Φ6通径2D数字阀高频电-机械转换器的研究

　　0 引 言

　　电-机械转换器是连接电气元件和机械元件的桥梁,提高其频响和带载能力是提高液压伺服阀频宽的一个前提[1]。传统的电-机械转换器有动铁式力矩马达,动圈式力马达,比例电磁铁和步进电机[2],分别用于电液伺服阀、比例阀和数字阀。

　　目前,随着先进制造技术,微电子技术及嵌入式计算的发展,基于新型功能材料(超磁致伸缩材料GMM、电致伸缩材料PMN和形状记忆合金SMA等)[3-4]的电-机械转换器已广泛应用于电液伺服阀上。而以2D数字伺服阀为代表的数字阀则采用先进嵌入式伺服控制的两相混合式步进电机[5]。2D数字伺服阀利用单个阀芯的旋转和滑动的双运动自由度而设计的伺服螺旋机构实现伺服阀功率级的液压放大功能,相对其他伺服阀其具有结构简单、抗污染能力强、构成导控阀导控级的零位泄漏小、固有频率高、动态性能好等优点[6-7]。

　　本研究针对Φ6通径数字伺服阀选用一种低惯量,高频响的步进电机,并设计了基于DSP2812的专用控制器对其动态特性进行研究。

　　1 电-机械转换器的结构与原理

　　1. 1 电-机械转换器的结构原理

　　如图1所示为2D数字阀电-机械转换器外形图,由步进电机电机和位置反馈模块组成。

　　该数字阀电-机械转换器采用型号为FL28STH32-0674A的两相混合式步进电机,外形尺寸为28X28X32(mm3),其参数如表1所示。

　　其原理如图2所示。它由定子和转子组成。定子有8个极(1, 3, 5, 7是A相; 2,, 4, 6, 8是B相)。每相各极相差P/2,且极性相反。

　　端铁芯呈S极,另一端铁芯呈N极,两铁芯上的小齿错开半个齿。

　　在其A相与B相线圈中通入相位差为π/2的正弦波电流,考虑步进电机的磁路材料存在着严重的饱和及磁滞非线性影响[8],则会对转子产生类似正弦波的牵引力矩TA和TB,其关系函数为[9]:

　　式中:步进电动机的额定电流;α—描述磁路非线性而引入的控制参数,其取值范围为0~π/2,α值越大则磁路饱和越严重,Δ—描述磁滞非线性的控制参数。

　　从而对转子形成力矩旋转磁场矢量,其合成矢量旋转2π电角度,转子转动一个齿距角7. 2b,以实现步进电机的连续运动。

　　1. 2 2D数字伺服阀控制器设计

　　2D数字伺服阀电-机械转换器的性能与所选的步进电机的性能和控制器的好坏有关[10],为实现电-机械转化器的控制设计了专用的控制器。其功能框图如图3所示。2D阀控制器主控芯片采用TI公司的DSP2812芯片,该芯片最高能达到150M的处理速度,能实时对控制信号进行处理;其内部事件管理器产生用于控制电机转动的4路PWM信号,通过控制IR2110驱动芯片来控制两个/H桥0中IRF640的关断,从而产生相位差为P/2的正弦波电流ia和ib; SPI模块接收固定在电机上的AS5045磁旋转编码器检测到的电机转子的角位移信号;ADC模块用于检测串接在电枢绕组中取样电阻经光耦隔离放大后的电压值。