电磁作动器的频响特性分析

电磁作动器的频响特性分析

作为执行机构，动动器是主动振动控制系统的重要组成部分，其性能直接影响到有效控制的效果。作动器种类较多,目前常用的有电磁作动器、液压作动器、压电作动器、磁致伸缩作动器、电致伸缩作动器、气动作动器以及形状记忆合金等,由于电磁作动器具有结构紧凑、反应灵敏、适应频带较宽、输出位移大等特点目前针对电磁作动器频响特性的研究文献较少,而且在对作动器的频响特性进行描述时一般只限于作动器本身,未考虑作动器用于主动控制系统时与被控结构之间的耦合作用和相互影响,如文献[7]。由于在半导体等精密加工领域对振动控制的精度要求很高,因此在系统建模时应考虑到这种耦合作用。本文从电磁作动器的力学模型出发,考虑作动器与被控系统之间的耦合影响,对主动隔振系统中电磁作动器的频响特性进行了研究。1圈内磁力线的力学模型电磁作动器属于典型的主动式惯性作动器,它只有刚度较低的支撑弹簧,利用磁场输出稳定的作用力,其力学模型如图1所示。图中m式中B和i分别为线圈电感强度和电流,L为线圈切割磁力线的有效长度。当电磁作动器的配套功率放大器为恒流输出功放时,其输出电流为式中β为恒流输出时功放的电流放大系数,V为功放的输入电压。图1所示的电磁作动器两自由度系统在电磁力作用下的运动微分方程为即:2对磁作动器频率特性的分析2.1图1:美国监狱警察-区作动器负载仅为惯性质量时的系统示意图如图2所示。作动器参数与频响之间的分析表明图3为一典型电磁作动器在负载为惯性质量时,作用于质量块的力F式中H2.2耦合作用下的频响特性在主动控制系统中,作动器的典型负载形式一般不是单纯的质量块,而是质量、阻尼和弹簧的组合系统,如图4所示。假设作动杆与质量块刚性连接,考虑作动器与被控系统的耦合影响,分别对质量块和作动器进行分析。1)质量块m的运动微分方程为式中x为质量m的位移;F2)作动器的运动微分方程为式中各参数含义同图1。由于作动器顶杆与质量块固连,因此顶杆与质量块的位移、速度和加速度均相等,即此式也直接反映了作动器与被控系统之间耦合影响关系。由式(6)～式(8)可以得出作动器施加给平台的作用力与功放输入电压之间的传递函数:式中mh=m取s=jω,式(9)即为作动器的频响函数。可以看出,由于耦合作用的存在,作动器的频响与被控系统的参数有关,不同的被控系统所对应的电磁作动器的频响范围也各不相同。以某型空气弹簧微动隔振平台作为被控系统进行分析,将其参数带入式(9)可得如图5所示的频响曲线。图中可以看出,在微动平台主动隔振系统中,电磁作动器的频响在6Hz和900Hz两个频率点附近出现峰值,在8Hz～500Hz范围内,电磁作动器幅频响应近似为恒定值,而且相频曲线中相位差为零。在5Hz以下的低频段,幅频曲线也保持水平,但幅值比8Hz～500Hz内的幅值小一些。若将作动器输出力F对比图3和图5也可以发现,负载为质量、阻尼和弹簧系统时,低频段频响的线性度相对较好。以上对作动器频响特性的分析都是在系统开环的情况下得出的,而且假设作动器底座是绝对静止的。由于在主动隔振系统中,特别是精密隔振系统,地基的振动是主要的外扰源,因此有必要对主动隔振系统中电磁作动器的频响特性进行分析。3向平台的振动以单自由度空气弹簧微动隔振平台系统作为被控对象,用电磁作动器进行主动控制,以减小从地基传向平台的振动,如图6所示。系统运动微分方程为取反馈控制信号为可以看出,电磁作动器在主动隔振系统中的频响不仅与被控系统结构参数有关,也与反馈控制变量有关。为便于分析,以表1中给出的电磁作动器以及隔振平台的结构参数为例,分析作动器频响与反馈参数及被控系统参数之间的关系。3.1返回参数对运动设备的频率影响在反馈信号V中,增益参数α由图中曲线可以看出,加速度反馈增益α3.2频响高频部分被控系统,即隔振平台的质量、刚度和阻尼对作动器频响的影响如图10～图12所示,其中反馈参数经仿真优化选取为α可以看出,由于耦合作用的存在,被控系统的质量主要影响作动器频响高频部分;阻尼对中高频段都有较大影响,且随阻尼的增大,幅频响应在850Hz处的峰值稍有增大;刚度主要影响作动器的低频段频响,使低频幅值随刚度增大逐渐与中频幅值趋平,仅在刚度非常大时会对高频段产生一定影响。综合来看,系统的结构参数并未改变幅频响应峰值出现的频率,即对作动器线性段频响范围的影响不大。4振动传递率随混合系统的变化规律在主动控制系统中,通常将电磁作动器简化为一力源进行处理(图13),即不考虑与被控系统的耦合影响,其输出力为式(5),H以表1中所示参数的电磁作动器为例,反馈参数选取同3.2,图14为作动器频响对隔振传递率的影响曲线,图15为不考虑耦合相对于考虑耦合时振动传递率的误差曲线。可以看出,由于将作动器作为力源处理相当于对作动器频响在全频段进行了线性化,即忽略了作动器与系统的耦合作用,因此对振动传递率产生了一定影响。由图15可看出,对低频段的影响最为明显。由于在精密主动隔振系统中外扰的频率成分主要集中在低频段,且对控制精度要求很高,因此为提高隔振精度,在精密隔振系统中应考虑电磁作动器与被控系统之间的耦合作用。5耦合负载下的电磁作动器性能本文结合电磁作动器的力学模型,考虑作动器与被控隔振系统的耦合影响,对主动隔振系统中电磁作动器的频响特性进行了研究。主要得出以下结论:1)由于作动器与被控系统的耦合影响,不同负载下电磁作动器的频