超磁致伸缩电液伺服阀动态仿真

　　0 引言

　　随着工程实践的发展,对液压控制系统的控制精度、响应速度提出了更高要求,而传统控制系统中电液伺服阀的频宽一般均低于400Hz,在整个电液伺服阀各个环节中其电-机转换器部分即力矩马达或力马达是整个电液伺服阀响应速度最为滞后的环节,就整个电液伺服阀而言,其频宽受稳定性的限制一般仅能达到力矩马达固有频率的0.2倍左右,要提高电液伺服阀的频宽,就必须提高力矩马达的固有频率和阻尼比。而提高其固有频率往往受到力矩马达输出功率的限制,从而使进一步提高其响应速度已非常困难。超磁致伸缩材料简写为GMM)具有在室温下应变量大、输出力大、响应速度快等特性,它的出现为流体控制元件的发展提供了机遇。

　　1 超磁致伸缩电液伺服阀结构与原理

　　1.1 超磁致伸缩电-机转换器结构

　　传统力反馈喷嘴挡板式电液伺服阀其电-机转换器即力矩马达是限制电液伺服阀响应速度的主要环节,如果要进一步研究提高电液伺服阀的动态响应特性,从电-机转换器部分着手改进设计无疑是正确而可靠的。在这里考虑到电液伺服阀的应用情况设计了一种新型超磁致伸缩电-机转换器^[1] (Giant MagnetostrictiveActuator,简写为GMA),其结构如图1所示。

　　此GMA最大特点是将超磁致伸缩电-机转换器与喷嘴端板阀设计为一体,这样结构更为紧凑且便于控制。GMA在外加激励磁场作用下能够实现电磁能-机械能的高效转换。超磁致伸缩应变(即挡板位移)大、响应速度快、带载能力强是其显著特点。

　　1.2 超磁致伸缩电液伺服阀结构

　　利用GMA可以设计出如图2所示的超磁致伸缩电液伺服阀结构(简写为GMM电液伺服阀)^[2],其中2个GMA安装固定在一起,利用GMA的输出杆直接用作喷嘴挡板。当一个GMA的电流增大,驱动挡板伸出时;另一个GMA的电流减小,使挡板缩回,反之亦然,从而控制电液伺服阀动作,伺服阀的反馈通过传感器实现。这一结构的优点是工作可靠,喷嘴挡板阀产生2倍增益,此种电液伺服阀为流量控制型电液伺服阀。

　　2 超磁致伸缩电液伺服阀数学模型

　　超磁致伸缩电液伺服阀整个动态动作过程可通过一组微分方程加以描述^[3-4]。

　　2.1 GMA动态特性

　　当GMA施加工作电流i后一个GMA电流增加,一个GMA电流减小,所以2个GMA一个伸长一个缩短,由于GMA输出杆的端面即为喷嘴挡板阀的挡板,则GMA的位移输出即相当于挡板发生偏转后的挡板位移。此时挡板位移即为GMA的磁致伸缩位移。从而有力平衡方程如下^[5]: