超磁致伸縮致動(dòng)器的脈沖噴射開關(guān)閥建模與仿真

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)線圈和terfenol-d的形狀尺寸,改善以超磁致伸縮材料terfenol-d為主動(dòng)材料的高速開關(guān)閥的性能.選擇合適的漆包線線徑以降低線圈電阻;優(yōu)化線圈形狀函數(shù)以提高線圈的磁場生成能力;改善terfenol-d的尺寸來降低磁通路徑的磁阻,減小渦流損耗,提高致動(dòng)器的磁場利用率;兼顧提高致動(dòng)器的能量轉(zhuǎn)換效率,提出優(yōu)化設(shè)計(jì)超磁致伸縮致動(dòng)器的規(guī)律.兩個(gè)致動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性.

利用hammerstein模型對(duì)超磁致伸縮作動(dòng)器(gma,giantmagnetostrictiveactuators)進(jìn)行建模,分別以改進(jìn)的prandtl-ishlinskii(mpi,modifiedprandtl-ishlinskii)模型和外因輸入自回歸模型(arx,autoregressivemodelwithexogenousinput)代表hammerstein模型中的靜態(tài)非線性部分和線性動(dòng)態(tài)部分,并給出了模型的辨識(shí)方法.此模型能在1~100hz頻率范圍內(nèi)較好地描述gma的率相關(guān)遲滯非線性特性.提出了前饋逆補(bǔ)償和比例-微分-積分(pid,proportional-integral-derivative)反饋相結(jié)合的復(fù)合控制策略.實(shí)時(shí)跟蹤幅值為16μm的單一頻率和復(fù)合頻率正弦參考輸入信號(hào),均方根誤差小于1μm,相對(duì)誤差小于10%,證明了控制策略的有效性.

本文提出了用超磁致伸縮材料與壓曲放大機(jī)構(gòu)相結(jié)合構(gòu)成微位移驅(qū)動(dòng)器的方法,建立了超磁致伸縮執(zhí)行器的控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型。文中對(duì)所建立的系統(tǒng)進(jìn)行了相頻和幅頻特性的理論分析和實(shí)驗(yàn),合理地解釋了此系統(tǒng)的遲滯曲線隨輸入信號(hào)頻率變化的原因。為了進(jìn)行遲滯非線性補(bǔ)償,提出了相位補(bǔ)償與遲滯逆模型相結(jié)合來補(bǔ)償遲滯特性的控制方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了系統(tǒng)理論模型的準(zhǔn)確性和補(bǔ)償控制方法的有效性。

提出一種基于超磁致伸縮轉(zhuǎn)換器的新型直動(dòng)式高頻電液伺服閥(gmm高頻伺服閥),介紹了gmm高頻伺服閥的結(jié)構(gòu)組成和工作原理,在建立其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了amesim仿真模型,仿真分析供油壓力、閥芯與閥套間的徑向間隙、閥芯圓角、等效質(zhì)量、阻尼系數(shù)和液動(dòng)力等不同參數(shù)對(duì)伺服閥輸出流量和動(dòng)態(tài)特性的影響。仿真結(jié)果表明:gmm高頻伺服閥在10mpa供油壓力下,輸出流量可達(dá)6.09l/min,上升時(shí)間僅為0.5ms,超調(diào)量為11.3%,具有良好的靜動(dòng)態(tài)特性;徑向間隙大于24μm時(shí),對(duì)伺服閥的輸出流量和動(dòng)態(tài)特性影響較大;減小等效質(zhì)量、增大阻尼系數(shù)、閥芯保持銳邊,可以提高伺服閥的動(dòng)態(tài)特性;供油壓力和液動(dòng)力對(duì)伺服閥動(dòng)態(tài)特性無顯著影響。仿真結(jié)果為gmm高頻伺服閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

設(shè)計(jì)一種超磁致伸縮噴油器,其特點(diǎn)為超磁致伸縮致動(dòng)器直接驅(qū)動(dòng)針閥。將整個(gè)系統(tǒng)視為單自由度線性系統(tǒng),建立了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程,求解得到無針閥閥體撞擊時(shí)的閥口開度表達(dá)式。利用初速度分析了撞擊對(duì)閥口開度的影響,并分析了靜止位置和頻率比兩個(gè)可控參數(shù)的影響。得到穩(wěn)態(tài)平衡位置要略低于靜止位置,才能保證針閥無激勵(lì)時(shí)可靠關(guān)閉;頻率比高于5時(shí),棒伸長量的95%都用于開啟閥口的結(jié)論。

設(shè)計(jì)了超磁致伸縮致動(dòng)器(gma),對(duì)線圈尺寸及繞線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),并測試了超磁致伸縮致動(dòng)器的靜、動(dòng)態(tài)特性。在分析超磁致伸縮材料特性的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了gma基本結(jié)構(gòu),并確定了偏置磁場的加載方式。研究了線圈尺寸參數(shù)對(duì)線圈軸線上磁場分布和線圈的電-磁轉(zhuǎn)換效率兩方面的影響,優(yōu)化設(shè)計(jì)了線圈的尺寸;提出了線圈功耗表達(dá)式并分析了繞線直徑對(duì)功耗的影響,擇優(yōu)選取了繞線。實(shí)驗(yàn)表明gma具有較好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性,且gma工作特性與設(shè)計(jì)參數(shù)相吻合,證明了線圈優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性。

對(duì)超磁致伸縮致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如驅(qū)動(dòng)磁場、偏置磁場、預(yù)壓結(jié)構(gòu)、水冷機(jī)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計(jì),利用致動(dòng)器加工實(shí)物,完成致動(dòng)器的靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn),獲得不同預(yù)壓力和驅(qū)動(dòng)磁場強(qiáng)度下的致動(dòng)器輸出位移曲線,并得到了最優(yōu)參數(shù)。

介紹電液伺服閥用超磁致伸縮轉(zhuǎn)換器(gma)的結(jié)構(gòu)和工作原理;在建立轉(zhuǎn)換器數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,構(gòu)建轉(zhuǎn)換器的amesim仿真模型,分析阻尼系數(shù)、等效質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)頻率和gmm棒剛度系數(shù)等不同參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)特性和輸出位移的影響。仿真結(jié)果表明:增大阻尼系數(shù),減小等效質(zhì)量,可以提高轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)特性;減小驅(qū)動(dòng)頻率和gmm棒剛度系數(shù),可以增加轉(zhuǎn)換器的輸出位移。仿真結(jié)果為電液伺服閥用超磁致伸縮轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

對(duì)基于超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的高速液壓開關(guān)閥進(jìn)行了初步的研究，設(shè)計(jì)了單和雙聯(lián)錐體式閥芯的高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)，還對(duì)這種閥的主要性能參數(shù)做了簡要分析。

針對(duì)所設(shè)計(jì)的超磁致伸縮致高速響應(yīng)電磁開關(guān)閥(gmv)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析。采用amesim軟件建立超磁致伸縮高速響應(yīng)電磁開關(guān)閥模型,在模型下仿真分析了不同占空比、不同工作頻率下pwm信號(hào)、電流、閥芯位移的關(guān)系,同時(shí)分析了不同占空比、不同壓力、不同電流對(duì)gmv流量的影響。通過仿真結(jié)果提出改進(jìn)方法,找到最適合超磁致伸縮高速響應(yīng)電磁閥設(shè)計(jì)要求的占空比和流體壓力。

提出了射流伺服閥用超磁致伸縮執(zhí)行器結(jié)構(gòu),采用磁場有限元法分析了超磁致伸縮執(zhí)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)超磁致伸縮棒內(nèi)磁場分布的影響機(jī)理,給出了超磁致伸縮執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則。推導(dǎo)出考慮超磁致伸縮棒內(nèi)磁場分布不均勻時(shí)驅(qū)動(dòng)磁場與執(zhí)行器輸出位移的關(guān)系方程式,并通過仿真與實(shí)驗(yàn)研究揭示了超磁致伸縮棒內(nèi)磁場分布不均勻性對(duì)超磁致伸縮執(zhí)行器位移輸出的影響規(guī)律,最后求出所設(shè)計(jì)超磁致伸縮執(zhí)行器漏磁系數(shù)約為1.4.

超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器具有響應(yīng)快、輸出應(yīng)變大、機(jī)電轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn),但因受超磁致伸縮材料內(nèi)在的磁滯效應(yīng)與磁-機(jī)耦合效應(yīng)等因素影響,導(dǎo)致其輸出位移存在較大滯環(huán),大大降低了驅(qū)動(dòng)器的輸出位移精度,也影響了該材料及其致動(dòng)器更廣泛的應(yīng)用。為了有效地設(shè)計(jì)和使用超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器,需要建立準(zhǔn)確描述其磁滯非線性的數(shù)學(xué)模型。在經(jīng)典preisach模型的基礎(chǔ)上建立了超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的preisach磁滯數(shù)值模型,并通過對(duì)preisach限制三角形的離散劃分,依賴大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)了該模型的參數(shù),并進(jìn)行了超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器磁滯輸出實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該preisach磁滯模型能較好地描述準(zhǔn)靜態(tài)下超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器的磁滯現(xiàn)象,對(duì)指導(dǎo)超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器位移精度的提高具有一定意義。

超磁致伸縮換能器工作的同時(shí)受到機(jī)械力場和電磁場的雙重作用,特性必然受機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源特性的雙重影響,為尋找最佳的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源特性參數(shù),必須建模研究。本文討論了超磁致伸縮換能器的建模方法,為換能器的設(shè)計(jì)、研究提供借鑒。

超磁致伸縮換能器工作時(shí)同時(shí)受機(jī)械力場和電磁場的雙重作用,特性必然受機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源特性的雙重影響,為尋找最佳的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和電源特性參數(shù),必須建模研究。討論超磁致伸縮換能器的建模方法,為換能器的設(shè)計(jì)、研究提供借鑒。

概述超磁致伸縮換能器的結(jié)構(gòu)、工作原理以及動(dòng)態(tài)特性的建模方法,并結(jié)合自行研制的換能器建立起仿真模型,有利于指導(dǎo)換能器的設(shè)計(jì)研究。

針對(duì)目前電液高速開關(guān)閥脈寬調(diào)制頻率不高,新型電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置效率較低的現(xiàn)狀,研制了一種基于超磁致伸縮材料驅(qū)動(dòng)的新型電液高速開關(guān)閥。介紹了其組成和工作原理,并研究了該閥的靜、動(dòng)態(tài)特性。實(shí)驗(yàn)研究表明,采用超磁致伸縮材料作為新型閥的電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置,不僅可以獲得較大的閥芯位移,而且使閥的結(jié)構(gòu)簡化,易于控制,可獲得很高的脈寬調(diào)制頻率和能量轉(zhuǎn)換效率。

論述了超磁致伸縮作動(dòng)器的基本原理,根據(jù)三種偏置磁場優(yōu)缺點(diǎn),選用增加單獨(dú)線圈產(chǎn)生偏置磁場。在磁路分析的基礎(chǔ)上,采用有限元仿真的方法,分析了不同參數(shù)和結(jié)構(gòu)對(duì)各個(gè)組成部分的磁場影響。

文章介紹了一種新型的液壓高速開關(guān)閥,它采用了超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器和錐體式閥芯結(jié)構(gòu)。該閥具有很高的切換速度和頻率,可以用來作為大流量高速開關(guān)閥的先導(dǎo)控制閥,也可以在小流量回路中直接作為控制閥使用。

雙金屬熱致動(dòng)器通過加熱使得驅(qū)動(dòng)元件本身的溫度升高,結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力,導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生線性應(yīng)變,從而達(dá)到驅(qū)動(dòng)目的.分析了雙金屬熱致動(dòng)原理,經(jīng)過理論建模與matlab軟件仿真,給出了雙金屬片的形變位移與懸臂梁長度、結(jié)構(gòu)厚度、兩種材料熱膨脹系數(shù)差、溫度變化量以及材料彈性模量與懸臂梁寬度的具體關(guān)系,根據(jù)仿真結(jié)果,后兩者的變化對(duì)其形變大小影響不大.所得結(jié)論為雙金屬熱致動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)的理論依據(jù).

針對(duì)超磁致伸縮微位移驅(qū)動(dòng)器(gma)的非線性遲滯特性,通過密度函數(shù)法和f函數(shù)法建立gma的兩種preisach數(shù)值模型,仿真和試驗(yàn)表明f函數(shù)法對(duì)滯回曲線的預(yù)測效果優(yōu)于密度函數(shù)法。為將preisach數(shù)值模型應(yīng)用于gma的實(shí)際控制系統(tǒng),提出一種preisach實(shí)時(shí)數(shù)字補(bǔ)償算法,建立基于preisach前饋補(bǔ)償?shù)膒id控制模型,分別采用開環(huán)、普通pid和帶preisach前饋補(bǔ)償?shù)膒id三種控制器對(duì)gma的位置跟蹤和軌跡跟蹤兩種控制問題進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果表明帶preisach前饋補(bǔ)償?shù)膒id控制器可顯著提高gma的響應(yīng)速度和跟蹤精度,使gma在100μm量程內(nèi)的位置跟蹤和軌跡跟蹤誤差分別達(dá)到3μm、2μm。

稀土超磁致伸縮換能器是一種新型的可控震源。本論文針對(duì)稀土超磁致伸縮換能器并結(jié)合淺層地震勘探的特點(diǎn),研制了稀土超磁致伸縮換能器驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器由計(jì)算機(jī)pci總線fpga信號(hào)發(fā)射卡、igbt驅(qū)動(dòng)器、igbt逆變器及電源組成。由該驅(qū)動(dòng)器和稀土超磁致伸縮換能器組成震源系統(tǒng),將其應(yīng)用于淺層地震勘探模型試驗(yàn)中,取得了良好的效果。

結(jié)合磁致伸縮致動(dòng)器的磁場與溫度場的耦合關(guān)系,設(shè)計(jì)一種端部冷卻式磁致伸縮致動(dòng)器,在取線圈內(nèi)半徑9mm,外半徑45mm的情況下,磁場中心強(qiáng)度可以達(dá)到77ka/m,距離中心25mm處,即磁致伸縮棒兩端磁場強(qiáng)度約67ka/m,距離冷卻端最遠(yuǎn)的骨架上端面與冷卻端溫差不超過10℃。用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行檢驗(yàn),符合磁致伸縮致動(dòng)器的基本要求。