半主动扭转执行器

叶和威廉姆斯最近的工作[4 ，5] 已经表明，一个 MR 流体制动器可以用来 实现已被安装在主系统的扭转振动上的半主动控制的制动。在这些初步的动作 中，MR 流体制动器被用作摩擦阻尼器，或 Lanchester（兰彻斯特）阻尼器，其 摩擦转矩可以在操作期间被修改。此外，已经实现的经修饰的 skyhook 阻尼控制 方法， 使得制动启动以交替地加载， 并释放主系统中的循环部分。 仿真结果表明， 该方法的性能显著地受受扭转制动器带宽的影响。 事实上，实验实施的 MR 制 动器器有效减少了在 20 赫兹的附近的主系统的振动， 但因 MR 刹车的有限带宽， 更高的频率没有测试。为了延长半主动方式达到更高的频率，需要两个重要的结 果。 首先，有必要思考对于一个给定制动器的开环带宽，并且可以此用于开发 的半主动制动器的仿真模型。 其次，通过利用主动控制方法改善给定的制动器 的带宽潜力是合适的。 这篇论文解决了开环带宽和执行器型号的问题。 已经获得三个市售扭转驱动 器：一个 MR 流体制动器，磁性粒子（MP）的离合器，干式摩擦制动器。扭转 试验台的开发和进行实验，用来评估这三个驱动器。具体地，制动器对其“开” 和“关”的扭矩的响应时间，转矩作为转速、驱动信号和标准的开环带宽的函数方 面进行了评价。 根据该数据， 对 MR 流体制动器和 MP 离合器所具有任意的控制 信号激发以及预测不同的制动器的行为创建了一般的数学模型。 该结果表明了不 同的制动器的限制，并提供解决其各自适用于一般的扭转振动控制问题的途径。
嘉兴学院毕业设计（论文）外文翻译
原文题目： Comparison of Actuators for Semi-active
Torsional Vibration Control 译文题目： 半主动扭振控制执行器的比较
学院名称：机电工程学院 专业班级：机械 111 学生姓名：徐光耀
半主动扭振控制执行器的比较
图 2：扭转驱动器试验台。
为了测量被测制动器的旋转速度， 一个 2048 线每转的编码盘被安装到安装 于扭矩传感器的联轴器和致动器的表面上。 用安装的外部编码器模块来读出在正 交的编码器盘。 扭矩被施加到使用 DC 马达的制动器。 该电机驱动采用可编程电 源一个方向。 如前面所指出的那样，扭转制动器的输入信号是通过它们的电磁铁 通过的电流产生的。为了实现低噪声，电流源可调 ，一个用于图 3 所示电路的 功率运算放大器的电压- 电流转换器被生成。通过该图中的电阻值的恰当选择， 输入电压和制动器的控制电流之间的关系是
叶少春和基思·威廉斯 机械工程系 阿拉巴马大学 Box 870276 ， Tuscaloosa ， AL ， USA 35487-0276
摘要 扭振的半主动控制可以通过采用可变摩擦制动器或离合器使主系统产生振 荡转矩的方式来实现。 一个给定的振动控制方法的性能将大大取决于用于实现控 制的制动器的带宽。经过测试和分析，有三种可商购的扭转制动器，干式摩擦制 动器， 磁流变流体制动器和磁粉制动器， 以供评估用于半主动扭振控制的适用性。 试验台被建造以用于运行特定的测试，包括确定“开”和“关”响应时间的阶跃响 应，判断通过正弦扫频试验的开环带宽，寻求摩擦的旋转速度的函数。该数据可 用于创建一般数学以预测当使用不同的控制信号激发，驱动器的不同行为。结果 表明一些不同的制动器的局限性以及将为确定制动器用于一般的扭转振动控制 问题提供了基础。 关键词：扭转振动，半主动振动控制
2. 实验装置
三个扭转制动器示于图 1. 如今已知 MR 流体制动器和 MP 离合器还没有具 体的实际操作。 在 MR 制动器器的情况下， 操作说明中提及的圆板通过电磁体之 间的 MR 流体来填充空腔。 由于电流通过该电磁体， 旋转磁共振制动器相对于其 壳体的轴所需的转矩显着增大。从概念上讲，MP 离合器仍然采用了旋转盘。在 该装置中，在磁盘旋转时，其安装到了 输出轴上，而不是在离合器壳体中的用 磁性颗粒填充壁的内侧。 离合器的操作就是是这样来实现增加输出和输入轴之间 的相对旋转所需要的扭矩。 尽管该设备的实验期间，在制动装置输出轴用螺栓紧 固到在同一帧的 MP 离合器壳体的作用是为了限制 输入轴和 MP 之间的转动离 合器壳体的影响。 干摩擦制动是三个设备中最简单的。在一对弹簧耦合的钢盘的 情况下，会与一个磁盘固定在转轴上。由于制动壳体的内部的电磁铁被激励， 弹 簧加载的盘被纵向拉伸到轴下并且插入制动器壳体面与摩擦材料接触。 摩擦转矩 正比于拉动摩擦材料旋转板的力。对于所说的三个制动器，控制信号是通过器件 的电磁体通过的电流使得输出旋转和输入轴与固定制动器外壳之间所产生扭矩。
""0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Time (sec)
ຫໍສະໝຸດ Baidu
图 4：MR 制动器器在电流为 0〜0.5 A 时的阶跃响应、控制电流和转矩响应。
虽然电动机的旋转速度也会随着控制电流的变化而变化， 但是这个整体效果 可以被认为是忽略不计的，在后面的结果中将发现它作为 MR 制动器器器转矩的
时间（S）
图 5：MR 制动器器电流 0 A 至 0.5 A（放大）的阶跃响应。 ^^控制电流，^^转矩响应。
时间（S）
图 6：MR 制动器器电流 0.5 A 到 0 A.的阶跃响应^^控制电流，^^转矩响应。
以不同执行幅度重复阶跃响应试验。分别计算出每种不同的当前步骤的 MR 制动器器的时间常数并且列于表 1 中。MR 刹车在每个电流的稳态转矩的测定结 果，也列在表 1 中。该数据也画在图 7 中，在图 7 中可以看到，控制电流从 0 到 1.5 A 的整个工作电流范围中，制动转矩被看成是大致成比例的。 这些阶跃响应实验的结果也表现在 MP 离合器中。MP 离合器的转矩随输入电 流从 0 至 0.3 A 的变化的响应示于图 8，紧接着电流从 0.3A 降至 0A 的阶跃响应 示于图 9。如这些图所示，MP 离合器的时间常数大约为 50 毫秒。偏移扭矩，也 就是不带电流的转矩， 是 0.1 牛· 米， 几乎为 MR 制动器器器的偏置转矩的一半。 这步测试是以不同的电流阶跃幅度的来重复测试的。MP 离合器所产生的输出转 矩和控制电流之间静态关系如图 10 所示。这种关系对于小电流和转矩显然不是 线性的，但成为近似线性的电流也只是超过 0.2 A 而已.另外，该图中对于转矩电流关系由 Orthwein[7]中的文本显示是相当类似的。
图 1：三种半主动扭转制动器 2.54cm 铝板的相对刚性的框架已经被构建。如图 2 中所示，直流电动机被 安装在一端而制动器被安装到在框架另一端的一竖直板上。 一种非接触扭矩传感 器被用于耦合直流电动机轴在特定的制动器下的测试。 球轴承被用于安装在处于 第二垂直板的扭矩传感器的一端 。所有联轴器由 2.54 厘米的钢杆制成。应当指 出的是， 尽管所有的努力都是为了保持紧公差内所有的轴对齐，但由于串联耦合 的三个设备，一些跳动是不可避免的，尤其是小扭矩直流电动机的振荡。
1. 简介
扭转振动是在许多机械系统的旋转机械部件中都存在的一个重要问题。 在 该情况下的小阻尼系统中， 该系统在一个特定模式的激发可能导致过高的振动或 甚至造成轴故障。 处理的扭转振动最经典的方法是在旋转系统上安装一个阻尼减 振器[1]. 通过适当地调节吸收的动力学， ， 加的阻尼可以加入到适当的主系统 的模式中。在那些 吸收固定的参数（质量，刚度和阻尼）中，吸收体是振动控 制的一种被动方法。而被动方法可以是相当有效的，最近的研究一直集中在从半 主动方法的发展到振动控制。根据 Fuller et al. [2] ， 半主动控制系统，是那种 可以“仅存储或消耗能量”的制动器。半主动控制装置进一步由 Preumont 定义为 无源器件，[3]其性能（例如刚度和阻尼）可以通过实时控制信号调整 ， 但不 能直接在系统的控制下补充能量。 与此相反，有源振动控制的方法通常被认为 是那些可以直接添加能量到主系统可让制动器使用。 直接驱动系统的能力确实增 加，在一定程度上，电势用于实现有效的振动控制方法 ，尽管不稳定的可能性 也增加。 半有源系统是有吸引力的，由于上线调谐的可用性，他们有可能比被 动方式更有能力，而与此同时，它们也是更简单的实现完全活性的系统。 智能材料，如形状记忆合金（SMA） ， 压电材料 ， 和磁流变（MR）液 是用来提供简单实现半主动执行器的技术方法的例子。用这样的材料，结构的有 效刚度和阻尼可以通过使用其他物理量如热，施加的电压，或控制磁场来调制。 而所面临的挑战是，得到的制动器，是实现简单，但可达到所需的带宽和力/扭 矩幅值影响下控制系统。比如形状记忆合金具有优异的力 - 重量比，但是，由 于它们的热制动，会在带宽方面有所限制。
粘性成分相比于干摩擦元件是相当小的。 在时间响应中的一个小振荡是在一个频 率与电机速度一致的情况下的，并且被解释为是由于实验系统中跳动扭矩的波 动。可以发现，除了那些振荡，第二频率分量在 250 赫兹这个平率上。该信号被 认为是在与其他致动器的阶跃响应试验和实际的测试机架的结构共振。 控制电流 的下降阶段的 MR 制动器器力矩的时间响应，从 0.5 A 至 0 的情况如图 6 所示 。 如果 MR 制动器器再次被视为一个线性一阶系统， 该装置的时间常数又是 25 毫秒。
it
Vin t 5
（1）
（下图 4 个 12 伏电池被用于提供一个+36 V /-12 V 电源。实际电流是使用 霍尔效应电流探头测量。）
图 3：执行器的电流供应线路图
3. 表征与测试
Srinivasan 和 McFarland[6]中描述的 MR 流体装置是被由粘性摩擦叠加在 一些干摩擦的可变干摩擦支配的行为。[7]描述的磁性颗粒的设备，无论是制动 和离合器的行为，与速度无关。Orthwein 还示出了旋转表面的干摩擦制动增加 并且滑动速度减小的摩擦扭矩。 虽然摩擦与不同的致动器之间的速度关系似乎是 已知的，但完成关于执行“动态响应”的工作相对较少。在这项工作中实验描述 的目的是为了满足对致动器 “动态响应的理解， 以及它们的静摩擦力与速度响应。 由此，致动器进行了三次序列的试验。首先，步骤的反应进行在每个致动器中。 对于每个致动器， 直流电动机以给定的速度被驱动并且控制电流不穿过致动器的 电磁体。 之后控制电流就会升压到一固定值，并在取出之前会以这个固定值停留 一段时间。在这个实验中，传感器的转矩会通过不断地扭转被测定出来。但是应 当注意的是， 干摩擦制动器的响应中会出现显著的振荡，并且会在随后的这个工 作的部分进行是显现出来。在该响应检查后，作者感到满意的是：最终发现半主 动控制应用程序中特定的干摩擦制动的使用是不可能的，并且，同样地，在第二
和第三个仅用于 MR 流体制动器和 MP 离合器的测试后也得到了类似的结果。 在第二组测试中，直流电动机再次以给定的速度驱动。在这种情况下，控制 电流的直流偏移被加上了一个正弦扫频信号。 通过测量制动器的扭矩作为频率的 函数，得到对于每个制动器的基本频率响应。 最终的测试是标准的摩擦与速度的测验。该测试中，控制电流通过制动器的 电磁体被保持固定。 直流电动机的电压，驱动旋转元件的一个偏移量的正弦和 相应的角速度是使用编码器来测量的。 那些试验为每个一组以固定的控制电流重 复。
3.1 阶跃响应的试验结果 MR 制动器器响应控制电流的步骤是从 0 至 0.5 A 被显示在图 4 和图 5 中。 正如这些图中所示，该步骤的反应与一阶系统或过阻尼的高阶系统是相似的。 小 偏置转矩是由于该装置在没有输入电流是出现的非零力矩造成的。如果 MR 制动 器器过程被视为线性一阶系统，你们它的时间长那个数应该是 25 毫秒。但是， 在转矩的最终值达到 90％的上升时间大约为 0.2 秒，这表明，第一级的解释并 不完全准确。尽管有该差异，一阶模型仍然被认为是一个很近似适合 MR 制动器 器的整体行为。 这样的假设将会在在后面的部分中的频率响应的结果被进一步支 持。