超磁致伸縮致動器的脈沖噴射開關閥建模與仿真

通過優(yōu)化設計驅動線圈和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換效率,提出優(yōu)化設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頻率范圍內較好地描述gma的率相關遲滯非線性特性.提出了前饋逆補償和比例-微分-積分(pid,proportional-integral-derivative)反饋相結合的復合控制策略.實時跟蹤幅值為16μm的單一頻率和復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相結合構成微位移驅動器的方法,建立了超磁致伸縮執(zhí)行器的控制系統傳遞函數模型。文中對所建立的系統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合來補償遲滯特性的控制方法。實驗結果證明了系統理論模型的準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高頻伺服閥的結構組成和工作原理,在建立其數學模型的基礎上,構建了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、等效質量、阻尼系數和液動力等不同參數對伺服閥輸出流量和動態(tài)特性的影響。仿真結果表明: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;減小等效質量、增大阻尼系數、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。仿真結果為gmm高頻伺服閥的結構設計和結構參數優(yōu)化提供了理論依據。

設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動針閥。將整個系統視為單自由度線性系統,建立了系統的動力學方程,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閉;頻率比高于5時,棒伸長量的95%都用于開啟閥口的結論。

設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上設計了gma基本結構,并確定了偏置磁場的加載方式。研究了線圈尺寸參數對線圈軸線上磁場分布和線圈的電-磁轉換效率兩方面的影響,優(yōu)化設計了線圈的尺寸;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工作特性與設計參數相吻合,證明了線圈優(yōu)化設計的合理性。

對超磁致伸縮致動器的結構如驅動磁場、偏置磁場、預壓結構、水冷機構等進行設計,利用致動器加工實物,完成致動器的靜態(tài)特性實驗,獲得不同預壓力和驅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。

介紹電液伺服閥用超磁致伸縮轉換器(gma)的結構和工作原理;在建立轉換器數學模型的基礎上,構建轉換器的amesim仿真模型,分析阻尼系數、等效質量、驅動頻率和gmm棒剛度系數等不同參數對轉換器動態(tài)特性和輸出位移的影響。仿真結果表明:增大阻尼系數,減小等效質量,可以提高轉換器的動態(tài)特性;減小驅動頻率和gmm棒剛度系數,可以增加轉換器的輸出位移。仿真結果為電液伺服閥用超磁致伸縮轉換器的結構參數優(yōu)化提供了理論依據。

對基于超磁致伸縮驅動器的高速液壓開關閥進行了初步的研究，設計了單和雙聯錐體式閥芯的高速開關閥結構，還對這種閥的主要性能參數做了簡要分析。

針對所設計的超磁致伸縮致高速響應電磁開關閥(gmv)進行了結構分析。采用amesim軟件建立超磁致伸縮高速響應電磁開關閥模型,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。通過仿真結果提出改進方法,找到最適合超磁致伸縮高速響應電磁閥設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)行器結構,采用磁場有限元法分析了超磁致伸縮執(zhí)行器結構參數對超磁致伸縮棒內磁場分布的影響機理,給出了超磁致伸縮執(zhí)行器結構設計的原則。推導出考慮超磁致伸縮棒內磁場分布不均勻時驅動磁場與執(zhí)行器輸出位移的關系方程式,并通過仿真與實驗研究揭示了超磁致伸縮棒內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,最后求出所設計超磁致伸縮執(zhí)行器漏磁系數約為1.4.

超磁致伸縮驅動器具有響應快、輸出應變大、機電轉化效率高等優(yōu)點,但因受超磁致伸縮材料內在的磁滯效應與磁-機耦合效應等因素影響,導致其輸出位移存在較大滯環(huán),大大降低了驅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用。為了有效地設計和使用超磁致伸縮驅動器,需要建立準確描述其磁滯非線性的數學模型。在經典preisach模型的基礎上建立了超磁致伸縮驅動器的preisach磁滯數值模型,并通過對preisach限制三角形的離散劃分,依賴大量實驗數據辨識了該模型的參數,并進行了超磁致伸縮驅動器磁滯輸出實驗研究。實驗結果表明:該preisach磁滯模型能較好地描述準靜態(tài)下超磁致伸縮驅動器的磁滯現象,對指導超磁致伸縮驅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,特性必然受機械結構參數和電源特性的雙重影響,為尋找最佳的機械結構參數和電源特性參數,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,特性必然受機械結構參數和電源特性的雙重影響,為尋找最佳的機械結構參數和電源特性參數,必須建模研究。討論超磁致伸縮換能器的建模方法,為換能器的設計、研究提供借鑒。

概述超磁致伸縮換能器的結構、工作原理以及動態(tài)特性的建模方法,并結合自行研制的換能器建立起仿真模型,有利于指導換能器的設計研究。

針對目前電液高速開關閥脈寬調制頻率不高,新型電-機械轉換裝置效率較低的現狀,研制了一種基于超磁致伸縮材料驅動的新型電液高速開關閥。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-機械轉換裝置,不僅可以獲得較大的閥芯位移,而且使閥的結構簡化,易于控制,可獲得很高的脈寬調制頻率和能量轉換效率。

論述了超磁致伸縮作動器的基本原理,根據三種偏置磁場優(yōu)缺點,選用增加單獨線圈產生偏置磁場。在磁路分析的基礎上,采用有限元仿真的方法,分析了不同參數和結構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閥,它采用了超磁致伸縮驅動器和錐體式閥芯結構。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閥的先導控制閥,也可以在小流量回路中直接作為控制閥使用。

針對空間結構的動力災變控制,以超磁致伸縮材料為核心元件,充分利用其輸出力大、響應速度快、可靠性高、驅動電壓低等磁控特性,設計出一種將電磁能轉化為機械能的磁致伸縮作動器,并分析其工作原理和設計方法,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動元件本身的溫度升高,結構內部產生熱應力,導致薄膜產生線性應變,從而達到驅動目的.分析了雙金屬熱致動原理,經過理論建模與matlab軟件仿真,給出了雙金屬片的形變位移與懸臂梁長度、結構厚度、兩種材料熱膨脹系數差、溫度變化量以及材料彈性模量與懸臂梁寬度的具體關系,根據仿真結果,后兩者的變化對其形變大小影響不大.所得結論為雙金屬熱致動器的設計提供了詳細的理論依據.

針對超磁致伸縮微位移驅動器(gma)的非線性遲滯特性,通過密度函數法和f函數法建立gma的兩種preisach數值模型,仿真和試驗表明f函數法對滯回曲線的預測效果優(yōu)于密度函數法。為將preisach數值模型應用于gma的實際控制系統,提出一種preisach實時數字補償算法,建立基于preisach前饋補償的pid控制模型,分別采用開環(huán)、普通pid和帶preisach前饋補償的pid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,結果表明帶preisach前饋補償的pid控制器可顯著提高gma的響應速度和跟蹤精度,使gma在100μm量程內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合淺層地震勘探的特點,研制了稀土超磁致伸縮換能器驅動器。該驅動器由計算機pci總線fpga信號發(fā)射卡、igbt驅動器、igbt逆變器及電源組成。由該驅動器和稀土超磁致伸縮換能器組成震源系統,將其應用于淺層地震勘探模型試驗中,取得了良好的效果。