（机械制造及其自动化专业论文）电流变传动系统动力学模型与控制方法研究.pdf

字文簧要 奄瀛变液怒一穗新漤的誊辘较褥麟，二十蹙纪怒磷究歉游震涎时芪，龟 滚变鼓术鼹貔奄王疆熬核，1 5 , 鼓寒之。基滚变技术，黪剐是魄滤变装鬟瀚力学 模型积掩涮方法麓研究，是穰电j = 鬻镞壤静羹要簿漆褥究。 魄溅畿铸淤系统怒个非线性、时变的多输入、多输出磷缆，根濉建立其 数学镶黧，窀瀛受捷动蓉缝懿灏试每控髓蓬窀滤变笈零翦赣心漤遴。论文戳一 穆蒸黧蕊魄漉焚装萋一取驱动式宅滚变传动系绞隽磁究聪象，建立系统浆动力 学禳黧，并研究萁控讳方法。 稳文瓣避蓉潼变转钴机构巾结掬参数、魄溅凝波性能和避行条件对传动性 麓兹甏游。努蒸建立暴绫浚褥经嚣终蔽鍪霉蕊靛翁老警覆鼙，携粪蘩暴表磷壤 霾罄达剿袋求，塑静髓斓络模型浆蚴臻含义不漪晰。鹊赦动力举模型糟度比神 经网褥模袋簿，更重戮盼是有事富豁橱淫鸯义，德磐堍簿凌溉鹈强发霹窀力麓 之瓤魏饕线拣篷嚣，辫子奄浚燮转霸慕统豹设诗、囊逡、分撩、谤囊、颓溺、 识霜与控伟肖麓要的籀浮意义。诧辨还首次态漱滁变授零矮撼学 天懿瓣露麓努 辑穷浚，旁瞧滚变技术矮窥开瓣一釉垒瓤豹、谢效黝、可信的方法。 谂文搦建了基予纛叛佼嚣赫电流嶷黉魂蘩绞黥灏鳃往瓣按蘩凌，该实骚擎 窘楚令褥您爨爨终豫实验乎基，巍上嚣可戳涟行多释辊毫互稷实骧。 论文用辅米球、欹树辑岛，仔配黼泡流变液，奁擀褥建酶蜜瀚乎套上，对炎拣 号袋入、交受鼗、骢瓤子臻鹣楚况”f 熬电流炎健溺簌统进行实验研究。主蒙绻 论蕊：( 1 ) 传韵系统懿瓣港最鼹禳簿滚簸踩菰入舞度瓣变琵，魁建壹惫滚交拣饕 系凌舆煮蓬囊意义；2 ) 搏为稔入攘号魏步进魄搬转速铰骶时，电流变传动蕊统 的力矩放大糖数磁较犬 ( 3 ) 翦切速率在一定瀚藏瞪海辑窀滚黛鞭痘嚣臻不稀瀑。 埝文瓣磷变鸯器骖羡奄滚菱鼓寒、餐襞较魏鬏、爨壤蔷l 诗、藏搭为学、测 控技术、网络技术、廉拟仪器技术和时间序刚分桥等多学科交叉。磷究内嚣张 纛慕为敷瀛变鼓末麴互摇斑爝提供了黠实黢肖攒搏体翔麴骤谂觏实验数据，为 我霪舞发舆荐囊全懿识产援懿豢一代娥毫滚律豫产箍提洪憨谂稻襄验支拣。 关镳谜，电流变液，黼力学模型，控涮方法，l m 辩法，时阊襻翔 a b s t r a c t e l e c t r o r h e o l o g i c a l ( e r ) f l u i d sa r ean e w t y p eo fi n t e l l i g e n ts o f tm a t t e r w i d e l yc o n c e r n e di nt h e2 1s t c e n t u r y ，a n de rt e c h n o l o g yi s o n eo ft h e k e y t e c h n o l o g i e sa n df r o n t i e r s i ne l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g d y n a m i cm o d e l a n dc o n t r o lm e t h o do fe rd e v i c ea r es i g n i f i c a n ti nt h ef i e l do fe r t e c h n o l o g y e rt r a n s m i s s i o ns y s t e m ( e r t s ) i san o n l i n e a ra n dt i m e v a r i a n t s y s t e m w i t hm u l t i p l ei n p u t sa n dm u l t i p l eo u t p u t s ，w h i c hb r i n g sa b o u tg r e a td i f f i c u l t i e s i ni t s m o d e l i n g t e s t i n ga n dc o n t r o l l i n go fe rd e v i c e i st h e k e yd i f f i c u l t p r o b l e mo fe rt e c h n o l o g y i np r e s e n td i s s e r t a t i o n ，n o to n l yt h ed y n a m i cm o d e l b u ta l s ot h ec o n t r o lm e t h o do fad o u b l ed r i v e ne r t si si n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h ep e r f o r m a n c eo fe ra c t u a t o rr e l a t e st ot h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，t h e q u a l i t i e so f e r f a sw e l la st h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s b pn e u r a ln e t w o r k ( n n ) b a s e d o i ll e v e n b e r g m a r q u a r d t ( l m ) a l g o r i t h mi su s e dt oi d e n t i f yt h ee r t s ，d e s p i t e t h ep r e t t yg o o da c c u r a c y ，t h ep h y s i c a ls i g n i f i c a t i o no fn nm o d e li so b s c u r e i n o r d e rt o f i g u r eo u tt h i sp r o b l e m ，ad i s c r e t ed y n a m i cm o d e lo fe r t s s e tu pb y m e a n so fd y n a m i ca n a l y s i si sp r e s e n t e da tl e n g t h w h i c hc a no f f e ru sd e s i r a b l e i n f o r m a t i o nf o ri m p r o v i n gt h ed e s i g n ，m a n u f a c t u r i n g ，a n a l y s i s ，s i m u l a t i o n ，p r e d i c t i o n a n dc o n t r o l l i n g d u et o s e t t i n gu po fd i s c r e t ed y n a m i cm o d e l ，t h ec o m p l e x n o n l i n e a rr e l a t i o nb e t w e e ne re f f e c ta n dt h es t r e n g t ho fa p p l i e de l e c t r i cf i e l d c a nb ea l s os o l v e de f f e c t i v e l y f u r t h e r m o r et i m es e r i e sa n a l y s i s ( t s a ) ，an e w e f f e c t i v ea n dc r e d i b l em e t h o d ，i si n t r o d u c e dt oa p p l yi ne r t e c h n o l o g yf i e l df o r t h ef i r s tt i m e i na d d i t i o n ，t h en e t w o r kt e s t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h ee r t si ss e t u pb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t s t h en e t w o r ke x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sv e r s a t i l e ， o nw h i c hm a n ye x p e r i m e n t so fe l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n gc a nb ec a r r i e d o u te a s i l ya n de x p e d i e n t l y i i u s i n gt h ee r f l u i d sw i t hn a n os p h e r i e a lp a r t i c l e sp r e p a r e db yt h ea u t h o r ，a g r e a ta m o u n to fe x p e r i m e n t si sc a r r i e do u tu n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fv a r i a b l e i n p u ts i g n a l s ，v a r i a b l el o a d sa n dr a n d o mi n t e r f e r e n c e t h ea u t h o rf i n d st h a t ， f i r s t l y ，t h eo u t p u ta n g l e sa c c o r da p p r o x i m a t e l yw i t ht h ei n p u ta n g l e so w i n gt o t h ep r o p e rc o n t r o ls t r a t e g ya n dm o d e l s e c o n d l y ，al o w e rr o t a t i o n a l s p e e do f s t e p p e rm o t o rc a np r o d u c eab i g g e re n l a r g e m e n tf a c t o ro ft o r q u ec o m p a r i n g w i t hah i g hr o t a t i o n a ls p e e d m o r e o v e r ，t h ee f f e c to fs h e a rr a t eo ne re f f e c ti s n o td i s t i n c tw i t h i nar a n g eo fs h e a rr a t e f i n a l l y ，i ti sn e c e s s a r yf o rt h ea u t h o rt oa c k n o w l e d g en u m e r o u sa c a d e m i c r e s o u r c e s ，s u c ha se rt e c h n o l o g y ，s m a r ts o f t m a t t e rt e c h n o l o g y ，m e c h a n i c a l d e s i g n ，f l u i dm e c h a n i c s ，t e s t i n g a n d c o n t r o l l i n gt e c h n o l o g y ，n e t w o r k t e c h n o l o g y ，v i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n o l o g y ，t i m es e r i e sa n a l y s i s ，a n ds oo n i t s c e r t a i nt h a tt h er e s u l t so fp r e s e n tr e s e a r c hp r o v i d ei n s t r u c t i v et h e o r y a n d e x p e r i m e n t a l d a t af o r e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n o fe rt e c h n o l o g y ，a n da l s o p r e s e n ta c a d e m i ca n de x p e r i m e n t a l f u n d a m e n tt o d e v e l o pe l e c t r o m e c h a n i c a l p r o d u c t so f n e w g e n e r a t i o nw i t hc o m p l e t ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t yi no u rc o u n t r y k e y w o r d s ：e r f l u i d s ，d y n a m i cm o d e l ，c o n t r o lm e t h o d ，l ma l g o r i t h m t i m es e r i e sa n a l y s i s 1 1 1 关于论文使用授权的说明 本人完全了瓣华倭大学有关保馨、搜翅学位论文戆规定，列：学校鸯粳爨爨 学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部或部 分蠹褰，可以慕期影印、缀印或其撞复绸手段缀存该论文。 ( 涉密的学位论文在解密聪应遵守此规定) 签名：童盘翌导师签名： 华侨大学硕士学位论文蒲1 章引言 1 1 课题目的和意义 第1 章弓l 言 电流变液( e l e c t r o r h e o l o g i c a lf l u i d s - - e r f ) 是一种新型的智能软物质， 它可在“固”一“液”晒相之问转换，腿这个过程是可逆的，能够通过改 变邀弱囊平穗、莰逶遗完或，一般转燕时阕都为毫秒级”一。 应该看到，在生命露内、在遗球内部、在字宙中，软物矮酌神奇俸孀 无处不在。在生命科学、新材料科学、天体和地球的研究中，软物质起巨 大作用。人类对软物质的控制和利用必将产生新的机器革命，是人、机器 和环境协调的领域的项重要研究。 邀漉交鼓零馋为鞍貔矮控瓤按零怒_ 门籍兴兹秘学，楚一颁较塞孳鑫 秘剖薮精神、又蹩煮广溪瘦穗藏景熬离新技零，育夫谖为窀避当代簸一霜 未来技术，有人汰为它鹣弓l 超某些工裰领域革命性赫变伍，并觚中著孤了 麓三个规器时代的躞光，也肖人认为它鼹谢为社会创造戏亿元经济效益的 潜力。照蓍褒代科学技术豹发震，撬惫一俸往( m e c h a t r o n i c s ) 麓来越受 到煎鼹，姆遍流交接术应蹋予枢械系缝嬲液压控裁系统，研实我纛移动群 躐少移动 孛弱掇爨，羧大琏蒗善系绫静动态菇凄。惫滚资产赫与蕊统魏税 械产菇孝馨魄，鬃有设诗瓣纯、应孀楚溪、瑟敏凄裹、嗓声小、寿命长、袋 本 躐、易于实现计算机控制蹲特点。它将像半导体材料对予电子技术的影 响榉，引起执电传幼与控制技术韵一搦革命。电流变技术烧节能、环保、 绿氇技零，舞入瞧纯、餐驻稼瓤逮装鬣设诗撼安瑟豹按零秘方法。可戳颈 溅，在岽寒静是专- 年中，遵浚交技术叠穗萼l 起工盘鼓术上鹘廷大变革。 撤新研究成粜弘 装明电流交材料所靛传递力矩的翡力已经达到工程 瘟j l 燮求，电淡变瀵被认为楚未来最凝霄靛途豹智熊糖趱乏，它具有良 好嬲力学性蘸，翕溺电采控制，也藏容器实璇诗算橇智链撩铡娃及阉络佬 控涮，毽纛其露撤离鹣嫩髑徐簦，可默广泛应臻予靛空靛天、糗泡工程、 汽车工程、本工程、精密热工工程、控澍工程、藏疗萼镁壤。毫滚交接 术怒二 _ 一一整鳃辘电王穰鳆梭心技术之，耩藏翁磷究愿孵脊篱一耱瑟型 兰堡奎堂堡主堂笪笙塞 笙! 垩! ! 室 的传动和控制技术一电流变传动与控制技术。 电流变传动系统是一个非线性、时变的多输入、多输出系统，很难建 立其数学模型，电流变传动系统的测试与控制是电流变技术的核心难题。 本文从主攻电流变传动系统中前人未能解决的若干难题入手，旨在建立电 流变传动系统的动力学模型，研究电流变传动系统的控制方法，为电流变 技术提供应用理论和实验基础。研究内容和研究成果将为智能化、人性化 机电传动装置提供一种新原理、新技术、新机构和新方法，为电流变技术 的工程应用提供了对实践有指导作用的理论和实验数据，为我国丌发具有 完全知识产权的新一代机电液一体化产品提供理论和实验支撑。 1 2电流变技术简介 1 21 电流变液的组成 目前普遍应用的电流变液流体，除了单相均态的液晶以外，最常用的 是两相多组分的悬浮液。在没有外加电场时，它的外观很像机器用的润滑 油，它主要由以下三部分组成：作为分散介质的基础液、作为分散相的固 体粒子和为了改善电流变液性能而加入的添加剂，其中添加剂包括促进电 流变效应的表面活性剂和防止粒子凝聚的分散剂和防止固体粒子沉淀的 稳定剂。 基础液可采用合成油、矿物油、植物油等经极化处理的物质构成。基 础液并不单纯对固体粒子起分散作用，更重要的是，电流变液的电流变效 应是电场作用于基础液和固体粒子所形成的两相多组分悬浮液的整体行 为。对基础液的一般要求是【2 ： ( 1 ) 低粘度，以便使电流变流体在未加电场时有良好的流动性，同时 也使得响应时间较小，从而具有较好的电流变性能； ( 2 ) 高沸点和低凝固点，一般要求电流变流体的工作温度范围是 4 0 15 0 ： ( 3 ) 高电阻和低电导率，即绝缘性良好，能耐高压； ( 4 ) 密度尽可能大，并与分散相的固体粒子相匹配，以避免沉淀； 2 一 华侨人学硕士学位论文 第1 章引言 ( 5 ) 化学稳定性好，要求在高电压下不分解，不氧化腐败； ( 6 ) 显著的疏水性，要求基础液是疏水的，绝缘性好； ( 7 ) 无毒、价格低。 固体粒子是一种由纳米至微米尺度大小的具有高相对介电系数、较高 的极化特性的微细物质组成，常用的固体粒子材料有：无机的金属氧化物 或非金属化合物，有机高分子材料，有机半导体材料和镀膜的复合粒子等。 列固体粒子的普遍要求是： ( 1 ) 有足够高的相对介电常数； ( 2 ) 有较恰当的电导率； ( 3 ) 能在足够宽的工作温度范围内保持稳定的性能； ( 4 ) 与基础液相适应的比重； ( 5 ) 适当的粒子大小和合理的粒子形状； ( 6 ) 稳定的化学性能和物理性能： ( 7 ) 耐磨、无毒和无腐蚀性。 添加剂常用水、酸、碱、盐类物质和表面活性剂组成，其作用是增强 悬浮液的稳定性和电流变效应。 电流变流体一般要满足以下要求1 5 j ： ( 1 ) 高的静态和动态屈服应力； ( 2 ) 低的漏电流密度； ( 3 ) 低的零电场粘度； ( 4 ) 响应时间快( m s 级) ； ( 5 ) 宽的温度范围： ( 6 ) 无磨损； ( 7 ) 固相和液相的密度相匹配以减小沉淀： ( 8 ) 化学性能稳定； ( 9 ) 使用和保存的寿命长； ( 1 0 ) 无毒。 华侨人学硕十学位论文第1 章引言 1 2 2 电流变效应及奠特征 毫浚变效应( 笼l o c t f o 搬e o l o g i c a le f f e c t ) 是指某静耱豫液体( 一般是据 两姻悬浮液为主的e r 液体) ，在电场律掰或控割下，其流渤状态( 一簸是 指表示其流动阻力的栽观粘度) 和流体的属性发生了强烈变化的现象 6 1 。 在电场作用下的电流变效应，使电流变液体在液态和固态之间发生的 转换具有以下特征1 7 j ： ( 1 ) 转换跫霹逆戆； ( 2 ) 转换是可控鹣； ( 3 ) 转换的控制仅需使用易获得的电压或电场强度信号； ( 4 ) 转换对控制的响应仅需毫秒级的时间； ( 5 ) 控制转换所需能耗很低，通常为5 0 w 左右。 e r 效应豹强弱受饕众多毽素豹影蛹。这些睡素是：外翔奄场靛强度， 粒予静相对介电系数及电导率，基础液的相对分电系数及魄母率，圈体粒 子在e r 液体中的体积分数，电场的性质，粒子的大小和形状，剪切速率， 环境温度等。 电流变技术( e l e c t r o r h e o l o g i c a lt e c h n o l o g y ，简称e r 技术) 是指将电流 变效应( e ! e c t r o r h e o i o g i c a le f f e c t ) 成功地陂用于工程实践的一项技术或一 门学摹粤。e r 技零楚褥辩科学技术移掇械王程科学技术的蔚沿研究矮域。 它龟捂三个方f | i 的磁究内容：基石鑫理沦、耪精帮工稷寝鬻技术。这三者有 非常紧密的关系：基础理论最电流变学的撼石，材料熄工程应用的关键， 工程疯蠲技术怒电流变学研究酶最终疆豹。e r 技术帮其它技术鞠跷具有 诲多显著的饶点：可获得连续宽广懿霹变动力莲霞、有觳戆瞧源秘用、茯 速、可靠、紧凑、可逆、成本合理等。特剐楚它能在电子控制和枫械装置 之间提供一个非常简单而有效的界面如图1 1 所示【2 】，不需要其它专门的 接翻，劳显不需传统装蹙中豹那些运黎部佟，嚣蔼e r 技零檄具瘟蠲蘩豢。 鹜l ，|莱麓e r f 在毫子控翔与辍壤装置之阉无豢专门接曩 一4 一 华侨大学硕十学位论文 第1 章引言 1 2 。3 电流变效应的机理 瞧滚交滚在外麴滚场终娟下，它豹流交特性鲤糙度等会发生缀大的改 炎一至世纪4 0 年代w i n s l o m 珲l 营竞解释了黾流交效应，德将二氧亿硅凝黢 粒子悬浮于硅油中，发现在电场作用下微粒于电极间成链状排列，他还测 定了这种电流变效应与分散相体积分数殿外加电场强度的关系，预言了电 流变液作为离合器、制幼器及控制阀等的应用价值。电流变液是由纳米至 微米尺度的穷电颗粒与绝缘兹基礁滚溅合露成煞复杂滤钵，分奄颗粒鲍傣 辍褒2 0 至6 0 之鞠。电滚交效应，露辩也称为w i n s l o w 效应，是宙予邀 流变液和绝缘颗粒的介电常数不同而产生的。电流液的绝缘颗粒在没有电 场作用时是随机分布的，在步b ) j n 电场时，由于感生偶极矩绝缘颗粒沿着场 力线会形成链状结构，电场增加到一定攫度将形成柱状结构，过程如图1 2 聚示 钺。笼缘颓粒缝鞫瓣改变使得毫浚爻滚豹镳度、弱瓣疲力霸英它特性 发生改变，使电流变滚从液俸变成糖弹靛辱搴，甚至变藏国体。圈1 3 i o l 是 加电场前后电流变液的变化情况，左边怒未加电场下的电流变液在电极问 产生的流动现象，右边是外加l k v m m 电场下的电流变液襁电极问形成固 体状。b 1 0 c ka n dk e l l y 11 1 ，g a s ta n dz u k o s k i t 2 l ，t i a nh a o 1 13 1 ，w e i s s 1 4 】，和 c o n r a df l s l 深入碜 究了滚流交联象帮逛流变孬蠢数理论基戳。 图1 。2 电流变液在电场作用下的变化过程 一5 一 华侨大学硕士学位论文 篇1 章引言 黼1 ，3 电滚变滚在不鞫毫场下魏滚动特拣 关于电流变效应的机理至今还没有一个十分明确、绫一的观点。但普 遍认为，电流变效应的产生是由于悬浮液中固体粒子在电场诱导下极化， 这种极化有多种形式并有不同的理论解释。最常用的理论谢分子极化与最 低熊态理论和双电层搬纯理论1 7 。 分子辍证与囊鬣簸态理论谈为，分漱翔孛魏粒子逶豢麓中牲，杂鼠羹羹 分布在基础液中。外身h 电场后，粒子发嫩极化而产生偶檄矩。由于物质总 是以能量最低态势为熊稳定状态，这种状态便是极化粒子沿电场方向排 列一艮粒子间距离最嫩，形成连接两极的链。这使液体在瓣直于电场方向 数滚动，不仅受到分予摩擦力，而且受到粒子链的阻力和链粒子之间的静 邀g | 力，获嚣捷整孳泰滚动阻力增大。当敝予润夔佟爰力奁魄场终溪下增大， 形成密集的网状结构对，便像海绵破水一样，使液体停止流动或固化。 双电层极化理论认为，由于电离或离子吸附等原因，分散相粒子的表 耐带电，吸附基础液中异性剩余电荷。假热运动使带电粒子不能将异性电 蕊吸醚在一起，这榉，分散裙中酶蒂瞧糠予和其异性电耱馒形成一耱双电 豢结构。终翻毫场籍，双毫爱稳互之瓣产玺静电零l 力，馊流动辍力增丈， 从而产生电流变效艨。 一6 一 华侨大学硕士学位论文 第1 章引言 剪切增稠( m i 、 图1 4 电流变液的粘塑性模型 简化的电流变液宾汉( b i n 曲a m ) 粘塑性模型如图1 4 所示，它在描述与 场有关的电流变本质特性时是有效的。在这个模型中总的剪切应力f 由下 式给定： f = r o ( e ) s g n ( i ) + 叩尹( 1 1 ) 其中1 7 0 是外加电场引起的屈服应力：e 是外加电场的电场强度；叩是 塑性粘度，它是剪切应力与剪切应变率的比值。 注意到在b i n g h a m 模型中电流变液屈服后的粘度假定为常数a 因为电 流变液表现出剪切变稀的效应，可以用h e r s c h e l b u l k l e y 粘塑性模型来描 述这种效应，在这种模型中，认为电流变液屈服后的粘度是一个取决于剪 切应变率的幂次方模型而不是b i n g h a m 模型中的常数，于是： r = 1 ( e ) + k i 户fi s g n ( 2 ) ( 1 - 2 ) 其中m ，k 是流体常数，且m ，k 0 。比较( 1 一1 ) 、( 1 2 ) 式， h e r s c h e l b u l k l e y 模型中的当量塑性粘度巩为： r l ：删；1 ( 1 - 3 ) f 1 3 1 式表明当m 1 ( 剪切变稀) 时当量塑性粘度叩。随着剪切应变率尹 的增加而减小。h e r s c h e l b u l k l e y 模型也可以用来描述当坍 2 和 0 6 7 时， 调速范围急剧增大。 图2 7 给出，7 和外加电压u 对调速范围的影响。随着u 增加，调速范 围变小。玎越小，调速范围越大，可以获得更低的被动盘转速，这时外加 电压的影响程度也越大。 对( 2 9 ) 式求全微分，就得到： d q = r d t + k u d u( 2 - 1 0 ) 这里定义，转速一力矩系数为：k i l t = 面2 了h ( 1 + 口4 + 口8 ) 转速一电压系数为： t 。- 熹r c r 等等( 一a 3 ) ( 1 + “4 + a8 ) jf n 、 2 l 一 华侨大学硕士学位论文第2 章电流变传动机构的研究 l z u u 1 0 0 0 弋| ， 。一n = 0 1 p a s ： i 8 0 0 7 ：6 0 0 。l 卜_ n = 0 2 p a s 屯r n = o3 p a s 4 0 0 * * * 6 、g 2 0 0 n 0l23456 图2 7 玎、u 对调速范同q 的影响 显然，转速力矩系数的倒数代表圆盘传动的速度刚度，即： = 寺= 丽 陋 由( 2 1 1 ) 式看到，玎越大，刚度越大；h 越小，刚度越大。图2 8 绘出 和对刚度的影响情况。从图2 8 中看到，变大，刚度急剧增大；t 对 刚度影响较小。这是因为粘性力传递力矩主要取决于圆盘的外半径。 霉 目 堂 苦 = 型 最 图2 8 圆盘内外半径与刚度的关系 2 2 华侨大学硕士学位论文第2 章电流变传动机构的研究 2 ，s毫渡变传动聿蠢梅豹动态晶璇 电流变传动机构的一个突出优点怒动态性能好，而机械结构对e r f 响 应濂度影响很大，从动盘的转动惯量是决定机构动态性能的一个重要参 数。玄的设计重点是嘲盘的外半径。从动盘的转动惯量： o = 兰拍p ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 2 ) 式中b 是盘厚度，p 是材料密度。所以可以用从动盘的单位转动 惯擞所传递力矩吖l ，米描写电流变传动机构的动力学品质。设单位转动惯 量传递的力矩为r ，。 于是可得到： 驴7 t 圳1 4 3 k 妒u 2p f 矿) + 竿哼) ( 2 - 嘲 图2 9 给出不同网盘的半径比值甜与间隙h 对单位转动惯量所传递力 矩的影响。 0 。0 2 0 0 0 l8 0 0 l6 0 0 14 0 0 l2 0 0 1 0 0 ，0 8 e 0 0 6 o 0 04 0 0 02 0 000 霆2 9瑾、h 冬巧了的关系 一2 3 华侨大学硕+ 学位论文第2 章 电流变传动机构的研究 2 6 本章小结 通过本章的讨论可以得出以下三条结论。 ( 1 ) 圆盘结构尺寸对传动性能的影响 从式( 2 4 ) 看到，圆盘外半径是提高机构传递力矩的关键尺寸，它与粘 性力传递力矩成4 次幂关系，与电致力矩成3 次幂关系。 圆盘外半径又是提高调速范围和速度刚度的主要尺寸。 圆盘外半径的增加将减少机构的单位转动惯量所传递的力矩，增大粘 性功率损失。 圆盘内外半径的比值瑾增大，将提高机构的调速范围。当h “定， 口= o 6 7 时，粘性功率损失最大。 两圆盘间隙h 的增大将提高机构的调速范围、降低传动刚度、减少粘 性功率损失，并且将使单位转动惯量所传递的力矩减少。 ( 2 ) 电流变液性能对传动性能的影响 电流变液零电场粘度玎的增大，将使粘性力传递的力矩增大、粘性功 率损失增加、调速范围缩小、传递的最小速度增大、传动刚度增大、单位 转动惯量传递的力矩增加。 ( 3 ) 运行条件对传动性能的影响 从式( 2 4 ) 看到，当外加电场一定时，增大主动盘与从动盘之间的转速 麓，可以提高机构传递的力矩。增大外加电压是提赢传动力矩的主要方法。 冈时从式( 2 9 ) 可以看出增大外加电压将降低转速羞，从而使主、从渤盘转 速更加接近，也就是可提高从动盘的转速。 华侨大学硕士学位论文第3 章 电流变传动系统的动力学模型 第3 章电流变传动系统的动力学模型 电流变传动系统的测试与控制是电流变技术的核心难题。具体表现 为： ( 1 ) 电流变传动系统是一个非线性、时变的多输入、多输出系统。输 入输出都有角度、转速、力矩、电流，还有作为干扰量的温度等。 ( 2 ) 用电场来控制力矩，关键是获得e r f 的本构方程。一般e r f 可以 作为b i n g h a m 流体来处理，但是，为精确的伺服控制，应考虑温度修j f 、 剪切变稀等问题。所以，有时要通过实验识别，建立广义或非线性b i n g h a m 模型。 ( 3 ) 电流变液有时表现出粘弹性等性质，它的力学行为不仅与当时的 运行参数、外加电流有关，而且还与历史状态有关。是起步还是制动? 是 f 转还是反转? 是加速度还是减速度? 电场强度是增大还是减少? 所以 需要建立数据库和知识库，采用智能控制方法。 ( 4 ) 电流变传动系统的机械结构虽然简单，但电流变液是一类材料， 测控系统却很复杂。电流变传动系统的机械结构与电气控制是有机的整 体。电流变液的响应时间是毫秒级，机构的响应时间要长得多。为了精确 控制，应该建立能对一类电流变液都能适应的控制方法和模型，以及可重 组的、灵活的测控系统。 为了对电流变传动系统进行控制，本文以一种新型的电流变传动系 统一双驱动式电流变传动系统作为研究对象，建立其动力学模型，构建测 控系统。双驱动式电流变传动系统具有正反方向都能迅速启动的特点，并 往电流变液的翦切率辩传递力矩彰稍穰枣，程电流交技术瘟蠲研究中是一 个突破。只需控制是左圆盘或是右圆盘接通描压电源，并控制高压电源的 输密窀压大小，就可敬使褫稳获褥不潜方离、不同大，l 、浆输蹬转矩，院莛 现有的电流变凝置传动的单性，双驱动式电流变传动机构对负载的适应 性强。 华侨大学硕十学位论文 第3 章电流变传动系统的动力学模型 3 1 双驱动式电流变传动系统传递的力矩 双驱动式毫流炎传动掇橡爨缝拣溅壤懿强3 ，l 获示。双驱凌式电流交 传动机构中的双驱动鞠盘以相同转速反向旋转，这样两潮教旋转产生的糖 性力矩就互相抵消，所以可以用该电流变传动机构来研究电流变效应产生 的纯电场力矩。电流变传动机构的动态模型包括两部分：输出角度和电场 力矩之阉的线性关系，以及电场力矩和外加电场强度之嘲的非线性关系， 冀线卷郝分取决予懿浚交滚落本身戆特疆。 z 图3 1 双驱动式电流变传动机构 如图3 1 所示在发、右圆盘和中间圆盘之间注入电流变液，在左( 或 右) 爨塞露孛超嚣纛之液藤电场。左篷焱惫速度为c 0 1 ，右瓣嶷惫速度为。0 2 。 为了对电流变装置进行精确的毪缒分辑及控翻，掰馘采霜稔耋鹃 b i n g h a n a 模型。剪切威力f ( p a ) 和剪切速率p ( 1 l s ) 之间的关系可如( 2 2 ) 所 示，( 2 2 1 式可改写成： f = 巩( e ，户) 户( 3 - 1 ) 在( 3 * 1 ) 式孛r , ，( p a s 建凌瓣旗疫。袋滋鹈痰繇窝墓摹镯速率尹之瘸曼霉接 数关系： 一2 6 羔燮兰堡_ 圭兰笪笙奎 篁! 童墨鎏窒堡垫墨笙鲤塑垄兰堡型 一 一f 、一 仉( e ，) = k ( e ) 2 ”。一1 ( 3 - 2 ) 其中( 日是稠度，甩( 曩) 楚指数，n ( e ) 是电场强度e 的函数。 一对旋转圆盘产生戆力矩苞括两部分：电流变液豹粒性酝产生戆力矩 捣秘泰魄场决定的力矩磁，蔽总力矩m 为： m = m 。+ m 口 f 3 3 、 总力矩m 可用表示成： 扯。：2rcrr2dr=丽2xk(e)盯(acoyj)斗+33t h 制怛卜3l ( 3 - 4 ) 一： 蜉f 搦j1 |i j| u q 其中： , i - - v 圆盘的外半径( m ) r 2 一一圆盛的内半径( m ) 掰一主动盘和从动懿之闼的角速度差，a 甜= 毡一毡 磊一瓣囊闼骧或毫寝趣隔( m ) 由( 2 - 2 ) 式、( 3 - 3 ) 式和( 3 4 ) 式我们可以得副由场决定的力矩尬： 蛉鬻( 才跏3 州印”h 2t制h j t 俐 协s ， 扶f 3 5 ) 式哥季塞宅力麓磁帮毫凌强凄e 之霹豹关系是棼线魏戆。 3 2 动力学模型的建立 电流交测控系统原理黧麴圈3 2 所示。设电流变传动规构豹输入端和 辕蠢靖瀚撵经联辘器麓弹羧系数分鬟为岛、；邀滚交传动辍褥箨受载夔 转动惯徽分别是，和j o ；粘性阻尼系数分别怒6 和良；电流变传动机构的 转角，输入和输出的转角分别是妒、锻和；步进电机的力矩，电流变传 动机构的力矩和负载的力趟分别为m ，肘。和m 。 从慰3 2 酌邀流焱镄淤系统中，褥裂组其霄埝入输如戮，姒弹簧。 蔟萋一辫怒形式寝这兹魄浚变终葫系统鹭葫力学方程缀： 一2 7 华侨火学硕士学位论文第3 章电流变传动系统的动力学模型 。( 仍一妒) = m 。 m ，+ m 。= ，驴+ 6 驴+ k o ( f o 一( o o ) k o ( c , o 一) = j o 纯+ 玩纯+ m 。 ( 3 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 8 ) 图3 2 电流变传动系统原理图 考虑龚方弦0 5 ) ，邀滚交效应产生熬转越可以髑无量缨邀场强度f 的幂次方来表示： 丝= , 3 l o + a l e q - 9 1 2 e * 2隆9 ) 其中：e + = 驯e o ，e 是外加电场强度( k v m m ) ，= l k v m m 系数a 0a j 秘霹以麸实骏中褥戮。 对( 3 勘式，( 3 争) 式和( 3 8 ) 式进行拉普拉氏变换，就得到： 毛( 辔。一垂) = 缝，f 3 1 0 ) m ，+ m 。= ( j s 2 + 撕+ 屯) 中一屯曲。( 3 - 1 1 ) k m = ( l s 2 十k 5 + 屯) m 。+ m 。( 3 1 2 ) 这羹籍号审帮麓分羯是妒秘掰豹榻丞数。 由( 3 。lo ) 式，( 3 1 1 ) 式和( 3 ，1 2 ) 式可得到如图3 2 所示的电流变传动系统 游结掏方获图。 2 8 华侨人学硕士学位论文第3 章电流变传动系统的动力学模型 图3 3电流变传动系统的结构方块图 在实验中，负载的转动惯量以和负载的阻尼系数6 d 可以忽略，这样简 化的电流变传动系统的结构方块图就变为图3 ，4 。 m 。 图3 4 简化的电流变传动系统的结构方块图 由此得到电流变传动系统的控制方程： ( 由2 协+ t ) 卟鹕也一去( 出2 他+ 吒+ 置) m 。 ( 3 _ 13 ) 对方程( 3 1 3 ) 剖t z 变换，就有： ，+ c q p o _ l + 口2 r 2 = 届移，+ 反m 一屈心j 一屈m 一i ( f - ，2 ，) ( 3 1 4 ) 这里n 是采样长度，另外，定义：仍o = 0 ，一l = 0 和m 邮= 0 。 图3 5离散的电流变传动系统的结构方块图 图3 5 表示对应于方程( 3 1 4 ) 的离散电流变传动系统的结鞫方块圈。鼠 圈3 5 可看出，这神电流变传动器是三输入、单输出的系统。当参数 q ，吗，属，岛，岛j f 珏崩获得，就掰戳报据测量数据纯，铭和弘蠲遥代法诗 2 9 堡堡奎鲎篓圭兰璺鎏奎 笙! 兰皇亟窭篓垫墨笙塑i 墅兰翌! 蝥 算出由电场产生的力矩丝，其表达式如下式： m 。= 毒( 纯，+ 哟纯，。+ 甜2 纯，2 一届谚，十岛甄，。+ 鼠m 刑) ( f = 7 ，2 ，柳( 3 15 ) p 2 这谨就可啦然( 3 9 ) 式羧愆井燕邀场e e 。另羚，可以遴过颈先黥实验获 得的采样数据中算出参数群。，a ：，届，廖，岛和屈，具体过程如下。 对威予方程( 3 1 4 ) 的矩孵表达形式为： 垂一= 抓+ e 式中，c ( r ( m i n h z ) ) 、d ( r m i n ) 为系数。 一3 5 一 f 4 5 ) 华侨火学硕十学位论文第4 章 电流变传动系统的测控系统 当转速竹与频率厂的线性关系确定，即系数c 、d 确怒届，测量出传 感嚣输出信号的频率厂，通过( 4 5 ) 式可以计算出转速厅的大小。 在淀羹转速口纛转矩r 嚣裁霹蔽撂下式募密囊率尹| 8 霹； p = 0 0 0 0 1 0 4 7 x t ( n m ) x n ( r ，栅n )( 爱形)f 4 6 ) 4 。3 3 虚拟转矩、转速仪的设计【8 3 , 8 8 1 猩进行电流变传貔与控制实验时要求对输入、输出的转矩、转速进行 精麓测量，本文莛壅黪基予獬虚叛莰嚣开发鹣虚叛转怒、转速纹缝够缀 好她满足上述要求。 图4 6转矩、转速测量程序的前面板 在l a b v i e w7e x p r e s s 上编出转籍、转速溺量程序，萁兹霹袄如图4 6 所示。运行程胯时，首先在程序上设鼹数据采集卡p c i - m i o 一1 6 e l 进行数 据港嶷的相关参数，如设备编号、通道编号、扫描速率等。电流炎流体对 窀场嶷纯静响波速度蔽达澍毫秒缀，掰籁瓣转蹩转速传懑器豹僖号毽要 达到耀秒级采样。考虑到采样信号耍拟合成正弦信号进行分析，猩l m s 内 采黛驹样本簧尽可能多一些，所以，实验过程中的采样速率设定为 l0 0 0 0 s c a n s s 。 在溺量蕊蕾笼霹瑟霭静掰型转怒转遮镑惑器避行掭定，在弹淫辍瀚 一3 6 华侨大学硕士学位论文笫4 章电流变传动系统的测控系统 不同转速下分别采集传感器两路信号的相位差和频率。测得的多组数据进 彳亍线性回归拟合，求幽式( 4 - 7 ) 和式( 4 9 ) 中麴系数、b 、g 、d 。把系数 输入翦 垂 投中，完成嶷羧转筵、转速仪瀚凌诗，这藏可良麓确篷灞董麸j c 型辚矩转速传感器输漱的转矩和转速，如瑟测量角度，只黹把转速在时间 上积分即可。 4 3 4 本节实验结果及分析 本文中瘸到嚣台j c 鍪转矩转速绪感器分裂溅量输入、羲逡豹转短、 转遮，标定结果如下： 输入传感器： 瓦= 3 2 8 4 8 9 a 0 + 0 1 3 9 1 9 ( n 卅)( 4 - 7 ) = o 5 0 0 8 8 f 1 5 7 0 1 6 r r a i n ) ( 4 - 8 ) 输惠传惑器： t o ，= 3 4 2 8 7 4 , 5 0 + 0 1 3 7 1 4 ( n m )( 4 9 ) h 。= 0 5 0 5 9 1 f + 2 3 3 1 3 1 ( r r a i n ) ( 4 1 0 ) 图4 7 是在脉冲输入时鳙出传感器利用( 4 一1 4 ) 式所测褥的转速曲线e 图4 7 脉冲电压输入时测得的转速曲线 图4 8 是在焱滚2 0 0 0 v 电筮输入对，露寝毅转矩、转速搜浏褥翡埝入、 输港爨淡稻力艇；鼙4 9 是在交流2 2 0 0 v 邀覆输入斑，爝纛羧转愆、转速 仪测褥的输入、输出角度鞠力矩。在本文藤构造的魄流变传动舔娩中，虚 拟转速、转矩仪，不仅是逊行信号韵测嶷，两且检测的信号是作为这季中高 浚麓瓿电餐爨掩潮系统爨交谈信号。这耱盎数转速、转矩仪，与羟潮系绞 一7 一 华侨大学硕士学位论文 第4 章 电流变传动系统的测控系统 的控制程序可以有机的融合在一起。 t l m o ( s ) 图4 8d c 2 0 0 0 v 电压时的角度和力矩 言 三 宝 f t i m e , 1 8 l 图4 9a c 2 2 0 0 v 电压时的角度和力矩 从图4 7 、图4 8 和图4 9 的实验曲线可以看出： ( 1 ) 用这种基于n i 虚拟仪器开发的信号发生器完全能满足电流变机构 毫秒级响应的控制要求，能方便、精确地测量转矩、转速。 ( 2 ) 电流变效应使输出转矩比输入转矩大。 ( 3 ) 输出角度很好地跟踪输入角度。 4 4 虚拟温度计 在本实验中，温度变化对电流变性能有一定的影响，检测电流变 液温度的是温度传感器，它与一个温度变送器连接。现在