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基于超声电机驱动的气动控制阀的研究

作　者: 黄鹞
导　师: 包钢
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 气动压力阀喷嘴挡板阀压电驱动超声电机位置伺服控制
分类号: TM359.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

超声电机具有结构简单、易于小型化、定位精度高以及无电磁干扰等特,在高精度的微型驱动场合得到了广泛的应用。本文提出将超声电机应用于动比例压力阀的先导级驱动,以提高电气压力阀的精度和稳定性,是压电驱技术在气动领域中的应用方向的新的探索。搭建了超声电机的测试系统,测试了超声电机的速度特性,从实验的角度超声电机的位置伺服控制特性进行了分析。实验结果表明,在额定的负载力22N)以内,超声电机具有十纳米级的定位精度,且具有很高的速度刚度。此基础上,提出了超声电机的位置伺服控制模型,为超声电机在气动压力阀的应用提供了基础。提出了基于超声电机驱动的气动压力控制阀的方案,该阀采用两级驱动,导部分为喷嘴挡板阀,由超声电机的直线位移输出控制挡板与喷嘴之间的间,进而实现对阀整体的控制。对喷嘴挡板阀静特性的分析表明,喷嘴直径和口节流面积是影响喷嘴挡板阀灵敏度的主要因素。建立了基于超声电机驱动的气动压力阀的数学模型,推导了从挡板位移输到阀的压力输出的传递函数,线性数学模型表明该阀是一个复杂的四阶系,进而推导了流量增益和流量压力系数的表达式。对阀的非线性模型进行了真研究,分析了驱动器特性对阀的性能的影响。测试了基于超声电机驱动的气动压力控制阀样机的性能,具体包括开环的入输出实验,闭环的稳态和动态特性实验。实验结果表明,在0.3MPa的工压力下,该阀的线性度为±0.5%,分辨率为0.1%,滞回为±0.5%,动态响时间约为2s左右。同时由于超声电机的连续位移输出能力,该阀不存在零、温漂等影响稳定性的问题。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-19
  1.1 课题的来源和背景  9-13
    1.1.1 气动比例压力阀概述  9-10
    1.1.2 传统的电控驱动装置  10
    1.1.3 压电驱动器  10-12
    1.1.4 超声电机简介  12-13
  1.2 压电驱动在流体控制阀中的研究现状  13-18
    1.2.1 刚性压电位移驱动器  13-16
    1.2.2 谐振压电位移驱动器  16-18
  1.3 本课题的研究内容  18-19
第2章超声电机的特性分析  19-29
  2.1 超声电机结构与驱动原理  19-21
  2.2 超声电机的动力学建模  21-22
  2.3 超声电机的测控系统  22-25
    2.3.1 测控系统的硬件实现  22-24
    2.3.2 测控系统的软件实现  24-25
  2.4 超声电机的特性测试  25-27
    2.4.1 速度特性  25-26
    2.4.2 刚度特性  26-27
  2.5 超声电机的控制模型  27-28
  2.6 本章小结  28-29
第3章超声电机驱动气动压力阀的建模与仿真  29-46
  3.1 比例压力阀的结构与工作原理  29-33
    3.1.1 阀的整体结构  29-30
    3.1.2 喷嘴挡板阀的静特性  30-32
    3.1.3 比例压力阀工作过程  32-33
  3.2 气动主阀部分的数学模型  33-41
    3.2.1 气动主阀的动态特性基本方程  34-38
    3.2.2 气动主阀的线性数学模型  38-39
    3.2.3 比例压力阀的非线性数学模型  39-41
  3.3 比例压力阀的特性仿真  41-45
    3.3.1 开环特性  41-43
    3.3.2 闭环特性  43-45
  3.4 本章小结  45-46
第4章超声电机驱动气动压力阀的实验研究  46-61
  4.1 实验系统组成  46-48
    4.1.1 系统的硬件组成  46-48
    4.1.2 系统的软件平台  48
  4.2 阀的特性测试  48-60
    4.2.1 开环特性测试  48-51
    4.2.2 闭环稳态特性测试  51-54
    4.2.3 闭环动态特性测试  54-59
    4.2.4 控制算法的优化  59-60
  4.3 本章小结  60-61
结论  61-62
参考文献  62-66
攻读学位期间发表的学术论文  66-68
致谢  68

基于超声电机驱动的气动控制阀的研究

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