磁流变阀脉宽调制(PWM)流量控制的研究

　　1 磁流变阀

　　磁流变液是在外加磁场作用下流变特性发生急剧变化的材料。其基本特征是在强磁场作用下能在瞬间(毫秒级)从自由流动的液体转变为半固体,呈现可控的屈服强度,而且这种变化是可逆的。磁场对磁流变液的粘弹性等特性的影响称为磁流变效应[1]。

　　磁流变液在外加磁场的作用下产生屈服应力,该应力在流动的磁流变液体中将会产生一个压力差,根据这一原理可以设计出无运动元件的磁流变溢流阀。通过对磁路的合理分析设计,设计的磁流变溢流阀结构如图1所示[2]。

　　以齿轮泵为动力源,采用纳米磁性颗粒体积份数为20%的磁流变液体作为液压传动介质,对此阀进行了实验研究,得到的压力-流量曲线如图2所示。

　　从图中可以看出,在外加磁场作用下,磁流变流体的屈服应力发生了变化,此时,磁流变阀主要工作在开关状态,为了实现对流量的控制,可以采用PWM方式。通过控制输入磁流变阀的电压脉冲的占空比,此时阀输出流量的平均值与占空比成比例,可以实现对流量的控制。

　　该磁流变阀的压力-流量关系可以用下式表示[2]:

　　式中:Q为阀的流量,L为磁流变流体的零场黏度,L为两个铁芯A加上线圈的长度,d为铁芯B的直径,为铁芯A和铁芯B之间的间隙,b为铁芯A的厚度,为磁流变流体的屈服应力。式中右边第一项由粘性流动产生,第二项由屈服应力产生。磁流变流体的屈服应力与施加的外磁场强度相关,对此阀只与施加的直流电压相关。

　　在外加电压作用下,施加于阀的工作压力小于p2时,磁流变阀处于截止状态。施加于阀的工作压力大于p2时,流体在阀内流动,形成的压差为$p。没有外加电压作用时,流体流过磁流变阀,粘性流动形成的压差为p1。因此,只要阀的工作压力小于p2,在外加脉冲电压时,磁流变阀工作在开关状态。

　　2 磁流变阀的数学模型

　　磁流量阀是以直流电磁铁为驱动元件,但它没有运动部件,因此其脉冲响应如图3所示。图中的V为施加于磁流变开关阀的电压,I为磁流变阀电磁线圈中的电流,p为磁流变开关阀前的压力值。

　　从图中可以看出,由于电磁惯性,直流电磁铁在电压上升沿和下降沿都有一个滞后时间t1和t3,另外磁流变液建立屈服应力和释放屈服应力也有一个滞后时间t2和t4。t1和t3由电磁惯性决定,可以采用具有吸合加速和释放加速两种加速电路的驱动电路,以减小t1和t3。t2和t4是由磁流变流体的性质决定的,一般为0.1~1ms[3]。另外,t2和t4过程是伴随着t1和t3同时进行的,所以t1和t3是影响磁流变阀快速响应的关键因素。