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2D数字阀及电―机械转换器的研究

作　者: 邹正佳
导　师: 李胜
学　校: 浙江工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 2D数字阀电―机械转换器动态特性阀控制器同步式伺服控制算法
分类号: TH137.52
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 39次
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内容摘要

电液控制元件作为连接电气部分与液压部分的桥梁,是电液伺服系统的核心部件,其性能优劣在很大程度上决定了电液伺服系统的好坏。随着计算机技术的发展与电液伺服系统应用领域的拓宽,对电液控制元件提出更高的要求,诸如:高频响、大流量、数字化,抗污染能力强等。2D数字阀作为电液控制元件之一,具有抗污染能力强,响应速度快,重复精度高,直接数字控制等优点,能很好地满足上述要求。电―机械转换器作为2D数字阀的关键元件,其频响在一定程度上决定了阀的整体性能,所以也很有必要对电―机械转换器进行研究。混合式步进电机作为2D数字阀的电―机械转换器,具有抗干扰能力强、频响快、定位精度高,受摩擦力等非线性因素影响小等优点,但是也带来了控制方面的技术难题:(1)若按传统的步进方式进行控制,存在量化精度与响度速度之间的矛盾。虽然有研究者提出采用连续跟踪算法,但该算法只适用于开环控制,容易造成步进电机失步。(2)在工作过程中输入任意控制信号,要求转子能快速响应并能在任何位置精确定位,而电机不失步。本文的主要工作和成果如下:1.针对频响快、数字化,抗污染能力强等要求,2D数字阀在结构上采用伺服螺旋机构。本文第二章对2D数字阀的伺服螺旋机构进行建模,并在Matlab环境下对其进行仿真。仿真结果为:阶跃响应时间约为1 ms;在输入幅值为最大阀开口25%的正弦信号作用下,对应-3dB,相位滞后90°的频宽约为150 Hz。2.混合式步进电机作为2D数字阀的电―机械转换器,其频响影响到阀的整体性能。本文第三章对电―机械转换器进行了数学建模与仿真。仿真结果为:在输入幅值为最大阀开口25%的正弦信号作用下,对应-3dB,相位滞后90°的频宽约为230 Hz。3.针对混合式步进电机作为阀电―机械转换器存在上述两个控制难题,本文专门设计了一个以DSP(TMS320F2812)作为主控芯片的嵌入式控制器,提出了同步式伺服控制算法,采用位置和电流双闭环系统,保证转子输出角位移对输入信号的实时跟踪。4.搭建了实验平台,分别对电-机械转换器及2D数字阀的静、动态特性进行实验研究,实验结果表明它们具有良好的静、动态特性。电-机械转换器的实验结果为:阶跃响应时间约为6 ms;在输入幅值为最大阀开口25%的正弦信号作用下,对应-3dB,相位滞后90°的频宽约为210 Hz。2D数字阀的实验结果为:阶跃响应时间约为8 ms;在输入幅值为最大阀开口25%的正弦信号作用下,对应-3dB,相位滞后90°的频宽约为130 Hz。将实验曲线与仿真曲线相比较,结果吻合。5.实验证明采用同步式伺服控制算法的2D数字阀具有良好的静、动态特性,实现了高频响,拓宽了应用范围,很好地解决了控制难题。若采用空心杯状的低惯量步进电机或三相混合式步进电机能进一步提高阀的频响。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-27
  1.1 选题背景  12
  1.2 电液控制元件的发展历程及国内外研究现状  12-19
    1.2.1 喷嘴―挡板伺服阀  13-14
    1.2.2 射流管伺服阀及动圈式伺服阀  14-16
    1.2.3 比例阀  16-17
    1.2.4 数字阀  17-19
  1.3 电―机械转换器的国内外研究现状  19-25
    1.3.1 传统的电―机械转换器  20-22
    1.3.2 新型电―机械转换器  22-25
  1.4 论文研究的意义及内容  25-26
  1.5 本章小结  26-27
第2章 2D数字阀的建模及性能仿真  27-36
  2.1 2D 数字阀的结构及工作原理  27-28
    2.1.1 2D 数字阀的结构  27
    2.1.2 2D 数字阀伺服螺旋机构的工作原理  27-28
  2.2 2D 数字阀伺服螺旋机构的数学模型  28-30
  2.3 2D 数字阀伺服螺旋机构性能仿真分析  30-35
    2.3.1 龙格－库塔(Runge-Kutta) 法  31-32
    2.3.2 2D 数字阀伺服螺旋机构的静态性能仿真  32-33
    2.3.3 2D 数字阀伺服螺旋机构的动态性能仿真  33-35
  2.4 本章小结  35-36
第3章电―机械转换器的建模及仿真  36-44
  3.1 电―机械转换器工作原理  36-38
    3.1.1 电―机械转换器概述  36-37
    3.1.2 电―机械转换器的工作原理  37-38
  3.2 电―机械转换器的数学模型  38-41
  3.3 电―机械转换器的仿真  41-43
    3.3.1 电―机械转换器的静态性能仿真  41
    3.3.2 电―机械转换器的动态性能仿真  41-43
  3.4 本章小结  43-44
第4章 2D数字阀控制器的设计  44-59
  4.1 2D 数字阀控制器的设计方案  44-45
  4.2 2D 数字阀控制器的硬件设计  45-54
    4.2.1 DSP 控制模块  46-47
    4.2.2 电机驱动模块  47-50
    4.2.3 位置检测模块  50
    4.2.4 电流反馈模块  50-51
    4.2.5 电源电路  51-54
  4.3 2D 数字阀控制器的软件设计  54-58
    4.3.1 软件设计的总体方案  54-55
    4.3.2 主系统程序框图及说明  55-56
    4.3.3 ADC 程序说明  56
    4.3.4 SPI程序说明  56-57
    4.3.5 事件管理器程序说明  57-58
    4.3.6 PID 控制算法  58
  4.4 本章小结  58-59
第5章电―机械转换器及2D数字阀的性能实验研究  59-69
  5.1 实验系统  59-62
  5.2 电―机械转换器的实验研究  62-65
    5.2.1 电―机械转换器的静态实验研究  62
    5.2.2 电―机械转换器的动态实验研究  62-65
  5.3 2D 数字阀性能实验  65-68
    5.3.1 2D 数字阀的静态性能  65
    5.3.2 2D 数字阀的动态性能  65-68
  5.4 本章小结  68-69
第6章结论与展望  69-71
  6.1 结论  69-70
  6.2 展望  70-71
参考文献  71-75
附录  75-83
致谢  83-84
攻读学位期间参加的科研项目和成果  84

2D数字阀及电―机械转换器的研究

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