一种新型伺服阀驱动器的设计与仿真.pdf

2 0 1 4年 7月 第 4 2卷 第 l 3 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 3 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 3 ． 0 3 9 一 种新型伺服阀驱动器的设计与仿真 涂福泉，毛 阳，刘小双 武汉科技大学机械 自 动化学院，湖北武汉 4 3 0 0 8 1 摘要MS MA是一种新型的功能材料，具有较大的应变和可控性位移。基于磁控形状记忆合金 M S MA的磁控特性 和形状变化机制，设计出了新型直线伺服阀驱动器。该执行机构使用弹簧恢复其变形，采用直流线圈产生偏置磁场和应用 交流线圈提供可控磁场。通过对先导型伺服阀进行简化及建模，不考虑磁滞等影响，使用 MA T L A B ／ S I M U L I N K软件进行仿 真，并通过合理的参数设计，得到系统 b o d e 图和系统输出位移曲线图，验证了新型伺服阀驱动器结构设计的合理性。 关键词伺服阀；M S MA材料；直线驱动器；励磁绕组；偏置磁场；数值模拟 中图分类号T H1 2 2 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 31 5 4 3 De s i g n a n d S i mu l a t i o n o f Ne w Ty p e S e r v o Va l v e Ac t u a t o r TU F u q u a n， MAO Ya ng， LI U Xi a o s h u a n g C o l l e g e o f Ma c h i n e r y a n d A u t o m a t i o n ，Wu h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 8 1 ．C h i n a Abs t r a c tThe MSMA i s a ne w t y pe o f f un c t i o n a l ma t e ria l s ，wh i c h h a s b i g g i s h driv i n g f o r c e a nd c o nt r o l l a bl e di s pl a c e me n t ．Th e n e w t y p e o f l i n e a r s e rvo a c t u a t o r w a s d e s i g n e d b a s e d o n c h a r a c t e r i s t i c s o f ma g n e t i c c o n t r o l a n d me c h a n i s m o f s h a p e c h a n g i n g o f Ma gn e t i c c o n t r o l S h a p e M e mo A l l o y MS MA ． S p ri n g w a s u s e d b y t h e a c t u a t o r t o r e c o v e r t h e d e f o r ma t i o n ， D C c o i l s w a s e m p l o y e d t o g e n e r - a t e b i a s i n g ma g n e t i c fi e l d an d AC c o i l s we r e a p p l i e d t o p r o v i d e ma g n e t i c fi e l d wh i c h wa s c o n t r o l l a b l e ．T h e p i l o t s e rvo v Mv e wa s s i mp l i fl e d a n d mo l d e d wi t h o u t c o n s i d e rin g t h e e f f e c t s o f ma gn e t i c s l u g g i s h，a n d wa s n u me r i c a l l y s i mu l a t e d b y u s i n g MA TL AB ／ S I MU L I NK s o f t w are ． Mo r e o v e r t h r o u g h r a t i o n a l p ara me t ri c d e s i gn ，t h e d r a wi n g o f d i s p l a c e me n t c u r v e o f s y s t e m o u t p u t a n d d r a wi n g o f b o d e o f s y s t e m we r e g o t t e n ．T h e r a t i o n ali t y o f s t r u c t u r al d e s i g n o f t h e n e w t y p e o f a c t u a t o r i s v ali d a t e d ． Ke y wo r d s S e rvo v a l v e；MS MA ma t e r i a l ；L i n e ar a c t u a t o r ；Ex c i t i n g w i n d i n g；B i a s ma gn e t i c fi e l d ；N u me ri c a l s i mu l a t i o n 磁控形状记忆合金 MS M A是一种新型的功能 材料，具有在电磁场的激励下响应时间短、单位长度 上能产生较大的驱动位移等优点。曾经广泛使用的智 能材料有压电材料、磁致伸缩材料、形状记忆合金 等，这些新材料的优势在于能在精度、效率和轻量上 达到新标准⋯。但是相比于新型的 M S M A，这些材料 有一定的局限性，比如压电陶瓷的输出位移小；温控 记忆合金，只有在一定的温度范围内进行塑性变形； 而形状记忆材料的缺点是反应迟缓 、效率低下 。本 文作者将 MS M A材料用于伺服阀上，高效 的将 电能 转化为机械能，解决了目前新型功能材料伺服阀驱动 器存在的输出位移量偏小、频率低等问题，具有很好 的应用前景。 1 伺服 阀直线驱动器设计 先导式结构伺服阀能够利用先导阀，控制压力变 化进而推动主阀芯移动 ，有效驱动大尺寸滑阀运动， 增加伺服阀的流量。M S MA材料由马氏体组织构成， 在磁诱导下马氏体重新排列 ，以满足需要的具体工况 下各种执行机构的需要 “ ，各种形变的 M S M A材料 如 图 1 所示。 H ‘ 一 图 1 MS MA材料 的形变不意 图 伺服 阀驱动器 的结构设计如 图 2 所示 ，由小 流量 的先导阀、大流量 的主阀以及 MS M A驱动器组成。 M S M A材料在磁场的作用下 ，伸长后不能 自行恢复变 形 ，选择弹簧 2来 给 MS M A材料 3提供恢 复变形 的反 向力 。口形铁芯 4上下端分 别缠绕 直流绕组 和交 流绕 组 ，直流绕组产生直流 ，用来产生偏执磁场 ，可以 通过调节电阻的大小，来获得理想的磁偏。交流线圈 产生 ， 交流电信号 ，M S M A材料在该交流电产生的磁 场中发生形变，产生力和位移来驱动伺服阀工作。 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 0 7 作者简介涂福泉 1 9 7 O 一 ，男 ，博士，副教授，主要从事液压技术、机电一体化方面的科研和教学工作。Em a i l t f q h b 1 6 3 ． c o m。 一 ～ 一 一 一 一 一 第 1 3期 涂福泉 等一种新型伺服阀驱动器的设计与仿真 1 5 5 主 阀 图 2 伺服阀驱动器的结构设计 2 计算与建模 伺服阀系统简化模型如图 3所示，输入信号 经比例放大器放大，进入先导级的驱动器产生位移， 使主阀两端形成压力差 ，来控制主阀阀芯的位置。位 移传感器将阀芯位移转换为电信号 ，与输入信号 比较，比较的偏差作为输入信号，对系统进行调节， 控制主阀芯朝着偏差减小 的方向移动，重复这个过 程，直至系统达到稳定。 放 大 器 图3 系统的简化模型 2 ． 1 比例 放 放 大 器环 节 系统输入的控制信号通过比例放大器进行调节， 使之变成满足要求的电流信号， s 为 比例放大器 输出电流 A ，K 为 比例放大器增益 A ／ V其传 递 函数为 K 1 2 ． 2 MS MA材料驱动先导阀环节 不考虑漏磁、涡流对激励电流的抑制作用，建模 型前先假设 MS M A样品内部的应变 、应力 、磁场 强度 日和磁感应强度 B均匀 ] 。建立材料的静力学模 型如下建立了应变 ，磁场参数 B，H，外应力 o r ，压 磁系数 q以及在磁场 中材料弹性模量 C 之间的关 系 一 8 q H 2 e f f B q t r 3 再联立材料长度和应变 的关 系为 x ／ l ，电磁 定律 B S ，磁 路定 律 N I cI R，S为 MS M A 的 横向截面积，R为总磁阻，得出 z I f 4 e ff 驱动器 的输 出力为 F k i ，一k xx 5 式中k i 为等效 电流常数，k 为等效刚度系数 ， 。 为在励磁磁场作用下产生的位移增量，‰ 为直流信 号产生 的位移量 。 为负载对 M S M A样本的作用力，由于 M S M A 材料受到弹簧预应力 的作用，设 M ，C ，K 。 分别 为等效质量，等效阻尼系数，等效刚度系数 ，输出力 FFl e r A即 F - 警 c l d x K l ir A 6 联立式 5 、 6 ，进行 拉 氏变换 ，Kk K 可得先导阀位移可表示为 X Ml s Cl s K K i I 一0 “ A 7 2 ． 3先导阀驱动主阀环节 如果先导阀工作正常，主阀大部分时间实在稳态 工作点附近做微量运动 ，仍用变量本身表示他们从初 始条件下的变化量 Q K X K P L 8 式中 和 分别表示流量增益和流量压力系数 ； Q 为流出先导阀和流入先导阀的平均值 ； p 为两腔 的压差 ；x为 MS M A驱动先导阀的位移。 先导阀的流量出来用于推动主阀运动，假定主阀 处于中位 ，基于这个假定简化可得 Q d d y Ci c P v t 9 式 中 A为 主阀的有效面积 ；C i 为 内泄漏系数 ； 为 两腔的总容积 ； 为等效体积弹性模量。 忽 略库伦摩擦等非线性负载及油液 的质量 ，根据 牛顿第二定律 ，可得 Ap p m 坐 d t 1 0 式中m为主阀质量，B 为主阀黏性阻尼系数。 文 中负 载 主要 是惯 性 负载 ，联立 式 8 一 1 0 。主阀位移与先导阀位移的比值可简化为 式中W 为液体固有频率 ， 为液体阻尼比。 1 5 6 机床与液压 第 4 2卷 3 仿真分析 先导伺服阀控制结构框图如图4所示，电信号经 过先导级输出位移和力 ，传递给伺服阀主级，最终驱 动执行机构。在 “ 口”字形铁芯一侧的间隙开有 6 m m的间隙，用于放置用于驱动的材料 M S M A，间隙 内放置 5 5 2 0 m m的 MS M A材料 ，只考虑材料沿 着垂直磁场方向的应变和应力的变化 ，材料长度和应 变的关系为空气中的导磁率 。 4 盯X 1 0 ～H ／ m， 为 M S M A材料相 对于空 气 的磁 导率 一1 ． 5 。选取 外 加激励磁场 强度为 0 ． 3 T ，0 ． 2 T作为 偏置 磁场 ，根 据 A d a p t a M a t 公司提供的测试数据 ，材料在近似求得 到 q1 ． 9 9 0 81 0 ～，弹性模 量 C 1 ． 9 11 0 P a ， 代入公式 5 一 7 。在控制框图的基础上，通过 给 系统 设 置 适 当 的参 数 ，用 M A T L A B ／ S I M U L I N K软 件搭建了仿真框图如图5所示。 图4 先导伺服阀控制结构框图 图5 S I MU L I N K模块仿真框图 在控制框图 的基础上 ，通过 给系统设置适 当的参 数 ，用 MA T L A B ／ S I MU L I N K建 模 ，伺 服 阀系 统 能 达 到稳定的条件如下 3 0 。 一 6 0 。 ，K 6 d B 。从图6 中可以看出，相位裕度 5 4 。 ，幅值裕度 K s 9 d B ， 能够满足系统稳定性。通过计算 MS M A材料和阀的 相关参数 ，用 MA T L A B仿 真得 到位 移 的动态 响应 曲 线如 图 7所示 ，先有小 幅震荡产生 ，然后受力达到平 衡 ，位移量达近似 1 m m，仿真结果验证了此种新型 伺服 阀驱动器 的可行性 ，滑阀 由于具有一定惯量 ，其 50 ∞ O 晷。 5 。 坚 一 1 00 I j I 鞘 毒 鞯 毒 群 f 图6 开环系统 b o d e 图 动态响应较慢，可以采用喷嘴挡板或射流管先导级， 用磁控形状记忆合 金做电 一机械转换器 ，提升 阀的动 态响应 。 图 7 位移动态响应 图 4结论 磁控形状记忆合金 M S M A由于较大的应变， 可以显著降低相同位移驱动器所需的机构尺寸和质 量，其高频的性能，可以广泛应用于航空航天，以适 应新产品 开发 过程 中的振动 环境试 验 、材 料疲 劳试 验，有效地提高了伺服阀的性能，极大地扩大了伺服 阀技术的研发视角。 尽管材料有这么突出的优势 ，但由于材料受到磁 滞和温度 影响较 大 ， 目前 可能不 符合 一些 特定 的工 况，随着科学技术人员的重视与研究，相信在不久的 将来，磁性形状记忆合金会得到广泛的应用。新型功 能材料的发展和应用，给电液伺服阀的技术发展提供 着新 的途径 、新的契机。 参考文献 [ 1 ]王风翔， 李文君 ， 张庆新 ， 等． 差动式磁控形状记忆合金 执行器研究[ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 5 ， 2 5 1 8 1 3 5 1 3 9． [ 2 ]王凤翔， 张庆新 ， 吴新杰 ， 等． 磁控形状记忆合金蠕动型 直线电机研究 [ J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 4， 2 4 7 1 4 0 1 4 4． 『 3 ]T E L L I N E N J ， S U O R S A I 。 J A A S K E L A I N E N A， e t a 1 ． B a s i c P r o p e r t i e s o f Ma g n e t i c S h a p e M e mo r y A c t u a t o r s [ C ] ． P r o c ． o f 8 t h I n t ． Co n f ． o n Ac t u a t o r ， B r e me n ， Ge r ma n y， 2 0 0 2 5 6 6 5 6 9 ． [ 4 ]翁光远 ， 王社良， 王占锋． 磁控形状记忆合金在结构振动 控制中的应用研究[ J ] ． 西安建筑科技大学学报 自然 科学版 ， 2 0 1 0 ， 4 2 5 6 3 1 6 3 6 ． [ 5 ]张晶． 磁控形状记忆 合金微 位移执行器模型 的研究 [ D] ． 沈阳 沈阳航空工业学院， 2 0 1 0 ． [ 6 ]张庆新 ， 张红梅， 席剑辉， 等． MS MA直线驱动器的数学 模型及控制系统[ J ] ． 辽宁工程技术大学学报， 2 0 0 7 ， 2 6 5 7 2 37 2 6 ． [ 7 ]林青 ， 张国贤， 何青玮， 等． 超磁致伸缩材料驱动器的数 学模型[ J ] ． 机电一体化， 2 0 0 1 6 2 6 2 9 ．