超磁致伸縮致動器的脈沖噴射開關(guān)閥建模與仿真

通過優(yōu)化設(shè)計驅(qū)動線圈和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,提高致動器的磁場利用率;兼顧提高致動器的能量轉(zhuǎn)換效率,提出優(yōu)化設(shè)計超磁致伸縮致動器的規(guī)律.兩個致動器的實驗對比驗證了該設(shè)計方法的可行性.

利用hammerstein模型對超磁致伸縮作動器(gma,giantmagnetostrictiveactuators)進行建模,分別以改進的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態(tài)部分,并給出了模型的辨識方法.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.實時跟蹤幅值為16μm的單一頻率和復(fù)合頻率正弦參考輸入信號,均方根誤差小于1μm,相對誤差小于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構(gòu)相結(jié)合構(gòu)成微位移驅(qū)動器的方法,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。文中對所建立的系統(tǒng)進行了相頻和幅頻特性的理論分析和實驗,合理地解釋了此系統(tǒng)的遲滯曲線隨輸入信號頻率變化的原因。為了進行遲滯非線性補償,提出了相位補償與遲滯逆模型相結(jié)合來補償遲滯特性的控制方法。實驗結(jié)果證明了系統(tǒng)理論模型的準(zhǔn)確性和補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)和液動力等不同參數(shù)對伺服閥輸出流量和動態(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6.09l/min,上升時間僅為0.5ms,超調(diào)量為11.3%,具有良好的靜動態(tài)特性;徑向間隙大于24μm時,對伺服閥的輸出流量和動態(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態(tài)特性;供油壓力和液動力對伺服閥動態(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)計和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

設(shè)計一種超磁致伸縮噴油器,其特點為超磁致伸縮致動器直接驅(qū)動針閥。將整個系統(tǒng)視為單自由度線性系統(tǒng),建立了系統(tǒng)的動力學(xué)方程,求解得到無針閥閥體撞擊時的閥口開度表達式。利用初速度分析了撞擊對閥口開度的影響,并分析了靜止位置和頻率比兩個可控參數(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時可靠關(guān)閉;頻率比高于5時,棒伸長量的95%都用于開啟閥口的結(jié)論。

設(shè)計了超磁致伸縮致動器(gma),對線圈尺寸及繞線進行了優(yōu)化設(shè)計,并測試了超磁致伸縮致動器的靜、動態(tài)特性。在分析超磁致伸縮材料特性的基礎(chǔ)上設(shè)計了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)計了線圈的尺寸;提出了線圈功耗表達式并分析了繞線直徑對功耗的影響,擇優(yōu)選取了繞線。實驗表明gma具有較好的靜態(tài)、動態(tài)特性,且gma工作特性與設(shè)計參數(shù)相吻合,證明了線圈優(yōu)化設(shè)計的合理性。

對超磁致伸縮致動器的結(jié)構(gòu)如驅(qū)動磁場、偏置磁場、預(yù)壓結(jié)構(gòu)、水冷機構(gòu)等進行設(shè)計,利用致動器加工實物,完成致動器的靜態(tài)特性實驗,獲得不同預(yù)壓力和驅(qū)動磁場強度下的致動器輸出位移曲線,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)動頻率和gmm棒剛度系數(shù)等不同參數(shù)對轉(zhuǎn)換器動態(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)換器的動態(tài)特性;減小驅(qū)動頻率和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)。

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

針對所設(shè)計的超磁致伸縮致高速響應(yīng)電磁開關(guān)閥(gmv)進行了結(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、電流、閥芯位移的關(guān)系,同時分析了不同占空比、不同壓力、不同電流對gmv流量的影響。通過仿真結(jié)果提出改進方法,找到最適合超磁致伸縮高速響應(yīng)電磁閥設(shè)計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)對超磁致伸縮棒內(nèi)磁場分布的影響機理,給出了超磁致伸縮執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則。推導(dǎo)出考慮超磁致伸縮棒內(nèi)磁場分布不均勻時驅(qū)動磁場與執(zhí)行器輸出位移的關(guān)系方程式,并通過仿真與實驗研究揭示了超磁致伸縮棒內(nèi)磁場分布不均勻性對超磁致伸縮執(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)動器具有響應(yīng)快、輸出應(yīng)變大、機電轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點,但因受超磁致伸縮材料內(nèi)在的磁滯效應(yīng)與磁-機耦合效應(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)動器的輸出位移精度,也影響了該材料及其致動器更廣泛的應(yīng)用。為了有效地設(shè)計和使用超磁致伸縮驅(qū)動器,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)動器的preisach磁滯數(shù)值模型,并通過對preisach限制三角形的離散劃分,依賴大量實驗數(shù)據(jù)辨識了該模型的參數(shù),并進行了超磁致伸縮驅(qū)動器磁滯輸出實驗研究。實驗結(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)動器的磁滯現(xiàn)象,對指導(dǎo)超磁致伸縮驅(qū)動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受到機械力場和電磁場的雙重作用,特性必然受機械結(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、研究提供借鑒。

超磁致伸縮換能器工作時同時受機械力場和電磁場的雙重作用,特性必然受機械結(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、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)計研究。

針對目前電液高速開關(guān)閥脈寬調(diào)制頻率不高,新型電-機械轉(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、動態(tài)特性。實驗研究表明,采用超磁致伸縮材料作為新型閥的電-機械轉(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器的基本原理,根據(jù)三種偏置磁場優(yōu)缺點,選用增加單獨線圈產(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)對各個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。

針對空間結(jié)構(gòu)的動力災(zāi)變控制,以超磁致伸縮材料為核心元件,充分利用其輸出力大、響應(yīng)速度快、可靠性高、驅(qū)動電壓低等磁控特性,設(shè)計出一種將電磁能轉(zhuǎn)化為機械能的磁致伸縮作動器,并分析其工作原理和設(shè)計方法,然后通過試驗對其進行輸出性能測試。

雙金屬熱致動器通過加熱使得驅(qū)動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,從而達到驅(qū)動目的.分析了雙金屬熱致動原理,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,后兩者的變化對其形變大小影響不大.所得結(jié)論為雙金屬熱致動器的設(shè)計提供了詳細(xì)的理論依據(jù).

針對超磁致伸縮微位移驅(qū)動器(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,仿真和試驗表明f函數(shù)法對滯回曲線的預(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的實際控制系統(tǒng),提出一種preisach實時數(shù)字補償算法,建立基于preisach前饋補償?shù)膒id控制模型,分別采用開環(huán)、普通pid和帶preisach前饋補償?shù)膒id三種控制器對gma的位置跟蹤和軌跡跟蹤兩種控制問題進行試驗研究,結(jié)果表明帶preisach前饋補償?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。本論文針對稀土超磁致伸縮換能器并結(jié)合淺層地震勘探的特點,研制了稀土超磁致伸縮換能器驅(qū)動器。該驅(qū)動器由計算機pci總線fpga信號發(fā)射卡、igbt驅(qū)動器、igbt逆變器及電源組成。由該驅(qū)動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中,取得了良好的效果。