一种磁盘式负刚度电磁执行机构的电磁力控制方法技术

本发明专利技术是一种磁盘式负刚度电磁执行机构的电磁力控制方法。本发明专利技术涉及振动控制技术领域，本发明专利技术根据实际所需的静态承载能力，确定磁盘式准零刚度隔振器所需机械弹簧正刚度k；建立磁未饱和情况下的单个电磁铁电磁力数学模型；本发明专利技术针对磁盘式准零刚度隔振器，以线圈电流作为输入控制量，使得负刚度电磁执行机构的电磁力与位移呈线性关系，改变了隔振系统的非线性本质，避免了工作时因非线性电磁力引起的多稳态现象，消除隔振器整体在工作时出现跳跃等复杂的动力学行为；不需要需要复杂的传感器和控制系统，实现方式简单方便。

【技术实现步骤摘要】
一种磁盘式负刚度电磁执行机构的电磁力控制方法
本专利技术涉及振动控制
，是一种磁盘式负刚度电磁执行机构的电磁力控制方法。
技术介绍
隔振技术作为减振降噪的重要技术手段，旨在振源与系统之间采取一定措施，安置适当制振或隔振器材以隔离振动的直接传递。传统被动隔振器理论上只能对激励频率大于倍系统固有频率的振动起到衰减作用，故在低频隔振领域，准零刚度隔振技术近年来得到了越来越多的重视。准零刚度隔振器多为正负刚度结构并联组合而成，可将系统的总体刚度减小至接近或等于零，在保证高静态支撑能力的同时，实现低动态刚度，降低了系统固有频率，拓宽了系统的隔振频带，可很好的用于解决低频振动隔离问题。负刚度的实现方式作为准零刚度技术的重点，直接决定了隔振系统的整体性能。目前，实现负刚度所采用的的结构主要分为：机械弹簧式、磁铁式、橡胶式以及电磁铁式，其负刚度结构的作用力在工作点附近随位移呈现明显的非线性变化，非线性系统的本质使得准零刚度系统可能存在多个吸引子，引起多稳态现象，导致隔振器整体在工作时出现跳跃等复杂的动力学行为，若要将大振幅的吸引子向小振幅吸引子迁移实现减振降噪，控制系统和策略将会相当复杂。针对上述问题，考虑到在诸多负刚度机构实现方式中，由于电磁式机构的控制方式较为灵活，可以通过设计相关控制器，制定控制策略，进一步提高机构的隔振性能，具有良好的准确性和快速性，故电磁铁式负刚度执行机构逐渐成为研究的重点。磁盘式电磁铁机构具有电磁力大，吸合快速，漏磁少的特点，可将其采取纵向对称布置的结构设计成负刚度电磁执行机构。
技术实现思路
本专利技术针对磁盘式准零刚度隔振器的负刚度电磁执行机构提出一种“电磁力-位移”的线性控制方法，本专利技术提供了以下技术方案：一种磁盘式负刚度电磁执行机构的电磁力控制方法，包括以下步骤：步骤1：根据静态承载力，选取提供隔振系统正刚度的机械弹簧，确定所述弹簧的正刚度；步骤2：建立磁未饱和下的电磁力模型，确定电磁铁的电磁吸力；步骤3：负刚度电磁执行机构上下对称，根据磁未饱和情况下的负刚度电磁执行机构，建立电磁力-位移模型；步骤4：对电磁力-位移模型进行解析，确定负刚度电磁执行机构以电流为系统的输入控制量时，通入上下线圈的电流、结构参数与位移、理想定值负刚度大小以的函数关系；步骤5：建立隔振系统模型，根据负刚度电磁执行机构的在理想情况下的电磁力-位移模型，确定振动响应；步骤6：根据振动响应，基于电流、结构参数与位移、理想定值负刚度大小以的函数关系，确定满足负刚度电磁机构线性电磁力-位移关系所需的控制电流。优选地，所述步骤2具体为：建立磁未饱和下的电磁力模型，确定电磁铁的电磁吸力，通过下式表示电磁铁的电磁吸力：其中，Fmag1为电磁铁1电磁吸力，Rtotal1为电磁铁1总磁阻，Φ1为电磁铁1的磁通，μ0为真空介电常数，Sin为内磁极等效等效横截面积，Sout为外磁极等效等效横截面积，Ic1为电磁铁1所通电流；根据衔铁1的气隙磁阻和衔铁1的磁阻，确定电磁铁1的总磁阻，通过下式表示电磁铁1的总磁阻：Rtotal1＝Rgap11+Rgap12+Rarm+Riron其中，S1为铁芯1水平方向磁路等效横截面积，S2为衔铁1水平方向磁路等效横截面积，x1为电磁铁1气隙，μ1为铁芯1、铁芯2、衔铁1、衔铁2材料的磁导率大小，Rgap11为衔铁1内磁极对应气隙磁阻，Rgap12为衔铁1外磁极对应气隙磁阻，Rarm为衔铁1磁阻，Riron为铁芯1磁阻，N1为电磁铁1的线圈匝数，l1为铁芯高度1高度、l2为电磁铁1线圈高度、l3为衔铁1内径为、l4为电磁铁1线圈内径、l5为电磁铁1线圈外径、l6铁芯1外径、l7为衔铁1外径、l8为衔铁1高度。优选地，所述步骤3具体为：根据负刚度电磁执行机构上下对称的结构，建立磁未饱和情况下负刚度电磁执行机构的电磁力-位移模型，确定负刚度电磁执行机构的在理想情况下的电磁力吸力大小，通过下式表示理想情况下的电磁吸力：a＝2(Sin+Sout)其中，Fmag2为电磁铁2电磁吸力，Φ2为电磁铁2磁通，x为负刚度弹簧位移，N2为电磁铁2线圈匝数，Ic1为同时通入线圈1的电流(通入线圈2的电流Ic2与Ic1大小相等)，μr为铁芯1、铁芯2、衔铁1、衔铁2材料的相对磁导率大小，a为一关于Sin和Sout的中间计算变量，b为一关于l8、la、lb、Sin、Sout、S1、S2和μr的中间计算变量；根据电磁铁2的线圈匝数和电流，以及电磁铁2的总磁阻，确定电磁铁2的磁通，通过下式表示电磁铁2的磁通Rtotal2＝Rgap21+Rgap22+Rarm+Riron其中，Rgap21为衔铁2内磁极对应气隙磁阻，Rgap22为衔铁2外磁极对应气隙磁阻。优选地，所述步骤4具体为：步骤4.1：确定负刚度电磁执行机构的电磁力-位移模型，令负刚度电磁执行机构的关于结构参数、控制电流的电磁力-位移模型和关于理想负刚度的电磁力-位移模型相等：Fmag＝kmx其中，km为理想定值负刚度大小；步骤4.2：对电磁力-位移模型进行求解，确定负刚度电磁执行机构以电流为系统的输入控制量时，通入上下线圈的电流关于位移、理想定值负刚度大小以及结构参数的函数关系：ax-b＜0其中，Ic1为同时通入线圈1的电流(通入线圈2的电流Ic2与Ic1大小相等)，μr为铁芯1、铁芯2、衔铁1、衔铁2材料的相对磁导率大小。优选地，所述步骤5具体为：步骤5.1：建立隔振系统模型，通过下式表示将理想电磁力形式带入隔振系统的动力学数学模型：xe＝Xecos(wet)x＝xt-xe其中，m为被隔振质量，为被隔振物体振动响应加速度，为被隔振物体振动响应速度，xe为系统所受激励，为系统所受激励速度，c为系统阻尼，xt为被隔振物体振动响应，xe为系统所受激励，Xe为激励幅值，we为激励频率；步骤5.2：理想情况下,负刚度绝对值大小与正刚度相同，系统总体动刚度为零，即km+k＝0，通过下式表示隔振系统的动力学模型：确定位移响应，通过下式表示振动响应：C1＝-Xe，其中，xt11为对应自由振动响应的的解、xt12为对应强迫振动响应的的特解，C1为对应自由振动响应的的特解系数1，C2为对应自由振动响应的的特解系数2，C3为对应强迫振动响应的的特解系数1、C4为对应强迫振动响应的的特解系数2；步骤5.3：负刚度机构刚度为正刚度，即km+k＞0，通过下式表示隔振系统的动力学模型：确定位移响应，通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁盘式负刚度电磁执行机构的电磁力控制方法，其特征是：包括以下步骤：/n步骤1：根据静态承载力，选取提供隔振系统正刚度的机械弹簧，确定所述弹簧的正刚度；/n步骤2：建立磁未饱和下的电磁力模型，确定电磁铁的电磁吸力；/n步骤3：负刚度电磁执行机构上下对称，根据磁未饱和情况下的负刚度电磁执行机构，建立电磁力-位移模型；/n步骤4：对电磁力-位移模型进行解析，确定负刚度电磁执行机构以电流为系统的输入控制量时，通入上下线圈的电流、结构参数与位移、理想定值负刚度大小以的函数关系；/n步骤5：建立隔振系统模型，根据负刚度电磁执行机构的在理想情况下的电磁力-位移模型，确定振动响应；/n步骤6：根据振动响应，基于电流、结构参数与位移、理想定值负刚度大小以的函数关系，确定满足负刚度电磁机构线性电磁力-位移关系所需的控制电流。/n

【技术特征摘要】
1.一种磁盘式负刚度电磁执行机构的电磁力控制方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：根据静态承载力，选取提供隔振系统正刚度的机械弹簧，确定所述弹簧的正刚度；
步骤2：建立磁未饱和下的电磁力模型，确定电磁铁的电磁吸力；
步骤3：负刚度电磁执行机构上下对称，根据磁未饱和情况下的负刚度电磁执行机构，建立电磁力-位移模型；
步骤4：对电磁力-位移模型进行解析，确定负刚度电磁执行机构以电流为系统的输入控制量时，通入上下线圈的电流、结构参数与位移、理想定值负刚度大小以的函数关系；
步骤5：建立隔振系统模型，根据负刚度电磁执行机构的在理想情况下的电磁力-位移模型，确定振动响应；
步骤6：根据振动响应，基于电流、结构参数与位移、理想定值负刚度大小以的函数关系，确定满足负刚度电磁机构线性电磁力-位移关系所需的控制电流。


2.根据权利要求1所述的一种磁盘式负刚度电磁执行机构的电磁力控制方法，其特征是：所述步骤2具体为：
建立磁未饱和下的电磁力模型，确定电磁铁的电磁吸力，通过下式表示电磁铁的电磁吸力：












其中，Fmag1为电磁铁1电磁吸力，Rtotal1为电磁铁1总磁阻，Φ1为电磁铁1的磁通，μ0为真空介电常数，Sin为内磁极等效等效横截面积，Sout为外磁极等效等效横截面积，Ic1为电磁铁1所通电流；
根据衔铁1的气隙磁阻和衔铁1的磁阻，确定电磁铁1的总磁阻，通过下式表示电磁铁1的总磁阻：
Rtotal1＝Rgap11+Rgap12+Rarm+Riron
























其中，S1为铁芯1水平方向磁路等效横截面积，S2为衔铁1水平方向磁路等效横截面积，x1为电磁铁1气隙，μ1为铁芯1、铁芯2、衔铁1、衔铁2材料的磁导率大小，Rgap11为衔铁1内磁极对应气隙磁阻，Rgap12为衔铁1外磁极对应气隙磁阻，Rarm为衔铁1磁阻，Riron为铁芯1磁阻，N1为电磁铁1的线圈匝数，l1为铁芯高度1高度、l2为电磁铁1线圈高度、l3为衔铁1内径为、l4为电磁铁1线圈内径、l5为电磁铁1线圈外径、l6铁芯1外径、l7为衔铁1外径、l8为衔铁1高度。


3.根据权利要求1所述的一种磁盘式负刚度电磁执行机构的电磁力控制方法，其特征是：所述步骤3具体为：
根据负刚度电磁执行机构上下对称的结构，建立磁未饱和情况下负刚度电磁执行机构的电磁力-位移模型，确定负刚度电磁执行机构的在理想情况下的电磁力吸力大小，通过下式表示理想情况下的电磁吸力：






a＝2(Sin+Sout)



其中，Fmag2为电磁铁2电磁吸力，Φ2为电磁铁2磁通，x为负刚度弹簧位移，N2为电磁铁2线圈匝数，Ic1为同时通入线圈1的电流，通入线圈2的电流Ic2与Ic1大小相等，μr为铁芯1、铁芯2、衔铁1、衔铁2材料的相对磁导率大小，a为一关于Sin和Sout的中间计算变量，b为一关于l8、la、lb、Sin、Sout、S1、S2和μr的中间计算变量；
根据电磁铁2的线圈匝数和电流，以及电磁铁2的总磁阻，确定电磁铁2的磁通，通过下式表示电磁铁2的磁通：



Rtotal2＝Rgap21+Rgap22+Rarm+Riron



其中，Rgap21为衔铁2内磁极对应气隙磁阻，Rgap22为衔铁2外磁极对应气隙磁阻。


4.根据权利要求1所述的一种磁盘式负刚度电磁执行机构的电磁力控制方法，其特征是：所述步骤4具体为：
步骤4.1：确定负刚度电磁执行机构的电磁力-位移模型，令负刚度电磁执行机构的关于结构参数、控制电流的电磁力-位移模型和关于理想负刚度的电磁力-位移模型相等：



Fmag＝kmx
其中，km为理想定值...

【专利技术属性】
技术研发人员：靳国永，袁俊杰，叶天贵，刘志刚，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23