饋能式電磁作動器饋能與阻尼特性研究

王興野，張進秋，黃大山，張 建，彭志召

(裝甲兵工程學(xué)院裝備試用與培訓(xùn)大隊,北京 100072)

饋能式電磁作動器饋能與阻尼特性研究

王興野，張進秋，黃大山，張 建，彭志召

(裝甲兵工程學(xué)院裝備試用與培訓(xùn)大隊,北京 100072)

為探究基于“旋轉(zhuǎn)電機+齒輪齒條”結(jié)構(gòu)的饋能式電磁作動器的工作特性，在分析其工作原理的基礎(chǔ)上設(shè)計并研制了一款該型作動器，闡述了其結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)計算流程，理論分析了饋能式電磁作動器的饋能特性和阻尼特性，并進行了臺架試驗。結(jié)果表明：饋能式電磁作動器的反饋電壓和電磁阻尼系數(shù)主要與激振速度和外接負載電阻的大小有關(guān)。這為后續(xù)研究中對饋能式電磁作動器的阻尼和反饋電壓的精確控制奠定了基礎(chǔ)。

饋能式電磁作動器； 齒輪齒條； 反饋電壓； 阻尼

電磁作動器具有無泄漏、響應(yīng)速度快、可控性好及不受環(huán)境因素影響等優(yōu)點，國內(nèi)外學(xué)者對不同形式的電磁作動器進行了大量研究，采用的結(jié)構(gòu)包括直線電機[1-2]、“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”[3-5]、“旋轉(zhuǎn)電機+齒輪齒條”[6-7]和液壓馬達[8]等。由于采用直線電機和“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”結(jié)構(gòu)的電磁作動器結(jié)構(gòu)相對簡單、體積較小，因此基于這2種結(jié)構(gòu)進行的研究較多，部分已在實車上進行了應(yīng)用[1]。然而，采用直線電機結(jié)構(gòu)的電磁作動器存在出力較小、可靠性較低等問題，而采用“旋轉(zhuǎn)電機+滾珠絲杠”結(jié)構(gòu)的電磁作動器存在抗沖擊性較差、高頻振動時控制效果不明顯等問題[3]。盡管基于“旋轉(zhuǎn)電機+齒輪齒條”結(jié)構(gòu)的電磁作動器研究相對較少，但取得了較好的試驗效果。BENO等[6]為HMMWV車研制的基于“旋轉(zhuǎn)電機+齒輪齒條”結(jié)構(gòu)的電控主動懸掛系統(tǒng)，與LI等[7]為普通越野車輛設(shè)計的齒輪齒條結(jié)構(gòu)饋能吸振器均具有較好的減振與饋能特性。

筆者針對某型4輪車輛設(shè)計一種“旋轉(zhuǎn)電機+齒輪齒條”結(jié)構(gòu)的饋能式電磁作動器，并通過臺架試驗對其饋能與阻尼特性進行研究，為后續(xù)研究“旋轉(zhuǎn)電機+齒輪齒條”結(jié)構(gòu)的饋能式電磁作動器的控制特性奠定基礎(chǔ)。

1 饋能式電磁作動器工作原理

饋能式電磁作動器工作原理用圖1所示的2自由度1/4車輛模型進行說明：地面不平激勵通過車輪和饋能式電磁作動器傳遞給車體，加速度和位移傳感器采集車輛狀態(tài)信息并傳輸?shù)娇刂破?，控制器根?jù)設(shè)定的控制策略選擇進行主動出力控制或者電磁阻尼控制并回收能量，即當(dāng)控制策略為主動出力控制時，控制器將控制信號傳遞給電機驅(qū)動器，通過控制電機的輸入電流控制電機輸出力矩；當(dāng)控制策略為電磁阻尼控制時，控制器將控制信號傳遞給蓄能電路，通過調(diào)節(jié)電路中的參數(shù)控制電機的制動力矩，同時回收電機產(chǎn)生的電能。

圖1 饋能式電磁作動器工作原理

2 饋能式電磁作動器的設(shè)計

饋能式電磁作動器的設(shè)計采用“旋轉(zhuǎn)電機+齒輪齒條”結(jié)構(gòu)，為滿足實車的使用要求，需要根據(jù)車輛的具體參數(shù)進行設(shè)計。圖2為饋能式電磁作動器結(jié)構(gòu)，其主要由旋轉(zhuǎn)電機、減速機、齒輪、齒條和直線導(dǎo)軌等部件組成。

圖2 饋能式電磁作動器結(jié)構(gòu)

2.1 電機選型

針對本文所研究的4輪車輛，仍以2自由度1/4車輛模型為例進行分析，其車體質(zhì)量ms=345 kg。在對作動器進行設(shè)計時，作動器最大出力一般為車重力的0.9倍，其最大相對運動速度vmax=0.52 m/s[9]。因此，本文中饋能式電磁作動器最大出力Fmax=0.9msg=3 042.9 N，其最大功率Pmax=Fmax·vmax=1 582.3 W。在實際使用過程中，電磁作動器工作于最大出力狀態(tài)和最大速度狀態(tài)的時間一般都很短，只是一個瞬態(tài)的過程，這樣可充分利用伺服電機的過載能力。取過載比例為300%，則可得到電機的額定功率P=Pmax/3=527.4 W，考慮到電機、傳動裝置和作動器的機械損耗，選擇電機的額定功率P=1 000 W。初步選定電機型號為Motec SEM-80C10303HN，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 Motec SEM-80C10303HN電機的主要技術(shù)參數(shù)

2.2 齒輪齒條及減速機參數(shù)設(shè)計

齒輪齒條是將饋能式電磁作動器的直線運動和電機的旋轉(zhuǎn)運動相互轉(zhuǎn)化的機構(gòu)，其直線導(dǎo)軌的一端與饋能式電磁作動器的底蓋連接，另一端與齒條并聯(lián)，起導(dǎo)向與減小摩擦的作用。齒輪齒條的設(shè)計要求為：齒條的工作行程大于饋能式電磁作動器的動行程，同時齒輪的分度圓半徑應(yīng)當(dāng)盡量小，以減小整個結(jié)構(gòu)的尺寸，但必須保證其強度能夠滿足要求。根據(jù)饋能式電磁作動器的安裝空間，初選齒數(shù)為19、模數(shù)為3的齒輪齒條機構(gòu)，則分度圓半徑Rg=0.028 5 m。

表2 Motec APE60-16減速機技術(shù)參數(shù)

3 饋能式電磁作動器特性理論分析

3.1 饋能特性理論分析

當(dāng)電機工作于發(fā)電機狀態(tài)時，饋能式電磁作動器的反饋電壓是三相交流電，經(jīng)過整流電路整流后，其有效值E為

(1)

式中：Ke為電機的反電動勢常數(shù)(mV/(r·min-1))；n為電機轉(zhuǎn)速(r/min)。n與饋能式電磁作動器的相對運動速度v之間的關(guān)系為

(2)

若已知三相電中任意兩相之間反饋線電壓的幅值E′，則E與E′之間的關(guān)系為

(3)

當(dāng)電機外接負載阻值為R的可變電阻時，可將電機等效為一個電動勢為E、內(nèi)阻為r的電源，則系統(tǒng)可等效為如圖3所示的電路。

圖3 饋能狀態(tài)下系統(tǒng)等效電路

此時,反饋電流I為

(4)

可變電阻兩端的電壓U為

(5)

由式(1)-(5)可以看出：饋能式電磁作動器的相對運動速度越大，電機轉(zhuǎn)速越高，饋能式電磁作動器的反饋電壓越高；電機外接負載的阻值越大，反饋電流越小，可變電阻兩端的電壓越高，開路(R→∞)時測得的電壓相當(dāng)于電源的電動勢，其值會達到最大。

3.2 阻尼特性理論分析

饋能式電磁作動器的阻尼力f由機械阻尼力fs和電磁阻尼力fa組成。fs與v之間的關(guān)系為

fs=csv，

(6)

式中：cs為饋能式電磁作動器的機械阻尼系數(shù)，一般為常數(shù)。

fa由電機的制動轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化而來，當(dāng)電機工作于發(fā)電機狀態(tài)時，其制動轉(zhuǎn)矩T為

T=Kt·I，

(7)

式中：Kt為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)。

制動轉(zhuǎn)矩經(jīng)過減速機和齒輪齒條的轉(zhuǎn)化后可提供的電磁阻尼力fa為

fa=Ti/Rg。

(8)

綜合式(1)-(8)可得

(9)

(10)

f=fs+fa=(cs+ca)v，

(11)

式中：ca為饋能式電磁作動器的電磁阻尼系數(shù)。

由式(9)-(11)可以看出：饋能式電磁作動器的阻尼力隨饋能式電磁作動器相對運動速度的增大而增大，隨外接負載阻值的增大而減小，開路(R→∞)時fa=0 N，饋能式作動器提供的阻尼力為饋能式作動器的機械阻尼力。

4 饋能式電磁作動器特性臺架試驗

為了對饋能式電磁作動器的主動出力、電磁阻尼和能量回收進行有效控制，需要對饋能式電磁作動器的阻尼特性和饋能特性進行試驗測試。圖4為饋能式電磁作動器特性試驗臺架。其中：激振臺可根據(jù)設(shè)定的速度在規(guī)定的行程內(nèi)往復(fù)運動，激振臺上的力傳感器和位移傳感器用于采集饋能式電磁作動器的阻尼力和位移；示波器可對開路電壓和可變電阻兩端的電壓進行測量，并通過數(shù)據(jù)采集軟件進行采集和存儲。試驗過程中，臺架的激振速度即為饋能式電磁作動器的相對運動速度。

圖4 饋能式電磁作動器特性試驗臺架

為測試電磁作動器的阻尼特性與饋能特性，在激振速度分別為0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s，外接負載阻值分別為25、50、75、100 Ω和開路條件下，對可變電阻兩端電壓和饋能式電磁作動器的阻尼力進行測試與采集。當(dāng)外接負載阻值為25 Ω、激振速度為0.3 m/s時，阻尼力已經(jīng)達到1 071 N，可變電阻出現(xiàn)了過熱的情況，出于安全方面的考慮，未再進行更大激振速度的試驗。

4.1 饋能特性試驗數(shù)據(jù)分析

試驗時，激振臺在每一激振速度和外接負載阻值條件下進行5次往復(fù)運動，雖然設(shè)定了激振速度，但實際是一個激振速度由0加速到設(shè)定值再減速到0的循環(huán)過程。因此，波形的最大幅值為該設(shè)定速度下可變電阻兩端電壓的幅值。圖5為外接負載阻值為25 Ω、激振速度為0.05 m/s時，可變電阻兩端電壓隨t的變化曲線。可以看出：可變電阻兩端電壓呈正弦變化，幅值最大處可達12.6 V。

圖5 外接負載阻值為25 Ω、激振速度為0.05 m/s時可變電阻兩端電壓隨t變化曲線

由于試驗組數(shù)較多，本文不進行一一列舉。通過對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可得到不同外接負載阻值時可變電阻兩端電壓幅值隨激振速度的變化曲線，如圖6所示。可以看出：在外接負載阻值不變的情況下，可變電阻兩端電壓幅值隨激振速度的增大而增大，且線性度較好；當(dāng)激振速度不變時，外接負載阻值越大，可變電阻兩端電壓幅值越大，但變化量很小，這是由于電機內(nèi)阻r=2.5 Ω，與外接負載阻值相比較小。由式(5)可知：當(dāng)外接負載阻值遠大于內(nèi)阻值時，外接負載阻值變化對其兩端電壓變化的影響很小，試驗結(jié)果與理論分析相符。

圖6 不同外接負載時可變電阻兩端電壓幅值隨激振速度變化曲線

同時，為了方便計算饋能電路在不同外接負載條件下反饋線電壓的實際值，可綜合式(1)-(3)對電機的反電動勢常數(shù)進行反向計算，計算方法為

(12)

利用MATLAB對開路條件下反饋線電壓幅值隨速度變化數(shù)據(jù)進行一階多項式擬合，得到曲線的斜率為288.48，代入其他參數(shù)值，利用式(12)計算得到Ke=51.37 mV/(r·min-1)。

4.2 阻尼特性試驗數(shù)據(jù)分析

由于試驗數(shù)據(jù)較多，此處僅以外接負載阻值為25 Ω、激振速度為0.2 m/s時的測試為例，其示功圖如圖7所示?？梢钥闯觯杭ふ衿髟谖灰茷? mm處達到試驗設(shè)定速度，在臨近正負最大位移處有一較大力值的突變。其原因為：激振臺在正負最大位移處換向時，饋能式電磁作動器上下兩端的固定裝置略微有些松動,從而造成了沖擊。

與可變電阻兩端電壓測試同一原理，對饋能式電磁作動器阻尼力測試數(shù)據(jù)進行處理，可得到不同外接負載阻值條件下的阻尼特性曲線，如圖8所示?？梢钥闯觯吼伳苁诫姶抛鲃悠髯枘崃﹄S激振速度的增大而增大；激振速度相同時，外接負載阻值越大，饋能式電磁作動器阻尼力越小，試驗結(jié)果與理論分析相符；阻尼力在低速狀態(tài)時線性度較差，這可能是由饋能式電磁作動器的最大靜摩擦力較大造成的。

圖8 不同外接負載阻值條件下的阻尼特性曲線

利用MATLAB軟件對開路時阻尼特性數(shù)據(jù)進行一階多項式擬合，可得饋能式電磁作動器的機械阻尼力為

fs=1 123.1v，

(13)

即饋能式電磁作動器的機械阻尼系數(shù)cs=1 123.1 N·s/m。

為了在后續(xù)的研究中能夠?qū)︷伳軤顟B(tài)下的電磁阻尼力進行較為精確的控制，可綜合式(9)-(13)對外接負載阻值為25、50、75、100 Ω時的電機轉(zhuǎn)矩常數(shù)Kt進行反向計算，即

(14)

5 結(jié)論

筆者設(shè)計并研制了一款基于“旋轉(zhuǎn)電機+齒輪齒條”結(jié)構(gòu)的饋能式電磁作動器，闡述了其工作原理，并對其饋能特性和阻尼特性進行了理論分析和臺架試驗，得到如下結(jié)論：

1)饋能式電磁作動器的反饋電壓與激振速度和外接負載阻值有關(guān)。激振速度越大，反饋電壓越高，二者之間呈線性變化；外接負載阻值越大，反饋電壓越高，但是當(dāng)外接阻值遠大于電機內(nèi)阻時，負載阻值變化對反饋電壓變化的影響較小。

2)饋能式電磁作動器的阻尼力為機械阻尼力與電磁阻尼力的合力。其機械阻尼系數(shù)為一常數(shù)；電磁阻尼系數(shù)與外接負載阻值有關(guān)，外接負載阻值越大，電磁阻尼系數(shù)越小，且負載阻值變化可導(dǎo)致電磁阻尼系數(shù)的顯著變化。

3)“旋轉(zhuǎn)電機+齒輪齒條”結(jié)構(gòu)的饋能式電磁作動器可通過減速機提高電機的反饋電壓，便于能量的回收；但目前作動器還存在體積較大、機械阻尼系數(shù)相對較大的缺點，需要在后續(xù)的研究中進行優(yōu)化設(shè)計。

[1] BART L J G,TOM P J S,JOHANNES J H P,et al.Efficiency of a regenerative direct-drive electromagnetic active suspension[J].IEEE transactions on vehicular technology,2011,60(4):1384-1393.

[2] 來飛,黃超群.采用電磁作動器的車輛主動饋能式電磁作動器的研究[J].汽車工程,2012,34(2):170-174.

[3] KAVIANIPOUR M.Investigation of the passive electromagnetic damper[J].Acta nechanica,2012,223(12):2633-2646.

[4] 王慶年,劉松山,王偉華,等.滾珠絲杠式饋能型減振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)匹配[J].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2012,42(5):1100-1106.

[5] 張勇超,鄭雪春,喻凡,等.饋能式電動饋能式電磁作動器的原理與試驗研究[J].汽車工程,2008,30(1):48-52.

[6] WEEKS D A,BENO J H,GUENIN A M et al.Electromechanical active suspension demonstration for off-road vehicles[J].SAE technical paper，2000,doi:10.4271-2000-01-0102.

[7] LI Z J,ZUO L,LUHRS G,et al.Electromagnetic energy-harvesting shock absorbers:design,modeling,and road tests[J].IEEE transactions on vehicular technology,2013,62(3):1065-1074.

[8] ANDERSON Z.Gen Shock energy harvesting suspension passes military durability milestone,outperforms specification[EB/OL].(2011-05-26)[2016-09-01].http:∥www.prweb.com/releases/2011/5/prweb8490725.htm.

[9] 彭志召.履帶車輛電磁懸掛系統(tǒng)振動控制與能量需求研究[D].北京:裝甲兵工程學(xué)院,2014.

(責(zé)任編輯:尚菲菲)

Research on the Regenerating and Damping Characteristics of Energy-regenerative Electromagnetic Actuator

WANG Xing-ye,ZHANG Jin-qiu,HUANG Da-shan,ZHANG Jian,PENG Zhi-zhao

(Brigade of Equipment Trial and Training,Academy of Armored Force Engineering,Beijing 100072,China))

In order to explore the work performance of the energy-regenerative electromagnetic actuator based on the structure of rotary motor and rack and pinion,it is designed and developed on the basis of analyzing the working principle.Then,the procedure of structure design and parameters calculation is presented,the energy-regenerative and damping characteristics are theoretically analyzed.Finally,a performance test is carried out to verify it.The result indicates that the feedback voltage and the electromagnetic damping coefficient of the energy-regenerative electromagnetic actuator is mainly related to the exci-ting speed and the size of the external load resistance,which lays a solid foundation for the accurate control of the actuator′s damping force and feedback voltage in the subsequent research.

energy-regenerative electromagnetic actuator; rack and pinion; feedback voltage; damping

1672-1497(2017)01-0046-05

2016-10-19

軍隊科研計劃項目

王興野(1989-)，男，博士研究生。

U463.33

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.010