毕业论文-外置式磁流变阻尼器-机械结构设计

1 本 科 生 毕 业 论 文（设 计） 文件名 ： 外置式磁流变阻尼器控制器设计 文件代号： 名与学号 指导教师 年级与专业 所在学院 2 致 谢 经过半年的忙碌 和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在这里首先要感谢我的导师 _老师。 _老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料到设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是 _老师仍然细心地纠正图纸中的错误。除了敬佩 _老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是 我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 其次要感谢我的同学对我无私的帮助，特别是在软件的使用方面，正因为如此我才能顺利的完成设计，我要感谢我的母校 浙江大学 ，是母校给我们提供了优良的学习环境；另外，我还要感谢那些曾给我授过课的每一位老师，是你们教会我专业知识。在此，我再说一次谢谢！谢谢大家！ 3 摘 要 磁流变阻尼器是一种常用的可调阻尼器，是发挥磁流变阻尼特性的关键操作系统。外置式磁流变阻尼器的特征是可调阻尼通道置于液压缸的外部，本设计主要实现了外置式磁流变阻尼器的硬件设计和软件设 计。 本文介绍了磁流变阻尼控制的原理，根据磁流变阻尼器需要连续可调、稳定、高精度电流的要求，设计了一种基于 片机作为处理器的磁流变阻尼控制系统。该系统主要利用 片机的片内资源产生 控制电流管输出高精度可调节电流。 本设计对该系统进行了控制电路和控制软件等方面的研究，并对所研制的控制器进行了调试，验证了该控制器的性能特性，结果表明：该控制器的输入和输出具有好的线性关系，且磁流变阻尼器的示功曲线随着控制器输出的增大而趋于饱满，从而有效地控制阻尼器的阻尼特性。 【关键词】 磁流变阻尼器 ， 处理器 ， 控制系统 ， 单片机 ， 电路设计 4 is a a be of to is of is a of of of In as a of of by CU CU TC on do a of on to is a of of It is a on 5 目 录 致谢 全文摘要 第一章 绪 论 . 1 1磁流变阻尼控制器的国内外现状及存在的问题 . 1 1本课题的总体设计方案及特点、指标 . 2 第二章 磁流变阻尼控制器原理 . 4 2磁流变阻尼控制的理论分析 . 4 2 磁场强的计算 . 4 2 磁流变阻尼器的阻尼力计算 . 5 2 磁流变液屈服应力与磁场强度的 关系 . 7 第三章 外置式磁流变阻尼控制器的硬件设计 . 8 3控制 系统总框图 . 8 3理器及其它系统元器件 的选择 . 8 理器简介 . 8 晶显示器简介 . 11 讯方式及通讯芯片的选择 . 13 电耦合器简介 . 14 算放大器简介 . 14 3系统电路设计 . 15 片机最小系统 . 15 流输出电路的设计 . 16 口通信电路的设计 . 17 流显示电路的设计 . 18 3系统总控制电路设计 . 19 第四章 外置式磁流变阻尼控制器的软件设计 . 20 4系统工作流程图 . 20 4控制系统软件设计 . 20 第五章 总结与展望 . 23 主要参考文献 . 24 系统电路图 . 25 系统源码 . 26 6 1 第一章 绪 论 摘 要 本章 主要先介绍了 磁流变阻尼控制器的国内外现状及存在的问题 ，以及项目的总体方案规划和主要指标。 1磁流变阻尼控制器的国内外现状及存在的问题 磁流变阻尼器由变阻尼器和控制器两部分组成。前者多结合材料学和力学对变阻尼器的机械结构进行设计与研究；后者则结合控制理论、电子学等方面知识进行控制器方面的设汁与研究。磁流变阻尼器的阻尼力是由不可控的磁流变液零磁场粘度引起的粘滞阻尼力和可控的外加磁场引起的库仑阻尼力两部分组成。磁流变阻尼控制器就是通过控制调节阻尼器的库仑阻尼力，从而来控制整个阻尼器的阻尼力的大小。由 于阻尼器的库仑阻尼力的大小是随着外加磁场强度的变化而变化，所以可以通过控制磁场强度的大小来控制阻尼力的库仑阻尼力的大小，而磁场强度的大小可以通过调节励磁线圈的励磁电流来加以控制。这样磁流变阻尼控制器的工作原理就是通过改变励磁线圈中的电流大小来获得不同的磁场强度，从而使阻尼器中的磁流变液的流动特性发生变化，进而改变阻尼力的大小。因此，控制器只要能实时精确调节磁流变阻尼器的驱动电流，就能达到控制磁流变阻尼器的目的。 在磁流变阻尼控制器原理研究、产品设计、批量生产等方面，美国一直处于世界领先地位。美国 其生产的 002型磁流变阻尼控制器，可以工作于手动调节和外加电压控制调节两种方式。 002需要外加 12V， 2加控制电压为： 05V，输出电流为： 0 2A。图 1 1所示为车辆悬架二自由度振动模型的悬架变阻尼微机控制器原理图。采用加速度 3采样车身垂直振动加速度，经 A D(模数 )转换后，以字形式输入单片微机，进行控制算法运算后，输出调节控制信号，经过 D A(数模 )转换放大后输入变阻尼器，改变其阻尼特性，从而调节悬架阻尼，逐步达最优状态 。半主动悬架是在被动悬架的基础上，增加了阻尼自动调节装置。所以在设计半主动悬架时，实际上就是设计图 悬架变阻尼微机控制原理图变阻尼控制器 (调节器 )，其最终任务也可归结为寻找合适的控制算法，使之能够根据汽车的运行工况和路面条件，自动地凋节悬架阻尼系数到最佳状态，以保证悬架具有最佳的平稳性和舒适性。目前工业上应用极广的天棚阻尼器，其调节机构是在油缸上下两腔节流口上设置一遮挡阀片 (节流 2 阀 )，通过步进电机转动活塞上的这个阀片，来改变节流口的过流面积，以调节悬架的阻尼系数。这种变阻尼器的阻尼调节是采用机械式的，工 作时间长后会I： 且也不好维修，使用寿命有限等缺点。近年来采用磁流变阻尼器作汽车悬架减震器的研究取得不少成果。在这方面美国已经有了实用化产品问世，其中德尔夫公司利用磁流变阻尼器作悬架减震机构，采用多种汽车悬架控制算法设计的磁流变阻尼控制系统，实现了悬架系统的阻尼计算机自动调节，提高了汽车的安全性和平顺性。该项目被评为 1999年度世界100大科技成果之一。 图 1架变阻尼微机控制原理图 相对而言，国内无论是在磁流变技术还是在磁流变阻尼器件等方面的研究都起步比较晚。北京航天航空 大学出于国家航空航天领域的需要，在此项研究上在国内起步较早。但由于磁流变阻尼技术的众多优异性能和广阔的工业应用前景，近几年来，国内其他机构也开始加大研究力度，相关文献也多有报道。但是大多是从材料学、力学、机械学等角度，对磁流变阻尼器件方面进行研究开发工作，比如重庆大学智能结构研究中心对于汽车减震用磁流变阻尼器的研究；南京航空航天大学在磁流变阻尼器实验建模等方而的研究：武理工大学摩擦学研究所在磁流变阻尼器力学建模及结构设汁等方酥的研究。至于从电子学、自动控制理论的角度出发，剥磁流变阻尼器的控制方法、控制器件的 硬件电路设计、控制方式算法的软件实现以及控制实施的影响因数等方面的研究，在国内却少有文献报道，而这也将是本文研究的主要内容。 1本 课题 的总体设计方案及特点、指标 3 本毕业设计总设计方案： 以单片机 为核心，通过 此 出可调节的稳定电流；电流的检测、 A/D 变换以及控制算法都由 行处理；程序的录入和人工控制信号输入通过串口的形式由上位机软件输入；显示部分采用字符式点阵液晶显示模块。 本毕业设计主要是承担 外置式磁流变阻尼器设计 的一部分，包 括 两 个方面： 1) 外置式磁流变阻尼器 的硬件设计 ； 2) 外置式磁流变阻尼器 的软件设计 ； 要求指标： 1） 最大输出阻尼力为 500 ； 2） 最大控制电流小于 2A； 3） 控制器采用单片机控制 ； 4） 控制器的输入信号为 0 5的电压信号 ； 5） 控制器的输出电流要求能够实时显示 。 4 第二章 磁流变阻尼控制器原理 摘 要 本章 对 磁流变阻尼控制进行了理论分析，介绍 了磁流变阻尼的控制原理及磁流变阻尼控制方法 。 2磁流变阻尼控制的理论分析 图 2流变阻尼器结构图 磁流变阻尼器的理论模型对于变阻尼控制非常重 要。建模对象参照见图 2此 磁流变阻尼器的阻尼通道由两级阻尼通道相串连而成。利用活塞与缸筒间的间隙来形成节流。活塞上安装有产生磁场的励磁线圈，线圈引线由活塞杆导出。阻尼器工作模式采用了压力驱动工作模式和剪切工作模式共同作用的混合 1作模式。 2磁场强度的计算 螺管线圈可以产生一个较为均匀的磁场，为了产生较大强度的均匀磁场，磁流变阻尼器中一般采用多层螺管线圈。磁流变 阻 尼器磁路的计算要依据具 踢的磁路结构以及阻尼器工作情况而定。假定磁流变阻尼器的工作振动频率较低，励磁线圈的励磁电流变化的频率也较低， 零磁路损失。磁路结构见图 2用磁路中的安培环路定理可以得出阻尼通道中磁场强度的计算公式 ： H=（ ( *Uc*l(4)* 1） 式中， 为 8， l、 路的总磁阻 5 其 中 作缸、线圈绕线架 和 磁流变液的相对磁导率， L、 1、 参数。 2磁流变阻尼器的阻尼力计算 对 工作于混合工作模式的磁流变阻尼器，其阻尼力为两种 工 作模式的阻尼力之和。假设工作中，磁流变液不被压缩，阻尼器的左右两缸中的压力分布均匀，并且不考虑磁流变液的流动惯性和摩擦力。 压力驱动工作模式的阻尼力由粘滞阻尼分量 库仑阻尼分量 们可表达如下： (2) (3) 其中， 般取 (2 3)。 剪切工作模式的阻尼 力也可以表示成粘滞阻尼力分量 库仑阻尼力 (4) 6 (5) 混合工作模式的阻尼力为： (6) 其中 Q= w=2 g=3， L=2l，取 c=3，代入 (6)式可得： F=(12*n*l*p)/ *（ 3+(4 R3*l*n)/(*S+(6*l*(4* *R3*l* （ 7） 压力驱动工作模式的粘滞阻尼与剪切工作模式的粘滞阻尼之比为： （ 8） 设 阻尼器活塞杆与活塞面积之比为 a，则 1一 a)* *（ *（ ，代入 (8)式得： （ 9） 压力驱动工作模式的库仑阻尼与剪切工作模式的库仑阻尼之比为： (10) 由于在实际的阻尼器结构中 (# /变量定义 ; /定义端口 3.6 ; /定义端口 3.7 ; /定义端口 1.0 ; /定义端口 1.1 /定义所读取的数据的变量 /定义将要存入的数据的变量 /定义将要显示的数据的变量 /*延时函数，单位是 z) i,j; 32 i=z;i0;j=114;j0; /*复位函数 */ 1; 1; 1; /启动定时器 1 1; /开串口中断 1; /开总中断 0 /重置 0 /重置 0 /重置 0 /重置 /*单片机及串口初始化函数 */ 0 0 0 0; 1; (65536256; (65536256; 0 /设置波特率 9600 0 1; 1; 1; /启动定时器 1 1; /开串口中断 1; /开总中断 /*读取实际电流值，并通过串口传出 */ 1; 1; /通过与门使能 片 0); /延时函数，等待系统响应 /*将上位机传递过来的数据存入控制器 */ 33 0; 0; /使能存储器芯片 0); /延时函数，等待系统响应 0); /*中断函数 */ 1; 0; = a) 1; = b) 2; = c) 3; = d) 4; = A) 5; = B) 6; = C) 7; = D) 8; = E) 9; 34 = F) 10; 0; ; ; ) if(= 1) 0; if(= 1) ; /调用读取电流值 /将读取的数据发送出去 if(= 2) ; /调用复位函数 1; /复位成功后，发送复位成功信号 if(= 3) ; /调用存取数据函数 1; /操作成功后，发送操作成功信号 if(= 4) ; /调用存取数据函数 1; /操作成功后，发送操作成功信号 if(= 5) ; /调用存取数据函数 35 1; /操作成功后，发送操作成功信号