（车辆工程专业论文）磁流变耦合轮对的控制及试验方案研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 磁流变耦合轮对可以根据实际需要通过控制系统灵活地改变左右车轮的 耦合度从而进一步改善车辆的动力学性能。国外对耦合轮对已做了一些开拓 性的研究工作，在国内对耦合轮对的研究还处于初步阶段，重点放在耦合轮 对车辆的理论研究和动力学仿真上，而对耦合轮对的控制及试验研究较少。 磁流变耦合轮对的控制是工程化的一个核心问题，因为磁流变耦合轮对只有 控制系统下才能充分发挥其优越性，所以论文针对磁流变耦合轮对的控制及 试验方案进行探讨。 论文首先分析了磁流变耦合器的工作原理，根据其工作原理，建立了磁 流变耦合器的等效数学模型和磁流变耦合轮对的微分方程，推导出耦合力矩 与控制电流之间的关系，选择了磁流变耦合轮对的控制方法，设计出磁流变 耦合轮对的控制器，并建立了控制电流的状态空间模型，完成对该控制器的 仿真；其次利用试凑法通过程序仿真计算出耦合轮对车辆通过不同半径曲线 时转向架前后轮对耦合度的匹配关系，找出转向架前后轮对的耦合度随曲线 半径的变化规律，同时也找出了电流与耦合度之间的关系，并在控制系统作 用下对耦合轮对车辆通过曲线性能进行了仿真；在论文的最后简单介绍了磁 流变耦合轮对性能的试验方案，给出耦合力矩的测试方法以及纵横向蠕滑力 的测试方法。 通过仿真分析，论文设计的控制方案能够满足要求、控制系统工作正常、 控制方法可行。另外磁流变耦合轮对在实际运用之前，还必须对其进行试验 研究，论文中的磁流变耦合轮对性能的试验方案为下一步的研究提供了依据 和铺垫。 关键词：耦台轮对；磁流变流体；控制器；动力学性能 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t t h em a g n e t o - r h e o l o g i c a lc o u p l e dw h e e l s e t sm a yc h a n g et h e c o u p l e d c o e 艏c i e n to fm r c wu n d e rt h ec o n t r o ls y s t e m ss ot h a tv e l l i c l ed y l l a m i c s p e r f b r m a n c ec o u l dg r a d u a l l yk e e pb e s t e v e ra n da g a i n s o m er e s e a r c h e sa b o u t c o u p l e dw h e e l s e t sh a v eb e e nc a r r i e dt 1 1 r o u g ha b r o a d ，h o w e v e ri nh o m e l a n dt h e r e s e a r c ha b o u tc o u p l e dw h e e l s e t si sa tt h ep r e l i m i n a r ys t a g e ，t h ee m p h a s i so nt h e c o u p l e dw h e e l s e t sa r et h e o r yr e s e a r c ha n dd y n a m i c ss i m u l a t i o n ，b u it u m i n gt o t h ec o n t r o ls y s t e ma i l de x p e r i m e n t a ls t u d yo fc o u p l e dw h e e l s e t sa r en o tm a i l y a c t u a l l yt h ec o n t r o lo ft h et h em a g n e t o r h e o l o g i c a lc o u p l e dw h e e l s e t si st h e p r o j e c tq u e s t i o n w l l i c hi sw o r m p a y i n g a t t e m i o n t o ， b e c a u s et h e m a g n e t o r h e o l o g i c a lc o u p l e dw h e e l s e t sd i s p l a y si t ss u p e r i o r i t yo n l yu n d e r c o n t r o ls y s t e m ，p a p a rw i l lt i l mt od i s c u s st l l ec o m r o ls y s t e ma i l de x p e r i m e n t a l p l a l lo ft 1 1 em a g n e t o - r h e o l o g i c a lc o u p l e dw h e e l s e t s t h ep a p e rf i r s t a n a l y z e d m em 姆l e t o - r h e 0 1 0 9 i c a l c o u p l e dw h e e l s e t s w o r k i n gp r i n c i p l e ，a c c o r d i n gt oi t sw o r k i n gp r i n c i p l ee s t a b l i s h e dt h ee q u i v a l e n t m a m e m a t i c a lm o d e la i l dd i f f e r e m i a le q u a t i o no fm e m a g r l e t o - r h e o l o g i c a lc o l l p l e d w h e e l s e t s ；i n f c r r e dt h er e l a t i o n sb e t w e e nc o u p l e dm o m e n ta n d c o n t r o l l i n g c u r r e n t ；c h o o s et h ec o n t r o lm e t h o do fm em a g n e t o - r h e o l o g i c a lc o u p l e dw h e e l s e t s d e s i g n 邑d t h e m a g n e t o - r h e o l o g i c a lc o u p l e d w h e e l s e t st u mt o c o n t r o u e r ， e s t a b l i s h e dt h es t a t e s p a c em o d e lo fc o n t r o l l i n gc u r r e n t ，c o m p l e t e dt o t h i s c o n t r o l l e rs i m u l a t i o n s e c o n d l yu s i n gt h et e s t i n gm e t l l o dc a l c u l a t e st h eo p t i m a l m a t c h i n gl a wo fc o u p l e dc o e 伍c i e n tf o r l e a d i n ga n dt r a i l i n gw h e e l s e t st h r o u 曲 t h ep r o c e d u r es i m u l a t i o nw h i l ec o u p l e d - w h e e l s e t sv e h i c l ep a s sd i f f e r e n tr a d i u s c u r v e ；t h eo p t i m a lm a t c h i n gl a wo fc o u p l e dc o e f e c i e n tf o rl e a d i n ga n dt r a i l i n g w h c e l s e t sh a sb e e nf b dw h e nav e h i c l e n e g o t i a t e s a l lk i n d so fr a d i u s s e m i d i a m e t e r c u 九，e ； m e a n w h i l er e l a t i o n sb e t w e e nc u r r e n ta t l d c o u p l e d c o e f f i c i e n th a v eb e e nf o u n d ，a n du n d e rt h ec o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o nw a sd o n e w h i l ec o u d l e d w h e e l s e t sv e h i c l e f i n a l l vt h et h e s i sh a si n t r o d u c e dt h e p e r f o r m 卸c ee x p e r i m e n t a lp l a no ft h em a g n e t o - r h e o l o g i c a lc o u p l e dw h e e l s e t s ， p r o d u c e dt h et e s t i n gm e t h o do fc o u p l e dm o m e n ta i l dw o r ms t r e n g t ho fv e r t i c a l a n dh o r i z o n t a la s d e c t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | i 页 u n d e r g ot h es i m u l a t i o na i l a l y s i s ，t h ec o n t r o lp l a nw h i c hd e s i g n e dc a ns a t i s f y t h er e q u e s t ，t h ec o n t r o ls y s t e mw o r ki sn o r m a l ，t h ec o n t r 0 1m e t h o di sf e a s i b l e m o r e o v e rb e f o r et h em a g n e t o r h e o l o g i c a lc o u p l e dw h e e l s e t sa p p l yt oa c t u a l r a i l w a y t h ee x e n i o no fi t ss u p e r i o r i t yn e e d st h es u p p o no fr c l e v a 芏l tt e s t ，b u ti n t h ep a p e rt h ep e r f o m a l l c ee x p e r i m e n t a lp l a no ft 1 1 em a g n e t o r h e o l o g i c a lc o u p l e d w h e e l s e t sr i g h t l yp r o v i d e dt h et h e o r yb a s i sa n db e d d i n gt ot h ep e r f o r m a n c e e x p e r i m e n t a lp l a nf o rt h en e x ts t e po fr e s e a r c h 1 ( e yw o r d s ：c o u p l e dw h e e l s e t ；m a g n e t o r h e o l o g i c a if i u i d ；c o n t o h e r ；d y n a m i c s p e r f o r m a n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文选晨背景及意义 自从铁路运营以来，铁道机车车辆的轮对基本上都采用两个车轮紧固在 一根车轴两端的形式，因而这种轮对的左右车轮的旋转速度始终是相同的， 为了保证车辆顺利通过曲线，车轮的踏面采用了具有一定锥度的踏面形式f 车 轮的滚动圆半径由轮缘向外逐渐减小) 。这种带有锥度的固定轮对的主要优点 是：可以利用左右车轮滚动圆半径的变化产生轮轨蠕滑力的作用，使轮对在 直线上可以通过蛇行运动的形式自动调节其向轨道中央的对中性能；在曲线 上可以通过纵向蠕滑力产生的偏转力矩使其具有自导向功能【】。 但是，随着列车高速化进程的发展，传统固定轮对天生的不足之处就逐 渐暴露出来了p 叫：一是带锥度的固定轮对固有的蛇行自激振动将随着列车 运行速度的提高丽变得越来越剧烈，蛇行运动恶化了乘坐舒适性，增大了轮 轨磨耗，严重时还危及行车安全；二是列车在曲线上运行时，由于内外钢轨 长度不一致，尽管车轮踏面具有锥度，但因安全性和稳定性等多种因素的制 约，车轮的踏面锥度不能设计得太大，加之轮轨横向间隙也是有限的，所以 左右车轮滚动圆半径差不能完全匹配内外轨长度差，因而造成轮轨间的相对 滑动和轮缘接触，从而加剧了轮轨磨损( 特别是小半径曲线段) ，这样会造成 车轮和曲线段的频繁维修和换轨。 因此，在铁道车辆问世不久，就有人提出用“独立旋转车轮”代替“固 定轮对”的设想。最初的“独立旋转车轮”设想是简单地将固定轮对的左右 车轮解耦，使它们各自独立地绕车轴旋转，示意图如图1 1 所示【”。轮对的 左右车轮旋转自由度解耦后可以自由旋转，不再产生纵向蠕滑力，因而不会 产生蛇行运动，对提高车辆系统的稳定性有好处。但这一优点也同时是它的 缺点【6 7 】，因为独立回转车轮失去了纵向蠕滑力矩的自导向功能，在车轮制 造和安装误差及轨道不平顺的影响下，即使在平直轨道上，独立回转车轮一 般也会贴靠钢轨的某一侧运行，而不能自动向轨道中央复位，因而加剧了脱 轨的倾向；在曲线上，独立回转车轮主要依靠轮缘来导向，一旦发生轮缘接 触，很难保证轮轨一点接触，因而很容易造成轮缘的严重磨损。许多理论和 试验研究也都表明【b 】，由于独立回转车轮缺乏蠕滑力的自导向作用因而使 得独立回转车轮不但直线复位性能很差而且曲线通过性能也很差，因此导向 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 时，扭转刚度不能提高系统的稳定性。与此同时，a h m e d 又建立了轮对仅有 阻尼耦合的三大件转向架货车的稳态曲线通过模型【”】，分析结果认为适当的 阻尼耦合可以提高轮对的导向能力改善车辆的曲线通过性能。a h m e d 最后得 出的结论是：当轮对左右车轮的耦合力增大时，轮对导向能力增强，临界速 度下降；当轮对的耦合力减小时，轮对导向能力减弱，临界速度上升。这样 直线稳定性和曲线通过性能的矛盾可以通过优化轮对的耦合参数来加以优化 折中。 德国的m b b 公司在发展i c e 计划时对阻尼耦合轮对进行了试验研究， 他们研制了一种蠕滑力可控的磁力耦合轮对，如图1 6 所示 3 4 q5 1 。轮对的左 右车轮之间由一磁力元件进行耦合，轮轨问的纵向蠕滑力可以通过磁力耦合 元件来加以控制。车轮采用磨耗型踏面，其构架由纤维复合材料制造，如图 1 7 所示p ”。这种设计的目的是：将车辆的速度提高到3 5 0 k m h 以上，在直 线和曲线上减小横向力、减小磨耗和噪声。 ( a ) 结构方案( b ) 外观图 图卜6 磁力耦合轮对 通过滚动台试验得出：通过磁力耦合元件控制作用可以使轮轨间的动作 用力减小2 0 ；应用纤维复合材料 使转向架重量减轻后，对横向舒适 性有所改善，但它并不能消除速度 变化对舒适度的影响，只有采用蠕 滑力可控的耦合轮对才能减小速度 变化对舒适度的影响，从而真正改 善运行中的舒适废品质：滚动试验 还表明，传统轮对在1 0 7 k 州h 时就 开始失稳而蠕滑力可控耦合轮对在 图1 7 磁力耦合轮对转向架 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 5 0 3 k m h 的速度下还未失稳。 法国g e c a l s t h o m a c r 为了减少t g v 列车轮轨间的摩擦、滚动阻力、 能耗和噪声，也开展了对耦合轮对的理论和试验研究，建立了弹性阻尼耦合 轮对的非线性横向动力学模型，并对装有阻尼耦合轮对的车辆在高速线路上 进行了动力学性能试验，最高速度达到2 9 0 k m 时4 5 】。研究结果表明：非线性 模型的计算结果与线性模型的计算结果两者的变化趋势是相似的；优化两轮 间的弹性阻尼耦合参数，可以使轮对具有足够的中心复原能力，又有很高的 蛇行失稳临界速度；在阻尼耦合轮对的线路试验中没有发现轮缘贴靠钢轨 侧的现象，虽然耦合轮对的踏面锥度比传统轮对大，但其临界速度远高于传 统轮对，在高速时车辆的舒适度还提高了5 0 。 我国在二十世纪九十年代也对耦合轮对有过一些探索性的研究【4 6 1 ，当时 铁道部科技司以科技机( 1 9 9 5 ) 1 4 5 号文下达了独立轮转向架的研制任务，该项 目由上海铁道大学和铜陵车辆厂共同承担。他们研制的独立轮对左右车轮通 过摩擦片进行了适当的耦合。只是由于种种原因，研究没有继续深入下去。 二十世纪九十年代以来，国外研究者们对耦合轮对的研究主要集中在耦 合技术与控制技术上。除了德国的磁力耦合技术外，还有人提出过机械齿轮 耦合技术、离心力耦合技术和液压耦合技术等设想1 4 ”。西南交通大学的池茂 儒博士对磁流变流体耦合轮对进行了探索性的研究【1 9 2 3 】，用磁流变技术来实 现轮对的耦合，给出了磁流变耦合轮对的原理性结构设计，分析了其动力学 性能，结果表明，通过调整磁流变耦合轮对的耦合力矩，可以改善和提高车 辆的动力学性能。另外该轮对是磁流变流体技术、微电子技术、实时检测和 控制技术和车辆系统动力学理论等的结合体。 1 3 本文的主要工作 本文在国内外对耦合轮对的研究基础之上，围绕西南交通大学机车车辆研 究所所提出并设计的一种新型的耦合轮对磁流变耦合轮对作了以下工 作： ( 1 ) 根据磁流变流体的流变特点，分析了磁流变耦合器的工作原理，建立 了磁流变耦合器的等效数学模型。 ( 2 ) 根据磁流变耦合轮对的工作原理，建立磁流变耦合轮对的微分方程； 同时从磁流变耦合轮对的工作原理中推导出耦合力矩与控制电流之间的关 系，为电流控制器的设计提供了理论基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章磁流变耦合轮对的基本誊薹喜萋三雾季 耋荤薹i 童孝垂量蓁亨毫曼誊萎了j 妻耋爹雩= 重量莹爹堇琴番薹 | 氩擘董妻季羹；熹萼；善享姜至多算0 奏篓_ t 一耋三薹 = 堇量亨耋：耋差j 董童圣每l 叫璧暑羹越i 耋矗。紫霪葡镭灞囊站 爨辩囊鬃一鬻馕础萎经臻； 篓。! 荔翥重藿藿羹鬟 醴疆蛆曩强h 鞋鏊琦崩瑚对可以根据实际需要通过控制系统灵活地改变左右车轮的耦合度以 便使车辆的动力学性能达到较优。磁流变耦合轮对是种转矩可控的轮对， 即轮对的左右车轮既不完全周结在一起，也不完全独立，而是通过适当的耦 台器达到适当的联系，其工作原理是调节励磁线圈中的电流获得不同强度的 磁场，使耦合器中的磁流变液的流动特性发生变化，从而改变耦合器所产生 的转矩。国外对耦合轮对已做了一些开拓性的研究工作”1 ，在国内对耦台轮 对的研究还处于初步阶段，而重点都放在耦合轮对的设计，而对耦合轮对的 控制研究得不多，其实磁流变耦合轮对的控制是一个值得关注的问题，由于 磁流变耦台轮对只有控制系统下才能发挥其优越性，所以本文将就对磁流变 耦合轮对的控制问题进行探讨。 1 2 耦合轮对的发艘和研究状况 耦合轮对的概念最早是由英国的b e n i n g t o n 于1 9 6 9 年提出的2 ”，他初步 分析认为轮对通过阻尼适当耦合可以缓解直线稳定性与曲线通过性能之间的 矛盾。紧接着d u k k谛a t i 利用b e n i n g t o n 的耦合轮对模型考察了轮对耦合参数 及悬挂参数对稳定性的影响，发现阻尼耦合轮对的动力学性能确实比传统固 定轮对好口。二十世纪七十年代，d o y l e 、p r “和h a d d e n 进一步对耦合轮 对进行了研究。，他们得出的结论是：轮对的耦台阻尼对系统稳定性的影 响可以忽略不计；而 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 由来； ( 4 ) 磁流变流体的液固二相转换是连续的和无级的。这一特点可以 保证工作柔和、噪音低、控制精度高； ( 5 ) 磁流变流体的液固二相转换的响应速度极快。响应时间一般为 毫秒级，这一特点可以保证控制的灵敏度； ( 6 ) 磁流变效应消耗的能量极低。它不同于常规物质的液固二相转 换需要吸收和放出大量的热量，磁流变流体的液一固二相转换是在磁场的作 用下进行的。美国l o r d 公司的c a r l s o n 和n o t r e d 洳e 大学的s p e n c e r 在1 9 9 6 年设计并制造的2 0 0 k n 磁流变耗能器用于产生磁场的最大电力功耗仅为 2 2 w 1 4 引。 根据磁流变效应的这些特点，磁流变技术可用于防振中的阻尼无级调节 和控制：传动中转速、扭矩和力的无级调节和控制；运动中位置的精确控制： 高速响应的开关控制；以及液压传动中的流量控制和压力控制等。磁流变技 术在这些应用领域里迅速形成一种工作原理全新的高新技术，将推动这些技 术突飞猛进的发展。 本文主要是利用磁流变流体相交响应快、易控制和扭矩无级调节等特点。 通过耦合器把同一根车轴上的左右车轮耦合起来，在控制系统的作用下，可 根据运行情况的实际需要来改变左右车轮的耦合程度，从而改善车辆的动力 学性能。下面就具体介绍磁流变耦合轮对的工作原理。 2 2 磁变流一合轮对的基本原理 2 2 1 磁流变液的本构特性 磁流变液的本构方程用广义双粘度模型来近似，可表示为【5 1 f = 叩( b ) ，h f ( 帅 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) 式中叩c 一) 为在外加磁场作用下，磁流变液的表观粘度；玎为磁流变液母液的粘 度；f ，为双粘度模型退化为b i n g h 锄：f 是动态屈服应力( 图2 2 ) ，它是 磁场强度的函数，可表示为： f ：拈6( 2 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 广义双粘度模型表明：在零磁场强下屈服应力为零，磁流变液呈牛顿流 体特性。施加磁场后，在剪切 应力的绝对值j f l 小于0 。、的 磁场流空间，磁化颗粒被磁化， 形成链状结构，此时磁流变液 以很大然而是有限粘度叩( 一) 作 非常缓慢的流动。在剪切应力 绝对值 f i 大于_ 。、的磁流场 空间内，磁流变液以粘度，7 流 动。 图2 2 双粘度模型图 另外两个区域的粘度系数有几个数量级的差别，其分界面称为屈服面。 引入双粘度模型的粘度系数i ， 七：卫( 2 5 ) 叩( 8 ) = 1 时，有叩= 仇。由本构方程( 2 2 ) 知7 2 秽，即双粘度模型退化为牛 顿流体模型，屈服应力为零；假定，7 值不变，当可( e ) 值趋于无穷大时，则七趋 于零，从即双粘度模型双粘度模型退化为b i n 曲蛐流体模型，屈服应力为f 。 显而已见，可得到f 。与f ( 。】间虚满足： f ，= 0 月1 ( 1 一是) ( 2 6 ) 方程( 2 2 ) 、( 2 。3 ) 中为剪切应变率，可表示为【6 】： ，：里l 二生r( 2 7 ) 门 式中：乱一为左车轮的角速度； 国，一为右车轮的角速度； r 一为圆盘半径； 矗一为对偶工作盘面间的距离( 即磁流变液的厚度) 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页2 2 2 磁流变耦合轮对工作原理及所传递的力矩 磁流变耦合轮对的模型见图23所示，耦合轮对由左车轮1、右车轮4、 车轴3 和磁流体耦合器2 组成。耦合器中的内接式耦合盘通过内花键与车轴 相连，外接式耦合盘通过外花键和耦合器壳体相连，壳体又和左车轮通过螺栓 固定在一起，左车轮通过滚动轴承支撑在车轴的左端，车轴的右端和右车轮通 要啡鲐目商自辑珀一鼢；澎怖_ 下睫辨啥澎睫萼螽渤雨蓬澍逛潍国有桂追萤葱 屹曝臻捌嘴蝶磊。 夏；= | 雾氍群犀暇剪罐夏嚣 抬圳嗣* 舅黪骐删甄j ! l 睨鞫“拍 “翮犍蠼般她蠊赘。嫦四晒避难盈 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 场空间定义为未屈服区，将i f 陋( 。的磁流场定义为屈服区。在未屈服区， fi 占 ( 2 - 1 2 ) 式中，艿为饱和区间长度，百为扭转角速度，m 。为库仑摩擦力矩，c ，为 库仑摩擦阻尼系数，c ，为粘性阻尼系数，c 。为磁流变耦合器总阻尼系数( 即 前一章所说的轮对耦合度) 。 m 1 j ，一 0 百 ( a ) 处理前 m 1 j 舶 胁 9 ( b ) 处理后 图2 6 磁瀛变耦合器特性曲线的简化 饱和区间长度艿的选择至关重要，过宽则产生粘性阻尼的效果而库仑摩 擦阻尼不能发挥作用，过窄则在数值积分过程中有可能丢失停顿的条件。 般在保证能够顺利积分的同时取尽量小的饱和区间长度占为佳。 2 3 2 磁流变耦合轮对的动力学方程 磁流变耦合轮对的受力情况如图2 7 所示，轮对除了受重力作用外，还要 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 受到来自轨道和构架的作用力。来自轨道的作用力主要有轮轨法向力、轮轨 蠕滑力以及自旋蠕滑力矩( 图中末画出) ：来自构架的作用力主要是悬挂力 ( 矩) 。此外，由于磁流变耦合轮对左右车轮被视为两个刚体，所以左右车轮 通过耦合器传递的力矩不能视为内力。前面也提到过左右车轮的点头自由度 ，、钆。是相互独立的，但是为了建模的方便，在运动方程中不是真接以 钆，、的形式出现，而是以二者之和的一半( = 丝些) 与之差的一 z dd 半( = 墨也；堑) 的形式出现。 矿 图2 7 磁流变耦合轮对受力图( 以一位轮对为例) 磁流变耦合轮对的运动方程如下f = ( 1 4 ) ： 轮对纵向运动： m 。i l = t 喃+ t 蛳+ n h t + n j + f n 。恤t 七f m w 躲i q 、3 ) 轮对横向运动： m w 。| 七y 孤。+ r o ；s 。1 = t + t 蛳十nl y l + n 脚七f w + f w 蛳+ m w g $ 一 轮对摇头运动： ( 2 - 1 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 z 。卜矿丢“( 。挑吨) = a q i 埘一t 融_ + a 掣。l q i 弘一t i 七n b t nr + t f 帆| 一f 鼽h l 、bp + m l _ j + m i 切j ( 2 一1 5 ) 轮对点头运动： i 附8 吣。= r l l h t + r j h + r n n h l r m n 蛐i + m 珏”+ m t r y j q _ 、6 i 岬8 。女= r j l i r r l i 陆t + r i n h ! + r n i + m 1 n | 一m t 嘶? 一4 c a 6 础q 1 ) 式( 2 1 3 ) 式( 2 1 7 ) 中轮轨法向力和蠕滑力( 矩) 的符合说明如下： 埘，_ 剐第j 位轮对左、右车轮所受法向力在y 轴上的分量； 。，。第f 位轮对左、右车轮所受法向力在z 轴上的分量； 气，。第f 位轮对左、右车轮所受蠕滑力在x 轴上的分量； ，。一第f 位轮对左、右车轮所受蠕滑力在y 轴上的分量； 丁，z k 第f 位轮对左、右车轮所受蠕滑力在z 轴上的分量； m 删，m 聊第f 位轮对左、右车轮所受自旋蠕滑力矩在y 轴上的分 量： 吖，。，m 。第j 位轮对左、右车轮所受自旋蠕滑力矩在z 轴上的分 量。 当左右车轮完全固定在一根车轴上( 即耦合度c 。= o 。) 时，左右车轮的点头 角位移相等，即= 0 ，此时耦合轮对的动力学方程完全演变成传统固定轮 对动力学方程；当左右车轮完全独立( 即耦合度巳= o ) 时，耦合轮对方程又演 变成独立旋转车轮动力学方程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 4 本章小结 本章首先介绍了磁流变技术的概况，接着从磁流变体的本构特性上阐述 了磁流变耦合轮对的工作原理以及所传递的力矩；最后建立了磁流变耦合轮 对的动力学模型，并对磁流变耦合器的等效数学模型进行了简单的描述，为 下一章耦合轮对控制器的设计奠定了基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 第3 章基于d s p 的磁流变耦合轮对的控制 系统设计及验证 传统的固定轮对和独立轮对在运行过程中不能调整车轮的耦合度，所以 它们的动力学性能不会在各种线路上都能保持良好的性能。而磁流变耦合轮 对可以根据实际需要通过控制系统灵活地改变左右车轮的耦合度以便使车辆 的动力学性能达到较优。磁流变耦台轮对是一种转矩可控的轮对，即轮对的 左右车轮既不完全固结在一起，也不完全独立。而是通过适当的耦合器达到 适当的联系，其工作原理是调节励磁线圈中的电流获得不同强度的磁场，使 耦合器中的磁流变液特性发生变化，从而改变耦合器所产生的转矩。由于磁 流变耦合轮对只有控制系统下才能发挥其优越性，所以本章将就对磁流变耦 合轮对的控制问题进行探讨。 3 。1d s p 芯片的概述 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 作为一种具有高速处理的新型单片机，采用 了多组总线技术实现并行运行机制，大大提高了运算速度，其特有的反向定 位寻址方式，更使其具有独一无二的f f t ，它采用改进的哈佛结构，具有独 立的数据和地址总线，使处理器指令和数据并行，大大提高了处理效率。 美国德州仪器公司推出的定点1 6 位通用数字信号处理芯片 t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，采用改进的哈佛结构如图3 1 ，程序存储器和数据存储器总线 分开，可以最大限度提高处理能力。而且为了适合工业控制要求，f 2 4 0 集成 了许多外设，包括3 个1 6 位通用定时器，1 2 路带死区控制的p w m 输出、 双通道1 0 位a d 输入，串行通信接口以及w a t c h d o g 、p l l 电路。我们充分 利用f 2 4 0 的硬件资源，根据p w m 信号控制开关器件调节电流的原理，顺利 地设计出磁流变耦合轮对的控制器，并且f 2 4 0 的强大处理能力为今后系统 扩展留有余地。 f 2 4 0 包含双口r a m ( d a r a m ) 、单口r a m ( s a r a m ) 和f l a s h 存储 器三种类型的片内存存储器，共计2 4 4 k 1 6 位的存储器地址范围，其中程 序空间6 4 k 字，局部数据空间6 4 k 字，全局数据空间3 2 k 字以及i 0 空间 6 4 k 字除片内存储器支持之外，f 2 4 0 还可以通过外部存储器接口模块提供访 问外部存储器的能力。该接口提供1 6 根外部地址线、1 6 根外部数据线以及 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 选择数据、程序和i 0 空间的相关控制线。等待状态发生器允许同慢速的片 外存储器和外设进行接口。 图3 1d s p 功能图 d s p 芯片是运算密集型的微处理器，它采用改进的哈佛结构，具有独立 的数据和地址总线，使处理器指令和数据并行，大大提高了处理效率。利用 微处理器来控制被控对象，不仅能方便的实现控制电路，并且能完成各种复 杂的、高性能的控制策略。本章所设计的控制系统选用的是t m s 3 2 0 f 2 4 0 d s p 控制器，微处理器通过控制磁流变耦合轮对的电压、电流以及转矩，使磁流 变耦合轮对的耦合器按指定的指令准确工作，从而可使磁流变耦合轮对的动 力学性能性能有很大的提高。 3 2 磁流变耦合轮对的p 嘲快速控制原理 磁流变是一种性能优良、应用前景广阔的智能材料，它在零磁场条件下 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 呈现出低粘度的牛顿流体特性，而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流 动性的b i n g h 锄体特性。磁流变耦合轮对相对于传统轮对和独立轮对，其动 力学性能在各方面都能通过调整的自己的耦合度使动力学性能达到较优，但 是它同其他磁流变装置一样，是一个非线形的多输入、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。此外，输入电 流与输出转矩成非线形关系。因而磁流变耦台轮对应用与实际的铁道车辆中， 控制技术是磁流变技术的核心技术。 另外由于磁流变液的流变特性随磁场变化的响应速度很快( m s 级) ，将 磁流变耦合轮对应用于机车车辆中时，其阻尼特性能否快速反应主要取决于 测试系统与控制系统的反应速度，控制器的设计必须灵敏度好，反应速度快。 所以选用d s p 控制器成为设计的首选。 3 2 1 磁漉变耦合轮对的控恻电流的计算 如前所述，磁流变耦合轮对主要是通过磁流变耦合器来工作的。耦合器 的内外耦合盘间存在两种形式的转矩，一是由于液体粘性而传递的转矩l ， 二是由于磁流变效应所产生的磁致屈服应力f ，( h ) 而传递的转矩z k 。磁流变 耦合器传递的总转矩为： 丁2 + 5 击研毗4 一- 4 ) + 孝腑，( _ 3 一 3 ) ( 3 1 ) 。：丝羔坚学骘煎 ( 3 - 2 ) 4 砌( 芎一彳) 式中：为对偶工作面数目， 为耦合盘内径， 为耦合盘外径，丁为 磁流变耦合器所传递的总转矩，其中= 鳓一，为左右车轮的转速差。 r 。是动态屈服应力，是磁场强度的函数，可表示为： f 。= 口日6 ( 3 3 ) 式中：口，6 是取决于磁流交材料的两个常数，其值由实验确定。其中h 为磁变流耦合轮对中阻尼通道的磁场强度。同时根据安培环路定律并考虑到 间隙磁压远大于磁芯磁压，可以得出 口： 型 ( 3 4 ) 2 ( 吃一) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 其中为线圈匝数。将( 3 2 ) 和( 3 4 ) 式代入到( 3 3 ) 式中可得 ，：攀! = ! 笪坐竺鳢二盐塾= 生f 3 5 1 4 丑i 恸( 疗一寸) 。 、。“ 由( 3 5 ) 式可看出耦合力矩与控制电流之间是单调递增的关系，并且电流 只影响磁变流体由于库仑力产生的耦合力矩。当电流为零时，耦合轮对的耦 合力矩就等于由粘滞阻尼力产生的耦合力矩。为了得到理想的耦合力矩，相 应的控制电流可以用上式确定。 3 2 _ 2 控制方式的选择 由上面分析可知磁流变耦合轮对的耦合器体现出两种阻尼，一是粘性阻 尼，一是库仑阻尼。粘性阻尼由磁流变液的动力粘度、结构尺寸决定，与外 加磁场无关，而且受温度影响较大，其原因主要是因为磁流液的粘度随温度 升高而下降所至。库仑阻尼由外加磁场、结构尺寸决定，受温度影响较小， 库仑阻尼由磁流变液的剪切屈服强度决定，剪切屈服强度由外加磁场决定。 两种阻尼相比，库仑阻尼要比粘性阻尼大几倍。因而对于磁流变耦合轮对的 控制主要是通过对外加磁场的控制来对库仑阻尼的控制。 为了对磁流变耦合轮对外加磁场的实时控制，那么必须获得连续可调的 控制电流。为了获得连续可调的控制电流，可采取如下方式：一是d a 转换控 制方法，使用d a 转换电路将数字信号转换为模拟量信号，即控制器输出的数 字信号经d a 转换后得到控制波形，再经模拟放大电路得到控制电流。二是p w m 控制方法，将数字信号转换为脉宽调制( p w m ) 信号，控制器输出的是脉宽调 制( p w m ) 信号，经功率放大后加在功率开关( 如双极晶体管) 、m o s f e t ( 场 效应管) 、i g b t ( 绝缘栅式双极晶体管) 的控制极上，通过调节主电路的导 通时间达到输出不同的电压或者电流的目的。三是晶闸管触发方法，如果功 率放大器使用晶闸管实现，则计算机运算的数字量将转换为晶闸管的控制角 度，实现对被控量的电流或者电压的控制。 d a 转换控制方法使用的是放大型功率晶体管，其电路为功耗型结构，一 般只使用于小型、微型电动机的控制。晶闸管触发方法实现的系统因受到市 电工频频率的影响，快速性较差，目前只应用于特大功率的电力传动系统。 而p w m 控制方法由于开关型功率放大器功率磨耗损小，同时具有体积小、重量 轻、效率高、调整范围宽等优点，因此p w m 空制方法成为设计的首选。所以磁 流变耦台轮对的控制器选用p w m 控制方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 3 2 3 控嗣原理及电路设计 磁流变耦合轮对的控制原理方框图如图3 2 所示。整个系统采用直流一 直流变换器( d c - d c 变换器) 是将固定的直流电压转换成可调的直流电压： 控制对象是磁流变耦合轮对；控制电路以d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 为核心，构 成了全数字的控制系统。在此系统中，控制系统核心d s p 接受霍尔传感器 l e m 反馈回来的电流，根据控制算法和坐标变换计算出相应的p w m 控制量， 通过驱动电路来驱动m o s e f t 模块。 p w m 控制的主电路有几种形式，如将压斩波( b u c k ) 式电路、冲击线圈( r c c ) 电路、半桥式电路、全桥式电路等，针对磁流变耦合轮对的特点，电流驱动 器采用b u c k 式电路，开关管选择m o s f e t 。 如图3 2 所示，瞻为经整流滤波后输入的直流电压，q 为功率m 0 s f e t ， d 为快恢复二极管，r 。是磁流变耦合轮对线圈的等效电阻，d s p 是t 1 公司生 产的数字信号处理芯片，是控制系统的核心，具有1 6 路a d 输入，1 2 路p w m 输 出。在p w h l 信号控制下，q 工作在开关状态下，q 的工作频率和占空比等于p w m 信号的频率和占空比。q 导通时，d 处于截止状态，直流电压强加在d 的两 端，经c 滤波后对磁流变耦合轮对供电，q 为截止状态时，输入电压为0 ， d 在回路电感作用下导通，构成续流回路。厶为一个周期内的平均输出电流。 凡为采样电阻，电流采样信号输入到d s p 集成的a d 口，d s p 对采样信号运行 后，根据相应控制策略输出一定占空比的p w m 信号，控制主回路的输出电流大 ，j 、。 l r s 丁事 。w r 古 流 。卒 变 合 1 k l 转 阻 l 一 再i 五 p w h r = = ：? 1r = 1 ；n 图3 2 电流控制器原理图 控制电路等效模型如图3 3 所示。图中为滤波电感，r ，为工的等效电阻， c 为滤波电容，& 为c 的等效电阻，胄。为采样电阻，c 。为磁流变耦合轮队 的等效电容，三。为磁流变耦合轮对的等效电感，d 为受控电流源，口k 为 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 受控电压源，为磁流变耦合轮对的等效电阻。 l m v o r m 图3 - 3 电路等效模型 根据控制电路等效模型，可以建立网络状态方程和输出方程。 r x 。删+ 四u( 3 6 )_， 【y = c z + d u 式中： z 为状态向量；王，为输出向量，即输出电流；u 为输入向量；4 状 态矩阵：曰为输入矩阵；c 为输出矩阵；d 为直接传递矩阵。 x = 。，3 】7 4 = 吼1 o o d 2 2 如l 0 口4 l口4 2 口1 3q 4 0 口2 4 口3 3 口弭 口4 3口4 4 。c ：l ! l o l 一! i l 屁f + r sr f + 足s定( + r s j b ：【l o o o r ，d ：f o 】，u ：眈】 舯一半也- 蒜南，= 一廿彘 ， 一蒜两嘞一等。一专门，寺蒜南 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 吼3 一面再丽m 圹面i 两五朋”一百桶朋4 1 一百 11r ，1 l1 口4 3 。乏j ：j 雨口“2 一乏i i 石i 雨。 z 。门厂1 门门门门亨她 “ nnnnn 厅a 凡 f 。厶广“叫虬 图3 4 电流驱动器各部分图形 控制电路各部分波形如图3 4 所示。纹波电压和纹波电流可由( 3 7 ) ( 3 9 ) 式计算。 占空比： 纹波电压： 电感中的电流变化： 3 2 4 d 采样 监：鱼：d 以 r = 警 地= 坠竽 ( 3 。7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) f 2 4 0 内部集成了两个带采样保持电路的1 0 位a d c 模块。每个模块有8 个模拟输入通道，它们通过一个8 选1 模拟多路转换器提供给a d c 。每个 a d c 单元的最大转换事件为6 6 u s 。a d c 模块的参考电压必须由外部电源提 供，上级参考电压和下级参考电压可以设置为小于或等于5 的任意值，分 别接到相应的管脚。引脚必须分别接到5 和模拟地。本系统采用a d c l 模 块的1 通道输入采样信号采用定时器2 周期中断触发方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 3 3 软件设计 数字控制系统中的控制任务或者控制算法最终都是靠应用程序来完成 的。磁流变耦合轮对的控制系统应用软件的设计一般应满足实时性、可靠性 和易修改性。在磁流变耦合轮对的控制系统设计中，必须在一定的时间限制 内，完成一系列的处理过程，包括对磁流变耦合轮对的被控量，即电流、转 速以及耦合力矩进行采样、计算、逻辑判断，完成控制算法、输出控制信号， 同时也要对可能出现的故障报警并进行处理。因此，本文软件采用均匀采样、 定时中断的设计方法。软件分为主程序和中断服务子程序两部分构成。 3 3 1 软件设计概述 t m s 3 2 0 f 2 4 0 通过事件管理器启动a d c 获得电流、电压信号、实现对磁 流变耦合轮对的耦合力矩的控制。整个软件包括三个部分：初始化、保护中 断与t 1 中断服务程序和串行通讯模 块。其中，初始化模块主要完成磁流 变耦合轮对参数的给定、交量赋初值、 定时器时间的设定、定时器服务子程 序地址的设