（机械电子工程专业论文）基于dsp控制的超磁致伸缩式高速开关阀的研究.pdf

摘要 随着现代电子技术 液压技术和计算机技术的发展 开发数字控制方式的液压元 件具备了理论和现实条件 超磁致伸缩材料是上世纪的重要发现 从此各国竞相开发 超磁致材料的应用产品 本文分析了几种液压控制阀的应用和性能 重点分析了高速 开关阀的应用 性能和分类 在此基础上提出了以超磁致伸缩材料为阀芯 以d s p 为控制器 带有总线型接口的高速开关阀的研究课题 本文首先分析了超磁致伸缩材料的性能和应用机理 建立了基于此材料的致动器 的静 动态模型 对动态模型进行了仿真 分析了超磁致伸缩致动器通用及开关型应 用的特点 应用超磁致伸缩致动器设计了双联锥阀形式的高速开关阀结构 其次采用d s p 数字控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7l 歧计了高速开关阀的控制 通讯等电 路 其中详细分析设计了高速开关阀的电源 显示 串口和c a n 通讯电路 重点分 析设计了控制高速开关阀的驱动放大电路 设计中采用了c p u 与功率放大部分电气 隔离措施 提高其可靠性和安全性 同时使用双电压驱动方式 缩短了高速开关阀的 开关响应时间 因而提高了响应频率 在硬件电路基础上 设计了高速开关阀显示 串行和c a n 通讯接口以及p w m 控制信号的软件模块 最后对高速开关阀的阀芯运动特性以及占空比对阀芯运动的影响做了分析 进而 分析了高速开关阀的静 动态特性 提出了提高动态特性的措施 关键词 超磁致伸缩 高速开关阀 d s p 功率放大 s t u d yo nt h eg i a n tm a g n e t o s t r i c t j v e h i g hs p e e do n o f fv a l v eb a s e do nd s pc o n t r o l a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fm o d e r n e l e c t r o n i c h y d r a u l i ca n dc o m p u t e r t e c h n o l o g y s t u d yo nd i g i t a lh y d r a u l i cv a l v eh a st h e o r ya n dr e a l i t yc o n d i t i o n o n eo f t h eg r e a td i s c o v e r i e si nt h el a s tc e n t u r yw a s g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l g m m a n dm a n yp e o p l ei nd i f f e r e n tc o u n t r i e sh a v e b e e nd e v e l o p i n ga p p l i e dp r o d u c t s b a s e do ng m m t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e ss e v e r a ld i f f e r e n th y d r a u l i cc o n t r o l l i n g v a l v e s m a i n l yh i g hs p e e do n o f fv a l v e s a n dt h e ni tp u t sf o r w a r ds t u d yo nt h eh i g h s p e e ds w i t c hv a l v e u s i n gg m ma sv a l v e sc o r e a d o p t i n gd s pa sc o n t r o l l e ra n d d e s i g n i n gb u sc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e f i r s t l y t h e p a p e ri n t r o d u c e sp e r f o r m a n c ea n da p p l i e dt h e o r yo fg m m e s t a b l i s h i n gt h es t a t i ca n dd y n a m i cm o d e lo fg i a n tm a g n e t o s t r i c t i v ea c t u a t o r g m a a n de m u l a t i n gd y n a m i cm o d e l e x p a t i a t i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fg m a a p p l i e di nt h e g e n e r a la n do n o f fc a s e d e s i g n i n gt h eh i g hs p e e ds w i t c hv a l v ew i t hd o u b l e j o i n t w i m h i es t r u c t u r e s e c o n d l yt h ed i s s e r t a t i o na d o p t st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r a sc o n t r o l l e r o ft h e h i g hs p e e d o n o f f v a l v e d e s i g n i n gc o n t r o l l i n gc i r c u i t c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t e t c i tp a r t i c u l a r l ya n a l y z e sa n dd e s i g n st h eh i g hs p e e d o n o f fv a l v ec o n t r o l l e r sh a r d w a r e i n c l u d i n gp o w e r d i s p l a y s e r i a lc o m m u n i c a t i o n a n dc a nc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t h e ni t m a i n l yd e s i g n sc i r c u i to fd r i v i n gg m a t h r o u g hp o w e ra m p l i f i e r i nt h i ss e c t i o n t h e d i s s e r t a t i o na d o p t s p h o t o c o u p l e r b e t w e e nc p ua n dp o w e ra m p l i f i e r a n dt h u s i m p r o v e ss y s t e m sr e l i a b i l i t y a n d s e c u r i t y m o r e o v e r i tu s e sd o u b l ep o w e rs u p p l yi nd r i v i n gg m a t h ea n a l y s i s s h o w st h a tt h eg m a sr e s p o n s et i m ei ss h o r t e n e da n dr e s p o n s ef r e q u e n c yo ft h e h i g hs p e e do n o f fv a l v ei si n c r e a s e d t h ed i s s e r t a t i o np r o g r a m ss o f t w a r eo ft h eh i g hs p e e do n o f fv a l v e i n c l u d i n g d i s p l a y s e r i a lc o m m u n i c a t i o n c a nc o m m u n i c a t i o na n dp w ms i g n a l c o n t r o l m o d u l e a tl a s tt h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i co ft h eh i g hs p e e d i i o n o f fv a l v e sc o r ea n dp w m si n f l u e n c eo nt h em o v e m e n to fv a l v e sc o r e i ta l s o a n a l y z e ss t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h eh i g hs p e e do n o f fv a l v e p u t t i n g f o r w a r dm e t h o do fi m p r o v i n gd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c k e y w o r d s g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v e h i g hs p e e do n o f fv a l v e d s p d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r p o w e ra m p l i f i e r z h o ux i a n w e n m e c h a n i c s e l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g d i r e c t e db yz h a n gw e i j u n e2 0 0 5 l i i 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 论文中除了特别加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果 其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意 作者签名 i 尊址日期 尘眦 论文使用授权声明 本人同意上海海事大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学 校有权保留送交论文复印件 允许论文被查阅和借阅 学校可以上网 公布论文的全部或部分内容 可以采用影印 缩印或者其它复制手段 保存论文 保密的论文在解密后遵守此规定 作者签名 虱登垒 导师签名 丞兰日期 兰 2 宰 上海海事大学硕士学位论文 第一章绪论 随着现代工业自动化程度的发展 液压技术与计算机技术 电子技术的结合己成 为液压技术发展的必由之路 数字化液压元件的开发应用是当前也是今后液压技术发 展的一个方向 对于各种液压元件 虽然在数字控制方面都有一定的进展 但高速开 关阀作为一种新型的数字式电液转换控制元件 与其它液压控制阀相比还是有非常明 显的优势 1 1 几种液压控制阀的比较分析 在各种各样的液压系统中 控制阀起着非常重要的作用 由于各种阀的性能差别 很大 在使用之前必须对阀的性能有所了解 再根据系统要求进行合理的选择 随着 计算机技术在控制工程中的广泛应用 以及材料科学的发展 液压阀出现了 百家争 鸣 的现象 下面就电液伺服阀 电液比例阀 高速开关阀的现状及其性能特点进行 分析 1 1 1 电液伺服阀 电液伺服阀给人们的主要印象是可以获得较高的控制精度 但抗污染能力差 而 且价格昂贵 这与电液伺服阀加工要求很高有关 目前国内使用的电液伺服阀 很大 一部分是进口 因为国内的工艺水平较低 生产的电液伺服阀性能不够稳定 随着技术的进步 电液伺服阀出现了一些可喜的变化 在某些方面可以弥补加工 水平的的不足 在抗污染能力方面 新型的电液伺服阀中有采用无刷直流伺服电机 作为驱动的结构 直接驱动伺服阀的滑阀 从而控制系统的流量和方向 不但结构简 单 可靠性高 其动态特性和控制精度也明显优于传统的喷嘴一挡板型的两级电液伺 服阀 1 在此类阀中 控制器和驱动放大器外置 并通过电缆与阀体上的伺服电机相 连 由此构成该伺服阀系统 在设计制造上去掉了传统的 先导级 即由喷嘴一挡 板 过滤装置组成 和复杂的装配过程 采用内置阀芯定位的位置反馈传感器和直流 无刷伺服电机直接驱动阀芯的结构形式 这种电液伺服阀虽采用单级结构 但它不同 于早期的那种由比例电磁元件直接驱动的伺服阀 而是采用微型无刷直流伺服电机与 偏心机构和球铰形式连接来驱动阀芯作轴向直线运动 配以内置角位移反馈传感器和 上海海事大学硕士学位论文 先进的d s p 控制装置 优化了系统的控制性能 使整个伺服阀系统实现了带宽优良 的电流伺服和近乎比例环节的控制特性 在新型电液伺服阀中 还出现了采用永磁式力马达为驱动装置的电液伺服阀1 3 1 该阀用集成电路实现阀芯位置的闭环控制 对i l 弹簧使阀芯保持中位 直线力马达克 服弹簧对中力使阀芯在两个方向均能偏离中位 平衡在一个新位置 解决了比例电磁 线圈只能在一个方向产生力的不足之处 阀芯位置闭环控制电子线路固化 并集成为 块 用特殊的连接技术固定在电液伺服阀内 该类阀同传统的电液伺服阀相比 有以 下几个特点 1 取消传统电液伺服阀中的喷嘴挡板组件 降低了制造难度 而且提高了电液 伺服阀的抗污染能力 2 大功率的直线力马达替代小功率的力矩马达 在直线力马达的驱动衔铁上采 用滚珠支承 减小了机械摩擦力 通过特殊加工 减小阀芯 阀套的配合间隙 提高 了圆度和圆柱度 3 用微型位移传感器替代工艺复杂的机械反馈装置 将阀芯位移信号反馈到伺 服放大器 与直线力马达形成一个闭环位置系统 通过采用原边短路补偿方法 解决 了零点剩余电压问题 使位移传感器的分辨率达到l v m 大大提高了力马达的动 静 态特性 4 微型伺服放大器与阀体采用整体式 用差动变压器控制阀芯位置 将位置信 息反馈到比较环节 与直线力马达形成一个闭环位置控制系统 电路上采用小电感大 电流电磁线圈 在驱动级的功率放大级中 用反馈卸载式功率驱动电路代替传统的功 率驱动电路 减少了驱动电流上升和下降的时延 5 在停电 电传缆损坏或紧急停车情况下 电液伺服阀均能自行回到中位 6 一旦工作油液被污染 传统的喷嘴挡板式电液伺服阀的喷嘴或节流孔极易堵 塞 万一堵塞 将使阀芯推向一边 造成执行机构一1 s 车 等严重后果 而直动式电 液伺服阀克服了这种对伺服控制系统构成的潜在的威胁 在大流量 高响应电液伺服阀方面 主要有两种结构形式 1 一种是以力马达为 电 机转换元件 带动滑阀形式的可控元件作为第一级阀 再由第一级阀控制另一个 滑阀式的二级阀 第一级和第二级的滑阀位移都被传感器检测出 通过电控制器形成 两级位移反馈闭环控制系统 这种形式的伺服阀具有频带宽 输出流量大 抗污染能 力强的优点 但是系统结构复杂 体积大 价格昂贵的缺点限制了它的应用范围 另 一种是用一个普通的喷嘴挡板一滑阀式力反馈两级电液伺服阀为先导级 控制第三级 滑阀 第三级滑阀的位移由传感器检测出 通过电控制器形成位移反馈闭环控制系统 这种形式的伺服阀也具有较宽频带和大的输出流量 虽然其抗污染的能力明显低于前 上海海事大学硕士学位论文 一种 但其价格较前一种便宜 结构也相对简单 使用范围比前一种广 1 1 2 电液比例阀 与伺服阀相比 比例阀对油液污染不敏感 仅需要1 0 u m 过滤 耐用性 可靠性 好 在高热 有尘土及不洁的场合有较大的优势 而且较低的温度敏感性使人们更乐 意选用比例阀 尤其是用树脂封装的电子控制部分更是如此 但比例阀存在抗干扰能 力较弱的缺点 尤其在高磁场区里显得更为突出 在这样的地方用比例阀需要采用屏 蔽及其它绝缘技术 2 0 世纪9 0 年代微电子工业的发展 使电液比例阀也产生了新的 发展方向 特别是机电一体化 各种内藏的集成电路与传感器使阀的整体更加小型化 功能复合化 接口标准化 有的只要输入标准的电压信号或电流信号即能驱动电液比 例阀 并且接口电插座为国际通用标准件 5 1 1 1 3 高速开关阀 高速开关阀是一种数字式电液转换控制元件 采用脉冲流量控制方式 直接根据 一系列脉冲电信号进行开关动作 响应速度极高 可小于i m s 6 1 脉冲流的形成和调 节方法有多种 其中脉宽调带t j p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n 简称p w m 是用得最多的一种方 法 与伺服阀 比例阀相比 高速开关阀具有结构简单 价格低廉 阀口对污染不敏 感等特点 且能将o n o f f 数字信号直接转换成流体脉冲信号 使计算机控制技术无 需d a 转换接口便可实现与液压技术的有机结合 综合以上对各种阀的分析可知 电液伺服阀在保留高精度的同时 结构上也发生 了很大变化 大多采用各种电机或马达直接驱动 充分利用计算机技术进行控制 对 污染敏感度有所降低 加工制造要求降低 响应时间加快 比例阀对油液不敏感 内 置电路和传感器 结构尺寸小型化 可靠性高 响应时间有的已经小于1 0 m s 高速 开关阀响应速度高 节能性好 无需d a 转换接口 高速开关阀作为一种新型的数 字式电液转换控制元件 由于其特有的性能 在某些场合是其它液压控制阀所不能替 代的 例如 随着各个国家对车用柴油机排放法规的日益严格 柴油机燃油喷射系统 如何实现高压喷射日益成为人们研究的热点 实现高压喷射 须要有高性能的开关阀 特别是在响应速度方面 要求等于或小于l m s 开口至少要达到0 7 m m 要满足此要 求 非高速开关阀莫属 此外 在某些传统伺服阀的应用领域 如实验室中的振动试 验台 由于对油液清洁度要求较高 维护越来越困难 也需要有符合要求的液压控 制阀进行替代 因此 本课题选择了高速开关阀作为研究对象 上海海事大学硕士学位论文 1 2 高速开关阀的应用 分类和国内外发展情况 高速开关阀除了在电控燃油喷射 车身悬架控制 车轮防抱死制动装置 以及离 合器自动操纵等汽车技术领域应用外 在传统的冶金行业 工程机械 起重机 挖掘 机 农业机械和振动试验设备中 高速开关阀也有一定的应用 高速开关阀具有的 高频响 抗污染能力强 成本低廉的特点 特别是作为电子计算机与被控对象间的联 系桥梁 使得人们能够直接利用电子计算机来完成对被控对象的控制任务 因此 近 二十多年来对高速开关阀的理论与应用研究越来越得到人们的重视 并首先在少数工 业发达国家得到了发展 高速开关阀之所以有很高的响应速度 是因为驱动阀芯运动 的驱动器响应速度极高 根据所用驱动器的不同 高速开关阀可分为高速电磁阀 电 流变液式高速开关阀 压电式高速开关阀 磁致伸缩式高速开关阀 下面就它们的发 展情况及现存问题作些分析 1 2 1 高速电磁阀 高速电磁阀发展较早 应用领域相对其它高速阀也比较广 在比较典型的柴油机 燃油电控系统里面 使用的多为高速电磁阀 在这方面国内外都有许多的研究 比如 早在上世纪8 0 年代的西德就研究出频率达2 0 0 h z 的高速响应开关阀噶1 在国内这方 面也取得了不少成就 如 哈尔滨工业大学的s m c 气动中心开发一种新的气动高速 开关阀 此阀无复位弹簧 因而能降低对电磁力的要求 延长工作寿命 该阀体积小 工作频率可达3 1 2 h z1 9 1 电磁阀开关所需的吸力主要用以克服阀门弹簧 油压差以及 惯性力等产生的阻力 而电磁吸力的大小主要取决于驱动线圈的安匝数 产生较大的 力需要较大的安匝数 这势必导致电磁阀发热 而且这种阀结构复杂 体积较大 响 应相对其它类型的高速阀比较慢 另一方面 高速电磁阀对电磁铁的性能要求很高 国内生产的电磁铁难以满足使用要求 所用的电磁铁大多为进口 1 2 2 电流变液高速开关阀 电流变液高速开关阀是以电流变液体为驱动元件 电场致流变流体 即 e t e c t r o r h e o l o g i c a l f l u i d 又叫电流变体 电流变液 简称e r 流体 指的是具有较高 介电常数的分散颗粒 分散于具有较低介电常数的绝缘液体中形成的一类均匀悬浮 液 将这类悬浮液置于直流或交流电场中 其流变性能会发生显著变化 表观粘度可 上海海班大学硕士学位论文 以比未加电场时增加几个数量级 甚至可成为固态 而当撤去电场后 其粘度又很快 恢复原值 体系可重新转变为液态 由于电流变液具有这种独特的电场响应特性 且 响应速度很快 毫秒级 因而被人们称作 机敏材料 电流变技术被公认为具有巨 大的工程应用前景 一旦被突破 将在汽车 机电 液压技术和机器人等工业中引起 技术革命 1 0 l 将e r f 应用于液压控制系统 直接用电能来改变e r f 的粘度 可以实现无移动 或少移动件的机构 e r f 控制系统与传统的电液控制系统相比较的一个明显优点是消 耗的电能极少 而且在机械装置与电子控制之问无需专门的接口 符合应用要求的电流变材料应具备下述性能 较低电场下具有较大的应变力 零 场时切变应力尽可能小 使用温度范围宽 电流密度低 抗沉降性好 无污染 但目 前尚未获得理想的电流变液材料 人们仍还致力于电流变液材料的研究 早期的电流 变液主要是含水的悬浮液体系 稳定性较差 近年来 由于复合分散相有助于提高电 流变液的综合性能而日益受到重视 液晶高分子溶液电流变液也因其优异的稳定性等 特点而受到了人们的关注 但是这两类材料也存在一些问题 例如 液晶高分子电流 变液的响应速度慢 复合型分散相的制备工艺复杂等i l l 虽然电流变液材料应用于 驱动器前景广阔 但距离实际应用还有一大段距离 1 2 3 压电式高速开关阀 压电晶体式开关阀具有响应速度快 功耗少 体积小等特点而被广泛研究 在国 外己经大量用于柴油机电控燃油喷射系统 多层压电驱动器因驱动电压低 能量密度 高 响应速度快 使用寿命长 而在实际中应用广泛 但是其商品化受到在能接受的 生产成本下而难以满足性能和可靠性这些困难的限制 但是随着人们对压电材料的不 断研究 以及生产上的改进 多层压电驱动器的生产成本能够得到大幅度的控制 国内也有学者开展了一些研究 如中国矿业大学赵四海等利用5 0 0 片压电晶体薄 片粘接叠加而成压电晶体电一机械转换器 经杠杆放大后驱动一个高速开关阀 在多 层压电晶体两端施加2 2 0 v 直流电压时 转换器产生6 0 p m 的位移 放大8 倍输出位 移为o 5 m m 驱动先导阀的阀芯 试验得出转换器的上升时间为4 m s 1 2 1 压电材料的输出应变小 驱动电压高 叠片式压电材料 其工作时自身组织结构 出现不规则应变和蠕变 很不稳定 会产生漂移现象 采用压电直动式高速开关阀的 流量都偏小 上海海事大学硕士学位论文 1 2 4 磁致伸缩式高速开关阀 磁致伸缩式高速开关阀是利用了磁致伸缩材料的特性 磁致伸缩效应 而工作的 超磁致伸缩材料机械响应速度快 并且可控 又具有较高的居里温度 可适用于高温 环境 频率特性好 频带宽 可在较低电压下控制工作 超磁致伸缩材料应用于微位 移致动装置 具有较大的推动力及位移幅度 由于磁致伸缩驱动器是建立在材料分子 运动的基础之上 其机械响应为微秒级 另外 磁致伸缩驱动器的激励为外部磁场 可以实现无电缆驱动 瑞典一家公司己将用超磁致伸缩材料制做的大磁致伸缩棒用于燃料注入阀 通过 控制驱动线圈的电流 来驱动具有磁致伸缩的棒 使得针阀提起或放下 可实现注入 过程快速 高度准确的流动无级控制 在我国浙江大学 也已经有将稀土超磁致伸缩 材料用于柴油机高速强力电磁阀的研究 研究表明 由磁致伸缩材料t e r f e m o l d 作 为主要执行元件开发的电磁阀 可以稳定地实现电磁能与机械能之间的转换 完全满 足高压共轨用柴油机电喷系统对电磁阀的要求 开关频响1 5 0 0 h z 顶杆推力1 0 0 0 n 以 上 位移o 1 5 m m 可以成功地应用于柴汕机电喷系统中1 1 3 1 但目前有关磁致伸缩 的应用尚未大规模展开 制约磁致伸缩应用的主要因素是 1 造价高 主要受到稀土 材料价格的影响 2 与压电陶瓷的应用研究发展相比 有关磁致伸缩材料及器件的生 产工艺 磁机械设计技术等方面的研究相对滞后 在2 0 世纪8 0 年代末期 高成本限 制了磁致伸缩材料潜在的应用 但近几年来其成本已经下降了8 0 且由于关于磁致 伸缩材料及其应用研究的日益开展 磁致伸缩器件生产规模的扩大 生产过程自动化 及稀土材料供应情况的改善 有希望进一步降低磁致伸缩器件的价格 1 3 数字液压技术的研究 1 3 1 数字信号处理技术的发展和特点 数字信号处理 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g 简称d s p 是 f j 涉及多学科而又广 泛应用于许多领域的新兴学科 2 0 世纪6 0 年代以来 随着信息技术的飞速发展 数 字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展 在过去的二十多年时间里 数字信号处 理技术已经在通信 测量 控制等领域里得到极为广泛的应用 d s p 是特别适合用于进行实时数字信号处理的微处理器 它的主要特点 1 哈佛结构 哈佛结构是不同于传统的冯 诺依曼 v o n n e u m a r m 结构的并 上海海事大学硕士学位论文 行体系结构 其主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中 即程序存储器和 数据存储器是两个相互独立的存储器 每个存储器独立编址 独立访问 与两个存储 器相对应的是系统中 发置了程序总线和数据总线两条总线 从而使数据的吞吐率提高 了一倍 而冯 诺依曼结构则是将指令 数据 地址存储在同一存储器中 统一编址 依靠指令计数器提供的地址来区分是指令 数据还是地址 在哈佛结构中 由于程序和数据存储器在两个分开的空间中 因此取指和执行能 完全重叠运行 2 多总线 流水线结构 d s p 芯片都采用多总线结构 这样可以保证在一个周 期内可以多次访问程序空间和数据空问 如t m s 3 2 0 c 5 4 x 内部有4 条总线 每条总 线又包括地址总线和数据总线 与哈佛结构相关 d s p 芯片广泛采用多级流水线以 减少指令执行时间 从而增强了处理器的处理能力 t m s 3 2 0 系列处理器的流水线深 度从2 级一6 级不等 3 专用的硬件乘法器 在通用的微处理器中 乘法指令是由一系列加法来实现 的 故需许多个指令周期来完成 相比而言 d s p 芯片的特征就是有一个专用的硬件 乘法器 在t m s 3 2 0 系列中 由于具有专用的硬件乘法器 乘法可在一个指令周期内 完成 4 特殊的d s p 指令 d s p 芯片的另一个特征是采用特殊的指令 例如 d m o v 就是一个特殊的d s p 指令 它完成数据移位功能 在数字信号处理中 延迟操作非 常重要 这个延迟就是由d m o v 来实现的 5 运算精度 一般的定点d s p 芯片的字长为1 6 位 如t m s 3 2 0 系列 但有的 公司的定点芯片为2 4 位 如m o t o r o l a 公司的m c 5 6 0 0 1 等 浮点芯片的字长一般为 3 2 位 累加器为4 0 位 1 3 2 数字液压技术研究的现状和意义 在液压传动中 是通过各种液压阀来控制普通液压缸的运动方向 速度和位置的 为了满足各种要求 液压先驱者们 经过近百年的不断努力 发明和生产了上百个品 种的液压元件和产品 但为了获得精确的控制 普通的液压元件已经不能满足要求 于是依靠电子技术和传感技术 发明了伺服阀和比例阀 这两种液压元件的出现 把 液压的精确控制引入到工业领域 对工业自动化起到了极大的推动作用 促进了整个 工业技术的进步 进入2 l 世纪 计算机技术和数字技术已经不断完善并大量采用 特别是数字信 号处理 d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 技术的发展和广泛应用 如果液压技术和计算机 上海海事大学硕士学位论文 技术 数字技术相结合 必将给液压和控制技术带来巨大的进步 数字液压研究将集 计算机技术 微电子技术 传感技术 机械技术和液压技术为一身 它是液压技术的 一次飞跃 将为液压技术和控制技术带来了崭新的活力 它优良的控制性能超过了传 统液压及控制技术 带有数字化的接口液压技术 将使得控制更加方便 同时研究带 有总线技术的数字液压技术 它将大大的减少目前液压控制技术中线缆铺设费时废料 的现状 由于采用数字传输 不存在失真 也不存在通讯接e l 上的障碍 因而特别适 宜远程网络控制 尤其是数字阀自动构成速度闭环和位置闭环 对一般位置控制系统 和速度控制系统 避开了伺服控制在远程网络控制中的时间滞后难题 大部分的远程 控制都是已知目标控制 数字控制具有突出的优点 如果能够研制出新一代的高性能数字液压系统 它将广泛的应用到国民经济各领 域中 因而可以带来一系列的技术进步 也将是中国用高新技术改造传统产业的有力 法宝 必将为整个中国国力的迅速提升做出巨大贡献 目前 在国外许多著名的液压生产企业 l l 如m o o g 公司正在研究具有总线接口 的数字化液压产品 在德国汉诺威控制国际展览会上 m o o g 公司展出了其新一代的 数字液压产品 女n d 9 4 1 它带有c a n 总线的接口 可是实时传送控制参数 可以在线 监测工作状况 还具有故障自诊断功能 通过配置的软件 可以针对不同的应用场合 很容易的调整数字液压阀的工作参数 数字化液压产品简化了液压系统设计和控制方 法 降低了维护难度 增加了系统可靠性 扩大了应用领域 降低了系统成本 便于 远程控制和网络控制 容易实现故障预报和监控 便于大规模产业化 具有广阔的市 场前景 据m o o g 公司介绍 虽然在国际市场上有一系列的数字液压产品 但整个份 额不到整个液压市场的百分之一 在国内 数字液压的研究也是处于起步的阶段 与国外的研究水平相比 还有较 大的差距 例如北京亿美博科技有限公司已经开发出直接由计算机控制的数字式六自 由度液压运动平台 以及一系列的数字液压缸 在吸收国外先进的数字液压技术的同 时 研究具有自主技术创新的数字液压产品 对提高国内整个液压技术的水平具有重 要意义 1 4 选题意义和课题的主要内容 1 4 1 选题的意义 综合以上研究材料 可以得出 电磁高速开关阀很难将频率进一步的提高 其总 上海海事大学硕士学位论文 体性能提高的余地不大 但其发展时间长 技术比较成熟 商品化程度高 价格便宜 适合用于一些要求不高的场所 电流变液高速开关阀变液材料还存在许多需要解决的 问题 压电式高速开关阀可以有很高的响应频率 但其流量小 适合响应频率高而流 量不大的场所 也可将其作为多级阀的先导级 做成高响应大流量的高性能阀 这样 会增加成本和体积 同时压电晶体的驱动电压高 容易造成击穿 在超过居里点温 度情况下产生不可逆的形变 超磁致伸缩转换器具有结构简单 漂移小 响应快 输出力大 位移范围大等特 点 可以利用其优点做成高速开关阀 从目前国内外发展情况看 超磁致伸缩式高速 开关阀不仅可能 而且具有十分优良的性能 我国稀土资源丰富 储量占世界第一 开发应用超磁致伸缩材料 器件将会带来巨大的经济效益 目前我国在材料研制方面 已取得很大的发展 不仅开发出高性能超磁致伸缩材料 而且随着批量的生产 价格 将会越来越便宜 这对大量应用提供了坚实的基础 d s p 广泛应用在各个行业中 有丰富的应用经验可以借鉴 高的运算速度和处理 能力 可以为实现复杂算法 精确的控制提供良好的硬件平台 因此 开发基于d s p 控制的超磁致伸缩式高速开关阀具有重要意义 它具有比 电磁 电流变液和压电式高速开关阀更良好的性能 可以应用在特殊要求的场合 随 着超磁致伸缩材料的广泛开发应用 成本的降低 超磁致伸缩式高速开关阀的开发和 应用具有广阔的前景 1 4 2 本课题主要研究的内容 a 超磁致伸缩材料特性分析与研究 b 超磁致伸缩致动器的原理分析 c 超 磁致伸缩致动器的静 动态建模与仿真 d 以d s p 为控制器的高速并关阀控制 通讯电路设计 e 高速开关阀控制 通讯软件设计 f 高速开关阀的特性分析 1 5 本章小结 本章对几种液压控制阀进行了比较 着重分析了高速开关阀 综述了目前国内外 高速开关阀的研究和应用的概况 比较各自的特点 提出研究基于d s p 控制的超磁 致伸缩式高速开关阀的依据和研究主要内容 上海海事大学硕士学位论文 第二章超磁致伸缩材料的研究 2 1 超磁致伸缩材料发展简史 1 4 超磁致伸缩材料 g i a n tm a g n e t o s t r i v em a t e r i a l 简写为g m m 是一种新型功能材 料 具有极大磁致伸缩的一类金属间化合物 其典型代表为t b o 砑d y o7 3 f e l 舯 超磁 致伸缩现象与传统的磁致伸缩现象有一定的联系 磁致伸缩材料于1 9 世纪中叶就被发 现 历史己相当久远 磁致伸缩指的是材料在磁场作用下 其长度发生微小伸长或缩 短的现象 磁致伸缩量的大小用材料的相对伸长量五 来表示 称为磁致伸缩系 数 以往发现的材料的磁致伸缩系数都很小 其数量级只有1 0 一 1 0 4 左右 利用n i 坡莫合金 铁氧体等铁磁性材料的磁致伸缩效应制作的音响变换振子 超声波发生器 等器件 早有实际应用 但在该领域中 以p z t 为代表的压电材料己占据主导地位 1 9 6 3 1 9 6 5 年在重稀土金属t b d v 等单晶体中发现了很高的磁致伸缩现象 这 个记录一直保持到现在 因为这些巨大的磁致伸缩应变值在低温时才能获得 从而在 以后的年代里就开始了系统的探索 期望找到居里点在室温以上的稀土合金材料 在 稀土和铁的合金中 人们发现r e f e 2 r e 稀土元素t b d y 等 化合物不仅居里点可达 至l j 4 0 0 左右 且在室温下仍然具有巨大的饱和磁致伸缩 但r e f e 2 化合物具有强的磁 晶各向异性 从而影响该类材料的实际使用 自1 9 7 1 年开始 在r e f e 2 化合物的基础上 美国海军表面武器研究中 心 n s w c 和爱阿华州立大学开始探索具有实用意义的稀土超磁致伸缩材料 他们对r e c o r c n i 干h r e f e 系化合物和合金进行了系统研究 发现r e f e 2 系立方l a v a s 相化合物磁致 伸缩应变大 而且居里温度也较高 是最有希望的体系 为降低r e f e z 化合物的磁晶 各向异性 a e c l a r k 等人用磁致伸缩符号相同 各向异性常数符号相反的t h f e 2 和 d y f e 2 组成准二元r e f e 2 系 在1 9 7 3 年发现t b o3 d y o7 f e 2 的各向异性最低 且其磁致伸 缩应变降低较小 易轴方向磁致伸缩仍维持在1 6 0 0x1 0 5 左右 这就是美国超磁致伸 缩材料的基础 t b o 3 d y o7 f e 2 的发现 为超磁致伸缩材料的工业应用打下了坚实的基 础 这种稀土元素和铁系元素的三元合金的磁致伸缩值比非稀土合金的磁致伸缩值高 数百倍甚至上千倍 称为超磁致伸缩材料 这是继稀土磁光 稀土永磁和稀土超导材 料发现之后的又一种引起广泛瞩目的新型稀土功能材料 1 0 上海海事大学硕士学位论文 2 2 超磁致伸缩材料性能 超磁致伸缩材料 通常是指美国水面武器中心的c l a r k 博士于2 0 世纪7 0 年代初 首先发现在室温和低磁场下有很大的磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物 典型材料为 t b d y t f e 2 y 式中x 表示t b d y 之比 y 代表r i f e 之比 x 一般为0 2 7 0 3 5 y 为o 1 一o 0 5 这种三元稀土合金功能材料己实现商 钴化生产 其典型商品牌号为 t e r f e n o l d 美国e d g et e c h n o l o g i e s 公司 代表成分为t b o2 7 d y o7 3 f e l9 3 与压电材料 p z t 及传统的磁致伸缩材料n i c o 等相比 超磁致伸缩材料具有独特的性能 在室 温下的应变值很大0 5 0 0 2 0 0 0 p p m o 8 x 1 0 一1 6 x 1 0 3 是镍的4 0 5 0 倍 是压 电陶瓷的5 8 倍 能量密度高 1 4 0 0 0 2 5 0 0 0 j m 是镍的4 0 0 5 0 0 倍 是压电陶瓷的 1 0 1 4 倍 机电耦合系数大 大约0 7 3 响应速度快 达到u s 级 输出力大 可达到 2 2 0 8 8 0 n1 1 5 1 7 1 0 作为一种新型的功能稀土磁致伸缩材料从被发现以来 越来越成为各国研究工作 者竞相研究开发的对象 1 8 2 6 1 0 特别是当其作为工业产品t e r f e n o l d 产业化开发至今 以其优越的综合性能逐渐有替代传统功能材料 如压电陶瓷等 的趋势 超磁致伸缩 材料具有伸缩量大 响应速度快 能量密度高等优良性能 在位移驱动执行器 能量 转换器 声能换能器 微定位器 微传感器领域的应用范围将越来越广 超磁致伸缩 器件与其它功能材料器件相比 具有以下优点 1 可产生5 一1 0 倍于压电陶瓷的应 变 可在低压下使用 2 在所有功能材料器件中能量密度最高 输出功率高 3 结构紧凑 工作频率高 数百h z 一数百k h z 能量转换时损耗低 4 工作温度范围 广 且当工作温度超过其居里温度时 其磁致伸缩性能不会发生不可逆变化 而压电 陶瓷即使在其居里温度一半时 压电性能也会受到不可逆的损害 超过居里温度时则 完全失去极化 由于超磁致伸缩材料的上述优良性能 因而在许多领域尤其是在转换器 执行器 驱动器 定位器 传感器等场合应用前景良好 2 3 超磁致伸缩材料应用机理 磁致伸缩是相当复杂的现象 是满足自由能极小条件的必然结果 下面采用磁畴 唯象理论对其进行解释 2 7 1 0 磁致伸缩现象产生的机理如图2 1 所示1 2 8 1 在居里温度 以下发生自发磁化 铁磁质中的电子自旋磁矩可以在小范围内 自发地 排列起来 形成一个个小的 自发磁化区 这种自发磁化区叫做磁畴 在未磁化的铁磁质中 上海海事大学硕士学位论文 各磁畴内的自发磁化方向不同 因而从统计平均的观点来看 铁磁材料的统计平均磁 矩值为零 故在宏观上不呈现磁性 当外磁场作用到铁磁体时 在每个磁畴内晶格都 发生改变 其磁化强度方向是自发形变的一个主轴 开始阶段是使磁畴问的边界发生 移动 亦即使取向与外磁场方向夹角小的那些磁畴的体积增大 如图2 1 b 所示 外磁场继续增强时 磁畴内的磁矩逐渐旋转到外磁场方向 直至饱和 如图2 1 c 所示 倘若外磁场再增加时 则磁畴内的磁化强度几乎不再增加 在有外磁场时 大 量磁畴的磁化方向趋于外磁场方向 在宏观上产生形变 出现磁致伸缩现象 簿 a i i o 图2 1 磁畴内磁矩随外磁场变化情况 图中h 为铁磁材料的平均磁场强度 h s 为外磁场磁场强度 其长度的变化用其 相对伸长量a l l l 表示 称为磁致伸缩系数 这个系数一般是通过测量沿着主轴 方向长度变化得到的 磁场从垂直转到平行于测量方向 其磁 致伸缩系数为 些l j l l 2 以2 口 历 口 历一争 2 口 展岛十口 呸岛屈 呸吒屈厦 玛 2 以2 口刍磅 2 刚2 十 以42 口 历 口以4 2 专s 一争 2 h 5 c t 口 a 成岛 口 口 口 岛屈 吒吼口 屈展 2 1 式中 h i l t 侈 l 系数 i 1 5 口 饱和磁化强度相对晶轴的方向余弦 i x y z 屈 为测量方向相对晶轴的方向余弦 i x y z 通常只用最低阶的两项去和磁致伸缩的实验拟合 如果用 表示磁化向量沿 方向时该方向的长度变化 用 表示磁化向量沿 方向时沿该方向的长度变化 就可把磁致伸缩应变简化为 1 2 上海海事大学硕士学位论文 了a 吾 a 碱 a 澎q 2 p 2 一争 3 l l a a b x f l y 坞口 岛卢z a z a x 2 4 超磁致伸缩材料的相关理论研究 2 2 超磁致伸缩材料及其元件的相关理论研究日趋广泛和深入 国外在这方面研究进 行的较早 其中d m d o z o r 等人给出了基于t e r f e n o l d 磁致伸缩应变能的力输出装置 的集中参数模型 2 9 1 m a n j a n a p p a 等人分析了包含热效应的转换器模型1 3 0 1 h w a k i w a k a 等人分析了g m m 声学振动转换器的阻抗特性1 3 1 1 在超磁致伸缩材料棒 模型分析方面 l k v a r n s j o 等人讨论了超磁致伸缩材料非线性二维动态模型的建立方 法 3 2 33 3 4 1 m o h a m e d 等给出了t e r f e n 0 1 d 棒的非线性有限元模型日5 3 6 1 i m r e e d 等人讨论了超磁致伸缩材料平面波模型 j b r e s t o r f f 等讨论了超磁致伸缩材料的滞回 特性的建模方法 n a t a l e 等人建立了磁致伸缩执行器的磁滞现象模型并对磁滞现象进 行了补偿 a a a d l y 等人阐述了各向异性的p r e i s a c h 矢量模型 并对其进行了仿真分 析 对在磁路设计方面 m o h a m e d 等人介绍了改善磁通均匀性的相关设计方法 国内部分高校和科研院所也于上世纪9 0 年代开始了超磁致伸缩材料磁机耦和理 论建模方面的研究 其中哈尔滨工业大学贾宇辉等人建立了超磁致伸缩材料电磁场 机械场模型 并基于虚功原理建立了超磁致伸缩材料驱动器的磁机耦和模型 3 7 1 通 过分别对电磁场及机械场的求解 利用磁场力将电磁场与机械场耦和在一起 在耦和 模型中 考虑了磁导率随压力及磁场的变化 以及弹性模量随磁场的变化 对磁场的 处理是采用上升段与下降段的平均方法 最后通过有限元的方法对所建立的模型进行 了计算机仿真 大连理工大学贾振元等人建立了基于磁感应强度的控制模型o8 并通过理论分析和实验研究 得出采用磁感应强度的控制方法可以减小超磁致伸缩材 料的滞回 提高其控制精度的结论 中国科学院声学研究所莫喜平 朱厚卿等人对 t e r f e n 0 1 d 换能器进行了有限元模拟 柏1 尝试用a n s y s 软件来解决磁致伸缩机电耦 和问题 从理论上给出了处理问题的思路和方法 并基于以上理论设计了1 4 h z 纵向 换能器 东北大学袁惠群等人基于实验数据建立了超磁致伸缩换能器的等效动力学模 型 应用g r e e e n 函数得到了换能器的固有