电反馈式超磁致伸缩伺服阀的理论研究

　　电液伺服阀作为液压伺服系统中的关键部件,广泛应用于航空航天、火炮控制、雷达跟踪、舰艇操舵以及一般工业当中。随着工程实践的发展,大流量、高频响电液伺服阀将成为未来电液伺服阀的发展方向。目前航空航天系统、飞行模拟转台等重要地面设施对其伺服阀频宽均提出了更高的要求,而传统力反馈伺服阀频宽一般均低于100 Hz,对于高频响电液伺服阀的开发,可以采用参数优化设计方法[1],但其效果有限。随着一些具有优良性能的新型功能材料的出现,为从根本上提高电液伺服阀频宽及综合性能提供了可能。尤其是近年来以压电陶瓷、电致伸缩材料、磁致伸缩材料制备及理论研究的深入为电液伺服阀的进一步发展带来了机遇。本文利用超磁致伸缩材料(giantmagnetostrictive materi-a,l GMM)研制的一种新型高响应的电-机转换器(giantmagnetostrictive actuator,GMA)取代传统力反馈电液伺服阀力矩马达[2, 3],同时利用位移传感器将伺服阀内部反馈方式由力反馈改为电反馈从而设计了一种新型超磁致伸缩伺服阀(简称GMM伺服阀),该新型伺服阀具有频响高、控制流量大以及结构简单等特点。

　　1　GMM伺服阀结构与原理

　　GMM是一种新型功能材料,在外加激励磁场作用下,它能实现电磁能-机械能的高效转换。并具有应变大、响应速度快(ms级)、带载能力强等显著特点。国外已将它应用于直动式伺服阀、比例阀和微型泵等流体控制元件中[3~5]。国内也已对GMM在流体控制元件中的应用进行了较为深入的研究,超磁致伸缩执行器(简称GMA)具有良好的动态特性[2],将其应用于两级伺服阀的设计,有望提高伺服阀的动态响应特性[3],图1为采用GMA研制的新型电反馈两级伺服阀结构原理图,其中GMA已经与喷嘴挡板阀设计为一体结构。

　　其工作原理为:当伺服阀处于零位时,左右两个GMA都预先输入一定的正向初始电压以产生一定的初始电流使GMA产生一定的预伸出量。此时挡板处于零位,两个喷嘴控制腔没有压差。当在两个GMA线圈中输入差动交变电压产生磁场时,一个GMA产生输出,一个GMA产生收缩,则两个喷嘴腔中的压力差plp作用在阀芯端面上,推动阀芯运动。滑芯的运动通过位移传感器反馈到电压输入端与输入电压比较运算后作用于GMA。最终两个喷嘴腔压力差plp与滑阀稳态液动力相平衡使挡板平衡在某一位置(零位附近),此时滑阀也停止运动,取得一个平衡位置,并获得相应的流量输出。

　　2　GMM伺服阀数学模型

　　2·1　GMM伺服阀基本方程

　　GMM伺服阀利用GMA取代了传统力反馈伺服阀的力矩马达,如图1所示,GMA输出杆即相当于喷嘴挡板阀的挡板,则GMA位移即为挡板位移,GMM伺服阀动态过程可用如下方程加以描述[6]