基于超声电机驱动的气动控制阀的研究

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点，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气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，是压电驱动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，从实验的角度对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。在此基础上，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中的应用提供了基础。
　　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，先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距，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，喷嘴直径和入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入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统，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仿真研究，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，具体包括开环的输入输出实验，闭环的稳态和动态特性实验。实验结果表明，在0.3MPa的工作压力下，该阀的线性度为±0.5％，分辨率为0.1%，滞回为±0.5%，动态响应时间约为2s左右。同时由于超声电机的连续位移输出能力，该阀不存在零漂、温漂等影响稳定性的问题。

目录

基于超声电机驱动的气动控制阀的研究

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题的来源和背景

1.2 压电驱动在流体控制阀中的研究现状

1.3 本课题的研究内容

第2章 超声电机的特性分析

2.1 超声电机结构与驱动原理

2.2 超声电机的动力学建模

2.3 超声电机的测控系统

2.4 超声电机的特性测试

2.5 超声电机的控制模型

2.6 本章小结

第3章 超声电机驱动气动压力阀的建模与仿真

3.1 比例压力阀的结构与工作原理

3.2 气动主阀部分的数学模型

3.3 比例压力阀的特性仿真

3.4 本章小结

第4章 超声电机驱动气动压力阀的实验研究

4.1 实验系统组成

4.2 阀的特性测试

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢