CN100497964C - 双相对置超磁致伸缩自传感力反馈二级伺服阀及控制方法 - Google Patents

Abstract

双相对置超磁致伸缩自传感力反馈二级伺服阀及控制方法涉及超磁致伸缩材料自传感技术，属于伺服控制领域。两个结构和尺寸完全相同的单超磁致伸缩驱动器通过碟簧对称置于输出组件两侧，形成双相对置结构的自传感驱动器，使用单自由度柔性铰链机构来实现输出位移的放大和传递。通过具有位移放大功能的柔性铰接挡板及反馈杆组件与喷嘴一挡板阀前置级和滑阀功率级构成一个力反馈二级伺服阀。利用驱动器的自传感功能，通过DSP单片机控制的实时动态平衡分离信号电路对输出信号进行实时检测，实现对驱动对象的实时控制和精确定位，可用于精密的位移、速度、加速度和力的驱动控制与传感检测系统，集驱动与传感检测功能于一体，特别适合于水压传动与控制领域。

Description

双相对置超磁致伸缩自传感力反馈二级伺服阀及控制方法

技术领域

本发明涉及超磁致伸缩材料自传感技术，属于伺服控制技术领域，可用于精密的位移、速度、加速度和力的驱动控制与传感检测系统，是一种集驱动与传感检测功能于一体的液压控制元件，具有很高的动态响应性能，特别适合应用于深海探测与水下作业技术领域。

背景技术

传统电液伺服阀以电磁力矩马达作为驱动方式，结构复杂、体积重量大、工作频宽窄、能量密度小、分辨率低、抗干扰能力差，难以满足现代工业对流体控制系统的要求，应用受到很大限制。随着液压伺服阀向高压、大流量、高频响、高低温环境适应性、抗干扰方向发展以及现代工业如精密位置控制、航空航天和海洋作业及深海探测等领域对超高速电液伺服阀的需求，传统的力(矩)马达转换器工作频宽一般小于400Hz，很难满足要求，研究和开发具有新型驱动技术和新型驱动结构的液压伺服阀已成为液压伺服控制技术发展的前沿课题。随着先进制造技术、现代设计技术和微电子技术的发展以及新型功能材料的应用，研究和开发具有高频响应的液压伺服阀成为现实，出现了以新型功能材料为基础的新型驱动器技术和以创新结构设计为基础的新型驱动结构，奠定了现代液压伺服控制技术发展的基础。其中，以新型功能材料为基础的电液伺服阀驱动及控制技术是目前提高电液伺服阀整体性能的主要技术手段，也是当前研究的热点和焦点。

稀土超磁致伸缩材料(Giant Magnetostriction Material，简称GMM)TbxDy1-xFe2-y(商品名为Terfenol-D)的磁致伸缩应变是传统的镍基和铁基磁致伸缩材料的几十到上百倍，是近年刚发展起来的一种新型智能材料，在电磁场和压应力作用下，能产生较大的体积或长度变化，在低频(5Hz～30kHz)、大行程、低压驱动、大功率、大承载、可非接触式测量与控制等方面具有更优良的特性，被广泛用于制作驱动器。同时，超磁致伸缩材料还具有压磁效应—逆磁致伸缩效应，即在外力作用于下材料的磁化状态(磁化强度)发生变化，可以做成传感器。将传感和驱动功能通过计算机有机的结合起来，就形成智能结构或智能系统，可以感知力、位移、振动、声、磁等参量，进而根据需要作出响应，可制成同时具有传感和执行功能于一体的自传感驱动器(self-sensing actuator，SSA)，以达到无传感器闭环控制和同位控制、提高系统响应速度和控制精度、增强系统可靠性、简化系统和减低成本等目的，是目前智能材料和结构领域致力发展的一个新方向，已引起人们的广泛重视。

发明内容

本发明的目的是针对现有传统电液伺服阀存在的缺陷，利用超磁致伸缩材料集传感与驱动功能于一体的特性，提出了双相对置超磁致伸缩自传感力反馈二级伺服阀，由双相对置超磁致伸缩自传感驱动器、喷嘴—挡板阀前置级和滑阀功率级组成，双相对置超磁致伸缩自传感驱动器由壳体3和端盖2组成的外套、由线圈骨架7和调节螺钉1组成的内套以及输出组件10组成。喷嘴—挡板阀前置级包括柔性铰接挡板11、反馈杆12、左端喷嘴22和右端喷嘴21，柔性铰接挡板11和反馈杆12为一体结构，柔性铰接挡板11固定在壳体3上。滑阀功率级包括阀体13、阀套14、阀芯15，阀芯15内置于阀套14，阀套14固定于阀体13内，阀芯15通过所述的反馈杆12、柔性铰接挡板11与输出组件10相联系；DSP单片机控制的实时动态平衡分离信号电路包括运放电路IC₁24、运放电路IC₂25、乘法器27、减法器28、传感器调理电路29、DSP控制电路26。运放电路IC₁24分别与减法器28、传感器调理电路29相连；运放电路IC₂25分别与乘法器27、传感器调理电路29相连，乘法器27与减法器28相连；传感器调理电路29通过DSP控制电路26与乘法器27连接。其特征在于：

一对碟簧9套在输出组件10上，并置于壳体3内的中间位置，两个结构和尺寸完全相同的单超磁致伸缩自传感驱动器通过碟簧9对称置于输出组件10两侧，形成双相对置结构；

所述的单超磁致伸缩自传感驱动器包括超磁致伸缩棒4、驱动线圈5、偏置线圈6、线圈骨架7、微位移放大机构8，并构成闭合磁路，使线圈中产生的磁通基本上都被约束在由磁性材料构成的磁路内，漏磁很小，不仅提高了螺线管内磁场的均匀性，而且在励磁电流相同的条件下，螺线管内磁场强度也有提高，更接近闭合回路的磁场强度。超磁致伸缩棒4置于空心线圈骨架7空心部分，其长度小于线圈骨架7长度，直径略小于线圈骨架7空心部分的内径，改善超磁致伸缩棒4中磁场的均匀度，避免边端效应。线圈骨架7外绕有驱动线圈5、驱动线圈5外绕有偏置线圈6，驱动线圈5、偏置线圈6和线圈骨架7安装在壳体3内，驱动线圈5通交流电产生交流驱动磁场，偏置线圈6通直流电产生偏置磁场，以消除倍频。超磁致伸缩棒4外侧连接调节螺钉1，调节螺钉1与端盖2通过螺纹连接，超磁致伸缩棒4内侧连接微位移放大机构8。调节螺钉1和碟簧9产生所需的预压应力，旋转调节螺钉1可调整预压应力的大小，合适的预压力可使GMM磁畴在零磁场时尽可能地沿着与轴向应力垂直地方向排列，在外加驱动磁场作用时就可获得较大的伸缩应变。

滑阀功率级两端采用静压支承结构，开有左静压工作腔19、右静压工作腔17，并分别通过左节流孔20、右节流孔18与进油口Ps连通；阀芯15端部与阀套14之间存在间隙，左静压工作腔19经过左阀芯端部腔23与左端喷嘴22相通，右静压工作腔17经过右阀芯端部腔16与右端喷嘴21相通，有效的减小了流量损失，使阀的非线性工作状态得到明显衰减和抑制，同时间隙中所存在的水介质构成喷嘴一挡板阀前置级的固定液阻和阀芯的静压支承。

双相对置超磁致伸缩自传感驱动器的外套由壳体3和端盖2组成，材料采用热胀系数小于1.23×10^-7的不锈殷钢材料，因其热胀系数仅为铁的1/100，可视为是没有热变形的“固定”件；内套由线圈骨架7和调节螺钉1组成，材料采用导磁率小于1.03的不锈钢，其热胀系数与超磁致伸缩材料相当，超磁致伸缩棒4热变形由内套热致伸长补偿。在外套的固定下，内套和超磁致伸缩棒4产生大小基本相等、方向均朝驱动器内部的热变性，从而保证输出位移不受热变形的影响，提高了自传感驱动器的精度。滑阀功率级的阀体(13)采用不锈钢，所有接触面都采用耐水O型密封圈，螺钉内涂密封胶，使双相对置超磁致伸缩自传感驱动器和滑阀功率级具有电气防水功能；阀套14采用整体陶瓷材料，陶瓷材料具有优良的耐磨、抗腐蚀等特性，有助于减小摩擦力和磨损。

微位移放大机构8是采用铍青铜板材一体加工出来的，通过端盖2、线圈骨架7和壳体3的内的台阶面固定。微位移放大机构8为单自由度圆弧柔性铰链，由上下对称的四连杆机构组成的封闭结构，结构和工作原理，如附图2、3所示，位移放大倍数为T＝AC/AB，参考马浩全、胡德金、张凯的柔性铰链位移放大机构在活塞加工中的应用。因为整个机构是封闭的，刚性有较大的提高，另外由于该机构的对称性，输入的位移同时通过上下两个四连杆机构向输出端传递，以消除了附加位移，实现精密位移和定位，具有运动平稳、无间隙、无摩擦及高精度的优点。

双相对置超磁致伸缩自传感驱动器具有自动对中回位功能。当驱动线圈5不通电时，驱动器输出组件10能够在预压应力作用下自动处于中位；通入电流相等时，输出组件10能够在碟簧9所产生的相同作用力下自动处于中位，没有位移输出，具有自动对中回位功能。利用输出组件10的自动对中回位功能，可实现伺服阀在断电、电缆损坏或者紧急停车情况下伺服阀阀芯能自行回中，无需外力推动，防止对系统构成潜在危险。

双相对置超磁致伸缩自传感力反馈二级伺服阀利用超磁致伸缩棒4的自传感功能，一个单超磁致伸缩自传感驱动器作为驱动器，另一个作为传感器，使驱动控制点与检测点为同一位置点，通过基于DSP单片机控制器的实时动态平衡信号分离法实现对阀芯15位移和力的检测，进而实现对阀内流量和压力的检测，并以此作为反馈控制信号，实现伺服阀的闭环控制，以弥补超磁致伸缩材料磁场的非线性变形产生的影响。

附图说明

图1为双相对置超磁致伸缩自传感力反馈伺服阀结构原理图。

图中，1—调节螺钉、2—端盖、3—壳体、4—超磁致伸缩棒、5—驱动线圈、6—偏置线圈、7—线圈骨架、8—微位移放大机构、9—碟簧、10—输出组件、11—柔性铰接挡板、12—反馈杆、13—阀体、14—阀套、15—阀芯、16—右阀芯端部腔、17—右静压工作腔、18—右节流孔、19—左静压工作腔、20—左节流孔、21—右端喷嘴、22—左端喷嘴、23—左阀阀芯端部腔

图2为DSP单片机控制的实时动态平衡信号电路

24—运放电路IC₁、25—运放电路IC₂、26—DSP控制电路、27—乘法器、28—减法器、29—传感器调理电路

图3为微位移放大机构结构图。

图4为微位移放大机构原理图。

图5为双相对置超磁致伸缩自传感力反馈伺服阀工作原理图。

10—输出组件、11—柔性铰接挡板、12—反馈杆、21—右端喷嘴、22—左端喷嘴

具体实施方式

双相对置超磁致伸缩自传感力反馈伺服阀由三大部分组成：上部为双相对置超磁致伸缩自传感驱动器；中部为喷嘴—挡板阀前置级；下部为滑阀功率级。驱动器的作用是将输入的电流信号转换成喷嘴挡板式液压放大器的挡板的偏移。

首先检查输出组件10是否对中，如果不满足，通过调节螺钉1进行调节，偏置线圈6中输入直流电，并保证超磁致伸缩棒4工作在选择好的静态压力状态下，以使超磁致伸缩棒4工作在线性区域。

在图示4情况时，左侧单超磁致伸缩自传感驱动器的驱动线圈5中通入交流电i，产生变化的磁场使超磁致伸缩棒4被磁化，发生长度的变化，因超磁致伸缩棒4外侧被调节螺钉1固定，则向内侧伸长，推动微位移放大机构8，实现输出位移的放大和传递，再通过碟簧9在输出组件10输出向右的位移x_d和力F_d。输出组件10的偏移使柔性铰接挡板11产生弹性变形，形成一个与输出力F_d方向相反的恢复力F_b1。交流电i越大，输出力F_d越大，柔性铰接挡板11的变形也越大，其恢复力F_b1也就越大。当输出组件10偏移位移x_d时，恢复力F_b1与输出力F_d达到平衡时，输出组件10停止偏移，并保持在此位移上。所以输出位移x_d的大小将与输入的控制电流i成正比。如果右侧单超磁致伸缩自传感驱动器的驱动线圈5中通入交流电i，同理，输出组件10输出向左的位移x_d和力F_d。

在图1、4中，柔性铰接挡板11和反馈杆12为一体结构，柔性铰接挡板11一端与输出组件10相联，并固定在壳体3上，反馈杆12另一端成球状，嵌入阀芯15的凹槽中。当阀芯15还处于中间平衡位置时，如输出组件10已在控制电流i作用下发生位移x_d而阀芯15还处于原静止不动状态，则将使反馈杆12产生弹性变形量，产生的恢复力F_b2。当输出组件10偏移x_d时，柔性铰接挡板11从右喷嘴21与左喷嘴22之间的中间位置偏移x_f距离。从动力源来的工作介质经过节流孔18和20、静压工作腔17和19、阀芯端部腔16和13以及喷嘴挡板间的节流缝隙流回油箱时，在右喷嘴21和左喷嘴22前腔中便形成压力差P_c＝P₁-P₂。阀芯15在压力差P_c的作用下向左偏移，并带动反馈杆12端点移动，使反馈杆12变形继续增加。同时反馈杆12端部的左移又使柔性铰接挡板11被部分地拉回中位，起到一定的负反馈作用，反馈杆12所产生的恢复力F_b2因其变形的增加而有所加大。当反馈杆12恢复力F_b2与柔性铰接挡板11恢复力F_b1加在一起与控制电流i产生的输出力F_d达到平衡，且反馈杆12变形对阀芯15的反作用力与阀芯15两端工作介质的作用力也相平衡时，阀芯15便停止移动并保持偏移x距离。这就使控制电流与阀芯15偏移量有成比例的一一对应关系。阀芯15偏移x就能输出对应的负载压力为p_i＝P_a-P_b和负载流量为Q_i＝Q_a-Q_b的工作介质去驱动执行元件。一旦i＝0时，输出组件10能够在碟簧9所产生的相同作用力下自动处于中位；而柔性铰接挡板11、反馈杆12和阀芯15在柔性铰接挡板11和反馈杆12变形恢复力的作用下，重新回到中间平衡位置，输出的p_i和Q_i也就为零了。同时，右侧单超磁致伸缩自传感驱动器用作传感器，如附图2，利用自身的传感检测功能，右侧单超磁致伸缩自传感驱动器的驱动线圈(5)连接运放电路IC₁(24)，旁路参考电感L₂连接运放电路IC₂(25)，参考支路输出端电压V₂经传感器调理电路(29)、DSP控制电路(26)输出电压V_dsp，以消除驱动控制信号、中间传递信号，输出电压V_dsp经乘法器(27)与驱动电路输出端电压V₂共同作用在减法器(28)上，当DSP控制电路(26)输出的电压V_dsp等于R₁L₁/R₂L₂时，减法器(28)的输出项V_out就是自传感反馈信号，并反馈到输入电流，形成闭环控制，以实现对驱动对象的实时控制和精确定位，提高控制的可靠性和精度。

而当右侧驱动线圈5通入交流电i时，同理，向左产生位移x_d和力F_d，同时，左侧单超磁致伸缩自传感驱动器用作传感器。对于双相对置超磁致伸缩自传感驱动力反馈二级海水液压伺服控制阀，其最大工作压力15MPa，流量5L/min，阀内泄漏量小于0.1L/min，频率响应达到200Hz以上，死区小于2％，滞环小于5％，能够满足目前水下作业机械手对运动精度和稳定性要求。

Claims (2)

1、双相对置超磁致伸缩自传感力反馈二级伺服阀，由双相对置超磁致伸缩自传感驱动器、喷嘴—挡板阀前置级和滑阀功率级、DSP单片机控制的实时动态平衡信号分离电路组成，双相对置超磁致伸缩自传感驱动器由壳体(3)和端盖(2)组成的外套、由线圈骨架(7)和调节螺钉(1)组成的内套以及输出组件(10)组成；喷嘴—挡板阀前置级包括柔性铰接挡板(11)、反馈杆(12)、左端喷嘴(22)和右端喷嘴(21)，柔性铰接挡板(11)和反馈杆(12)为一体结构，柔性铰接挡板(11)一端与输出组件(10)相连，并固定在壳体(3)上；滑阀功率级包括阀体(13)、阀套(14)、阀芯(15)，阀芯(15)内置于阀套(14)，阀套(14)固定于阀体(13)内，阀芯通过所述的反馈杆(12)、柔性铰接挡板(11)与输出组件(10)相联系；DSP单片机控制的实时动态平衡分离信号电路包括运放电路IC₁(24)、运放电路IC₂(25)、乘法器(27)、减法器(28)、传感器调理电路(29)、DSP控制电路(26)；运放电路IC₁(24)分别与减法器(28)、传感器调理电路(29)相连；运放电路IC₂(25)分别与乘法器(27)、传感器调理电路(29)相连，乘法器(27)与减法器(28)相连；传感器调理电路(29)通过DSP控制电路(26)与乘法器(27)连接；其特征在于：

一对碟簧(9)套在输出组件(10)上，并置于壳体(3)内的中间位置，两个结构和尺寸完全相同的单超磁致伸缩自传感驱动器通过碟簧(9)对称置于输出组件(10)两侧，形成双相对置结构；

所述的单超磁致伸缩自传感驱动器包括超磁致伸缩棒(4)、驱动线圈(5)、偏置线圈(6)、线圈骨架(7)、微位移放大机构(8)；超磁致伸缩棒(4)置于线圈骨架(7)的空心部分，线圈骨架(7)外绕有驱动线圈(5)、驱动线圈(5)外绕有偏置线圈(6)，驱动线圈(5)，偏置线圈(6)、线圈骨架(7)均安装在壳体(3)内；超磁致伸缩棒(4)外侧连接调节螺钉(1)，调节螺钉(1)与端盖(2)通过螺纹连接，超磁致伸缩棒(4)内侧连接微位移放大机构(8)；该微位移放大机构(8)为单自由度圆弧柔性铰链，且由上下对称布置的两个四连杆机构组成的封闭结构，并通过端盖(2)、线圈骨架(7)和壳体(3)内的凸台固定；

滑阀功率级两端采用静压支承结构，开有左静压工作腔(19)、右静压工作腔(17)，左静压工作腔(19)通过左节流孔(20)与进油口Ps连通，右静压工作腔(17)通过右节流孔(18)与进油口Ps连通；阀芯(15)端部与阀套(14)之间存在间隙，左静压工作腔(19)经过左阀芯端部腔(23)与左端喷嘴(22)相通，右静压工作腔(17)经过右阀芯端部腔(16)与右端喷嘴(21)相通，有效的减小了流量损失，并使阀的非线性工作状态得到明显衰减和抑制，同时间隙中所存在的水介质构成喷嘴—挡板阀前置级的固定液阻和阀芯的静压支承。

2、根据权利要求1所述的双相对置超磁致伸缩自传感力反馈二级伺服阀，其特征在于：双相对置超磁致伸缩自传感驱动器的外套由壳体(3)和端盖(2)组成，材料采用热胀系数小于1.23×10^-7的不锈殷钢材料，内套由线圈骨架(7)和调节螺钉(1)组成，材料采用导磁率小于1.03的不锈钢，形成双套热补偿机构；滑阀功率级的阀体(13)采用不锈钢材料，所有接触面都采用耐水O型密封圈，所有螺钉内涂密封胶，使双相对置超磁致伸缩自传感驱动器和滑阀功率级具有电气防水功能；阀套(14)采用整体陶瓷材料。

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