磁流变阻尼器磁场响应时间分析和校正电路设计

　　磁流变阻尼器作为一种半主动减振装置，具有结构简单、能耗低、提供阻尼力大等优点［1］，使其得到了广泛的应用。磁流变阻尼器的性能指标除了输出阻尼力大小、可调范围以外，磁流变阻尼器的响应时间是另一个重要指标，它直接决定着阻尼器的控制效果［2］。响应时间越短，越有利于实时控制，控制效果越好。尤其是在高冲击载荷下，作用过程迅速，通常只有几百毫秒，这对磁流变阻尼器实时控制系统快速响应提出了更加苛刻的要求，减少磁流变阻尼器的响应时间尤为重要。

　　到目前为止，对磁流变阻尼器响应时间的研究主要集中在响应时间的测量、影响响应时间因素的分析，已有的改进响应时间的研究也只限于磁路设计、更换电流源以及使用双向驱动电路等方面［3 －4］。作者从控制工程的角度建立响应时间的传递函数模型，在此模型的基础上，设计了有超前相位的补偿传递函数，并据此设计了超前校正电路，类似的研究未见报导。

　　1 响应时间

　　磁流变阻尼器从感知扰动到产生控制力的过程所需要的时间为阻尼器的响应时间。由磁流变阻尼器的工作原理可知，磁流变阻尼器响应时间分为磁流变液材料的响应时间和电磁回路的响应时间两部分［5］。磁流变液装置的相容性和产生磁场的能力是影响磁流变液响应时间的两个主要因素［6］，在阻尼器结构设计完成后磁流变液的响应时间就基本确定，而电磁回路的响应时间与控制方法和电路硬件的设计有关，灵活性较大，所以这里主要考虑电磁回路的响应时间。

　　1. 1 电流和磁场响应时间分析

　　影响电流和磁场响应的主要因素是电路中的电感和涡流。当控制电流变化时，由于以上两种因素对电流对磁场的迟滞作用，使电磁回路中的电流和磁场不能及时的发生变化，从而影响阻尼器的响应时间。 

　　下面首先分析电流的响应时间。当忽略阻尼器铁芯中的涡流作用时，阻尼器的电磁回路可以简化为电阻和电感的串联模型，如图 1 所示。

　　根据基尔霍夫定律，阻尼器两端的压降 U( t)与所加的电流 i( t) 满足方程:

　　式中: U( t) 是加在阻尼器上的电压; L 是线圈的等效电感; R 是阻尼器的等效电阻; i( t) 是流过阻尼器的电流。

　　在阻尼器的工作过程中，控制电流的变化形式是不确定的，所以定义上述电路的响应时间如下: 在零时刻，往电路两端加载一恒定的电压，电流从零变化到稳定值的 95% 所用的时间。设加载的电压为 U0时，由 ( 1) 式可得:

　　当调节时间 T =LR时，电流值 i( T) 为稳态值的63. 2% ，称 T 为电路的时常数。在经过时间 3T后，电流值已达到稳态值的 95% ，并认为其调节过程已完成。可以看出，电流的响应时间只与电路的结构有关，而与加载在电路两端的电压的大小无关。理想状态下，磁场的响应时间和电流的建立时间是相同的，但是由于涡流的存在，使得磁场的响应要落后于电流的变化［7］。实验得出，磁场的变化规律是和电流变化规律是一致的，呈指数变化，只是时间常数 T 有所增大。