超磁致伸缩直动式高频电液伺服阀的建模与动态仿真研究

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2013年 1O月第4l卷 第 19期机床与液压MACHINE TOOL& HYDRAULICSOct．2013Vol|41 No．19DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．19．004超磁致伸缩直动式高频电液伺服阀的建模与动态仿真研究王传礼，吴晓磊，周禾清，高霞，黄宇(安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001)摘要：提出一种基于超磁致伸缩转换器的新型直动式高频电液伺服阀 (GMM高频伺服阀)，介绍了GMM高频伺服阀的结构组成和工作原理，在建立其数学模型的基础上，构建了AMESim仿真模型，仿真分析供油压力、阀芯与阀套间的径向间隙、阀芯圆角、等效质量、阻尼系数和液动力等不同参数对伺服阀输出流量和动态特性的影响。仿真结果表明：GMM高频伺服阀在 10 MPa供油压力下，输出流量可达6．09 L／min，上升时间仅为0．5 ms，超调量为 11．3％，具有良好的静动态特性；径向间隙大于24 m时，对伺服阀的输出流量和动态特性影响较大；减小等效质量、增大阻尼系数、阀芯保持锐边，可以提高伺服阀的动态特性；供油压力和液动力对伺服阀动态特性无显著影响。仿真结果为 GMM高频伺服阀的结构设计和结构参数优化提供了理论依据。

关键词：超磁致伸缩；直动式；高频伺服阀；动态特性中图分类号：TH137．5 文献标识码：A 文章编号：1001—3881(2013)19—015—3Research on Modeling and Dynamic Simulation of Giant Magnetostrictive DirectDriven High Frequency Electro·hydraulic Servo ValveWANG Chuanli，WU Xiaolei，ZHOU Heqing，GAO Xia，HUANG Yu(Department of Mechanical Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001．China)Abstract：A new direct driven high frequency electro-hydraulic servo valve(GMM high frequency servo valve)was presentedbased on giant magnetostrictive actuator．The structure composition and working principle of GMM high frequency servo valve were in—troduced．The AMESim simulation model was established based on the mathematic mode1．The influences of oil supply pressure，radi—cal clearance between valve spool and valve sleeve，filet of valve spool，equivalent mass，damping coeficient and flow force on theoutput flow and dynamic characteristics were investigated through simulation．The simulation results show that the output flow，risetime，overshoot of GMM high frequency servo valve are respectively 6．09 L／min，0．5 ms and 11．3％ ，which means the servo valvehas good static and dynam ic characteristics．The radical clearance has a great effect on the output flow and dynamic characteristicswhen it is greater than 24 m．The dynamic characteristics of servo valve can be improved by reducing equivalent mass，increasingdamping coeficient and keeping edges of valve spool sharp．Oil supply pressure and flow force have no effect on dynamic characteristicsof senr0 valve．Th e simulation results provide theoretical basis for structural design and structural param eter optimization of GMM highfrequency ser、，o valve.

Keywords：Giant magnetostrictive；Direct driven type；High frequency servo valve；Dynamic characteristics稀土超磁致伸缩材料 (GMM)是近年来应用广泛的一种新型功能材料，能有效实现电一磁一机械能量的可逆转化，具有磁致伸缩应变大、响应速度快、输出力大、磁机耦合系数大和能量密度高等优点 ，已广泛应用于换能器、流体元件、传感器、微机电系统、超精密控制、蠕动机械和机器人等领域 。 。采用 GMM研制的电 一机转换器具有响应快、精度高、频宽高和输出力大等优点，利用其取代力矩马达、力马达等传统的电一机转换器应用于电液伺服阀，将提高伺服阀的响应速度、精度和频宽等。

目前广泛应用的电液伺服阀主要是两级或多级式的喷嘴挡板阀和射流阀，不过存在着结构复杂、频宽低、响应慢、抗污染能力差等缺点，因此直动式高频电液伺服阀的研究开发成为了近年来的研究热点。作者设计了超磁致伸缩直动式高频电液伺服阀，建立了其数学模型和AMESim仿真模型，分析了供油压力、径向间隙、阀芯圆角、等效质量、系统阻尼系数和液动力等不同参数对其输出流量和动态特性的影响，为收稿 日期 ：2012—09—28基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51075001)；安徽省高校自然科学研究重点项目 (KJ2012A092)作者简介：王传礼 (1964一)，男，工学博士，教授，主要从事流体传动与控制技术及新型功能材料的应用研究。通信作者 ：吴晓磊 ，E—mail：xlwu2###163．eom。

· 16· 机床与液压 第41卷GMM高频伺服阀的结构参数优化提供了理论依据。

1 结构组成与工作原理GMM高频伺服阀的结构如图 1所示 ，阀芯采用滑阀式结构，由超磁致伸缩转换器的输出杆直接驱动 ，位移传感器与伺服阀的位移输出装置连接 ，实现阀芯位移的测量及反馈。当偏置线圈通入适当电流，引起磁场变化，驱动 GMM棒产生相应的输出位移，使阀芯处于零位。当驱动线圈通入适当电流，使GMM转换器输出相应位移，驱动阀芯运动，使伺服阀输出相应流量。

2 3 4 S 6 7 R 9 10 I1 12 13 l4 15 16 171一前端盖 2一导磁杆 卜 热补偿滑块 4一导磁环 5--线圈骨架6_' MM棒 7一保护衬 8一驱动线圈 9～偏置线圈 1O一外壳ll一输出杆 l卜 后端盖 13一阀体 l4一 阀芯 15一预压弹簧l6一传感器组件 l7一壳体图1 GMM高频伺服阀结构原理图2 数学模型GMM高频伺服阀利用 GMM转换器直接驱动阀芯 ，因此 GMM转换器的输出位移即为阀芯位移 ，其数学模型可用如下方程描述 一 ：电路方程为：．：肌 (1)式中：“ 、R、i、L分别为激励线圈的输入电压、电阻、电流和电感；t为时间。

磁通方程为：= (Ni(t)+x／d， )／尺 (2)式中：西为激励磁通；N为激励线圈匝数； 为 GMM棒输出位移，即阀芯位移；d躬为 GMM棒 的压磁常数；R 为磁路磁阻， 一 ，J。

考虑涡流影响时，磁致伸缩力方程为：F=4)k／d (3)式中：F为磁致伸缩力 ；k为涡流常数 ，k=28／r，6为涡流集肤深度，r为GMM棒半径。

力平衡方程为：m 柏 “ t FI．Y+F w (4)式中：m 为等效质量；B为阻尼系数；k 为等效刚度系数；F 为作用在阀芯上的液动力，F ：K +B dx ／dt，K 为稳态液动力刚度， 为阀芯位移 ，B为瞬态液动力阻尼系数；F ． 为任意负载力。

输出流量方程为 ：Q=cdWx ~／(p -pL)／p (5)式中：Q为输 出流量 ；c 为流量系数；w为面积梯度，w：xrd ，d 为阀芯直径；P 为供油压力；P 为负载压力；P为油液密度。

3 AMESim仿真模型根据 GMM高频伺服阀的数学模型和结构组成，建立其 AMESim仿真模型，如图2所示。其中电 一磁 一机械部分为超磁致伸缩转换器的模型，液压部分为滑阀模型。

图2 GMM高频伺服阀的 AMESim仿真模型4 仿真结果与分析用图2建立的仿真模型，设置好 GMM高频伺服阀的相关参数进行仿真，研究不同参数对其输出流量和动态特性的影响，以优化GMM高频伺服阀的结构参数。

4．1 供 油压力的影响仿真时供油压力P 分别设为8、10和 12 MPa，研究供油压力对 GMM高频伺服阀输出流量和动态特性的影响。图3为不同供油压力时伺服阀输出流量 Q的仿真结果。

从 图 3可 以看 出：与lO MPa相比，p =8喜：MPa时的稳态输出流量降低 7了 2 L／min，超 调 量 由 6第 19期 王传礼 等：超磁致伸缩直动式高频电液伺服阀的建模与动态仿真研究 。17·4．2 径向间隙的影响GMM高频伺服阀的阀套与阀芯之间存在径向间隙 ，以保证阀芯能在阀套内滑动 自如，径 向间隙直接影响伺服阀的性能。仿真时径向间隙分别设为6、12、24和 48 m，图 4为不同径向间隙时伺服阀输出流量 p的仿真结果。

．1 6．565．5蚓媛 5嚣 -54— · =6 ltm0 0．5 1 1．5 2 2．5 3时间／ms图4 不同径向间隙时的仿真结果从 图 4可 以看 出：与6=6 p,m相比，6：12 Lm时的伺服阀的输出流量、超调量和上升时间等几乎没有变化；6：24 m时的输出流量降低 3％，超调量由 11．3％增大到 14％；6=48 m时的输出流量降低 13％，超调量由11．3％增大到 18．1％。可见当径向间隙小于24 m时，对伺服阀的静动态特性影响较小；当径向间隙大于24m时，随着径向间隙的增大伺服阀的稳态输出流量下降较快，超调量上升较多。这是由于当径向间隙增大时 ，伺服阀的径向间隙泄漏量增大 ，造成伺服阀的输出流量下降，因此阀芯和阀套的配合精度要求很高。

4．3 阀芯圆角的影响仿真时阀芯圆角半径分别设为0、3和6 m，研 i。

究阀芯圆角半径对 GMM高频伺服阀输出流量和动态特性的影响，图5为不同墓4阀芯圆角半径时伺服阀输出流量 Q的仿真结果。

从 图 5可 以看 出：与 图5 不同阀芯圆角半径，：0相比，r：3 m时的稳 时的仿真结果态输出流量降低 18．1％；r=6txm时的稳态输出流量降低23．2％；超调量和上升时间均有下降。可见阀芯倒圆角严重影响伺服阀的静动态特性，阀芯应严格保持锐边。

4．4 等效质量的影响等效质量 m 是 GMM棒质量、输出杆质量和阀芯质量的综合。仿真时等效 质 量分 别 设 为 0．25、0．35、0．5 kg，图6为不同等效质量时 GMM高频伺服阀输出流量 Q的仿真结果 。

从 图 6可 以看 出：与图6 不同等效质量时的仿真结果m =0．35 kg相比，m ：0．25 kg时的稳态输出流量变化不大，超调量由11．3％下降到4．2％，上升时间由0．5 ms下降到 0．46 ms；m =0．5 kg时的超调量由11．3％增大到 19．6％，上升 时间由 0．5 ms增加到0．53 lq'ls。可见减小等效质量，系统超调量降低，上升时间减小，伺服阀的动态特性明显提高。这是由于减小等效质量，造成系统的阻尼比减小。

4．5 系统 阻尼 系数的影响量Q的仿真结果。 图7 不同系统阻尼系数从图 7可 以看 出：与 时的仿真结果B=2 000 N·s／m相比，B=1 500 N·s／m时的稳态输出流量变化不大，均为 6．09 L／min，超调量 由11．3％增大到 22．3％，上升 时间 由 0．5 ms下降到0．43 ms；B=2 500 N·s／m时的超调量 由 11．3％下降到4．1％ ，上升时间由0．5 ms增大到0．6 ms。可见增大阻尼系数可降低系统的超调量，不过系统响应时间却增大，对稳态输出流量无影响。

4．6 液动力的影响液动力是 阀芯 在运动过程 中由于油液动量变化而产生的运动阻力。仿真时设以下 3种情况：不计液动力、液动力部分补偿、液动力完全补偿。图 8为不同液动力时 GMM高频伺服阀输出流量 Q的仿真结果 。

图8 不同液动力时的仿真结果从图8可以看出：液动力对伺服阀的输出流量、超调量、上升时间等几乎没有影响。这是由于该伺服阀的液动力为5 N左右，而超磁致伸缩转换器的输出力为990 N左右，液动力对转换器的输出力几乎没有影响，因此设计阀芯时可 以不考虑液动力 的补偿问题。

5 结论(1)GMM高频伺服阀在 10 MPa供油压力下，输出流量可达6．09 L／rain，上升时间仅为0．5 ms，超调量达 11．3％，可见 GMM高频伺服阀具有良好的静动态特性。

(下转第21页)第 19期 崔皆凡 等：基于PSD算法的神经元PID多电机同步控制 ·21·i曼0 0．05 0．1 0．15 0．2 0．25 0．3 0．35 0．4 0．45 0．5时间，s时间，s(c2)电机1与电机30 0‘05 0‘ 0‘l5 仉2 爵 s 0‘3 玑35 0‘4 0。45 0‘5(c3)电机2与电椰 (c1基于PSD算法的多电机神经元PID同步控制图4 电机间同步误差曲线仿真结果分析如表 1所示。

表 1 3种算法在不同运行状态下的控制精度 ％5 结论设计了基于 PSD算法的神经元 PID控制器，弥补了神经元PID控制器中增益 K在系统出现扰动的控制过程 中不能在线实时调整的不足。通过对常规PID多电机同步控制系统、神经元 PID多电机同步控制系统和基于 PSD算法的神经元 PID的多电机同步控制系统的仿真，其结果表明引进 PSD算法的多电机神经元 PID同步控制系统不仅具有神经元自学习的能力，而且神经元增益K的自调整使整个多电机同步控制系统的自学习能力更强，鲁棒性更好，理论上达到了提高电机间的同步控制精度的目的。

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(上接第17页)(2)径向间隙大于24 m时，伺服阀的输出流量下降较快，超调量增大较多，对伺服阀的静动态特性影响较大；减小等效质量、增大系统阻尼系数，伺服阀的超调量下降，稳态调整时间减小，伺服阀的动态特性显著提高；阀芯圆角会降低伺服阀的稳态输出流量和动态特性；供油压力和液动力对伺服阀的动态特性没有显著影响。

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