的相联系数。
 
如图4所示,脉宽调制电路是开关电源的中心操控器,主要效果是向驱动电路供给峻峭且宽度可变的矩形脉冲列。tl494芯片内部有2个差错比较扩大器,一个振动器,一个死区时间比较器,内置5v参考基准电压源。差错比较扩大器将差错电压扩大,其输出与第3脚的反应端相衔接,一起调理输出脉冲宽度[14]。片上内置了线性锯齿波振动器,振动频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调理,其振动频率如式(4)所示:
 
 
 
式中:ct为5脚电容,rt为6脚阻值。
 
输出脉冲的宽度是通过电容ct上的正极性锯齿波电压vct与别的2个操控信号进行比较来完成的[15],而本电路将死区电压vdtc接地。因而输出电压v1仅由正极性锯齿波电压vct与回受pwm比较器电压vpwmci决定。如图5所示,当vpwmci小于vct时,输出电压ve1置,相反地,输出脉冲宽度e1置0。然后随vpwmci与vct相对联系的改动,脉冲宽度被调理。
 
2.2 输出操控及差错采样电路
 
图6中q1为功率场效应管(mosfet),其特性是当基极电压小于阈值时,场效应管为截止状况,超越阈值时,场效应管处于一个线性扩大的状况。使用这一特性,能够扩大pwm信号,增强tl494的驱动才能。当pwm信号为高电平时,q1导通,mosfet作业为线性扩大状况,续流二极管pwm截止,当pwm信号为低电平时,q1截 止,mosfet由线性扩大状况转为截止状况,fwd导通,二极管与理性负载构成回路,将存在的电流耗散掉。
 
如图6所示,采样电阻与负载电阻串联,采 样电 压usamp通过扩大得到的uerror反应至tl494引脚2结合调整电路输出值与tl494的引脚1值比较,保证其输出值为稳定的电流值以及调整tl494引脚3的电压不会超越3.5v。图7即为差错采样电路。传递函数表述如下:
 
uerror=ks×usamp(5)
 
式中:ks为运算扩大器u2b的增益巨细。
 
3 功能测验选用
 
pc手动操控labview程序经由daq数据收集卡输出步长为0.5v的操控电压,同步收集负载两头波形数据,读取并记载示波器上负载两头的电压有用值,换算出电流值巨细(负载选用商业化阻尼器,电阻5.4ω。图8为所规划的电流操控器,图9为电流操控器的功能测验渠道。
 
试验测验数据如表1所示,操控电压为0~5v,以0.5v电压为步长,进行2次丈量(比照证明数值的重复性),输出电流为0.15~2.01a,测验数据保持小数点后4位有用数字。由表1所示,操控电压为0v时,输出有一个很小的电流值,这是由于内部参数装备依然存在少许问题,有待进一步做优化。考虑到电流值很小,关于试验成果影响较小,这儿暂除掉不做拟合。电流值从操控电压为0.5v时开端改动,这是由于tl494芯片的3脚输入电压规模为0.5~3.5v,所以导致在操控电压为0~0.5v时,输出为一稳定不变的值。将表1中的操控电压与输出电流的有用 值 的 关 系 通 过matlab做拟合,成果由图10所示。
 
 
 
操控电压与输出电流的联系操控电压为1.5~5v时,电流为0.28~2.01a,其输入操控电压与输出直流电压成线性联系,并且第一次丈量成果与第2次丈量成果重复性十分好,拟合值与实测值的相联系数高达0.995 62.1%,符合阻尼器操控器的要求。图11为占空比别离取12.5%、36.5%、68.5%、100%的波形图,vpp为负载两头的实测电压波形图,rms是由占空比的积 分得到的 负 载 两 端 的 电 压 有用值。
 
4 结 论
 
规划并测验了一种精准可控的脉宽调制磁流变阻尼器的电流操控器。经试验验证该电流操控器可在0.15~2.01a规模内接连可调,输出精度高、线性度好、体积小、成本低,除了可用于磁流变阻尼器的操控外,还可用于其他多种场合,如电磁线圈电路、照明电路或电机操控。

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