一种主被动混合隔振系统中磁悬浮作动器位移自感知方法

摘要

本发明公开一种主被动混合隔振系统中磁悬浮作动器位移自感知方法，主被动混合隔振系统包括气囊隔振器、置于气囊隔振器中的磁悬浮作动器、功率放大器、控制器、充放气单元。方法基于磁悬浮作动器间隙位移发生变化而引起磁路中磁阻发生变化，从而导致线圈中的电感发生变化来实现位移的自检测。通过向磁悬浮作动器线圈通入高频小信号，经过解调滤波得到作动器衔铁的位移，通过控制对气囊进行充放气并行气隙的整。本发明实现了混合隔振系统中位移传感器的功能，使作动器不仅仅作为输出力的装置，而且可通过向线圈注入高频小信号，通过滤波解调检测衔铁的位移，精确得到每个作动器的位移，增强可靠性，降低成本；使混合隔振系统简化，可靠性得到增强。

权利要求

1.一种主被动混合隔振系统中磁悬浮作动器位移自感知方法，其特征在于：所用位移自感知磁悬浮作动器的上盖板、下盖板之间有囊体，囊体内有衔铁、线圈、E型铁芯，E型铁芯与永磁体之间有气隙，在E型铁芯与衔铁之间，有磁通产生，并有磁感线；

线圈接功率放大器，上盖板接充放气控制单元，功率放大器、充放气控制单元接控制器；衔铁移动时，气隙发生变化，引起磁路中磁阻的变化，从而导致线圈中的电感发生变化，进而引起线圈两端的电压发生变化，位移自感知的具体步骤是：第一步，在线圈端加入幅值小且恒定的高频正弦电压信号，此时，功率放大器输出端输出控制信号和高频小信号的混叠正弦信号ic(t)+i1(t)；作动器两端的电压为u2(t)，且u2(t)＝(jω0L+Rc)(i1(t)+ic(t))  (1)式中，Rc为线圈电阻，L为线圈电感，ω0为高频小信号的频率，其中高频小信号i1(t)＝Imcosω0t，Im为高频小信号i1(t)的峰值大小，推导作动器线圈的电感，

其中，hm为永磁体的高度,a1为外侧的磁极宽度,a2为中间侧磁极宽度的一半,b为铁芯厚度,N为线圈的匝数,Hc为永磁体材料的矫顽力，Br为剩磁，μ0为真空磁导率，x为气隙位移的大小；

所述线圈的加入正弦电压信号的控制电流大于1A，频率小于200Hz，高频小信号的幅值小于20mA，输入信号频率大于1KHz；

第二步，将作动器两端的电压进行高频滤波，滤除电压中与控制电流有关的电压量，由于高频小信号在线圈电阻上产生的电压是个微小量，加以忽略，得到调幅电压u3(t)，且式中xm为气隙波动量，p为常量且 其中x0为平衡位置处的气隙位移；

第三步，将调幅电压进行解调，也就是乘以其单位余弦得电压u4(t)，且第四步，将解调后的电压进行低通滤波，除去2倍的中心频率成分，可得与衔铁位移成正比的电压信u5(t)号并输入到控制器中，与衔铁位移成正比的电压信号u5(t)，

第五步，控制器通过控制充放气单元对气囊进行充放气并进行气隙的调整。

2.根据权利要求1所述的一种主被动混合隔振系统中磁悬浮作动器位移自感知方法，其特征在于：(2)式经过在平衡位置x0泰勒展开并省略掉高阶项后得其中p为常量且 hm为永磁体的高度,xm为气隙波动量，a1为外侧的磁极宽度,a2为中间侧磁极宽度的一半,b为铁芯厚度,N为线圈的匝数,Hc为永磁体材料的矫顽力，Br为剩磁，μ0为真空磁导率。

3.根据权利要求1所述的一种主被动混合隔振系统中磁悬浮作动器位移自感知方法，其特征在于：由第一步可以得出在平衡位移处的电感为：设当传感器位移变化量为xm时,线圈两端的电感变化量为ΔL，则可得：(8)式与(9)式相减并整理可得：

式中，当xm<

则电感相对灵敏度K为

说明书

一种主被动混合隔振系统中磁悬浮作动器位移自感知方法

技术领域

[0001] 本发明涉及机械设备隔振领域，尤其涉及机械设备的主被动混合隔振领域，特别涉及一种可以承载设备重量、降低设备的宽频振动传递、控制低频线谱振动、防止设备因倾斜、摇摆、冲击等造成作动器结构损坏的一种抗冲击型主被动混合隔振器。

背景技术

[0002] 主被动混合隔振系统一般主要由被动隔振器、传感器、作动器、控制器组成。其中，被动隔振器主要用来作为支撑被隔振设备，并且隔离宽频振动；传感器用来检测系统的振动参数，并且将检测到的参数传输到控制器；控制器按照一定的控制策略向作动器输出控制指令，作动器根据控制器的信号输出相应的力。作动器是控制器和被控对象之间联系的纽带，作动器自感知实现了作动器既是执行机构，又是感应机构的功能，简化了系统的结构，增加了系统的可靠性。

[0003] 现有的《分时压电自感知作动器》(中国专利号200820097755.8)压电片在某一时间段作为传感器而在下一时间作为作动器，在传感器与作动器之间交替切换，时序由计算机或控制器控制，但不能够同时实现传感器与作动器的作用。《一种超磁致伸缩微位移自感知驱动方法及执行器》(中国专利号201210574209.X)基于逆磁致伸缩效应，外力导致超磁致伸缩材料的磁导率变化，即励磁线圈的电感变化，通过测量线圈电感实现力的自感知，但其对外界条件的要求较高，且应用范围在超精密加工与测量方面，应用范围不广。《智能气囊隔振装置》(中国专利号200910063656.7)是一种以气囊隔振器作为弹性元件的智能隔振装置,其利用的传感器为电涡流位移传感器，能够实现高精度的姿态调整，由于其内部没有作动器，只能进行被动隔振，位移检测也只能依靠电涡流位移传感器。《主被动混合隔振器》(中国专利号201210198889.X)、《抗冲击型主被动混合隔振器》(中国201520320165.7)采用气囊隔振器承载设备重量并隔离设备宽频振动，同时由作动器隔离设备线谱振动，具有隔振性能优越，占用空间小、安装方便等优点，但是其姿态调整需要电涡流位移传感器，且只能获得所有作动器的平均间隙位移，作动器只作为执行器来使用。

发明内容

[0004] 本发明的目的是针对上述现状，旨在提供一种能作为力的输出机构，又能够作为传感器使用，使作动器的智能化程度提高，可靠、稳定的主被动混合隔振系统中磁悬浮作动器位移自感知方法。

[0005] 本发明目的的实现方式为，一种主被动混合隔振系统中磁悬浮作动器位移自感知方法，所用位移自感知磁悬浮作动器的上盖板、下盖板之间有囊体，囊体内有衔铁、线圈、E型铁芯，E型铁芯与永磁体之间有气隙，在E型铁芯与衔铁之间，有磁通产生，并有磁感线；

[0006] 线圈接功率放大器，上盖板接充放气控制单元，功率放大器、充放气控制单元接控制器；功率放大器衔铁移动时，气隙发生变化，引起磁路中磁阻的变化，从而导致线圈3中的电感发生变化，进而引起线圈两端的电压发生变化，位移自感知的具体步骤是：

[0007] 第一步，在线圈端加入幅值小且恒定的高频正弦电压信号，此时，功率放大器输出端输出控制信号和高频小信号的混叠正弦信号ic(t)+i1(t)；作动器两端的电压为u2(t)，且[0008] u2(t)＝(jω0L+Rc)(i1(t)+ic(t))  (1)

[0009] 式中，Rc为线圈电阻，L为线圈电感，ω0为高频小信号的频率，其中i1(t)＝Imcosω0t；推导作动器线圈的电感，

[0010]

[0011] 所述线圈的加入正弦电压信号的控制电流大于1A，频率小于200Hz，高频小信号的幅值小于20mA，输入信号频率为大于1KHz；

[0012] 第二步，将作动器两端的电压进行高频滤波，滤除电压中与控制电流有关的电压量，由于高频小信号在线圈电阻上产生的电压是个微小量，加以忽略，得到调幅电压u3(t)，且

[0013]

[0014] 第三步，将调幅电压进行解调，也就是乘以其单位余弦得电压u4(t)，且[0015]

[0016] 第四步，将解调后的电压进行低通滤波，除去2倍的中心频率成分，可得与衔铁位移成正比的电压信号并输入到控制器中；

[0017] 与衔铁位移成正比的电压信号u5(t)，

[0018]

[0019] 第五步，控制器通过控制充放气单元对气囊进行充放气并进行气隙的调整。

[0020] 本发明的位移自感式磁悬浮作动器的自检测线量程由线圈电感变化量和位移变化量之间的关系决定，灵敏度与作动器的设定位移成反比。

[0021] 与现有技术相比，本发明的优点是：

[0022] (1)本发明中的位移自感式磁悬浮作动器既能够作为现在系统中位移传感器的备份，又可以精确得到每个作动器的位移，增强整个系统的可靠性，简化整个主被动混合隔振系统，降低成本。

[0023] (2)本发明使得磁悬浮作动器智能化，使得作动器不仅仅作为输出力的装置，而且可以通过向线圈注入高频小信号，通过滤波调检测衔铁的位移，使整个系统的集成度提高，可靠性增强。

附图说明

[0024] 图1是位移自感知的主被动混合隔振系统基于高频小信号注入法结构框图；

[0025] 图2是本发明的作动器线圈输入电流频谱图；

[0026] 图3是本发明的作动器线圈两端输出电压频谱图；

[0027] 图4是本发明的作动器位移与电压关系图；

[0028] 图5是本发明的作动器位移变化量与电感变化量关系图；

[0029] 图6是位移自感知的主被动混合隔振系统实施的具体步骤；

[0030] 图7是本发明的永磁体磁悬浮作动器原理结构图；

[0031] 图8是本发明基于开关功放纹波实现位移自感知的结构框图。

具体实施方式

[0032] 下面参照附图详述本发明。参照图1、2、3、6、7、8，

[0033] 本发明位移自感知的磁悬浮作动器2的上盖板8、下盖板9之间有囊体1，囊体内有衔铁7、线圈3、E型铁芯4，E型铁芯4与永磁体5之间有气隙6，在E型铁芯4与衔铁7之间，有磁通11产生，并有磁感线。

[0034] 线圈3接功率放大器，上盖板接充放气控制单元，功率放大器、充放气控制单元接控制器；功率放大器衔铁7移动时，气隙6发生变化，引起磁路中磁阻的变化，从而导致线圈3中的电感发生变化，进而引起线圈两端的电压发生变化，位移自感知的具体步骤是：

[0035] 第一步，在磁悬浮作动器功率放大器端加入幅值小且恒定的高频正弦电压信号u1(t)，此时，功率放大器输出端输出控制信号和高频小信号的混叠正弦信号ic(t)+i1(t)；作动器两端的电压为u2(t)，且

[0036] u2(t)＝(jω0L+Rc)(i1(t)+ic(t))  (1)

[0037] 式中，Rc为线圈电阻，L为线圈电感，ω0为高频小信号的频率，其中i1(t)＝Imcosω0t；推导线圈的电感，

[0038]

[0039] (2)式经过在平衡位置x0泰勒展开并省略掉高阶项后得

[0040]

[0041] 其中p为常量且 hm为永磁体的高度,xm为气隙波动量，a1为外侧的磁极宽度,a2为中间侧磁极宽度的一半为,b为铁芯厚度,N为线圈的匝数,Hc为永磁体材料的矫顽力，Br为剩磁，μ0为真空磁导率。

[0042] 通入位移自感式磁悬浮作动器线圈的控制电流大于1A,频率小于200Hz之间，高频小信号的幅值小于20mA,输入信号频率为大于1KHz。

[0043] 第二步，将作动器两端的电压进行高频滤波，滤除电压中与控制电流有关的电压量，并且由于高频小信号在线圈电阻上产生的电压是个微小量，所以可以忽略，这样可以得到调幅电压u3(t)，且

[0044]

[0045] 第三步，将调幅电压进行解调，也就是乘以其单位余弦，可得电压u4(t)，且[0046]

[0047] 第四步，将解调后的电压进行低通滤波，除去2倍的中心频率成分，可得与衔铁位移成正比的电压信号u5(t)，且

[0048]

[0049] 由(5)式可知位移自检测电路中位移与输出电压成线性关系，只与系统的物理参数有关。

[0050] 第五步，控制器通过控制充放气单元对气囊进行充放气并进行气隙的调整。

[0051] 本发明中，由量程的线性度与灵敏度确定，由第一步可以得出在平衡位移处的电感为：

[0052]

[0053] 设当传感器位移变化量为xm,则线圈两端的电感变化量为ΔL，则可得：

[0054]

[0055]

[0056] (8)式与(9)式相减并整理可得：

[0057]

[0058] 式中，当xm＜＜p+x0时，可得 即电感的增量为

[0059]

[0060] 则电感相对灵敏度K为

[0061]

[0062] 参照图5，计算80N位移变化量与电感变化量之间关系可得自检测线量程在0～±2mm之间线性度较好，由式(12)可得灵敏度与作动器的设定位移成反比。

[0063] 本发明的位移自感知信号还可以利用作动器控制信号或开关功放的开关频率的纹波，不需要外部注入高频小信号。

[0064] 图6显示了位移自感知的主被动混合隔振系统实施的具体步骤，检测电压信号传递给控制器，控制器根据作动器预设值控制充放气单元进行充放气，进行高度的调整，同时，作动器感应出的位移信号实时监控位移的变化，如果位移没有达到预设值，控制器继续控制充放气单元进行充放气，如果达到了预设值，充放气单元停止工作。

[0065] 参照图8，本发明中，用于位移自感知的高频小信号可以利用作动器控制信号或功率放大器的纹波，开关频率纹波为十几千赫兹且稳定，主要通过滤波后检测到开关频率的纹波ip的变化幅值实现位移的自检测,实现方式与高频小信号的实现方式相仿。本发明不需要额外增加相对于控制信号的噪声信号，而是利用开关功放本身的噪声。

[0066] 本发明的工作原理为：

[0067] 本发明的磁悬浮作动器当衔铁7移动时，气隙6发生变化，引起磁路中磁阻的变化，从而导致线圈3中的电感发生变化，进而引起线圈两端的电压发生变化。将高频小信号加入到功率放大器输入端，由自感模块对磁悬浮作动器两端的电压进行解调滤波，进而得到磁悬浮作动器的位移大小。控制器接收到位移电压信号，控制充放气单元进行充放气，调整作动器之间的位移。同时控制器根据控制算法又可以产生相应控制的信号输入到功率放大器中，改变磁悬浮作动器线圈2中的电流，使磁悬浮作动器输出相应的交变力，抵消设备基座的线谱振动。因此该主被动混合隔振器中的作动器既可以实现输出力来低频线谱振动的作用，同时又能作为位移传感器来检测位移。