一种振动主动控制系统及振动控制方法

1.本发明属于隔振技术领域，具体涉及一种振动主动控制系统及振动控制方法。


背景技术：

2.振动控制问题是许多工程领域需要解决的难点问题，比如建筑结构、桥梁、车辆悬架领域振动的主动控制问题一直是研究的热点。振动主动控制的方案分为两种，一种是可以注入能量的主动控制，另一种是仅通过耗散振动能量实现振动控制的半主动控制。解决振动主动控制的关键在一套可工程实现并且高可靠性的执行机构系统。目前主动控制执行结构主要有气动式、液压式、电动式或液、气、电混合式，国内目前还处于试验室样件研究阶段。半主动控制主要通过可调阻尼减振器实现，目前国外成熟的产品有连续阻尼控制(cdc)及磁流变减振器(mrc)。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的是提供一种振动主动控制系统及振动控制方法，各功能模块的动力学相互协调配合实现振动的主动控制。
4.一种振动主动控制系统，包括振动源、运动传动机构、pmsm永磁电机、三相整流桥、升/降压电路及负载六个主要模块组成；
5.机械振动结构中振动源的垂向动速度经由运动传递机构转换为旋转运动后，经过运动传动机构转换为电机轴头转速输入给pmsm永磁电机，pmsm永磁电机在转速的激励下产生感应电动势，感应电动势的三相电压信号经由整流桥变为直流电压，最后经过升/降压电路转换后加载给负载；
6.通过调整升/降压电路的占空比来实现机械振动结构的振动控制。
7.进一步的，还包括蓄电池负载或超级电容负载，以实现振动能量的回收。
8.一种基于上述振动主动控制系统的振动控制方法，根据对机械振动结构的振动控制程度，即根据等效阻尼系数ce来确定升/降压电路的占空比，其中，占空比d与等效阻尼系数ce的关系式如下：
[0009][0010]
上式中，f(d)表示升/降压电路中输入输出电压的关系函数，i为运动传递机构的传动比，η为运动传递机构的传递效率，p为电机极对数，ψf为电机定子磁链，r为运动传动机构将垂向运动转换为旋转运动的横臂长度，rs为定子电阻，r
l
为负载电阻的阻值，为电机功率因数。
[0011]
本发明具有如下有益效果：
[0012]
本发明将运动传递机构及永磁电机转子旋转质量等效分离出来，等效成与相对加速度成正比的惯容参数，将执行结构的作动力解析为电磁力与惯性力的合成；可以根据振动源的频带设计分析旋转质量的影响，从而有效地利用惯性质量实现振动控制，同时在运
动传递结构许用力矩下，尽量减少惯性质量，从而避免高频惯性力带来的换向冲击的问题。
[0013]
本发明提出的振动控制方法，对提出的相互耦合的机电结构系统按模块进行了子系统动力学建模，并通过解析其耦合关系，推导出了纯电阻负载半主动控制的等效阻尼系数，揭示了该动力学结构系统阻尼系数的调控机理，这是本发明在系统结构基础上的核心内容，是本发明最为显著的特征。
[0014]
本发明的系统不仅可以通过给出等效阻尼系数是半主动控制，同时也可通过对永磁电机的控制实现主动控制。与液压式、气动式作动器结构不同，本发明的结构系统可以通过寻找合适控制算法，使主动控制主要通过电机馈能方式实现，从而显著减小主动控制对能量的需求。
[0015]
本发明还在于通过对升/降压电路的控制改变负载的电压和电流，从而满足对蓄电池或超级电容充电的要求。
附图说明
[0016]
图1为振动系统力学模型；
[0017]
图2为本发明的振动主动控制系统框图。
[0018]
图3为本发明实施例中一个周期内的电路拓扑结构。
具体实施方式
[0019]
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0020]
本发明提出了一种既可实现主动控制，又可以实现半主动控制的主动控制结构系统。该结构通过将振动的机械能与永磁电机电能耦合起来，控制振动能量相互传递，在能量守恒的前提下，通过机械变速器实现机电设备力矩及速度的耦合及平衡，并通过升压/降压电路及负载匹配可以实现输出电压及电流的控制。本发明提出的振动控制系统，本质上是一类机电耦合的能量转换系统，永磁电机工作在电动模式时即为主动控制，工作在发电模式时即为半主动控制，其中半主动控制采用的是主动调整整电机负载电路中升/降压电路的占空比实现的，如果接入蓄电池负载或超级电容负载可以实现振动能量的回收，接入纯电阻负载则类似普通减振器，振动能量以热的形式耗散。本发明不仅提出了实现振动主动控制的一种结构系统，同时，在纯电阻负载情况下，获得了一种实现宽范围阻尼系数调控的方法，即等效阻尼系数的推导，利用本发明给出的等效阻尼系数的调控机制，可以实现半主动控制。
[0021]
一、振动主动控制系统构成及原理
[0022]
图1为添加机电作动器的单自由度振动系统力学模型，所有振动问题均可等效成或包含该振动模型。xw为底座的垂向位移，xb为吸振质量块的垂向位移，m为吸振质量块的质量，k为弹簧刚度，半主动模式下机电作动器等效的力可等效为惯容力与阻尼力的合成，b为等效惯容系数，ce为等效阻尼系数。
[0023]
图2为本发明提出的振动主动控制系统。其由包含等效机电作动器的振动源、运动传动机构、pmsm永磁电机、三相整流桥、升/降压电路及负载六个主要模块组成，其工作原理及其相互耦合关系如下：
[0024]
机械振动结构的底座在激励信号xw产生振动，运动质量块与底座之间的垂向动速
度经由运动传递机构转换为旋转运动后，经过传动比为i的运动传动机构转换为电机轴头转速ωm输入给永磁同步电机，电机在转速的激励下产生感应电动势，三相电压信号经由整流桥变为直流电压ui，在经过升/降压电路转换为uo给负载，负载产生电流io，此电流反作用到升降压电路前对应的是电流ii，ii经过整流桥反作用到电机里则对应的是电机直轴交轴电流，电机则根据此电流产生对应的电磁转矩，在根据输入的动速度信号可求得电机输出机械转矩t
l
，经运动传递结构转换为u，作用给机械振动结构。
[0025]
二、模块动力学及其耦合关系
[0026]
(1)、运动传递机构
[0027]
运动传递机构的传动比为i，传递效率为η，将垂向运动转换为旋转运动的横臂长度为r，则有：
[0028][0029][0030]
式中，t
l
为机械转矩，u为作动器对运动质量快的力，ωm为电机轴头转速，为质量块m的垂向速度，为底座的垂向速度，为相对的动速度。
[0031]
(2)、永磁电机动力学及振动源机电耦合
[0032]
按照发电机惯例，可得永磁同步电机运动方程：
[0033][0034]
式中，te为电机电磁转矩，j为系统等效转动惯量，则：
[0035][0036]
式中，b为等效惯容，
[0037]
te＝1.5p[ψfiq+(l
d-lq)idiq]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0038]
式中，p为极对数，ψf为电机定子磁链，id、iq为直轴、交轴电流，ld、lq分别为直轴、交轴电感。
[0039]
id、iq则可以根据电压方程求得：
[0040][0041]
式中，ud、uq为直轴、交轴电压，rs为定子电阻。
[0042]
[0043][0044]
式中，i0为零轴电流，ia、ib、ic为三相电流，θr为q轴轴线滞后a相轴线的角度，θr＝∫ωrdt＝∫pωmdt，ωr为转子电角速度。
[0045]
(3)、三相整流桥
[0046]
整流桥部分，电流、电压关系为：
[0047]
ui＝αu
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0048][0049]
式中，ui、ii为整流后的直流电压、直流电流，u、i为相电压和相电流的均方根值，α、β为参数，
[0050]
(4)、升/降压电路
[0051]
升/降压电路有多种结构实现形式，本发明以图2中所示的升/降压电路的拓扑结构为例做具体分析，此电路由两个mos管m1、m2，两个二极管d1、d2，输出滤波电容c2和一个电感储能电流转换器l组成。电机发出的三相电经过整流转换为直流电后，ui正电压端接入mos管m1的漏极，它的栅极则接收由根据占空比生成的pwm波，源极则串联电感l，再接入二极管d2的阳极，二极管d2的阴极接入电路负载，此外二极管d1阴极接在mos管m1和电感l之间，阳极与ui负电压连接；mos管m2漏极接在电感l和二极管d2之间，源极与ui负电压连接，其栅极也接收由根据占空比d生成的pwm波；电容c2与负载并联，一端接二极管d2阴极，另一端接ui负电压。
[0052]
在0《t《dts内，输入电源通过电感给电感充电，电感存储能量，此时有：
[0053][0054]
在dts《t《ts内，电感能给输出供电，此时有：
[0055][0056]
以平均近似的思想，在一个开关周期ts内有(9)
×
d+(10)
×
(1-d)，可得：
[0057][0058]
则可得输入输出电压的关系为：
[0059][0060]
若采用其他形式的升/降压电路，用f(d)表示输入输出电压的关系函数，则输入输出电压可表示为：
[0061]
uo＝f(d)uiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0062]
此时占空比d表示升/降压电路打开时间和关闭时间的比例。
[0063]
本发明中，当占空比大于0.5，升/降压电路用于升压，反之用于降压。
[0064]
三、等效阻尼系数推导
[0065]
将电机直接与三相电阻负载连接，电能耗散在电阻上，此时有：
[0066][0067]
代入电压方程，可以基于ωm求出等效的q轴和d轴电流的表达式为：
[0068][0069]
其中，振动源动速度正常情况下一般都小于2m/s，而r
l
为负载电阻的阻值，为75ω，因此可以认为远小于(r
l
+rs)2，可以忽略掉，则iq则可表示为：
[0070]
[0071]
由于ld＝lq,则te可以表示为:
[0072][0073]
则由电磁转矩等效的力u1可表示为：
[0074][0075]
因此等效阻尼系数c
e1
为：
[0076][0077]
我们可以把它看作是与在永磁同步电机终端直接连接电阻性负载的等效机电阻尼系数。但是在此情况下需要改变负载电阻r
l
才能改变阻尼系数，并且当需要较大阻尼系数时必须将r
l
设置的很小，这与工程实际不符，而本发明采用升降压的电路可以在r
l
不变的情况下通过调节占空比d来调整阻尼系数，并极大地扩展了调节范围，便于控制。
[0078]
由式子(14)可知，本发明中的升/降压电路的输入、输出电压关系为：设电机直接连接三相负载r
l
时功率为p1，电磁转矩为t
e1
，电机接整流桥再接升/降压电路后功率为p2，电磁转矩为t
e2
，则有：
[0079][0080][0081]
式中，为电机功率因数，因此可得：
[0082][0083]
又因为电机功率p＝teωm，在相同转速下，可得：
[0084][0085]
因此电机接整流桥再接升/降压电路后的等效阻尼系数ce可求得：
[0086][0087]
若采用别的升/降压电路的结构，输入输出电压的关系uo＝f(d)ui，则等效阻尼系数的公式可为：
[0088][0089]
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种振动主动控制系统，其特征在于，包括振动源、运动传动机构、pmsm永磁电机、三相整流桥、升/降压电路及负载六个主要模块组成；机械振动结构中振动源的垂向动速度经由运动传递机构转换为旋转运动后，经过运动传动机构转换为电机轴头转速输入给pmsm永磁电机，pmsm永磁电机在转速的激励下产生感应电动势，感应电动势的三相电压信号经由整流桥变为直流电压，最后经过升/降压电路转换后加载给负载；通过调整升/降压电路的占空比来实现机械振动结构的振动控制。2.如权利要求1所述的一种振动主动控制系统，其特征在于，还包括蓄电池负载或超级电容负载，以实现振动能量的回收。3.一种基于权利要求1所述的振动主动控制系统的振动控制方法，其特征在于，根据对机械振动结构的振动控制程度，即根据等效阻尼系数c
e
来确定升/降压电路的占空比，其中，占空比d与等效阻尼系数c
e
的关系式如下：上式中，f(d)表示升/降压电路中输入输出电压的关系函数，i为运动传递机构的传动比，η为运动传递机构的传递效率，p为电机极对数，ψ
f
为电机定子磁链，r为运动传动机构将垂向运动转换为旋转运动的横臂长度，r
s
为定子电阻，r
l
为负载电阻的阻值，为电机功率因数。

技术总结
本发明公开了一种振动主动控制系统及振动控制方法，将运动传递机构及永磁电机转子旋转质量等效分离出来，等效成与相对加速度成正比的惯容参数，将执行结构的作动力解析为电磁力与惯性力的合成；根据振动源的频带设计分析旋转质量的影响，从而有效地利用惯性质量实现振动控制，同时在运动传递结构许用力矩下，尽量减少惯性质量，从而避免高频惯性力带来的换向冲击的问题；本发明提出的振动控制方法，对提出的相互耦合的机电结构系统按模块进行了子系统动力学建模，并通过解析其耦合关系，推导出了纯电阻负载半主动控制的等效阻尼系数，揭示了该动力学结构系统阻尼系数的调控机理，这是本发明在系统结构基础上的核心内容，是本发明最为显著的特征。发明最为显著的特征。发明最为显著的特征。


技术研发人员：管继富 熊晏 张正
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/28