负载自适应电磁准零刚度隔振装置及方法

1.本发明涉及的是一种振动隔离领域的技术，具体是一种负载自适应电磁准零刚度隔振装置及方法。


背景技术：

2.传统被动隔振器是线性系统，受到承载能力和固有频率之间矛盾关系的制约，难以有效隔离低频振动。准零刚度隔振器是一种典型的非线性刚度隔振系统，基于负刚度抵消正刚度的思想，可以获得高静态刚度和近零动态刚度特性，在平衡位置附近具有低固有频率，因而具有优异的低频隔振性能。刚度的非线性化虽然赋予准零刚度隔振器极佳的低频隔振性能，但同时也使得刚度与位移产生耦合关系，使得准零刚度隔振器对负载极为敏感。具体地说，当隔振器负载发生变化时，静平衡位置会随之改变，导致准零刚度隔振器失去近零动态刚度特性，隔振性能变差。传统准零刚度实现方式是将双稳态负刚度结构与线性弹簧并联，用双稳态负刚度中和线性正刚度，负载由线性弹簧承担，可通过调节线性弹簧的压缩量改变准零刚度隔振器额定负载，这种额定负载调节方式需要手动调节或机械直线进给结构驱动，结构复杂，实时性较差，且当负载较大时，需要大功率直线进给结构，成本较高；改进技术也有通过调节气囊正刚度和电磁负刚度实现准零刚度隔振器额定负载调节，气囊压力和电磁线圈电流需要分开控制，结构复杂，实现比较困难。
3.现有采用永磁铁进行准零刚度隔振或调整刚度的技术多依赖于双稳态负刚度结构和严格线性正刚度结构，双稳态负刚度结构和严格线性正刚度结构不易设计，也限制了非双稳态结构和非线性刚度结构的应用；不能自适应未知负载且正负刚度调节范围小或无法调节，使用场景受到结构限制较大。


技术实现要素：

4.本发明针对现有准零刚度隔振器对额定负载敏感，额定负载调节实现结构复杂、自适应困难、实时性差等问题，提出一种负载自适应电磁准零刚度隔振装置及方法，通过线圈和永磁铁的不同配置，实现电磁负刚度和电磁渐硬正刚度；用非线性渐硬正刚度调制负刚度，实现准零刚度特性；电磁负刚度线圈和电磁正刚度线圈串联连接，只需要调节线圈通电电流，即可改变隔振器的额定负载而不准零刚度特性；配合传感器和微型处理器，实现准零刚度隔振器额定负载自适应和实时调节。
5.本发明是通过以下技术方案实现的：
6.本发明涉及一种负载自适应电磁准零刚度隔振装置，包括：隔振器框架、设置于其内部的直线运动组件、负刚度结构组件、正刚度结构组件以及分别与直线运动组件、负刚度结构组件、正刚度结构组件相连的电路控制模块，其中：直线运动组件设置于隔振器框架的中心轴线方向，不具有双稳态特征的负刚度结构组件与具有非线性渐硬特征的正刚度结构组件依次连接并与直线运动组件相连。
7.本发明涉及一种基于上述装置的负载自适应电磁准零刚度隔振方法，通过位移传
感器检测负载绝对位移，通过电路控制模块中的滑模自适应控制单元计算跟踪误差后，根据跟踪误差自适应地计算得到估计负载和对应输出力后，发送电流调节指令至准零刚度隔振装置以调节正、负刚度组件电磁力。
8.所述的跟踪误差e＝z
1-zd，其中：z1为测量位移，zd为期望位移。
9.所述的估计负载其中：s为滑模变量，g为重力加速度，γ和μ为已知正常数；为期望加速度。
10.所述的输出力其中：nh、nw、nm和nh为电流丝法参数，dm为电流丝直径，i1为线圈通电电流，br为永磁铁剩磁，rj、rs和r
t
为电流丝半径，zs、z
t
和zi为电流丝高度；k
t
和ks为椭圆积分参数。
11.所述的电流调节指令是指：计算更新电流值并进行负反馈控制，具体为：其中：i
t0
为基础电流，f
c0
为基础电流i
t0
计算出的电磁恢复力。
12.所述的滑模自适应控制单元，基于滑模控制律并根据状态变量偏差，估计系统扰动，并使系统状态轨迹逐渐收敛到滑模面上，并沿着滑模面趋向坐标原点，实现系统稳定；其采用但不限于drakunov,s.,&utkin,v.(1992)在“sliding mode control in dynamic systems”(international journal of control,55(4),1029
–
1037.doi:10.1080/00207179208934270)中记载的技术实现。
13.所述的滑模控制律是指：其中：μ、d、ε和p为控制器参数，均为正常数；为跟踪误差变化率；f(z1,z2)为弹性恢复力与阻尼力之和；为期望加速度；sat(s)为饱和函数；sgn(v)为符号函数；v为理论输出力；u
max
为最大输出力。技术效果
14.本发明利用锥形线圈和永磁铁同轴嵌套配置实现更大的负刚度和电磁力，利用非线性渐硬正刚度结构调制非双稳态负刚度结构组件实现准零刚度具有小静变形特征，规避传统准零刚度隔振器设计对双稳态负刚度和线性正刚度的苛刻要求。可将电磁负刚度线圈和电磁正刚度线圈串联连接，仅需通过调节线圈通电电流，即可改变隔振器的额定负载而不失准零刚度特性，配合传感器和微型处理器，可实现准零刚度隔振器额定负载自适应和实时调节。解决现有准零刚度隔振器对负载敏感，额定负载调节实现结构复杂、自适应困难、实时性差等问题。
附图说明
15.图1和图2为本发明剖视图；
16.图3为锥形线圈和永磁铁轴向嵌套配置图；
17.图4为准零刚度隔振装置、正刚度组件和负刚度组件力-位移曲线图；
18.图5为准零刚度隔振装置在不同通电电流下的力-位移关系图；
19.图6为锥形线圈和圆筒线圈分别与永磁铁轴向嵌套配置的力-位移关系图；
20.图7为准零刚度隔振装置与传统准零刚度实现方式静变形对比图；
21.图8为负载自适应控制流程图；
22.图中：1底座、2第一螺栓、3下框架、4圆筒线圈、5第一永磁铁、6导杆、7中框架、8第二螺栓、9上框架、10第三螺栓、11端盖、12第一直线轴承、13负载质量、14第一螺母、15第四螺栓、16锥形线圈、17第二永磁铁、18第二螺母、19第五螺栓、20第二直线轴承、21第三螺母、22套筒、23第四螺母、24第六螺栓。
具体实施方式
23.如图1和图2所示，为本实施例涉及的一种负载自适应电磁准零刚度隔振装置，包括：隔振器框架、设置于其内部的直线运动组件、负刚度结构组件、正刚度结构组件以及分别与直线运动组件、负刚度结构组件、正刚度结构组件相连的电路控制模块，其中：直线运动组件设置于隔振器框架的中心轴线方向，不具有双稳态特征的负刚度结构组件与具有非线性渐硬特征的正刚度结构组件依次连接并与直线运动组件相连。
24.所述的隔振器框架包括：依次固定连接的底座1、空心结构的下、中、上框架9和端盖11，其中：底座1与下框架3套接，端盖11内部与上框架9套接。
25.所述的底座1上设有凸台，对应下框架3的侧面设有圆形缺口。
26.所述的中框架7上设有凸台和中心孔，与下框架3套合，并通过螺栓连接，上框架9两端设有凹槽，内部设有锥形孔，与中框架7套合，并通过螺栓固定连接。
27.所述的端盖11两端设有凸体，内部设有中心孔，与上框架9套合，并通过螺栓固定连接。
28.所述的直线运动组件包括：导杆6以及分别设置于其上的第一直线轴承12和第二直线轴承20，其中：第一直线轴承12与端盖11的中心孔套合，并通过螺栓固定于端盖11凸体；第二直线轴承20与中框架7中心孔套合，并通过螺栓与中框架7连接；导杆6两端分别套入第一直线轴承12和第二直线轴承20，并与直线轴承间隙配合。
29.所述的正刚度组件包括：圆筒线圈4、第一永磁铁5和套筒22，其中：第一永磁铁5正对于圆筒线圈4；圆筒线圈4底面贴合于底座1表面，套筒22内嵌于永磁铁中心孔，套筒22加工有螺纹，旋合于导杆6上；导杆6上旋合有上、下限位螺母，第一永磁铁5位置由上、下限位螺母位置决定。
30.如图3所示，所述的负刚度组件包括：锥形线圈16和第二永磁铁17，其中：第二永磁铁17与锥形线圈16同轴嵌套配置；锥形线圈16与上框架9相互套合，第二永磁铁17中心孔与导杆6相互套合，一侧与导杆6轴肩贴合，另一侧由螺母压紧。
31.所述的隔振器框架、设置于其内部的直线运动组件、负刚度结构组件、正刚度结构组件中除永磁铁外均优选为低导磁材料制成。
32.所述的电路控制模块包括：滑模自适应控制单元和分别与之相连的位移传感器、电流传感器以及功率放大器，其中：位移传感器检测隔振装置负载13的位置，电流传感器检测线圈的电流，功率放大器与滑模自适应控制单元信号输出端口相连，滑模自适应控制单
元通过根据跟踪误差自适应地计算得到估计负载和对应输出力后，发送电流调节指令至功率放大器，根据负载13的位置变化实时在线调整线圈电流大小，使得准零刚度隔振器负载位置不因负载改变而变化，隔振器仍保持高静态刚度和低动态刚度特性，低频隔振性能不随负载变化而恶化。
33.如图4所示，当线圈通电时，所述的第一永磁铁5和圆筒线圈4之间产生电磁力，力-位移关系表现出非线性渐硬刚度特征，根据安培定律可知，正刚度与电流成正比；当线圈通电时，所述的第二永磁铁17和锥形线圈16之间产生电磁力，力-位移关系表现出非双稳态负刚度特征根据安培定律可知，负刚度与电流成正比。改变所述的第三螺母21和第四螺母23位置调节第一永磁铁5位置，利用非线性渐硬正刚度调制负刚度，本发明隔振装置能够实现准零刚度特性，从而具有低固有频率，表现出优异的低频隔振性能。
34.如图5所示，当将圆筒线圈4和锥形线圈16串联连接，由安培定律可知，本发明准零刚度隔振装置额定负载与电流成正比，通过改变线圈通电电流，可调节所述的准零刚度隔振装置额定负载而不失准零刚度特性。
35.如图6所示，相对于传统圆筒线圈和永磁铁同轴嵌套配置，所述的锥形线圈16和第二永磁铁17同轴嵌套配置能够在相同线圈体积下产生更大的负刚度和电磁力。
36.如图7所示，相对于传统将双稳态负刚度结构与线性弹簧并联设计的准零刚度隔振器，本发明隔振装置利用非线性渐硬正刚度结构调制非双稳态负刚度结构实现准零刚度具有小静变形优势。
37.如图8所示，本发明准零刚度隔振装置配合传感器和微型处理器，可在不失准零刚度特性条件下，实现隔振装置负载实时自适应调节。
38.与现有技术相比，本发明利用锥形线圈和永磁铁同轴嵌套配置提高传统圆筒线圈和永磁铁配置产生的负刚度和电磁力，利用非线性渐硬正刚度结构调制非双稳态负刚度结构实现准零刚度相对于传统实现方式具有小静变形优势，破除传统准零刚度隔振器设计对双稳态负刚度和线性正刚度的依赖。准零刚度隔振装置额定负载与电流成正比，仅需通过调节线圈通电电流，即可改变隔振器的额定负载而不失准零刚度特性，配合传感器和微型处理器，可实现准零刚度隔振器负载自适应和实时调节。解决现有准零刚度隔振器对负载敏感，额定负载调节实现结构复杂、自适应困难、实时性差等问题。
39.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

技术特征：
1.一种负载自适应电磁准零刚度隔振装置，其特征在于，包括：隔振器框架、设置于其内部的直线运动组件、负刚度结构组件、正刚度结构组件以及分别与直线运动组件、负刚度结构组件、正刚度结构组件相连的电路控制模块，其中：直线运动组件设置于隔振器框架的中心轴线方向，不具有双稳态特征的负刚度结构组件与具有非线性渐硬特征的正刚度结构组件依次连接并与直线运动组件相连；所述的直线运动组件包括：导杆以及分别设置于其上的第一直线轴承和第二直线轴承，其中：第一直线轴承与端盖的中心孔套合，并通过螺栓固定于端盖凸体；第二直线轴承与中框架中心孔套合，并通过螺栓与中框架连接；导杆两端分别套入第一直线轴承和第二直线轴承，并与直线轴承间隙配合。2.根据权利要求1所述的负载自适应电磁准零刚度隔振装置，其特征是，所述的隔振器框架包括：依次固定连接的底座、空心结构的下、中、上框架和端盖，其中：底座与下框架套接，端盖内部与上框架套接。3.根据权利要求1所述的负载自适应电磁准零刚度隔振装置，其特征是，所述的正刚度组件包括：圆筒线圈、第一永磁铁和套筒，其中：第一永磁铁正对于圆筒线圈；圆筒线圈底面贴合于底座表面，套筒内嵌于永磁铁中心孔，套筒加工有螺纹，旋合于导杆上；导杆上旋合有上、下限位螺母，第一永磁铁位置由上、下限位螺母位置决定。4.根据权利要求1所述的负载自适应电磁准零刚度隔振装置，其特征是，所述的负刚度组件包括：锥形线圈和第二永磁铁，其中：第二永磁铁与锥形线圈同轴嵌套配置；锥形线圈与上框架相互套合，第二永磁铁中心孔与导杆相互套合，一侧与导杆轴肩贴合，另一侧由螺母压紧。5.一种根据权利要求1-4中任一所述负载自适应电磁准零刚度隔振装置的负载自适应电磁准零刚度隔振方法，其特征在于，通过位移传感器检测负载绝对位移，通过电路控制模块中的滑模自适应控制单元计算跟踪误差后，根据跟踪误差自适应地计算得到估计负载和对应输出力后，发送电流调节指令至准零刚度隔振装置以调节正、负刚度组件电磁力；所述的跟踪误差e＝z
1-z
d
，其中：z1为测量位移，z
d
为期望位移；所述的估计负载其中：s为滑模变量，g为重力加速度，γ和μ为已知正常数；为期望加速度；所述的输出力其中：n
h
、n
w
、n
m
和n
h
为电流丝法参数，d
m
为电流丝直径，i1为线圈通电电流，b
r
为永磁铁剩磁，r
j
、r
s
和r
t
为电流丝半径，z
s
、z
t
和z
i
为电流丝高度；k
t
和k
s
为椭圆积分参数。6.根据权利要求5所述的负载自适应电磁准零刚度隔振装置的负载自适应电磁准零刚度隔振方法，其特征是，所述的电路控制模块包括：滑模自适应控制单元和分别与之相连的位移传感器、电流传感器以及功率放大器，其中：位移传感器检测隔振装置负载的位置，电流传感器检测线圈的电流，功率放大器与滑模自适应控制单元信号输出端口相连，滑模自适应控制单元通过根据跟踪误差自适应地计算得到估计负载和对应输出力后，发送电流调
节指令至功率放大器，根据负载的位置变化实时在线调整线圈电流大小，使得准零刚度隔振器负载位置不因负载改变而变化，隔振器仍保持高静态刚度和低动态刚度特性，低频隔振性能不随负载变化而恶化。7.根据权利要求5所述的负载自适应电磁准零刚度隔振装置的负载自适应电磁准零刚度隔振方法，其特征是，所述的滑模自适应控制单元，基于滑模控制律并根据状态变量偏差，估计系统扰动，并使系统状态轨迹逐渐收敛到滑模面上，并沿着滑模面趋向坐标原点，实现系统稳定；所述的滑模控制律是指：其中：μ、d、ε和p为控制器参数，均为正常数；为跟踪误差变化率；f(z1,z2)为弹性恢复力与阻尼力之和；为期望加速度；sat(s)为饱和函数；sgn(v)为符号函数；v为理论输出力；u
max
为最大输出力。8.根据权利要求5所述的负载自适应电磁准零刚度隔振装置的负载自适应电磁准零刚度隔振方法，其特征是，所述的电流调节指令是指：计算更新电流值并进行负反馈控制，具体为：其中：i
t0
为基础电流，f
c0
为基础电流i
t0
计算出的电磁恢复力。

技术总结
一种负载自适应电磁准零刚度隔振装置及方法，包括：隔振器框架、设置于其内部的直线运动组件、负刚度结构组件、正刚度结构组件以及分别与直线运动组件、负刚度结构组件、正刚度结构组件相连的电路控制模块，其中：直线运动组件设置于隔振器框架的中心轴线方向，不具有双稳态特征的负刚度结构组件与具有非线性渐硬特征的正刚度结构组件依次连接并与直线运动组件相连。本发明通过非线性渐硬正刚度调制负刚度，实现准零刚度特性；电磁负刚度线圈和电磁正刚度线圈串联连接，只需要调节线圈通电电流，即可改变隔振器的额定负载而不准零刚度特性；配合传感器和微型处理器，实现准零刚度隔振器额定负载自适应和实时调节。隔振器额定负载自适应和实时调节。隔振器额定负载自适应和实时调节。


技术研发人员：卢佳佳 张文明 颜格 亓文豪 时军委 闫寒
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/7/27