磁致伸縮徑向雙柱塞泵驅(qū)動作動器調(diào)速方案分析

王 睿， 邰明皓， 宋昀澤， 陳 龍， 朱玉川

(南京航空航天大學機電學院， 江蘇南京 210016)

引言

智能材料如磁致伸縮材料、壓電材料等，具有響應快、控制精度高以及工作頻寬大等優(yōu)點[1-3]，能夠迅速準確地輸出微位移[4-5]。利用智能材料驅(qū)動的作動器通過不同的整流原理， 將智能材料微米級高頻位移轉換為作動器宏觀大位移、大機械力輸出，其具有結構緊湊、高度集成及輸出力大等特點[6-7]，被國內(nèi)外學者開展廣泛研究。

JIN等[8]設計一種壓電疊堆驅(qū)動的電靜液作動器，并對泵腔尺寸等進行優(yōu)化設計以獲得更大流量輸出，最大無負載輸出流量達到了1.02 L/min。楊旭磊等[9]利用膜片閥實現(xiàn)油液配流，設計了一種磁致伸縮電靜液作動器。實驗測試發(fā)現(xiàn)當驅(qū)動頻率為250 Hz時，作動器輸出流量達到最大，為0.85 L/min。類似地，GUO[10]利用膜片閥配流設計了壓電疊堆驅(qū)動的電靜液作動器。驅(qū)動頻率為275 Hz時，最大無負載流量為1.6 L/min。王振宇等[11-12]設計了一種圓柱轉閥配流的磁致伸縮電靜液作動器,并進行了實驗測試。結果顯示驅(qū)動頻率為120 Hz時作動器的最大無負載輸出流量為1.28 L/min。

現(xiàn)有文獻大多數(shù)是研究智能材料驅(qū)動電靜液作動器的輸出特性，通過結構優(yōu)化或不同的配流方式使作動器的輸出性能得到提升。但對輸出流量的調(diào)節(jié)研究較少涉及，而輸出流量的控制調(diào)節(jié)對于實現(xiàn)作動器位置控制有著重要的意義。

以一種磁致伸縮徑向雙柱塞泵驅(qū)動作動器為研究對象，基于磁致伸縮材料的輸出特性與旋轉主動閥的配流特性，設計了3種調(diào)速方案實現(xiàn)作動器輸出流量的調(diào)節(jié)。對比分析后選用調(diào)幅調(diào)速控制方案，結合調(diào)相換向設計作動器位置控制方案，并搭建實驗平臺進行了實驗驗證。

1 作動器結構及工作原理

磁致伸縮徑向雙柱塞泵驅(qū)動作動器結構以及工作原理如圖1所示。作動器主要由2個單柱塞磁致伸縮泵、旋轉主動閥閥芯、閥體、伺服電機、液壓缸以及位移傳感器組成。其中，2個磁致伸縮泵沿閥芯軸向排布。通過主動閥閥芯的轉動配合磁致伸縮棒的往復運動，完成油液配流，作動器的主要工作過程如圖1所示。

將2路正弦電流信號分別通入2個磁致伸縮泵的激勵線圈中，磁致伸縮棒在正弦磁場作用下會產(chǎn)生周期性的往復運動。磁致伸縮棒運動的同時帶動泵腔中活塞進行運動，經(jīng)主動閥配流，實現(xiàn)油液吸排。2路驅(qū)動信號相位差為180°，即1個泵在吸油狀態(tài)時，另1個泵處于排油狀態(tài)。

當閥芯旋轉到圖1a示位置(閥芯左側溝槽與液壓缸左腔相連通，右側溝槽與液壓缸右腔相連通)，此時泵1處于排油狀態(tài)，泵2處于吸油狀態(tài)。泵1排出的油液由閥芯右側溝槽流入液壓缸右腔，同時液壓缸左腔的油液經(jīng)閥芯左側溝槽被吸入至泵2泵腔中。液壓缸產(chǎn)生向左位移輸出。下一時刻，閥芯旋轉到圖1b所示位置(閥芯左側溝槽與液壓缸右腔相連通，右側溝槽與液壓缸左腔相連通)，此時泵1處于吸油狀態(tài)，泵2處于排油狀態(tài)。液壓缸左腔油液被吸入泵1泵腔中，而泵2排出的油液進入液壓缸右腔。液壓缸在壓力差作用下向左運動。下一時刻，又將重復圖1a運動過程。所以整個運動過程中，液壓缸將持續(xù)向左運動。如果將2個磁致伸縮泵的驅(qū)動信號互換，可分析出此過程中液壓缸將持續(xù)向右運動。

圖1 作動器結構組成及工作原理

2 旋轉主動閥配流過程分析

由作動器的工作原理分析可知，主動閥閥芯的旋轉速度與磁致伸縮棒的驅(qū)動頻率間存在匹配關系。假設閥芯兩側各有N個溝槽，閥芯旋轉一周，完成N次油液配流。可以得到磁致伸縮泵的驅(qū)動頻率與主動閥轉速之間的關系為：

(1)

式中，N—— 單側溝槽個數(shù)

f—— 磁致伸縮泵驅(qū)動頻率，Hz

n—— 主動閥的轉速，r·min-1

圖2所示為旋轉主動閥閥芯與閥體配合示意圖，將閥芯左側溝槽依次命名為左1溝槽、左2溝槽、……、左N溝槽；右側溝槽依次命名為右1溝槽、右2溝槽、……、右N溝槽。

圖2 旋轉主動閥閥芯與閥體配合示意圖

油液流經(jīng)主動閥時，先后經(jīng)過2個節(jié)流面，如圖3所示。通流面積S1為閥芯溝槽與泵腔油口相交的面積，通流面積S2為溝槽與閥腔相交的面積。

圖3 旋轉主動閥通流面積示意圖

閥芯旋轉時，S2的大小保持不變，而S1呈周期性變化。閥芯旋轉一周，共實現(xiàn)N次油液配流。為了描述S1的變化規(guī)律，取一個配流周期內(nèi)S1變化規(guī)律進行分析，如圖4所示。

將閥芯溝槽的旋轉運動轉化為直線運動進行分析，溝槽運動過程中泵腔油口位置保持不變，如圖4所示。溝槽位于初始位置1時，此時泵腔油口不與任何一個溝槽相交，S1大小為0。隨后溝槽開始運動，溝槽由位置1運動至位置2過程中，S1逐漸增大，至位置2時達到最大。接著溝槽繼續(xù)運動，S1又逐漸減小，至位置3時泵腔油口不與任何一個溝槽相交，S1大小為0。然后隨著溝槽的運動S1又開始增大，至位置4達到最大，最后又開始減小，至位置5減小至0。為便于分析，將這個過程中S1的變化看作是線性的。同時由于油口處于位置2和位置4時分別對應連通液壓缸高壓腔與低壓腔。假設位置2時泵腔與液壓缸高壓腔相連通，定義此時S1為正值；位置4時泵腔與低壓腔相連通，定義此時S1為負值，得到S1在一個周期內(nèi)的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖4 閥芯溝槽運動時通流面積S1變化示意圖

圖5 一個周期內(nèi)通流面積S1變化規(guī)律

3 作動器調(diào)速方案設計

綜合考慮磁致伸縮材料的輸出特性與主動閥配流的工作特性，提出了3種作動器調(diào)速方案：調(diào)頻調(diào)速、調(diào)相調(diào)速以及調(diào)幅調(diào)速。接下來將具體介紹并分析這3種調(diào)速方案。

3.1 調(diào)頻調(diào)速

調(diào)頻調(diào)速指通過改變驅(qū)動信號頻率的方式實現(xiàn)作動器輸出流量的調(diào)節(jié)。驅(qū)動信號的頻率變化后，相同時間內(nèi)磁致伸縮泵吸排油的次數(shù)增加或減小，進而改變作動器的輸出流量。這個過程中，閥芯轉速需根據(jù)驅(qū)動頻率的變化對應實時改變。如圖6中虛線所示，當驅(qū)動頻率加倍時，相同時間內(nèi)通流面積S1變化次數(shù)加倍。相應地，磁致伸縮棒往復運動次數(shù)增加1倍。配流次數(shù)對應增加，作動器輸出流量隨之增大。

圖6 頻率加倍后通流面積變化規(guī)律

當溝槽數(shù)N為6時，對不同頻率下作動器對應最大輸出流量進行實驗測試，結果如圖7所示。

圖7 不同頻率下作動器最大輸出流量曲線圖

可以看出，一定頻率范圍內(nèi)增加驅(qū)動頻率能夠有效提高作動器輸出流量。所以改變驅(qū)動頻率能夠?qū)ψ鲃悠鬏敵隽髁窟M行調(diào)節(jié)。

3.2 調(diào)相調(diào)速

調(diào)相調(diào)速指通過改變驅(qū)動信號相位角實現(xiàn)作動器輸出流量的調(diào)節(jié)。圖8為不同驅(qū)動信號相位角下磁致伸縮泵吸排油狀態(tài)與通流面積S1的匹配關系。

相位角為最佳相位角時，從圖8a中可看出當通流面積S1為正時，磁致伸縮泵始終處于排油階段，即泵腔持續(xù)排油至液壓缸高壓腔中(階段1)；而當通流面積S1為負時，磁致伸縮泵始終處于吸油階段，即泵腔持續(xù)從液壓缸低壓腔吸油(階段2)。這樣的匹配關系使得液壓缸的輸出流量最大。改變驅(qū)動信號相位角為非最佳相位角時，從圖8b中可以看出磁致伸縮泵在吸油或排油階段中先后與液壓缸兩腔相連通。圖中陰影部分代表階段1中泵腔排入液壓缸高壓腔的部分油液在階段2中又被吸入泵腔中。最終表現(xiàn)為液壓缸輸出位移減小，極限情況下液壓缸將沒有位移輸出。而當相位角與最佳相位角的差為180 °時，磁致伸縮泵與通流面積的匹配關系正好與圖8a相反，即液壓缸反向輸出流量最大。所以，改變驅(qū)動信號相位角也能夠?qū)崿F(xiàn)作動器輸出流量的改變。

圖8 不同相位角磁致伸縮泵吸排油狀態(tài)與 通流面積間的匹配關系

當改變相位角為非最佳相位角時，從圖8b中可以看出磁致伸縮泵在吸油或排油階段中先后與液壓缸兩腔相連通。圖中陰影部分代表階段1中泵腔排入液壓缸高壓腔的部分油液在階段2中又被吸入泵腔中。最終表現(xiàn)為液壓缸輸出位移減小，極限情況下液壓缸將沒有位移輸出。而當相位角與最佳相位角的差為180°時，磁致伸縮泵吸排油狀態(tài)與通流面積的匹配關系正好與圖8a相反，即液壓缸反向輸出流量最大。所以，改變驅(qū)動信號相位角也能夠?qū)崿F(xiàn)作動器輸出流量的改變。

3.3 調(diào)幅調(diào)速

調(diào)幅調(diào)速指通過改變驅(qū)動信號幅值實現(xiàn)作動器輸出流量的調(diào)節(jié)。相位角為最佳相位角情況下，改變驅(qū)動電流的幅值，線圈產(chǎn)生的磁場強度改變，使得磁致伸縮棒往復運動的行程不斷變化。進而改變了磁致伸縮泵腔活塞位移幅值，最終影響每一次吸入或排出油液的體積。以排油階段為例，圖9為不同驅(qū)動信號幅值泵腔排油狀態(tài)示意圖。

對比分析圖9a與圖9b可以看出，減小驅(qū)動信號幅值后，排油階段相同時間內(nèi)排出油液體積減小。作動器的輸出流量相應減小，即實現(xiàn)了作動器輸出流量的改變。

3.4 調(diào)速方案分析對比

調(diào)頻調(diào)速過程中，由于閥芯轉速和驅(qū)動信號頻率存在著匹配關系， 所以當驅(qū)動頻率變化時電機的轉速需要根據(jù)驅(qū)動頻率的變化實時改變。調(diào)速過程中，要求電機頻繁地加速或者減速以滿足相應頻率的需求，實現(xiàn)難度較大。一方面，過大的加速度會引起電機發(fā)熱等一系列問題；另一方面，電機的加速減速時間決定了其難以快速準確地達到期望的速度，會閥芯轉速造成與磁致伸縮棒運動的不匹配，影響作動器流量輸出。

圖9 不同幅值下泵腔排油狀態(tài)示意圖

調(diào)相調(diào)速與調(diào)幅調(diào)速相對比，相同點為2種調(diào)速方法均不需要改變驅(qū)動信號頻率，即不需要實時改變電機轉速。而兩者的不同點在于，對比調(diào)幅調(diào)速，調(diào)相調(diào)速驅(qū)動信號幅值不變，即磁致伸縮泵每次吸入或排出的油液體積均為固定值。調(diào)幅調(diào)速能夠根據(jù)信號指令調(diào)節(jié)每次吸入或排出油液的體積，而且相位角始終為最佳相位角。這樣的設計使得調(diào)幅調(diào)速相較于調(diào)相調(diào)速，系統(tǒng)能耗更少，更加節(jié)能。而且采用調(diào)幅調(diào)速，由于相位角為最佳相位角，作動器輸出運動更加平穩(wěn)。

4 作動器位移跟蹤實驗研究

結合作動器工作原理分析，作動器工作過程中，某一時刻將兩路驅(qū)動信號互換，即改變磁致伸縮泵驅(qū)動信號相位角(±180°)，就可以改變磁致伸縮棒的伸縮運動狀態(tài)，實現(xiàn)作動器運動方向的改變(調(diào)相換向)。而在對比分析3種調(diào)速方案后，調(diào)幅調(diào)速由于其實現(xiàn)條件簡單，而且輸出位移平穩(wěn)、節(jié)能等優(yōu)勢。故最終選擇調(diào)幅調(diào)速與調(diào)相換向結合的方式設計作動器位置控制方案，實現(xiàn)作動器位置的伺服控制。搭建如圖10所示實驗平臺進行實驗驗證。

輸入指令信號為幅值3 mm，頻率4 Hz的正弦位移信號，作動器的輸出位移如圖11所示。從圖中可以看出，作動器能夠在不使用換向閥的條件下較好地實現(xiàn)位移跟蹤。作動器輸出位移與輸入指令位移間的相對誤差為0.87%，均方根誤差為0.18 mm，極差為0.96 mm。

圖10 作動器位移跟蹤實驗平臺

圖11 作動器位移跟蹤曲線

5 結論

基于一種旋轉主動閥配流的磁致伸縮作動器，介紹了其結構以及工作原理。依據(jù)其運動特性，設計并分析了3種調(diào)速方案。選擇調(diào)幅調(diào)速與調(diào)相換向結合的方式來實現(xiàn)作動器位置的伺服控制，并進行了相關實驗驗證。主要結論如下：

(1) 基于主動閥配流磁致伸縮作動器結構特點，分析了其工作原理。同時重點分析了工作過程中，閥芯2個節(jié)流面的通流面積變化規(guī)律；

(2) 依據(jù)磁致伸縮材料的輸出特性與主動閥配流的工作特性，設計了3種作動器調(diào)速方案。將3種調(diào)速方案的優(yōu)點與劣勢進行對比分析，最終選用調(diào)幅調(diào)速作為作動器調(diào)速方案；

(3) 結合調(diào)幅調(diào)速與調(diào)相換向設計了作動器位置控制方案，并搭建實驗平臺進行了實驗驗證。結果表明，設計的方案能夠使作動器實現(xiàn)閉環(huán)位移跟蹤，且跟蹤幅值3 mm頻率4 Hz正弦位移時相對誤差為0.87%。