一种磁流变液负载模拟器的控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及磁流变液负载模拟器，具体涉及一种磁流变液负载模拟器的控制系统 及其控制方法。
【背景技术】
[0002] 负载模拟器技术主要是为了研宄加载对象而产生的一种技术。随着社会经济、科 技、能源等领域的发展，新的需求不断涌现，其中就包括对新产品的研宄和测试，负载模拟 技术在这一背景下不断发展起来。
[0003] 针对目前已有的电液、电动、液压负载模拟器，其自身较高的动态刚度和复杂的控 制策略使得负载的动态和时变特性受到了很大限制，不能很好地满足控制系统的要求。电 气负载的动态、时变特性较好，控制策略也较简单，但要实现复杂负载的模拟需要设计相对 复杂的电气电路，从而导致负载模拟器的开发周期较长，负载模拟器的维护工作也受到了 极大限制。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种磁流变液负载模拟器的控制系统及其控制方法，包括微控制 器、驱动模块、磁流变液负载模拟器、电流检测模块、转速反馈模块、电源模块，所述微控制 器通过增量式数字PID控制算法控制磁流变液负载模拟器中励磁线圈的电流大小，使得磁 流变液负载模拟器输出相应的阻尼力，且由转速反馈模块所采集的转速信号来评判该磁流 变液负载模拟器的负载模拟情况，从而完成对恒转矩负载、恒功率负载、通风机型负载的模 拟控制，系统设计简单，开发周期短，易于维护，控制精度高，以解决现有技术的不足。
[0005] 为解决上述技术问题，本申请采用以下技术方案予以实现：
[0006] 一种磁流变液负载模拟器的控制系统，设置有磁流变液负载模拟器，该磁流变液 负载模拟器包括缸筒、设置在所述缸筒内部的阻尼圆筒、与所述阻尼圆筒连接的传动轴以 及绕制在所述阻尼圆筒上的励磁线圈，所述阻尼圆筒与所述缸筒的侧壁均由导磁材料制 成，所述传动轴分别从所述缸筒的两端向外伸出，所述缸筒与阻尼圆筒的工作间隙内填充 有磁流变液，在缸筒的两端设置有用于密封所述磁流变液的密封机构，其关键在于：还包括 微控制器、驱动模块、电流检测模块、转速反馈模块以及电源模块，其中：
[0007] 所述微控制器的PWM输出端口产生PWM信号给所述驱动模块，该驱动模块输出驱 动电流至所述磁流变液负载模拟器中的励磁线圈中，该励磁线圈还与所述电流检测模块相 连，所述电流检测模块的输出端接入微控制器的AD采样端，所述转速反馈模块用于获取所 述传动轴的转速信号并送入所述微控制器中，所述微控制器接收所述AD采样端的输入值 并通过增量式数字PID控制算法控制所述磁流变液负载模拟器中励磁线圈的电流大小，使 得所述磁流变液负载模拟器输出响应的阻尼力，且由所述转速反馈模块所采集的转速信号 来评判该磁流变液负载模拟器的负载模拟情况。
[0008] 为了充分利用了磁流变液负载模拟器励磁线圈外的区域，让磁通穿过更多的磁流 变液，来改善负载模拟器的阻尼/体积比，在不增大负载模拟器体积的情况下增大了阻尼 力矩，使得负载模拟器结构更加紧凑有效，本发明中磁流变液负载模拟器引入了曲线形磁 通路径的设计，在所述缸筒的侧壁上设置有N个外隔磁环，N为大于或等于1的整数，在所 述阻尼圆筒上设置有N+1个内隔磁环，且所述N+1个内隔磁环紧贴所述励磁线圈的外侧并 与所述N个外隔磁环错落分布，使得所述励磁线圈形成曲线形磁通路径。
[0009] 现有技术中通常采用O型密封圈来密封磁流变液，为了解决长时间运行时就会导 致O型密封圈的过度磨损，以致负载模拟器漏液，不能正常运行，使用寿命大幅降低的技术 问题，本发明的磁流变液负载模拟器引入磁流变液自密封技术，即所述磁流变液负载模拟 器的密封机构为密封套，该密封套的内壁开设有环形的凹槽，在所述凹槽中套有环形磁铁， 在所述密封套与传动轴之间的工作间隙中填充磁流变液。
[0010] 为了采集磁流变液负载模拟器中传动轴的转速信号以便评判该磁流变液负载模 拟器的负载模拟情况，所述磁流变液负载模拟器通过联轴器与电机相连，所述转速反馈模 块接收该电机的转速信号并转换为所述微控制器所需的单端信号。
[0011] 作为一种选优的技术方案，所述转速反馈模块包括差分信号接收芯片和异或门芯 片，所述差分信号接收芯片接收该电机的转速信号，并转化为单端信号，通过所述异或门芯 片的异或处理后，输出到所述微控制器的计数器中，从而得到4倍频率的单端信号。
[0012] 为了提供稳定的直流电源，本发明的控制系统还包括稳压模块对直流电路进行降 压和稳压，该稳压模块采用三端稳压芯片7805。所述三端稳压芯片7805组成稳压电路时， 需要的外围元件数量很少，在其内部电路里不但有过热和过流的保护电路，使用便捷，价格 便宜。作为优选的技术方案，所述微控制器为51单片机STC12C5A60S2,所述驱动模块为单 相降压斩波式BUCK电路，所述电流检测模块为电流检测放大器MAX471。
[0013] 一种磁流变液负载模拟器控制系统的控制方法，其特征在于，所述微控制器采用 增量式数字PID控制算法确定PWM波占空比，并由PWM输出端口输出PWM波，该PWM波通过 所述驱动模块作用于所述磁流变液负载模拟器的励磁线圈上，所述电流检测模块检测所述 励磁线圈的电流并反馈到所述微控制器中，所述增量式数字PID控制算法为：
[0014] 设第k-1个采样时刻的输出值为：
【主权项】
1. 一种磁流变液负载模拟器的控制系统，设置有磁流变液负载模拟器（3)，该磁流变 液负载模拟器（3)包括缸筒（301)、设置在所述缸筒（301)内部的阻尼圆筒（302)、与所述 阻尼圆筒（302)连接的传动轴（303)以及绕制在所述阻尼圆筒（302)上的励磁线圈（304)， 所述阻尼圆筒（302)与所述缸筒（301)的侧壁均由导磁材料制成，所述传动轴（303)分别 从所述缸筒（301)的两端向外伸出，所述缸筒（301)与阻尼圆筒（302)的工作间隙内填充 有磁流变液（305)，在缸筒（301)的两端设置有用于密封所述磁流变液（305)的密封机构 (306)，其特征在于：还包括微控制器（1)、驱动模块（2)、电流检测模块（4)、转速反馈模块 (5)以及电源模块（6)，其中： 所述微控制器（1)的PWM输出端口产生PWM信号给所述驱动模块（2)，该驱动模块（2) 输出驱动电流至所述磁流变液负载模拟器（3)中的励磁线圈（304)中，该励磁线圈（304) 还与所述电流检测模块（4)相连，所述电流检测模块（4)的输出端接入微控制器（1)的AD 采样端，所述转速反馈模块（5)用于获取所述传动轴（303)的转速信号并送入所述微控制 器（1)中，所述微控制器（1)接收所述AD采样端的输入值并通过增量式数字PID控制算法 控制所述磁流变液负载模拟器（3)中励磁线圈（304)的电流大小，使得所述磁流变液负载 模拟器（3)输出响应的阻尼力，且由所述转速反馈模块（5)所采集的转速信号来评判该磁 流变液负载模拟器（3)的负载模拟情况。
2. 根据权利要求1所述的磁流变液负载模拟器的控制系统，其特征在于，在所述缸筒 (301) 的侧壁上设置有N个外隔磁环（307)，N为大于或等于1的整数，在所述阻尼圆筒 (302) 上设置有N+1个内隔磁环（307'），且所述N+1个内隔磁环（307'）紧贴所述励磁线 圈（304)的外侧并与所述N个外隔磁环（307)错落分布，使得所述励磁线圈（304)形成曲 线形磁通路径。
3. 根据权利要求1或2所述的磁流变液负载模拟器的控制系统，其特征在于，所述密封 机构（306)为密封套，该密封套的内壁开设有环形的凹槽（3061)，在所述凹槽（3061)中套 有环形磁铁（3062)，在所述密封套与传动轴（303)之间的工作间隙中填充磁流变液。
4. 根据权利要求1所述的磁流变液负载模拟器的控制系统，其特征在于，所述磁流变 液负载模拟器（3)通过联轴器（8)与电机（9)相连，所述转速反馈模块（5)接收该电机（9) 的转速信号并转换为所述微控制器（1)所需的单端信号。
5. 根据权利要求4所述的磁流变液负载模拟器的控制系统，其特征在于，所述转速 反馈模块（5)包括差分信号接收芯片（501)和异或门芯片（502)，所述差分信号接收芯片 (501)接收该电机（9)的转速信号，并转化为单端信号，通过所述异或门芯片（502)的异或 处理后，输出到所述微控制器（1)的计数器中，从而得到4倍频率的单端信号。
6. 根据权利要求1所述的磁流变液负载模拟器的控制系统，其特征在于，还包括稳压 模块（7)，所述稳压模块（7)采用三端稳压芯片7805并用于提供稳定的直流电源，所述微控 制器（1)为51单片机STC12C5A60S2,所述驱动模块（2)为单相降压斩波式BUCK电路，所述 电流检测模块（4)为电流检测放大器MAX471。
7. 如权利要求1所述的磁流变液负载模拟器控制系统的控制方法，其特征在于，所述 微控制器（1)采用增量式数字PID控制算法确定PWM波占空比，并由PWM输出端口输出PWM 波，该PWM波通过所述驱动模块（2)作用于所述磁流变液负载模拟器（3)的励磁线圈（304) 上，所述电流检测模块（4)检测所述励磁线圈（304)的电流并反馈到所述微控制器（1)中， 所述增量式数字PID控制算法为： 设第k-Ι个采样时刻的输出值为：
式中kp为比例参数，T1为积分 时间常数，Td为微分时间常数，T为采样周期，第k-Ι个采样时刻所得偏差信号e(k-l)= r (k-l)-y (k-1)，r (k-1)为第k-1个采样时刻给定的电流值，y (k-1)为第k-1个采样时刻的 实际输出值； 则第 k 个采样时刻控制量增量 Au(k) =u(k)-U(k-1) =Ae (k)+Be (k-1)+Ce (k-2)，其 中，
，当kpLVTd确定后，使用前后三次 测量的偏差值，即可求出控制量增量。
8.根据权利要求7所述的磁流变液负载模拟器控制系统的控制方法，其特征在于，所 述增量式数字PID控制算法包括以下步骤： 51 :通过试凑法整定A、B、C ; 52 :置初始值e (k-1) = 0, e (k-2) = O以及第k个采样时刻给定的电流值r (k); 53 :将电流检测模块⑷的采样结果赋给y(k); 54 :求解 e(k) = r(k)-y(k); 55 :计算控制量增量Auk; 56 :输出Λ uk进行模数转换； 37:设置6〇^-2)=6〇^-1)，6〇^-1)=6〇〇; S8 :判断是否是采样时刻，如果不是，则继续执行步骤S8,如果是，则执行步骤S4。
【专利摘要】本发明提供了一种磁流变液负载模拟器的控制系统及其控制方法，包括微控制器、驱动模块、磁流变液负载模拟器、电流检测模块、转速反馈模块、电源模块，所述微控制器通过增量式数字PID控制算法控制磁流变液负载模拟器中励磁线圈的电流大小，使得磁流变液负载模拟器输出相应的阻尼力，且由转速反馈模块所采集的转速信号来评判该磁流变液负载模拟器的负载模拟情况，从而完成对恒转矩负载、恒功率负载、通风机型负载的模拟控制，系统设计简单，开发周期短，易于维护，控制精度高。
【IPC分类】G05B19-04
【公开号】CN104765289
【申请号】CN201510066952
【发明人】叶兆虹, 孙跃, 苏玉刚, 戴欣, 唐春森, 王智慧
【申请人】重庆大学
【公开日】2015年7月8日
【申请日】2015年2月9日