磁致伸缩径向双柱塞泵驱动作动器调速方案分析

王 睿， 邰明皓， 宋昀泽， 陈 龙， 朱玉川

(南京航空航天大学机电学院， 江苏南京 210016)

引言

智能材料如磁致伸缩材料、压电材料等，具有响应快、控制精度高以及工作频宽大等优点[1-3]，能够迅速准确地输出微位移[4-5]。利用智能材料驱动的作动器通过不同的整流原理， 将智能材料微米级高频位移转换为作动器宏观大位移、大机械力输出，其具有结构紧凑、高度集成及输出力大等特点[6-7]，被国内外学者开展广泛研究。

JIN等[8]设计一种压电叠堆驱动的电静液作动器，并对泵腔尺寸等进行优化设计以获得更大流量输出，最大无负载输出流量达到了1.02 L/min。杨旭磊等[9]利用膜片阀实现油液配流，设计了一种磁致伸缩电静液作动器。实验测试发现当驱动频率为250 Hz时，作动器输出流量达到最大，为0.85 L/min。类似地，GUO[10]利用膜片阀配流设计了压电叠堆驱动的电静液作动器。驱动频率为275 Hz时，最大无负载流量为1.6 L/min。王振宇等[11-12]设计了一种圆柱转阀配流的磁致伸缩电静液作动器,并进行了实验测试。结果显示驱动频率为120 Hz时作动器的最大无负载输出流量为1.28 L/min。

现有文献大多数是研究智能材料驱动电静液作动器的输出特性，通过结构优化或不同的配流方式使作动器的输出性能得到提升。但对输出流量的调节研究较少涉及，而输出流量的控制调节对于实现作动器位置控制有着重要的意义。

以一种磁致伸缩径向双柱塞泵驱动作动器为研究对象，基于磁致伸缩材料的输出特性与旋转主动阀的配流特性，设计了3种调速方案实现作动器输出流量的调节。对比分析后选用调幅调速控制方案，结合调相换向设计作动器位置控制方案，并搭建实验平台进行了实验验证。

1 作动器结构及工作原理

磁致伸缩径向双柱塞泵驱动作动器结构以及工作原理如图1所示。作动器主要由2个单柱塞磁致伸缩泵、旋转主动阀阀芯、阀体、伺服电机、液压缸以及位移传感器组成。其中，2个磁致伸缩泵沿阀芯轴向排布。通过主动阀阀芯的转动配合磁致伸缩棒的往复运动，完成油液配流，作动器的主要工作过程如图1所示。

将2路正弦电流信号分别通入2个磁致伸缩泵的激励线圈中，磁致伸缩棒在正弦磁场作用下会产生周期性的往复运动。磁致伸缩棒运动的同时带动泵腔中活塞进行运动，经主动阀配流，实现油液吸排。2路驱动信号相位差为180°，即1个泵在吸油状态时，另1个泵处于排油状态。

当阀芯旋转到图1a示位置(阀芯左侧沟槽与液压缸左腔相连通，右侧沟槽与液压缸右腔相连通)，此时泵1处于排油状态，泵2处于吸油状态。泵1排出的油液由阀芯右侧沟槽流入液压缸右腔，同时液压缸左腔的油液经阀芯左侧沟槽被吸入至泵2泵腔中。液压缸产生向左位移输出。下一时刻，阀芯旋转到图1b所示位置(阀芯左侧沟槽与液压缸右腔相连通，右侧沟槽与液压缸左腔相连通)，此时泵1处于吸油状态，泵2处于排油状态。液压缸左腔油液被吸入泵1泵腔中，而泵2排出的油液进入液压缸右腔。液压缸在压力差作用下向左运动。下一时刻，又将重复图1a运动过程。所以整个运动过程中，液压缸将持续向左运动。如果将2个磁致伸缩泵的驱动信号互换，可分析出此过程中液压缸将持续向右运动。

图1 作动器结构组成及工作原理

2 旋转主动阀配流过程分析

由作动器的工作原理分析可知，主动阀阀芯的旋转速度与磁致伸缩棒的驱动频率间存在匹配关系。假设阀芯两侧各有N个沟槽，阀芯旋转一周，完成N次油液配流。可以得到磁致伸缩泵的驱动频率与主动阀转速之间的关系为：

(1)

式中，N—— 单侧沟槽个数

f—— 磁致伸缩泵驱动频率，Hz

n—— 主动阀的转速，r·min-1

图2所示为旋转主动阀阀芯与阀体配合示意图，将阀芯左侧沟槽依次命名为左1沟槽、左2沟槽、……、左N沟槽；右侧沟槽依次命名为右1沟槽、右2沟槽、……、右N沟槽。

图2 旋转主动阀阀芯与阀体配合示意图

油液流经主动阀时，先后经过2个节流面，如图3所示。通流面积S1为阀芯沟槽与泵腔油口相交的面积，通流面积S2为沟槽与阀腔相交的面积。

图3 旋转主动阀通流面积示意图

阀芯旋转时，S2的大小保持不变，而S1呈周期性变化。阀芯旋转一周，共实现N次油液配流。为了描述S1的变化规律，取一个配流周期内S1变化规律进行分析，如图4所示。

将阀芯沟槽的旋转运动转化为直线运动进行分析，沟槽运动过程中泵腔油口位置保持不变，如图4所示。沟槽位于初始位置1时，此时泵腔油口不与任何一个沟槽相交，S1大小为0。随后沟槽开始运动，沟槽由位置1运动至位置2过程中，S1逐渐增大，至位置2时达到最大。接着沟槽继续运动，S1又逐渐减小，至位置3时泵腔油口不与任何一个沟槽相交，S1大小为0。然后随着沟槽的运动S1又开始增大，至位置4达到最大，最后又开始减小，至位置5减小至0。为便于分析，将这个过程中S1的变化看作是线性的。同时由于油口处于位置2和位置4时分别对应连通液压缸高压腔与低压腔。假设位置2时泵腔与液压缸高压腔相连通，定义此时S1为正值；位置4时泵腔与低压腔相连通，定义此时S1为负值，得到S1在一个周期内的变化规律，如图5所示。

图4 阀芯沟槽运动时通流面积S1变化示意图

图5 一个周期内通流面积S1变化规律

3 作动器调速方案设计

综合考虑磁致伸缩材料的输出特性与主动阀配流的工作特性，提出了3种作动器调速方案：调频调速、调相调速以及调幅调速。接下来将具体介绍并分析这3种调速方案。

3.1 调频调速

调频调速指通过改变驱动信号频率的方式实现作动器输出流量的调节。驱动信号的频率变化后，相同时间内磁致伸缩泵吸排油的次数增加或减小，进而改变作动器的输出流量。这个过程中，阀芯转速需根据驱动频率的变化对应实时改变。如图6中虚线所示，当驱动频率加倍时，相同时间内通流面积S1变化次数加倍。相应地，磁致伸缩棒往复运动次数增加1倍。配流次数对应增加，作动器输出流量随之增大。

图6 频率加倍后通流面积变化规律

当沟槽数N为6时，对不同频率下作动器对应最大输出流量进行实验测试，结果如图7所示。

图7 不同频率下作动器最大输出流量曲线图

可以看出，一定频率范围内增加驱动频率能够有效提高作动器输出流量。所以改变驱动频率能够对作动器输出流量进行调节。

3.2 调相调速

调相调速指通过改变驱动信号相位角实现作动器输出流量的调节。图8为不同驱动信号相位角下磁致伸缩泵吸排油状态与通流面积S1的匹配关系。

相位角为最佳相位角时，从图8a中可看出当通流面积S1为正时，磁致伸缩泵始终处于排油阶段，即泵腔持续排油至液压缸高压腔中(阶段1)；而当通流面积S1为负时，磁致伸缩泵始终处于吸油阶段，即泵腔持续从液压缸低压腔吸油(阶段2)。这样的匹配关系使得液压缸的输出流量最大。改变驱动信号相位角为非最佳相位角时，从图8b中可以看出磁致伸缩泵在吸油或排油阶段中先后与液压缸两腔相连通。图中阴影部分代表阶段1中泵腔排入液压缸高压腔的部分油液在阶段2中又被吸入泵腔中。最终表现为液压缸输出位移减小，极限情况下液压缸将没有位移输出。而当相位角与最佳相位角的差为180 °时，磁致伸缩泵与通流面积的匹配关系正好与图8a相反，即液压缸反向输出流量最大。所以，改变驱动信号相位角也能够实现作动器输出流量的改变。

图8 不同相位角磁致伸缩泵吸排油状态与 通流面积间的匹配关系

当改变相位角为非最佳相位角时，从图8b中可以看出磁致伸缩泵在吸油或排油阶段中先后与液压缸两腔相连通。图中阴影部分代表阶段1中泵腔排入液压缸高压腔的部分油液在阶段2中又被吸入泵腔中。最终表现为液压缸输出位移减小，极限情况下液压缸将没有位移输出。而当相位角与最佳相位角的差为180°时，磁致伸缩泵吸排油状态与通流面积的匹配关系正好与图8a相反，即液压缸反向输出流量最大。所以，改变驱动信号相位角也能够实现作动器输出流量的改变。

3.3 调幅调速

调幅调速指通过改变驱动信号幅值实现作动器输出流量的调节。相位角为最佳相位角情况下，改变驱动电流的幅值，线圈产生的磁场强度改变，使得磁致伸缩棒往复运动的行程不断变化。进而改变了磁致伸缩泵腔活塞位移幅值，最终影响每一次吸入或排出油液的体积。以排油阶段为例，图9为不同驱动信号幅值泵腔排油状态示意图。

对比分析图9a与图9b可以看出，减小驱动信号幅值后，排油阶段相同时间内排出油液体积减小。作动器的输出流量相应减小，即实现了作动器输出流量的改变。

3.4 调速方案分析对比

调频调速过程中，由于阀芯转速和驱动信号频率存在着匹配关系， 所以当驱动频率变化时电机的转速需要根据驱动频率的变化实时改变。调速过程中，要求电机频繁地加速或者减速以满足相应频率的需求，实现难度较大。一方面，过大的加速度会引起电机发热等一系列问题；另一方面，电机的加速减速时间决定了其难以快速准确地达到期望的速度，会阀芯转速造成与磁致伸缩棒运动的不匹配，影响作动器流量输出。

图9 不同幅值下泵腔排油状态示意图

调相调速与调幅调速相对比，相同点为2种调速方法均不需要改变驱动信号频率，即不需要实时改变电机转速。而两者的不同点在于，对比调幅调速，调相调速驱动信号幅值不变，即磁致伸缩泵每次吸入或排出的油液体积均为固定值。调幅调速能够根据信号指令调节每次吸入或排出油液的体积，而且相位角始终为最佳相位角。这样的设计使得调幅调速相较于调相调速，系统能耗更少，更加节能。而且采用调幅调速，由于相位角为最佳相位角，作动器输出运动更加平稳。

4 作动器位移跟踪实验研究

结合作动器工作原理分析，作动器工作过程中，某一时刻将两路驱动信号互换，即改变磁致伸缩泵驱动信号相位角(±180°)，就可以改变磁致伸缩棒的伸缩运动状态，实现作动器运动方向的改变(调相换向)。而在对比分析3种调速方案后，调幅调速由于其实现条件简单，而且输出位移平稳、节能等优势。故最终选择调幅调速与调相换向结合的方式设计作动器位置控制方案，实现作动器位置的伺服控制。搭建如图10所示实验平台进行实验验证。

输入指令信号为幅值3 mm，频率4 Hz的正弦位移信号，作动器的输出位移如图11所示。从图中可以看出，作动器能够在不使用换向阀的条件下较好地实现位移跟踪。作动器输出位移与输入指令位移间的相对误差为0.87%，均方根误差为0.18 mm，极差为0.96 mm。

图10 作动器位移跟踪实验平台

图11 作动器位移跟踪曲线

5 结论

基于一种旋转主动阀配流的磁致伸缩作动器，介绍了其结构以及工作原理。依据其运动特性，设计并分析了3种调速方案。选择调幅调速与调相换向结合的方式来实现作动器位置的伺服控制，并进行了相关实验验证。主要结论如下：

(1) 基于主动阀配流磁致伸缩作动器结构特点，分析了其工作原理。同时重点分析了工作过程中，阀芯2个节流面的通流面积变化规律；

(2) 依据磁致伸缩材料的输出特性与主动阀配流的工作特性，设计了3种作动器调速方案。将3种调速方案的优点与劣势进行对比分析，最终选用调幅调速作为作动器调速方案；

(3) 结合调幅调速与调相换向设计了作动器位置控制方案，并搭建实验平台进行了实验验证。结果表明，设计的方案能够使作动器实现闭环位移跟踪，且跟踪幅值3 mm频率4 Hz正弦位移时相对误差为0.87%。