动圈式电液伺服阀嵌入式控制器研究

摘要

伺服放大器对电液伺服阀的性能有着重要影响，是现代电液伺服阀的关键组成部分，目前绝大多数的电子闭环伺服放大器基于模拟电路设计，提供对于传统PID控制策略的稳定耐用、低成本实现。由于电液伺服阀本身较强的非线性特性，随着电液伺服阀性能要求的提升，传统模拟式伺服放大器在实现基于模型设计的非线性控制策略方面的劣势越来越明显，如何运用有效的非线性控制策略以克服电液伺服阀固有的非线性效应、提高电液伺服阀的动、静态性能是当前电液伺服控制领域亟待解决的问题。本论文据此以动圈式电液伺服阀为研究对象，在阅读国内外相关文献的基础上，设计了一种数字式伺服放大器。该放大器以基于ARMCortex-M3内核的32位微控制器为主控制器，采用非线性自适应鲁棒控制理论实现伺服阀阀芯位置控制，运用集成芯片设计其功率驱动电路与测量放大电路模块，并结合计算机仿真软件与实验测试系统对其进行研究，结果表明本课题所设计的数字式伺服放大器可以有效改善动圈式电液伺服阀的动、静态性能，为下一代高智能化伺服放大器的研究奠定了基础。
　　本论文共分为六章，现分别简述如下:
　　第一章，介绍了电液伺服阀的研究背景以及伺服放大器的研究现状，阐述了模拟式伺服放大器的技术特点，分析总结了数字式伺服放大器的优缺点，最后概述了本课题的研究意义及研究内容。
　　第二章，对动圈式电液伺服阀的组成及主要部分工作机理进行了详细深入的分析，阐述了伺服线圈电流闭环控制结构的优点，建立了各主要组成部分的数学模型，最后运用非线性自适应鲁棒控制理论推导了伺服线圈的控制输入电压表达式。
　　第三章，运用AMESim与MATLAB/Simulink对动圈式电液伺服阀进行联合仿真分析:在AMESim中建立动圈式电液伺服阀的虚拟样机仿真模型，而在Simulink中运用S函数模块实现非线性自适应鲁棒控制算法、功率放大级硬件模拟仿真等模块。通过联合仿真分析，得到了动圈式电液伺服阀的阶跃响应特性和频率响应特性。
　　第四章，详细介绍了以基于ARM Cortex-M3内核的32位微控制器为主控制器的数字式伺服放大器各个硬件模块的设计，完成了包括主控制器模块、电源模块、功率放大级模块、测量放大电路模块以及模数转换电路模块等整个硬件系统的研究开发，并对集成功率放大芯片的动、静态特性进行了实验研究;阐述了控制器的软件程序流程，并指出了本课题所研究的伺服放大器所采用的一些抗干扰处理方法。
　　第五章，针对本课题所研究的数字式伺服放大器搭建实验测试系统，主要对动圈式电液伺服阀的阶跃响应特性、频率响应特性进行实验研究，实验结果验证了控制器的设计合理性。
　　第六章，对本课题已完成的研究情况进行了全面的总结，并展望了今后的研究工作和方向。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 国内外研究的现状

1．2．1 电液伺服阀及其伺服放大器的发展现状

1．2．2 电液伺服系统控制理论的发展现状

1．3 课题的研究内容及意义

1．3．1 课题的研究意义

1．3．2 课题的研究内容

1．4 本章小结

第2章 动圈式电液伺服阀数学模型及其控制策略研究

2．1 动圈式电液伺服阀的组成及工作原理

2．2 动圈式电液伺服阀的数学模型

2．2．1 动圈式力马达数学模型

2．2．2 动圈式电液伺服阀数学模型

2．3 动圈式电液伺服阀非线性自适应鲁棒控制理论研究

2．3．1 非线性自适应鲁棒控制理论介绍

2．3．2 动圈式电液伺服阀非线性自适应鲁棒控制器设计

2．4 本章小结

第3章 动圈式电液伺服阀仿真分析

3．1 AMEsim与Simulink联合仿真基本原理

3．2 动圈式电液伺服阀仿真分析

3．2．1 联合仿真模型的AMESim模型部分

3．2．2 联合仿真模型的Simulink模型部分

3．2．3 联合仿真模型运行结果

3．3 本章小结

第4章 动圈式电液伺服阀嵌入式控制器设计

4．1 控制器总体方案研究

4．1．1 控制器核心处理芯片

4．1．2 控制器总体结构设计

4．2 控制器硬件系统

4．2．1 主控制器模块

4．2．2 电源模块

4．2．3 功率放大级模块

4．2．4 功率放大级实验

4．2．5 测量放大电路模块

4．2．6 模数转换电路设计

4．3 控制器软件设计

4．3．1 软件总体结构设计

4．3．2 应用程序流程

4．4 控制器抗干扰设计

4．5 本章小结

第5章 动圈式电液伺服阀嵌入式控制器实验研究

5．1 实验测试系统介绍

5．2 伺服放大器实验研究

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简介