王 睿， 邰明皓， 宋昀澤， 陳 龍， 朱玉川

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)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(yīng)快、控制精度高以及工作頻寬大等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，能夠迅速準(zhǔn)確地輸出微位移[4-5]。利用智能材料驅(qū)動(dòng)的作動(dòng)器通過(guò)不同的整流原理， 將智能材料微米級(jí)高頻位移轉(zhuǎn)換為作動(dòng)器宏觀大位移、大機(jī)械力輸出，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、高度集成及輸出力大等特點(diǎn)[6-7]，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展廣泛研究。

JIN等[8]設(shè)計(jì)一種壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的電靜液作動(dòng)器，并對(duì)泵腔尺寸等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以獲得更大流量輸出，最大無(wú)負(fù)載輸出流量達(dá)到了1.02 L/min。楊旭磊等[9]利用膜片閥實(shí)現(xiàn)油液配流，設(shè)計(jì)了一種磁致伸縮電靜液作動(dòng)器。實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率為250 Hz時(shí)，作動(dòng)器輸出流量達(dá)到最大，為0.85 L/min。類(lèi)似地，GUO[10]利用膜片閥配流設(shè)計(jì)了壓電疊堆驅(qū)動(dòng)的電靜液作動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)頻率為275 Hz時(shí)，最大無(wú)負(fù)載流量為1.6 L/min。王振宇等[11-12]設(shè)計(jì)了一種圓柱轉(zhuǎn)閥配流的磁致伸縮電靜液作動(dòng)器,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果顯示驅(qū)動(dòng)頻率為120 Hz時(shí)作動(dòng)器的最大無(wú)負(fù)載輸出流量為1.28 L/min。

現(xiàn)有文獻(xiàn)大多數(shù)是研究智能材料驅(qū)動(dòng)電靜液作動(dòng)器的輸出特性，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化或不同的配流方式使作動(dòng)器的輸出性能得到提升。但對(duì)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(duì)于實(shí)現(xiàn)作動(dòng)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(dòng)作動(dòng)器為研究對(duì)象，基于磁致伸縮材料的輸出特性與旋轉(zhuǎn)主動(dòng)閥的配流特性，設(shè)計(jì)了3種調(diào)速方案實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器輸出流量的調(diào)節(jié)。對(duì)比分析后選用調(diào)幅調(diào)速控制方案，結(jié)合調(diào)相換向設(shè)計(jì)作動(dòng)器位置控制方案，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 作動(dòng)器結(jié)構(gòu)及工作原理

磁致伸縮徑向雙柱塞泵驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器結(jié)構(gòu)以及工作原理如圖1所示。作動(dòng)器主要由2個(gè)單柱塞磁致伸縮泵、旋轉(zhuǎn)主動(dòng)閥閥芯、閥體、伺服電機(jī)、液壓缸以及位移傳感器組成。其中，2個(gè)磁致伸縮泵沿閥芯軸向排布。通過(guò)主動(dòng)閥閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)配合磁致伸縮棒的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成油液配流，作動(dòng)器的主要工作過(guò)程如圖1所示。

將2路正弦電流信號(hào)分別通入2個(gè)磁致伸縮泵的激勵(lì)線圈中，磁致伸縮棒在正弦磁場(chǎng)作用下會(huì)產(chǎn)生周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。磁致伸縮棒運(yùn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)泵腔中活塞進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，經(jīng)主動(dòng)閥配流，實(shí)現(xiàn)油液吸排。2路驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位差為180°，即1個(gè)泵在吸油狀態(tài)時(shí)，另1個(gè)泵處于排油狀態(tài)。

當(dāng)閥芯旋轉(zhuǎn)到圖1a示位置(閥芯左側(cè)溝槽與液壓缸左腔相連通，右側(cè)溝槽與液壓缸右腔相連通)，此時(shí)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(cè)溝槽流入液壓缸右腔，同時(shí)液壓缸左腔的油液經(jīng)閥芯左側(cè)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(shí)刻，閥芯旋轉(zhuǎn)到圖1b所示位置(閥芯左側(cè)溝槽與液壓缸右腔相連通，右側(cè)溝槽與液壓缸左腔相連通)，此時(shí)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(jìn)入液壓缸右腔。液壓缸在壓力差作用下向左運(yùn)動(dòng)。下一時(shí)刻，又將重復(fù)圖1a運(yùn)動(dòng)過(guò)程。所以整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，液壓缸將持續(xù)向左運(yùn)動(dòng)。如果將2個(gè)磁致伸縮泵的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互換，可分析出此過(guò)程中液壓缸將持續(xù)向右運(yùn)動(dòng)。

圖1 作動(dòng)器結(jié)構(gòu)組成及工作原理

2 旋轉(zhuǎn)主動(dòng)閥配流過(guò)程分析

由作動(dòng)器的工作原理分析可知，主動(dòng)閥閥芯的旋轉(zhuǎn)速度與磁致伸縮棒的驅(qū)動(dòng)頻率間存在匹配關(guān)系。假設(shè)閥芯兩側(cè)各有N個(gè)溝槽，閥芯旋轉(zhuǎn)一周，完成N次油液配流?？梢缘玫酱胖律炜s泵的驅(qū)動(dòng)頻率與主動(dòng)閥轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為：

(1)

式中，N—— 單側(cè)溝槽個(gè)數(shù)

f—— 磁致伸縮泵驅(qū)動(dòng)頻率，Hz

n—— 主動(dòng)閥的轉(zhuǎn)速，r·min-1

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

圖2 旋轉(zhuǎn)主動(dòng)閥閥芯與閥體配合示意圖

油液流經(jīng)主動(dòng)閥時(shí)，先后經(jīng)過(guò)2個(gè)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(zhuǎn)主動(dòng)閥通流面積示意圖

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

將閥芯溝槽的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，溝槽運(yùn)動(dòng)過(guò)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(shí)，此時(shí)泵腔油口不與任何一個(gè)溝槽相交，S1大小為0。隨后溝槽開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，溝槽由位置1運(yùn)動(dòng)至位置2過(guò)程中，S1逐漸增大，至位置2時(shí)達(dá)到最大。接著溝槽繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，S1又逐漸減小，至位置3時(shí)泵腔油口不與任何一個(gè)溝槽相交，S1大小為0。然后隨著溝槽的運(yùn)動(dòng)S1又開(kāi)始增大，至位置4達(dá)到最大，最后又開(kāi)始減小，至位置5減小至0。為便于分析，將這個(gè)過(guò)程中S1的變化看作是線性的。同時(shí)由于油口處于位置2和位置4時(shí)分別對(duì)應(yīng)連通液壓缸高壓腔與低壓腔。假設(shè)位置2時(shí)泵腔與液壓缸高壓腔相連通，定義此時(shí)S1為正值；位置4時(shí)泵腔與低壓腔相連通，定義此時(shí)S1為負(fù)值，得到S1在一個(gè)周期內(nèi)的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖4 閥芯溝槽運(yùn)動(dòng)時(shí)通流面積S1變化示意圖

圖5 一個(gè)周期內(nèi)通流面積S1變化規(guī)律

3 作動(dòng)器調(diào)速方案設(shè)計(jì)

綜合考慮磁致伸縮材料的輸出特性與主動(dòng)閥配流的工作特性，提出了3種作動(dòng)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(lái)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(guò)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的方式實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器輸出流量的調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率變化后，相同時(shí)間內(nèi)磁致伸縮泵吸排油的次數(shù)增加或減小，進(jìn)而改變作動(dòng)器的輸出流量。這個(gè)過(guò)程中，閥芯轉(zhuǎn)速需根據(jù)驅(qū)動(dòng)頻率的變化對(duì)應(yīng)實(shí)時(shí)改變。如圖6中虛線所示，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率加倍時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)通流面積S1變化次數(shù)加倍。相應(yīng)地，磁致伸縮棒往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)增加1倍。配流次數(shù)對(duì)應(yīng)增加，作動(dòng)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(dāng)溝槽數(shù)N為6時(shí)，對(duì)不同頻率下作動(dòng)器對(duì)應(yīng)最大輸出流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同頻率下作動(dòng)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(dòng)頻率能夠有效提高作動(dòng)器輸出流量。所以改變驅(qū)動(dòng)頻率能夠?qū)ψ鲃?dòng)器輸出流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2 調(diào)相調(diào)速

調(diào)相調(diào)速指通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位角實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器輸出流量的調(diào)節(jié)。圖8為不同驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(guān)系。

相位角為最佳相位角時(shí)，從圖8a中可看出當(dāng)通流面積S1為正時(shí)，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(dāng)通流面積S1為負(fù)時(shí)，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(guān)系使得液壓缸的輸出流量最大。改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位角為非最佳相位角時(shí)，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(méi)有位移輸出。而當(dāng)相位角與最佳相位角的差為180 °時(shí)，磁致伸縮泵與通流面積的匹配關(guān)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(dòng)信號(hào)相位角也能夠?qū)崿F(xiàn)作動(dòng)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(guān)系

當(dāng)改變相位角為非最佳相位角時(shí)，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(méi)有位移輸出。而當(dāng)相位角與最佳相位角的差為180°時(shí)，磁致伸縮泵吸排油狀態(tài)與通流面積的匹配關(guān)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(dòng)信號(hào)相位角也能夠?qū)崿F(xiàn)作動(dòng)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(guò)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值實(shí)現(xiàn)作動(dòng)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(dòng)電流的幅值，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度改變，使得磁致伸縮棒往復(fù)運(yùn)動(dòng)的行程不斷變化。進(jìn)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(dòng)信號(hào)幅值泵腔排油狀態(tài)示意圖。

對(duì)比分析圖9a與圖9b可以看出，減小驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值后，排油階段相同時(shí)間內(nèi)排出油液體積減小。作動(dòng)器的輸出流量相應(yīng)減小，即實(shí)現(xiàn)了作動(dòng)器輸出流量的改變。

3.4 調(diào)速方案分析對(duì)比

調(diào)頻調(diào)速過(guò)程中，由于閥芯轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率存在著匹配關(guān)系， 所以當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率變化時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速需要根據(jù)驅(qū)動(dòng)頻率的變化實(shí)時(shí)改變。調(diào)速過(guò)程中，要求電機(jī)頻繁地加速或者減速以滿(mǎn)足相應(yīng)頻率的需求，實(shí)現(xiàn)難度較大。一方面，過(guò)大的加速度會(huì)引起電機(jī)發(fā)熱等一系列問(wèn)題；另一方面，電機(jī)的加速減速時(shí)間決定了其難以快速準(zhǔn)確地達(dá)到期望的速度，會(huì)閥芯轉(zhuǎn)速造成與磁致伸縮棒運(yùn)動(dòng)的不匹配，影響作動(dòng)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(duì)比，相同點(diǎn)為2種調(diào)速方法均不需要改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率，即不需要實(shí)時(shí)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。而兩者的不同點(diǎn)在于，對(duì)比調(diào)幅調(diào)速，調(diào)相調(diào)速驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hào)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(shè)計(jì)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(dòng)器輸出運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。

4 作動(dòng)器位移跟蹤實(shí)驗(yàn)研究

結(jié)合作動(dòng)器工作原理分析，作動(dòng)器工作過(guò)程中，某一時(shí)刻將兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)互換，即改變磁致伸縮泵驅(qū)動(dòng)信號(hào)相位角(±180°)，就可以改變磁致伸縮棒的伸縮運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)方向的改變(調(diào)相換向)。而在對(duì)比分析3種調(diào)速方案后，調(diào)幅調(diào)速由于其實(shí)現(xiàn)條件簡(jiǎn)單，而且輸出位移平穩(wěn)、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)。故最終選擇調(diào)幅調(diào)速與調(diào)相換向結(jié)合的方式設(shè)計(jì)作動(dòng)器位置控制方案，實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器位置的伺服控制。搭建如圖10所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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

圖10 作動(dòng)器位移跟蹤實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖11 作動(dòng)器位移跟蹤曲線

5 結(jié)論

基于一種旋轉(zhuǎn)主動(dòng)閥配流的磁致伸縮作動(dòng)器，介紹了其結(jié)構(gòu)以及工作原理。依據(jù)其運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)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(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)作動(dòng)器位置的伺服控制，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要結(jié)論如下：

(1) 基于主動(dòng)閥配流磁致伸縮作動(dòng)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了其工作原理。同時(shí)重點(diǎn)分析了工作過(guò)程中，閥芯2個(gè)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(dòng)閥配流的工作特性，設(shè)計(jì)了3種作動(dòng)器調(diào)速方案。將3種調(diào)速方案的優(yōu)點(diǎn)與劣勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析，最終選用調(diào)幅調(diào)速作為作動(dòng)器調(diào)速方案；

(3) 結(jié)合調(diào)幅調(diào)速與調(diào)相換向設(shè)計(jì)了作動(dòng)器位置控制方案，并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的方案能夠使作動(dòng)器實(shí)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(shí)相對(duì)誤差為0.87%。