無(wú)線饋能式電磁作動(dòng)器設(shè)計(jì)

孫宜權(quán)， 張進(jìn)秋， 王興野， 彭 虎， 姚 軍

(陸軍裝甲兵學(xué)院車(chē)輛工程系， 北京 100072)

饋能式電磁作動(dòng)器將直線電機(jī)或旋轉(zhuǎn)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為懸架的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這不僅能夠使電機(jī)工作于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，控制其主動(dòng)出力，提高車(chē)輛行駛平順性，還可以使其工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行能量回收，成為一個(gè)電磁阻尼器[1]。因此，饋能式電磁作動(dòng)器是近年的研究熱點(diǎn)，也是今后的發(fā)展趨勢(shì)。2004年，Bose公司首次公開(kāi)一種由4個(gè)直線電機(jī)組成的主動(dòng)懸架系統(tǒng)，其控制車(chē)體振動(dòng)時(shí)消耗功率為12 kW，其中：當(dāng)處于電動(dòng)機(jī)工況時(shí)，功率放大器向直線電機(jī)輸送電能；當(dāng)處于發(fā)電機(jī)工況時(shí)，功率放大器回收電能[2]。但直線電機(jī)漏磁大，饋能效率低[2]。MIRZAEI[3]設(shè)計(jì)了一種電磁感應(yīng)阻尼器，將電磁阻尼器與傳統(tǒng)的液壓減振器并聯(lián)，通過(guò)改變初級(jí)線圈上的電壓來(lái)調(diào)整減振器的阻尼系數(shù)，該系統(tǒng)符合失效-安全特性，但無(wú)法控制阻尼力隨速度的變化狀況。王興野等[1]設(shè)計(jì)了“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+齒輪齒條”結(jié)構(gòu)的電磁作動(dòng)器，提出電磁阻尼力與激勵(lì)速度和外接負(fù)載有關(guān)，但沒(méi)有解決電磁阻尼力不受控的問(wèn)題。鑒于此，筆者在“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+齒輪齒條”結(jié)構(gòu)的電磁作動(dòng)器基礎(chǔ)上，提出一種無(wú)線饋能式電磁作動(dòng)器設(shè)計(jì)方法，以期為提高車(chē)體振動(dòng)控制下能量回收提供一種新的途徑。

1 饋能式電磁作動(dòng)器結(jié)構(gòu)及缺陷

基于“旋轉(zhuǎn)電機(jī)+齒輪齒條”結(jié)構(gòu)的電磁作動(dòng)器具有抗沖擊性好、出力平穩(wěn)等特點(diǎn)，則以該饋能式電磁作動(dòng)器為研究對(duì)象進(jìn)行能量回收，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。饋能式電磁作動(dòng)器選定額定功率P=1 kW的Motec SEM-80C10303HN交流伺服電機(jī)，齒輪齒條齒數(shù)為19，模數(shù)為3，齒輪分度圓半徑Rg=0.028 m,減速機(jī)型號(hào)為Motec APE60-16。

當(dāng)車(chē)輛在隨機(jī)路面行駛時(shí)，在電磁作動(dòng)器負(fù)載確定情況下，饋能電路閉環(huán)電流隨機(jī)變化，由此產(chǎn)生的電磁阻尼力也隨機(jī)變化。因此，設(shè)計(jì)的電磁作動(dòng)器饋能時(shí)無(wú)法解決電磁阻尼力不受控的問(wèn)題。

2 無(wú)線饋能電路設(shè)計(jì)

分析饋能式電磁作動(dòng)器的阻尼特性時(shí)，發(fā)現(xiàn)電磁作動(dòng)器饋能時(shí)很難準(zhǔn)確控制電磁阻尼力。然而，在電磁作動(dòng)器負(fù)載為開(kāi)路的條件下，盡管可通過(guò)并聯(lián)筒式磁流變阻尼器組成復(fù)合式饋能懸架系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)懸架系統(tǒng)阻尼力的精確控制，但懸架系統(tǒng)無(wú)法有效回收能量。通過(guò)引入無(wú)線電能傳輸方式，不僅可以使電磁阻尼力接近于0，且能將電磁作動(dòng)器產(chǎn)生的電能最大限度地回收，其原理如圖2所示。

該無(wú)線饋能式電磁作動(dòng)器采用磁耦合共振式電能傳輸模型，將銅線繞成的線圈與電容并聯(lián)構(gòu)成振蕩能量發(fā)射端(無(wú)線電能發(fā)射端)，其產(chǎn)生的高頻振蕩電磁場(chǎng)以空氣為傳輸介質(zhì)向周?chē)椛?，使具有相同振蕩頻率的接收端產(chǎn)生諧振感應(yīng)，驅(qū)動(dòng)其接收端(無(wú)線電能接收端)負(fù)載。

2.1 理論模型

傳統(tǒng)的無(wú)線電能發(fā)射端采用逆變電路或功率放大電路產(chǎn)生定頻率、定幅值功率源，其通過(guò)調(diào)節(jié)并聯(lián)的電感或電容產(chǎn)生諧振，而設(shè)計(jì)的電磁作動(dòng)器饋能時(shí)要求輸出變頻率、變幅值的正弦電壓。因此，基于PT(Parity-Time)對(duì)稱理論設(shè)計(jì)無(wú)線電能回收模型，以使發(fā)射端饋能電壓自適應(yīng)跟隨LC諧振頻率，即產(chǎn)生自激諧振。

PT對(duì)稱是描述微觀物體運(yùn)動(dòng)的基本理論，屬于量子動(dòng)力學(xué)范疇，具有空間反射和時(shí)間反演下的不變性。為搭建PT對(duì)稱電路，建立了發(fā)射端和接收端耦合模型[4]，如圖3所示。其中：發(fā)射端諧振頻率為ω1，增益率為g10，本征損失率為γ10，整體增益率g1=g10-γ10；接收端諧振頻率ω2≈ω1，負(fù)載導(dǎo)致的損失率為γ1，本征損失率為γ20，整體損失率γ2=γ1+γ20；發(fā)射端與接收端之間的耦合率為k。

發(fā)射端能量由增益模塊提供，通過(guò)電磁共振的形式將能量傳輸?shù)浇邮斩?，該?dòng)態(tài)模型可描述為

(1)

[i(ω1-ω)+g1][i(ω2-ω)-γ2]+k2=0。

(2)

將式(2)實(shí)、虛分離后，可得

(3)

(4)

式中：ω為本征頻率；g1,sat為飽和增益值。

在諧振條件下，能量傳輸效率

(5)

由式(5)可知：在強(qiáng)耦合條件下，無(wú)線能量傳輸效率與k無(wú)關(guān)，因此設(shè)計(jì)的能量傳輸模型魯棒性強(qiáng)。

2.2 電路設(shè)計(jì)

圖4為諧振器發(fā)射端電路原理圖。其中：電磁作動(dòng)器饋能時(shí)發(fā)電機(jī)輸出交流電(Alternating Current,AC)，經(jīng)整流器后變?yōu)橹绷麟姸鳛殡妷悍糯笃鞯尿?qū)動(dòng)電源，電壓放大器、電阻R1、電阻R2與電阻R3連接組成負(fù)電阻(等效阻值R=-R1R3/R2)，此時(shí)負(fù)電阻與電磁作動(dòng)器電能輸出就等效為諧振器發(fā)射端整體增益率g1；將電壓放大器通過(guò)電阻R3連接其正極輸入端，利用正反饋驅(qū)動(dòng)LC并聯(lián)發(fā)射天線產(chǎn)生自激諧振。諧振器接收端電路設(shè)計(jì)與發(fā)射端類似，通過(guò)LC并聯(lián)接收天線與發(fā)射端產(chǎn)生磁共振，完成無(wú)線電能的接收。

由于LC并聯(lián)電路諧振時(shí)完全呈現(xiàn)阻抗特性，電阻值理論上為∞，因此饋能時(shí)電磁作動(dòng)器的電流接近于0，滿足設(shè)計(jì)要求。無(wú)線電能傳輸電路實(shí)物如圖5所示，其發(fā)射端天線與接收端天線緊貼放置。

無(wú)線電能傳輸天線結(jié)構(gòu)俯視圖如圖6所示[5]。該天線結(jié)構(gòu)由3組閉合橢圓環(huán)線圈組成，每組線圈匝數(shù)為3。天線采用銅線，其線徑d=1.5 mm，測(cè)試得到天線電感L=24.8 μH。

以其中一組線圈為例，將線圈近似為圓形，其磁感應(yīng)強(qiáng)度

(6)

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率；I為流過(guò)線圈的瞬時(shí)電流；N為線圈的匝數(shù)；a為線圈的半徑；r為線圈法線上某點(diǎn)距離其圓心的距離。由式(6)可知：磁感應(yīng)強(qiáng)度正比于線圈匝數(shù)和線圈面積，隨著距離r的3次方衰減，在電流及線圈匝數(shù)一定的條件下，要使天線線圈產(chǎn)生的磁通量較大，就必須增大天線的面積。

筆者設(shè)計(jì)的圖6的天線結(jié)構(gòu)可解決實(shí)際安裝空間有限問(wèn)題。此時(shí)，天線面積為3組閉合橢圓環(huán)面積的和，實(shí)現(xiàn)了有效增加天線面積的目的，從而提高天線線圈產(chǎn)生的磁通量。

3 臺(tái)架試驗(yàn)與結(jié)果

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)

臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖7所示。該系統(tǒng)主要由激振控制臺(tái)、車(chē)體(模擬)、負(fù)載、示波器、無(wú)線電能傳輸天線、饋能式電磁作動(dòng)器與磁流變阻尼器等構(gòu)成，通過(guò)激勵(lì)控制臺(tái)設(shè)置激勵(lì)類型，并在允許范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意形式的正弦激勵(lì)、隨機(jī)激勵(lì)和脈沖激勵(lì)。

臺(tái)架試驗(yàn)采用正弦激勵(lì)，通過(guò)示波器采集天線發(fā)射端與接收端電壓，利用狀態(tài)測(cè)量與控制系統(tǒng)(如圖8所示)的數(shù)據(jù)采集模塊采集懸架系統(tǒng)狀態(tài)量(即加速度傳感器、位移傳感器及力傳感器的測(cè)量值)，采用電流驅(qū)動(dòng)模塊向磁流變阻尼器供電，利用控制器模塊對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行控制。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 饋能式電磁作動(dòng)器阻尼特性試驗(yàn)

正弦激勵(lì)信號(hào)的速度為0.3 m/s，幅值為15 mm，分別對(duì)饋能式電磁作動(dòng)器負(fù)載25 Ω的電阻及無(wú)線電能發(fā)射端的阻尼特性進(jìn)行測(cè)試，其示功圖如圖9所示。對(duì)比圖9(a)、(b)可知：與饋能式電磁作動(dòng)器負(fù)載25 Ω的電阻下示功圖相比，負(fù)載為無(wú)線電能發(fā)射端時(shí)示功圖環(huán)形面積較小。由于其他機(jī)械阻尼不變，因此設(shè)計(jì)的無(wú)線饋能電路有效減弱了電磁阻尼力對(duì)懸架系統(tǒng)振動(dòng)控制的干擾，可通過(guò)控制并聯(lián)磁流變阻尼器的阻尼力實(shí)現(xiàn)懸架系統(tǒng)阻尼力的精確控制。

3.2.2 復(fù)合減振器性能

1) 減振性能

將磁流變阻尼器工作于零磁場(chǎng)、無(wú)控制，且電磁作動(dòng)器工作于無(wú)控制時(shí)的工作狀態(tài)定義為被動(dòng)懸架控制工況；將磁流變阻尼器工作于半主動(dòng)控制，且電磁作動(dòng)器工作于饋能時(shí)的工作狀態(tài)定義為半主動(dòng)饋能控制工況。基于上述工況，筆者設(shè)計(jì)了被動(dòng)懸架控制有線饋能試驗(yàn)(有別于無(wú)線饋能的定義)、半主動(dòng)饋能控制有線饋能試驗(yàn)、被動(dòng)懸架控制無(wú)線饋能試驗(yàn)及半主動(dòng)控制無(wú)線饋能試驗(yàn)。臺(tái)架激勵(lì)與饋能式電磁作動(dòng)器特性試驗(yàn)相同，半主動(dòng)饋能控制采用天棚控制算法，以車(chē)體垂直加速度均方根值作為懸架系統(tǒng)振動(dòng)控制效果的依據(jù)。

各試驗(yàn)項(xiàng)目車(chē)體垂直加速度均方根如表1所示。可以看出：半主動(dòng)饋能控制工況下，車(chē)體振動(dòng)控制效果優(yōu)于被動(dòng)懸架控制工況；與其他3種形式相比，半主動(dòng)饋能控制無(wú)線饋能方式的車(chē)體振動(dòng)控制效果較好，其中較半主動(dòng)饋能控制有線饋能方式提高了45.7%。

被動(dòng)懸架控制工況下車(chē)體垂直加速度變化曲線如圖10所示?？梢钥闯觯号c有線饋能時(shí)相比，無(wú)線饋能時(shí)的車(chē)體垂直加速度變化幅度較大，說(shuō)明此時(shí)車(chē)體的振動(dòng)控制效果較差。分析其原因?yàn)椋簾o(wú)線饋能時(shí)，電磁阻尼力理論上接近0，整個(gè)懸架系統(tǒng)的阻尼力來(lái)源于饋能式電磁作動(dòng)器的機(jī)械阻尼及磁流變阻尼器的基礎(chǔ)阻尼，則在相同激勵(lì)下有線饋能時(shí)電磁阻尼力有利于對(duì)車(chē)體振動(dòng)控制。

半主動(dòng)饋能控制工況下車(chē)體垂直加速度變化曲線如圖11所示?？梢钥闯觯号c有線饋能時(shí)相比，無(wú)線饋能時(shí)車(chē)體垂直加速度變化幅度較小，說(shuō)明此時(shí)車(chē)體振動(dòng)控制效果較好。這是因?yàn)椋喊胫鲃?dòng)饋能控制工況下，無(wú)線饋能的阻尼力由磁流變控制力主導(dǎo)，則在相同激勵(lì)下有線饋能時(shí)電磁阻尼力不利于對(duì)車(chē)體振動(dòng)控制。

2) 無(wú)線饋能

半主動(dòng)饋能控制工況下無(wú)線電能傳輸天線端電壓變化曲線如圖12所示?？梢钥闯觯?/p>

(1) 無(wú)線電能傳輸天線磁共振頻率為1.05 MHz，發(fā)射端電壓峰峰值為8.6 V，接收端電壓峰峰值為8 V；天線發(fā)射端電壓與接收端電壓波形幾乎相同，電能傳輸損耗為3.7%。這說(shuō)明可最大限度地回收懸架系統(tǒng)振動(dòng)產(chǎn)生的能量。

(2) 當(dāng)發(fā)射端電壓小于3 V時(shí)，無(wú)線電能傳輸電路無(wú)法自激振蕩，懸架系統(tǒng)振動(dòng)能量無(wú)法回收。

4 結(jié)論

針對(duì)電磁作動(dòng)器饋能時(shí)很難準(zhǔn)確控制電磁阻尼力的問(wèn)題，采用磁流變阻尼器與饋能式電磁作動(dòng)器并聯(lián)的復(fù)合式饋能懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于PT對(duì)稱的自激振蕩無(wú)線能量傳輸方法實(shí)現(xiàn)了懸架系統(tǒng)阻尼力的精確控制，且可最大限度地回收懸架系統(tǒng)振動(dòng)能量。與傳統(tǒng)的有線饋能復(fù)合式懸架系統(tǒng)相比，車(chē)體減振效果提高了45.7%，電能傳輸損耗僅為3.7%。下一步，將展開(kāi)無(wú)線饋能式電磁作動(dòng)器的實(shí)車(chē)試驗(yàn)。