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 430081)

磁控形状记忆合金 (MSMA)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［1］。但是相比于新型的MSMA，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［2］。本文作者将MSMA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。MSMA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［3-4］，各种形变的MSMA材料如图1所示。

图1 MSMA材料的形变示意图

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MSMA驱动器组成。MSMA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MSMA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I0，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I交流电信号，MSMA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。

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Ug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Uf，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。

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，U(s)为比例放大器输出电流(A)，Ka为比例放大器增益 (A/V)其传递函数为:

2.2 MSMA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MSMA样品内部的应变ε、应力σ、磁场强度H和磁感应强度B均匀［5］。建立材料的静力学模型如下建立了应变ε，磁场参数B，H，外应力σ，压磁系数q以及在磁场中材料弹性模量Ceff之间的关系［6-7］:

再联立材料长度和应变的关系为:ε=x/l，电磁定律:Φ=BS，磁路定律:NI=ΦR，S为MSMA的横向截面积，R为总磁阻，得出:

驱动器的输出力为:

式中:ki为等效电流常数，kx为等效刚度系数，x1为在励磁磁场作用下产生的位移增量，x0为直流信号产生的位移量。

Fl为负载对MSMA样本的作用力，由于MSMA材料受到弹簧预应力σ的作用，设Ml，Cl，Kl分别为等效质量，等效阻尼系数，等效刚度系数，输出力F=Fl+σA即:

联立式 (5)、(6)，进行拉氏变换，K=kx+Kl可得先导阀位移可表示为:

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:

式中:Kq和Kc分别表示流量增益和流量压力系数;QL为流出先导阀和流入先导阀的平均值;pL为两腔的压差;X为MSMA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:式中:A为主阀的有效面积;Cic为内泄漏系数;Vt为两腔的总容积;βe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:

式中:m为主阀质量，Bc为主阀黏性阻尼系数。

文中负载主要是惯性负载，联立式 (8)—(10)。主阀位移与先导阀位移的比值可简化为:

式中:wh为液体固有频率，ξh为液体阻尼比。

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 mm的间隙，用于放置用于驱动的材料MSMA，间隙内放置5×5×20 mm的MSMA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μ0≈4π×10-7H/m，μ为MSMA材料相对于空气的磁导率μ≈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AdaptaMat公司提供的测试数据，材料在近似求得到q=1.990 8×10-7，弹性模量Ceff=1.91×108Pa，代入公式 (5)— (7)。在控制框图的基础上，通过给系统设置适当的参数，用MATLAB/SIMULINK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 SIMULINK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MATLAB/SIMULINK建模，伺服阀系统能达到稳定的条件如下:γ=30°～60°，Kg＞6 dB。从图6中可以看出，相位裕度γ=54°，幅值裕度Kg=9 dB，能够满足系统稳定性。通过计算MSMA材料和阀的相关参数，用MATLAB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 mm，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-机械转换器，提升阀的动态响应。

图6 开环系统bode图

图7 位移动态响应图

4 结论

磁控形状记忆合金 (MSMA)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。

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［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，2010，42(5):631-636.

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