电液伺服阀用超磁致伸缩转换器的建模与动态仿真研究

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Research on Modeling and Dynamic Simulation of Giant MagnetostrictiveActuator for Electro-hydraulic Servo valveWU Xiaolei，ZHOU Heqing，HUANG Yu，WANG Chuanli(Department of Mechanical Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan Anhui 232001，China)Abstract：The basic structure and working principle of giant magnetostrictive actuator for electro-hydraulic senro valve were in-troduced.The AMESim simulation model of the actuator was established based on the mathematic mode1.The influences of dampingcoefficient，equivalent mass，driving frequency，equivalent stifness coeficient of GMM rod and other structure parameters on the dy-namic characteristics and output displacement of actuator were investigated through simulation.Th e simulation results show that the dy-namic characteristics of GMA can be improved by increasing the damping coeficient and reducing the equivalent mass，the output dis-placement of GMA can be increased by reducing the driving frequency and equivalent stifness coeficient of GMM rod.The results pro-vide theoretical basis for the structural parameter optimization of GMA。

Keywords：Giant magnetostrictive；Actuator；Electro-hydraulic sen 0 valve；Dynamic characteristics；Simulation稀土超磁致伸缩材料 (GMM)是-种能实现电-磁 -机械能量可逆转化的新型功能材料，具有磁机耦合系数大、磁致伸缩应变大、能量密度高、响应速度快和输出力大等诸多优点” ，已广泛应用于机器人、微定位机构、传感器、流体元件以及微机电系统等诸多领域 。

采用 GMM研制的新型电液伺服阀与传统的电液伺服阀相比，具有响应快、精度高、稳定性好等优点。电液伺服阀用超磁致伸缩转换器作为连接电气元件和液压机械元件的桥梁，对新型电液伺服阀的性能有至关重要的影响，因此研究 GMA结构参数对其动态特性的影响具有重要意义。文中建立了电液伺服阀用超磁致伸缩转换器的AMESim仿真模型，分析了阻尼系数、等效质量、驱动频率和GMM棒刚度系数等主要参数对其动态特性和输出位移的影响，为电液伺服阀用GMA的结构参数优化提供了理论依据。

1 电液伺服阀GMA结构与工作原理电液伺服阀用超磁致伸缩转换器的结构如图 1所示 。

1-调节螺钉 2-前导磁环 3-前端盖 4-外壳 5-线圈骨架6-驱动线圈和偏景线圈 -GMM棒 8-后导磁环 9-输出杆1O-预压弹簧 Il-后端盖图 1 GMA的结构原理图当驱动线圈通入-定的电流引起磁场的变化时，收稿日期：2011-11-30基金项目：国家 自然科学基金资助项目 (51075001)；安徽省 自然科学基金资助项目 (070414268x)作者简介：吴晓磊 (1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向为流体传动与控制。E-mail：xlwu2###163.tom。

第 1期 吴晓磊 等：电液伺服阀用超磁致伸缩转换器的建模与动态仿真研究 ·129·GMM棒产生相应的输出位移，实现GMA电磁能与机械能之间的转换。利用偏置线圈产生的偏置磁场，可以避免倍频现象，并使 GMM棒磁致伸缩变形处于线性区域。利用由调节螺钉、输出杆和预压弹簧等组成的预压力机构，给 GMM棒施加-定的预压力，使其工作在线性区域，并可增大其磁致伸缩量，提高磁 -机转换效率。改变输入电流，GMM棒的输出位移随之发生相应的变化，因此通过控制输入电流就可以实现对转换器输出位移和输出力的控制 。

2 GMA动态数学模型假定在转换器的整个运动过程中，被驱动质量与GMM棒的自由端始终具有相同的位移、速度和加速度。利用基尔霍夫定律、达朗贝尔原理、能量守恒定律等物理学定律建立转换器的数学模型，得到转换器的磁-机耦合简化模型，如图2。

G图2 GMA的磁 -机耦合模型简图根据磁 -机耦合模型建立转换器的数学模型如下 。 ：电路方程为：M ： RiL dt磁通方程为： (Ni(t)x/d鹑)/R磁致伸缩力方程为：Fbk/d3力平衡方程为：m等邶警式中：R、i、L、N分别为驱动线圈的电阻、电流、电感和匝数； 、d B、K 分别为GMM棒的输出位移、压磁常数、阻尼系数和等效刚度系数；R 为磁路磁阻；m 为等效质量。

3 电液伺服阀GMA仿真研究3.1 GMA仿真模型根据电液伺服阀用超磁致伸缩转换器的结构、工作原理以及数学模型，在AMESim中建立转换器的仿真模型，如图3。

图3 GMA的仿真模型3.2 GMA仿真分析用图3建立的仿真模型，设置好转换器的相关参数进行仿真，分析不同参数对转换器动态特性和输出位移的影响，以优化转换器的结构参数。

(1)阻尼系数 的影响阻尼系数 是与 GMM棒的内部阻尼系数、截面积以及长度相关的量，仿真时阻尼系数分别设为2 000、3 000、4 000 N·s/m。图4为转换器在不同阻尼系数下的输出位移仿真曲线。

图4 不同阻尼时的输出位移仿真曲线从图4可以看出：阻尼系数由2 000增大到4 000N·s/m时，转换器的振荡幅度逐渐减小，稳态调整时间减小 ，超调量减小 ，由47%减小到 20%；上升时间变化不大，均在 0.2 ms左右；动态特性显著提高，输出位移无变化均为22 m∩见增大阻尼系数可以提高转换器的动态特性。

(2)等效质量的影响等 效 质 量 是 3GMM棒质量、输 出杆质量和负载质量的 目2综合，仿真时等效质 1量 分 别 设 为 0.2、0.4、0.6 kg。图5为转换器在不同等效质量下的输出位移仿真曲线。

图5 不同等效质量时的输出位移仿真曲线从图5可以看出：等效质量由0.6减小到0.2 kg时，转换器的振荡幅度逐渐减小，稳态调整时间减小，超调量下降，由40%下降到 17%；上升时间由· 130· 机床与液压 第 41卷0.22 ms减小到 0.16 ms左右 ，响应速度显著加快；整体动态特性更加优异，输出位移无变化均为22m∩见减小等效质量是提高转换器的动态特性的有效方法。

(3)涡流效应的影响GMM 转 换 器 的激励磁场是由交变驱动电流产生的，由法 目拉第电磁感应定律可知，必然会有涡流损失，随着驱动频率的增加，其对 GMM 转换器的影响越大。仿真时驱动频率分别设图6 不同驱动频率时的输出位移仿真曲线0为 100、200、300 Hz，图 6为 GMM转换器在不同驱动频率下的输出位移仿真曲线。

从图6可以看出：驱动频率由100增加到300 Hz时，转换器的输出位移减小，由 31 m减小 到 18Ixm；超调量和上升时间均变化不大，分别为30%和0.19 ms∩见驱动频率对转换器的输出位移有较大的抑制作用，而对其动态特性无显著影响。

(4)GMM棒刚度系数的影响GMM 棒 刚 度 系数是与 GMM棒 的截面积、长度以及有效 宣体积弹性模量相关 的量，仿真 时 GMM 棒刚度 系数 分 别 设 为3.7×10 、4.7×10 、5.7×10 N/m，图 7为 转 换 器 在 不 同图7 不同GMM棒刚度系数时的输出位移仿真曲线GMM棒刚度系数下的输出位移仿真曲线。

从图7可以看出：GMM棒刚度系数 由5.7×10减小到 3.7×10 N/m时，转换器的输出位移增加 ，由18 m增加到28 Ixm；超调量减小 ，由35%减小到26%，振荡幅度和稳态调整时间无变化；上升时间由0.17 ms增加到0.22 ms∩见要提高转换器的动态特性 ，增加输出位移 ，需要合理选择 GMM棒刚度系数。

4 结论(1)超磁致伸缩转换器具有响应快、输出位移大等特点，将其应用于电液伺服阀，将提高电液伺服阀的响应速度、精度等。

(2)阻尼系数和等效质量是转换器动态特性的主要影响参数，增大阻尼系数，减小等效质量，转换器的振幅逐渐减小 ，稳态调整时间减小 ，超调量下降，转换器的动态响应速度显著提高。

(3)驱动频率对转换器输出位移有较大的抑制作用，而对其动态特性无明显影响，增加驱动频率，输出位移减小，但对动态特性无影响。

(4)GMM棒等效刚度系数对转换器的输出位移和动态特性均有影响，减小 GMM棒刚度系数 ，超调量下降，响应速度变慢，输出位移显著增加。