磁流变阻尼器设计及实时控制研究_朱伟

式 中 ： !—未 施 加 磁 场 时 磁 流 变 液 的 粘 度 ； "ｙ—磁 场 强 度 为 Ｈ 的 磁 场 作 用 下 时 的 磁 流 变 液 剪 切 屈 服 应 力 ； ＡＰ—活 塞 有 效 作 用 面 积； 参数 ｃ—比例系数， 一般取 ２～３。
剪切工作模式下的阻尼力也可由粘滞阻尼分量 Ｆ! 和库仑
ＺＨＯＵ Ｊｉａｎ－ ｈｕｉ， ＹＥ Ｂａｎｇ－ ｙａｎ， ＷＡＮＧ Ｚｈｅｎ－ ｈｕａ （ Ｈｕａ＇ｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ ５１０６４０， Ｃｈｉｎａ）
电路在 ＰＷＭ 信号的控制下工作。由 ＣＰＵ 发出 ＰＷＭ 信号， 经驱动器放大控制场效应管 Ｑ 的开关状态， Ｑ 的开关频率和占 空比与 ＰＷＭ 信号相同。当 Ｑ 导通时， 二极管 Ｄ 截止， 电流经 ＬＣ 滤波后供 给 ＭＲ 阻 尼 器 ； 当 Ｑ 断 开 ， Ｄ 在 回 路 电 感 的 作 用 下 导 通， 构成续流回路。
中图分类号： ＴＢ５３５ 文献标识码： Ａ
磁流变液（ ＭＲＦ） ， 由于其优良的特性， 已经成为一种应用越
来越广泛的智能材料。在外加磁场的作用下， 磁流变液可在毫秒
级的瞬间由牛顿流体变为具有一定剪切屈服强度应力的 Ｂｉｎｇ－
ｈａｍ 塑性固体［１～２］。用磁流变液制作的减振阻尼器功耗低、响应速
度快、结构简单、且阻尼力连续可调， 所以， 这种阻尼器已广泛应
占空比、纹波电压和纹波电流可用式（ １０） ～（ １２） 表示：
（ ８）
图 ４ 电流响应曲线比较 Ｆｉｇ．４ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｉｌ ｃｕｒｒｅｎｔｓ
３ 试验分析
根据原理， 设计了磁流变阻尼器及其电流驱动器。测得阻尼 器的等效电感 Ｌｍ＝５００ｍＨ， 等效电阻 Ｒｍ＝３Ω。电Hale Waihona Puke Baidu中， 采样电阻 Ｒ＝０．２Ω， Ｌ＝２０μＨ， Ｃ＝５０μＦ。采用频率为 １００ｋＨｚ 的 ＰＷＭ 控制信 号。经试验测得电流和占空比近似线性关系， 如图 ５ 所示。图中
图 ４ 比 较 了 采 用 ＰＩ 算 法 和 不 采 用 ＰＩ 算 法 的 电 流 响 应 曲 线。由图可看出， 当电流达到稳定值的 ９５％时， 两者响应时间分 别为 ０．３ｍｓ 和 ０．６ｍｓ。
图 ２ 整体结构 Ｆｉｇ．２ Ｏｖｅｒａｌｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ
２．２ 控制电路设计
图 ３ 控制算法 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ 软件采用 Ｃ 语言编程， 控制算法如图 ３ 所示。由定时器 １ 实 现 定 时 中 断 ， 触 发 Ａ／Ｄ 采 样 口 Ｐ０．２７， 采 集 负 载 端 口 电 流 ， 将
所得电流与给定电流值相减， 误差输入 ＰＩＤ 调节算法， 从而得到 一定占空比的 ＰＷＭ 信号。
磁极化粒子沿磁场方向运动， 磁化运动使粒子首尾相联， 形成链
状或网状结构， 从而使磁流变液的流动特性发生变化， 进而使阻 尼器阻尼通道两端的压力差发生变化， 达到改变阻尼力的目的［１］。
图 １ 中的ＭＲ 阻尼器设计结构是基于混合工作模式的， 其阻 尼力由压力工作模式的阻尼力和剪切工作模式的阻尼力构成的［３］。
! "! " Ｆ＝
１２#ｌＡｐ２ !Ｒ（３ Ｒ５－ Ｒ３） ３
＋ ４!Ｒ３ｌ# Ｒ５－ Ｒ３
ＡＰ
Ｓ
６ｌＡＰ Ｒ５－ Ｒ３
＋!Ｒ３ｌ
!ｙ
（ ６）
考虑到 Ｆ#＜＜Ｐ#， Ｆ!＜＜Ｐ!， 因 此 阻 尼 器 的 阻 尼 力 可 近 似 的 表 示
为： Ｆ＝ １２#ｌＡｐ２ !Ｒ（３ Ｒ５－ Ｒ３）
３
Ｓ＋ ６ｌＡＰ Ｒ５－ Ｒ３
第 １１ 期 ２００７ 年 １１ 月
文章编号： １００１－ ３９９７（ ２００７） １１－ ０１３８－ ０２
&&&&’
数控
与
自动化
磁流变阻尼器设计及实时控制研究＊
朱 伟 马履中 谢 俊 徐华伟（ 江苏大学 机械工程学院， 镇江 ２１２０１３）
Ｄｅ ｓ ｉｇｎ ｏｆ ＭＲ ｄａ ｍｐｅ ｒ ａ ｎｄ ｓ ｔｕｄｙ ｏｎ ｉｔｓ ｒｅ ａ ｌ ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌ
自行设计的小型磁流变阻尼器为试验对象， 采用 ＬＰＣ２２１０
图 １ ＭＲ 阻尼器工作原理图 Ｆｉｇ．１ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｉｇ ｏｆ ＭＲ Ｆｌｕｉｄ Ｄａｍｐｅｒ １．工作缸 ２．磁流变液 ３．线圈 ４．阻尼通道 ５．活塞杆
系列 ＡＲＭ 芯片 为 控 制 器 ， 设 计 了 高 精 度 ＰＷＭ（ 脉 冲 宽 度 调 制） 电流驱动器， 并通过试验得到相关参数及关系曲线。
用 在 桥 梁 、建 筑 、汽 车 等 行 业 中 。 磁 流 变 阻 尼 器 中 阻 尼 的 变 化 是
通过改变线圈中的电流来获得磁场强度的变化， 从而使液体的
粘度发生变化， 并得到所需要的阻尼力［２］。在实际应用中， 动态响
应时间是评价磁流变阻尼器的一个重要参数， 响应时间太长， 则 主动控制失去意义。
关键词： 数控； 编码器； ＦＰＧＡ 【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】 Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＧＡ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｒｏｕｔｉｎｅｓ ｏｆ ｐｕｌｓｅ ｃｏｕｎｔｉｎｇ ａｎｄ ｏｒｉｇｉｎ ｌｏｃａｔｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｓｏｍｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍ，ｓｕｃｈ ａｓ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｄａｔａ ａｃｃｅｓｓｉｎｇ， ｓｉｇｎａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ， ｄａｔａ ｏｖｅｒｆｌｏｗｉｎｇ ａｎｄ ｑｕａｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｏｕｎｔｉｎｇ， ｉｓ ｂｒｏｕｇｈｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ａｔ ｌａｓｔ， Ｉｔ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｈｏｗ ｔｏ ｈａｎｄｌｅ ｔｈｅ ｏｒｉｇｉｎ ｐｕｌｓｅ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅｓｅｔ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｏｒｉｇｉｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ：Ｎｕｍｅｒ ｉｃａｌ ｃｏｎｔｒ ｏｌ； Ｅｎｃｏｄｅｒ ； ＦＰＧＡ
"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""#
【摘要】阐述了数控系统脉冲计数和原点复位功能的 ＦＰＧＡ 实现原理， 并分析了其中的异步数据 读取， 信号滤波， 数据溢出， 四倍频计数等问题， 给出了解决方法， 最后探讨对原点脉冲的处理方法， 以便实现数控系统的原定复位。
ＺＨＵ Ｗｅｉ， ＭＡ Ｌｖ－ ｚｈｏｎｇ， ＸＩＥ Ｊｕｎ， ＸＵ Ｈｕａ－ ｗｅｉ （ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３， Ｃｈｉｎａ）
""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""#
关键词： 磁流变阻尼器； 响应时间； 实时控制； 脉冲宽度调制 【Ａｂｓｔｒ ａｃｔ】 Ａ ｓｍａｌｌ ＭＲ ｄａｍｐｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈａｔ ｗｏｒｋｓ ｉｎ ｍｉｘｅｄ ｍｏｄｅｓ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ， ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ． Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ＭＲ ｄａｍｐｅｒ ｉｓ ｌｉｍｉｔｅｄ ｉｎ ｌｉｔｔｌｅ ｔｉｍｅ， Ａ ＰＷＭ ｃｉｒｃｕｉｔ ｄｒｉｖｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｈｏｓｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｓ ｖｅｒｙ ｈｉｇｈ． ＰＩ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｏ ｃａｔｅｒ ｆｏｒ ｔｈｅ ＭＲ ｄａｍｐｅｒ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｓｏ ｑｕｉｃｋｌｙ ｔｈａｔ ｒｅａｃｈ ９５％ ｓｔｅａｄｙ－ ｓｔａｔｅ ｗｉｔｈｉｎ ０．３ｍｓ． Ｆｕｒｔｈｅｒ ｍｏｒｅ， ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒａｃｔｉｃｅｄ ｔｏ ｒｅｃｅｉｖｅ ｓｏｍｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＭＲ ｄａｍｐｅｒ ； Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ； Ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒ ｏｌ； ＰＷＭ
【摘要】设计了基于混合工作模式的小型磁流变阻尼器， 并分析了其力学特性。针对阻尼器的时 间响应要求， 设计了一种高精度 ＰＷＭ 电流驱动器， 采用 ＰＩ 控制算法改善电流响应时间。仿真结果 表明， 电流响应快， 精度高， 达到稳态值的 ９５％所需的时间约为 ０．３ 毫秒。并通过对实物进行试验， 得 到相应的关系曲线。
实测值和理论值近似一致， 理论拟合曲线为：
ｙ＝０．０２×ｘ－ ０．０４８
（ １１）
图 ６ 是测得的 ＭＲ 阻尼器在电流变化下产生阻尼效果。电
流变化在 ０－ ２．２Ａ 区间内， 阻尼力增加较大， 阻尼效果明显， 当电
－ １４０ －
机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
压 力 工 作 模 式 的 阻 尼 力 由 粘 滞 阻 尼 分 量 Ｐ! 和 库 仑 阻 尼 分 量 ｐ" 构成， 它们可以近似表示为：
１ ＭＲ 阻尼器的设计及力学特性 （ １） 磁流变阻尼器是基于磁流变液的可控特性的一种新型阻尼
器， 其工作原理是在外加磁场的作用下， 磁流变液中随机分布的 （ ２）
－ １３９ －
（ ９）
Ｆ!＝!ｙＬ" 则混合工作模式下的阻尼力可表示为：
（ ３）
（ １０）
（ ４）
其中 Ｔｏｎ 为 Ｑ 导通时间， Ｔｏｆｆ 为 Ｑ 段开时间， Ｔ为开关周期。
２．３ 控制器软件设计
（ ５）
由于 Ｑ＝ＡＰＳ， "＝２!Ｒ３， ｇ＝Ｒ５－ Ｒ３， Ｌ＝２ｌ， 取 ｃ＝３， 代入式（ ５） 中：
!ｙ
（ ７）
２ ＰＷＭ 电流控制器设计
２．１ 控制器硬件设计
控制器采用 ＰＨＩＬＩＰＳ 公司开发的 ＬＰＣ２２１０ 系列 ＡＲＭ 芯 片 为 ＣＰＵ， 该芯片内部集成了 ６ 路 ＰＷＭ 和 ８ 路 １０ 位 Ａ／Ｄ 通道。 总体结构主要包括 ３ 部分： ＰＷＭ 控制电路、人机对话（ 液晶模块 和按键输入模块） 及 ＪＰＡＧ 仿真接口， 如图 ２ 所示。
第 １１ 期 ２００７ 年 １１ 月
文章编号： １００１－ ３９９７（ ２００７） １１－ ０１４０－ ０３
基于 ＦＰ ＧＡ 的数控系统 脉冲计数和原点复位功能模块设计
周建辉 叶邦彦 王振华（ 华南理工大学 机械工程学院， 广州 ５１０６４０）
Ｄｅ ｓ ｉｇｎｓ ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏｎ ｔｈｅ ＦＰ ＧＡ ｎｕｍｅ ｒｉｃａ ｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ ｐｕｌｓ ｅ ｃｏｕｎｔｉｎｇ ａ ｎｄ ｔｈｅ ｚｅ ｒｏ ｐｏｉｎｔ ｒｅ ｐｌａ ｃｅ ｍｅ ｎｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ
&&&’
""""""""""""""""""""""""$
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%$ &&&&’
""""""""""""""""""""""""$ &&&’
－ １３８ －
机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ ＆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
为了获得连续可 调 的 电 流 ， 采 用 Ｂｕｃｋ 式 降 压 斩 波 电 路 ， 如 图 １ 所示。电路中， 采用电流源代替电压源， 这样可减少 ＭＲ 阻 尼 器 的 磁 路 响 应 时 间 。Ｄ 为 快 恢 复 二 极 管 ， Ｑ 是 功 率 ＭＯＳＦＥＴ 管， Ｒ 为采样电阻。Ｌ 和 Ｃ 组成二阶滤波器。Ｒｍ 和 Ｌｍ 分别是 ＭＲ 阻尼器的等效电阻和等效电感。ＰＷＭ 发生器采用 ＰＨＩＬＩＰＳ 公司 开发的 ＬＰＣ２２１０ 系列 ＡＲＭ 芯片为控制器， 该芯片内部集成了 ６ 路 ＰＷＭ 和 ８ 路 １０ 位 Ａ／Ｄ 通道。
＊ 来稿日期： ２００７－ ０１－ ０２ ＊ 基金项目： １ 国家自然科学基金（ ５０３７５０６７） ； ２ 高等学校博士学科点专项科研基金资助课题（ ２００５０２９９００２） ； ３ 江苏大学高级人才启动基金（ ０５ＪＤＧ０１５）
第 １１ 期
阻尼分量 Ｆ! 之和表示：
朱 伟等： 磁流变阻尼器设计及实时控制研究 ＊