一种大功率磁流变恒加速软启动装置及其控制系统

技术领域

本发明涉及一种磁流变软启动装置，尤其是一种大功率磁流变恒加速软启动装置及其控制系统。

背景技术

磁流变液是一种新型的智能材料，当无外加磁场时，其呈现出低粘度类牛顿流体特性。而外加磁场的情况下，可以将流变性能良好的液体形态，在毫秒级的时间内变成类似固态的材料，而一旦磁场失去作用，又将恢复至液态。磁流变液在磁场作用下磁流变液中磁性颗粒可形成通链、支链、孤立链和柱状链等微观结构，而各类微观链结构的末端容易断裂，因此，单纯地依靠剪切模式很难提高磁流变液的屈服强度。但是，当磁流变液在磁场中受到沿磁场方向的外加正压力时，其剪切应力可以得到较大提高，甚至是提高一个数量级。这种通过施加压力改变磁流变液性能的方法即所谓的磁流变液挤压强化技术。磁流变液形成柱链状微观结构还没有发生剪切，磁流变液中的铁磁颗粒与传动壁面间就存在了相对运动，这种现象即为壁面滑移，减小甚至避免壁面滑移可提高磁流变液的固化强度。由于磁流变液的这种优良的流变特性，其在机械、汽车等领域得到了广泛的应用。国内专利：CN100359198C公开了一种磁流变软启动装置，将主动件做成空腔，其内放置形状与其相匹配的从动件，通过两组电磁线圈产生磁场增大其扭转力矩。CN102297213B公开了一种多片式磁流变软启动装置，采用多片式结构，增大扭矩的变化范围，可实现重型机械设备的可控软启动。CN102359513B公开了一种水冷式磁流变软启动装置，采用多个主，从动圆筒间隙布置的结构形式，增大了软启动装置的扭转力矩。上述磁流变软启动装置增大扭转力矩主要有两种方式：一方面通过增大励磁线圈的电流，进而增大磁场强度，提高磁流变液的固化强度。增大励磁线圈的电流在一定范围内可以有效地增加扭转力矩，但是当磁流变液达到磁饱和之后，增大励磁线圈的电流则无法继续提高扭转力矩。另一方面，通过增加摩擦片的数量形成多个阻尼腔，从而增大软启动装置最大扭转力矩。但是，增加摩擦片的数量不但使装置更加复杂，难以进行加工和装配，而且操作困难，可靠性得不到保证。而且上述磁流变软启动装置对其启动加速度没有实现有效的控制。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种大功率磁流变恒加速软启动装置及其控制系统，一方面当磁场强度达到磁流变液饱和磁场强度时，增大磁流变液的压力可继续增大其固化强度，极大地提高了软启动装置的最大扭转力矩。另一方面，在圆盘的表面设置径向沟槽，减小了磁流变液固化后的壁面滑移，增大了软启动装置的最大扭转力矩。并通过对励磁电流大小和磁流变液压力的智能控制，进而实现对磁流变液流变特性的控制，并最终实现磁流变液软启动装置的恒加速启动。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大功率磁流变恒加速软启动装置及其控制系统，分为装置部分和控制部分；大功率磁流变软启动装置部分包括左导磁外壳、出液/压力测量端口、轴承端盖、圆螺母、圆锥滚子轴承、主动轴、主动圆盘、隔磁环、励磁线圈、密封圈、进液/加压端口、从动圆盘、右导磁外壳、圆锥滚子轴承、圆螺母、从动轴和轴承端盖。左导磁外壳与右导磁外壳通过螺钉扣合固定在一起，左导磁外壳的端部通过螺钉固定带有密封圈的轴承端盖，主动轴通过一对圆锥滚子轴承与左导磁外壳相连，圆螺母将圆锥滚子轴承压紧固定，主动圆盘通过螺钉固定在主动轴的右端，从动轴通过一对圆锥滚子轴承固定在右导磁外壳上，右导磁外壳端部通过螺钉固定带有密封圈的轴承端盖，从动圆盘通过螺钉固定在从动轴的左端，在主动圆盘、从动圆盘与左导磁外壳、右导磁外壳构成的凹槽内依次设有励磁线圈、隔磁环、密封圈，隔磁环上设有注入磁流变液和对磁流变液加压的进液/加压端口以及排出磁流变液和测量磁流变液压力的出液/压力测量端口。

进一步，主动圆盘与制动圆盘间的间隙1.5-2mm。

进一步，主动圆盘与制动圆盘的内表面都具有径向条纹沟槽，减小磁流变液与圆盘的壁面滑移，提高磁流变液固化后的传动能力。

大功率磁流变恒加速软启动装置的控制部分，包括输入端转速传感器、输出端转速及转速加速度传感器、励磁线圈电流传感器、磁流变液压力传感器、数据处理器、扩展数据连接设备、MCU控制器、励磁线圈电流控制器以及液压缸增压控制阀。

其中，输入端转速传感器、输出端转速及转速加速度传感器、励磁线圈电流传感器、磁流变液压力传感器通过对应探头分别检测输入端转速、输出端转速及转速加速度、励磁线圈电流及磁流变液压力，并将数据交由数据处理器分析处理，按照一定的通信协议将数据发给扩展数据连接设备和MCU控制器，MCU控制器依照预先设定的缓冲值及数据处理器发来的检测数据综合计算，通过一定的算法规则解算出励磁线圈电流和液压缸压力的参考数据，依照控制规则，当励磁线圈电流达到饱和值之前MCU处理器不会对液压缸给出压力增加的控制信号，励磁线圈电流参考数据将发送给励磁线圈电流控制器，进而将电流参考数据转化为实际控制电流，同理，液压缸压力参考数据将发送给液压缸增压控制阀，将压力参考数据转化为实际液压压力。同时，MCU控制器解算出的励磁线圈电流和液压缸压力的参考数据也将通过通信协议反馈给数据处理器，进而通过数据处理器将参考数据发给扩展数据连接设备。工作过程中，整套控制系统的各个传感器将持续工作，随时收集大功率磁流变软启动装置的工作状态信息，通过数据处理器将这些信息和可能通过扩展数据连接设备得到的缓冲值一同发给MCU处理器，用于随时调整对励磁线圈电流控制器以及液压缸增压控制阀的控制。

当输出端转速和输入转速一致时，MCU处理器将通过励磁线圈电流控制器以及液压缸增压控制阀控制励磁线圈电流和液压缸压力保持当前值不变，并在输入转速改变或者负载扭矩改变之前维持这个值。

进一步，主控制器包括MCU控制器、数据采集处理器、A/D转换器以及D/A转换器；其中，MCU控制器主要用于逻辑功能的控制，A/D转换器和数据处理器主要用于采集传感器数据，D/A转换器用于控制励磁线圈电流控制器及辅助增压控制器。

进一步，数据采集处理器包括数据处理器、压力数据采集模块、电流数据采集模块、输入端速度数据采集模块、输出端速度数据采集模块、输出端加速度数据采集模块、扩展数据连接设备以及相应的A/D转换器；其中，数据处理器用于完成对各个传感器数据的实时处理，并将处理完成的数据递交给MCU控制器以备控制使用；压力数据采集模块能够采集磁流变液介质的压力数据，通过A/D转换器将数据交由数据处理器处理；电流数据采集模块能够采集电磁线圈中的电流数据，通过A/D转换器将数据交由数据处理器处理；主动轴端和从动轴端的速度采集模块分别用于采集主动轴端和从动轴端的角速度，通过A/D转换器将数据交由数据处理器进行比对；从动轴端加速度采集模块用于采集从动轴端转速增加的速度，经过数据处理器处理后用于闭环控制该大功率磁流变液软启动装置的缓冲速度；扩展数据连接设备用于连接上位机或者编程卡，将各个传感器数据实时传输到上位机或者编程卡上，实现实时监控该大功率磁流变液软启动装置的状态，并可以通过上位机或者编程卡设定该大功率磁流变液软启动装置的缓冲速度。

进一步，辅助阻尼控制器包括励磁线圈和液压缸控制阀；其中，励磁线圈可以改变磁流变液介质中的磁场强度，液压缸控制阀用于改变液压缸输出的压力，进而控制固化后磁流变液的压力。

本发明与背景技术相比，具有的增益效果是：

(1)本发明传动圆盘的表面具有径向条纹沟槽，减小磁流变液与圆盘的壁面滑移，提高磁流变液固化后的传动能力。

(2)本发明通过控制器给磁电线圈增大给定的电流值以产生相应的电磁量，从而增强磁流变介质的剪切屈服强度；通过改变液压油缸对磁流变液介质施加的压力值，辅助增加固化后的磁流变液介质的剪切屈服应力，提高了其传动能力。并通过对励磁电流和压力的伺服控制，最终实现负载装置的软启动。

(3)本发明在上述结构的基础上，可以用上位机或者编程卡通过扩展数据连接设备实时监控该大功率磁流变液软启动装置的传感器信息及运行信息，并可以实时改变该大功率磁流变液软启动装置的启动加速度。

(4)辅助阻尼控制器通过数据采集处理器采集的电流及压力数据进行闭环控制，确保了磁流变液软启动装置的伺服控制性能。

附图说明

图1是本发明的系统结构原理图

图2是是本发明的装置结构示意图

图3是本发明的二级控制原理图

图4是本发明的传动圆盘结构示意图

附图中：1左导磁外壳，2出液/压力测量端口，3轴承端盖，4圆螺母，5圆锥滚子轴承，6主动轴，7主动圆盘，8隔磁环，9励磁线圈，10密封圈，11进液/加压端口，12从动圆盘，13右导磁外壳，14圆锥滚子轴承，15圆螺母，16从动轴，17轴承端盖。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，一种大功率磁流变恒加速软启动装置及其控制系统，分为装置部分和控制部分；

如图2所示，大功率磁流变软启动装置部分包括左导磁外壳1、出液/压力测量端口2、轴承端盖3、圆螺母4、圆锥滚子轴承5、主动轴6、主动圆盘7、隔磁环8、励磁线圈9、密封圈10、进液/加压端口11、从动圆盘12、右导磁外壳13、圆锥滚子轴承14、圆螺母15、从动轴16和轴承端盖17。左导磁外壳1与右导磁外壳13通过螺钉扣合固定在一起，左导磁外壳1的端部通过螺钉固定带有密封圈的轴承端盖3，主动轴6通过一对圆锥滚子轴承5与左导磁外壳1相连，圆螺母4将圆锥滚子轴承5压紧定位，主动圆盘7通过螺钉固定在主动轴6的右端，从动轴16通过圆锥滚子轴承14固定在右导磁外壳13上，右导磁外壳13端部通过螺钉固定带有密封圈的轴承端盖17，从动圆盘12通过螺钉固定在从动轴16的左端，在主动圆盘7、从动圆盘12与左导磁外壳1、右导磁外壳13构成的凹槽内依次设有励磁线圈9、隔磁环8、密封圈10，隔磁环8上设有注入磁流变液和对磁流变液加压的进液/加压端口11以及排出磁流变液和测量磁流变液压力的出液/压力测量端口2。

在励磁线圈9中通入电流，在表面开有径向沟槽的主动圆盘7和从动圆盘12之间产生具有一定磁感应强度的磁场，并且磁场强度随电流增大而增大。两圆盘间隙中的磁流变液在磁场方向形成柱链状微观结构，瞬间由液态转变为半固态，并且其固化强度随着磁场的增强而变大，从而主动圆盘带动从动圆盘转动，进而实现软启动。当磁流变液达到磁饱和之后，增大励磁线圈9中的电流大小不再能够提高制动器的制动扭矩。此时，可通过加压端口对磁流变液进行加压，可以较大提高了磁流变液剪切应力，从而提供更大的启动力矩。

大功率磁流变软启动装置的控制部分，包括输入端转速传感器、输出端转速及转速加速度传感器、励磁线圈电流传感器、磁流变液压力传感器、数据处理器、扩展数据连接设备、MCU控制器、励磁线圈电流控制器以及液压缸增压控制阀。

上述结构具体的控制方法如下:

(1)压力数据采集模块、电流数据采集模块、主动轴端速度数据采集模块、从动轴端速度数据采集模块和从动轴端加速度数据采集模块分别采集电磁线圈中的电流信息、磁流变液介质中的压力信息、主动轴端和从动轴端转速信息以及从动轴端加速度信息，通过A/D转换器将这些信息传输至数据处理器；

(2)数据处理器对数据采集模块采集的信息进行处理，一方面将处理后的信息通过扩展数据连接设备发送给上位机或者编程卡，另一方面将这些信息通过数据总线发送给MCU处理器；

(3)MCU处理器通过将主动轴端和从动轴端转速信息以及从动轴端加速度信息与预先设定的缓冲速度进行比对得到对磁流变液介质的阻尼控制信息；

(4)MCU处理器通过分析励磁线圈中的电流信息和磁流变液介质中的压力信息分别得到对励磁线圈和液压缸控制阀的控制信息，并得到相对应的控制指令，继而将这些指令通过D/A转换器发送给辅助阻尼控制器；

(5)辅助阻尼控制器通过改变励磁线圈的电流，从而控制磁流变液介质中的磁场强度，进而改变磁流变液介质的剪切屈服强度；通过控制液压缸控制阀的开合程度，进而改变液压油缸施加给大功率磁流变液软启动装置中磁流变液的压力；

(6)MCU处理器还会把对电磁线圈和液压缸控制阀的控制信息通过数据总线发送给数据处理器，通过数据处理器将信息通过扩展数据连接设备发送给上位机或者编程卡；

(7)数据处理器还将不断采集并处理来自于数据采集模块和扩展数据连接设备的信息，并将这些信息发送给MCU处理器，用于实时调整该大功率磁流变液软启动装置的缓冲速度及对辅助阻尼控制器的闭环控制。

如图3所示，由于加压必须在磁流变液固化后进行，本发明提出了基于磁流变液的双级控制方法。

在一级输入情况下，数据处理器对电动机的输入转速，以及大功率磁流变恒加速软启动装置的输出转速进行采集经过加法器进行转速差求解，其信号送至PID控制器，经过PID调解，给出一级输出的变量值，即励磁线圈的电流输出值，以此可增大磁流变液固化强度，进而可以达到提高扭转力矩的目的。

当数据处理器对大功率磁流变恒加速软启动装置的电流值与输出转速之间的曲线关系进行分析时，励磁线圈的电流产生磁场使磁流变液达到磁饱和，此时饱和开关闭合，开启二级输入，MCU控制器自行进入二级控制状态。

在二级输入的情况下，系统首先维持一级输入的状态，同时，开启液压缸电磁换向阀，同时不断采集液压缸的输出压力，将此压力信号送至MCU控制器进行PID控制，通过不断提高液压缸的输出压力，进而不断增加大功率磁流变恒加速软启动装置的扭转力矩，最终保证其按照需要加速启动。