基于超级电容与Buck变换器协同作用的高速响应励磁电流源

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在日常生活、交通运输和军事装备等领域中冲击现象(如电梯坠落、飞机降落、火炮反后坐等)是不可避免的。为了减轻冲击对装备和乘员造成的伤害,人们使用各种形式的缓冲器件来消耗/吸收冲击能量,降低冲击力的传递率。传统的缓冲器一般采用液压阻尼方式/低刚度变形元件等吸能方式,其冲击力传递特性只能适应特定冲击工况,不能满足相关技术领域的发展需求。磁流变缓冲器(Magneto rheological energy absorber,简称MREA)是通过改变阻尼通道内的磁感应强度,对流动介质的流动特性进行实时调节的可控缓冲器,能够适应不同的冲击工况,是冲击隔离领域的重要发展方向。MREA是通过电磁线圈励磁实现阻尼通道磁感应强度控制的,对励磁电流源而言是一种感性负载。另外冲击过程一般只有几十毫秒,因此励磁电流源的快速响应是MREA实时可控的关键因素。本文针对特定的电感负载,研究基于超级电容和Buck变换器协同作用的励磁电流源,具有输出范围宽、响应速度快的特点。具体工作如下:分别分析了MREA和励磁电流源在国内外研究的进展,指出了实现缓冲力实时可控和设计高速响应电流源的重要性,分析了现有的电流源不能满足MREA实现有效冲击隔离的要求,提出了本文的研究内容和学术意义。阐述了MREA的工作原理,对磁流变液进行了流变学参数辨识,通过Maxwell软件进行了MREA的静磁场有限元仿真,得到了电流与磁场的函数关系。分析了基于平行平板模型、包含惯性力和局部损耗在内的动力学模型的建立过程,得到了缓冲力的函数表达式。通过Matlab软件进行仿真并研究了冲击载荷下MREA的动态特性和可控性,为电流源提出了响应时间和输出范围的指标要求。针对MREA提出了一种基于超级电容与Buck变换器协同作用的高速响应电流源方案,提出了利用高初始电压的超级电容快速拉升电流,随后用Buck变换器接力维持电流的控制策略。建立了MREA的等效电路模型,得到了超级电容等效充放电电路模型,并运用状态空间平均法建立了非理想条件下Buck变换器的小信号模型。通过Matlab和Saber软件进行了电流动态特性仿真,验证了模型的正确性和控制策略的有效性。以STM32单片机为控制核心,进行了完整的软硬件设计。硬件部分完成了超级电容电路、Buck变换器电路、电压和电流采样电路、辅助电源电路的设计,以及具体元器件的参数计算和选型。软件部分设计了主程序、中断子程序以及增量式PID控制算法。最后进行PCB设计,制作了电流源试验样机。以实际MREA为负载(等效电阻1.3Ω,等效电感25mH),对电流源进行一系列测试,结果表明电流源线性度高、可靠性好,在0A~9A范围内连续可调,响应时间≤1.88ms,达到了指标要求。最后搭建落锤冲击试验平台,在不同冲击高度下对MREA分别进行了常电流和变电流下的冲击试验,试验结果与理论仿真结果吻合较好,实现了良好的缓冲效果。
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