大流量2D伺服阀新型控制器研究

摘要

电液伺服系统因控制精度高、功率重量比大和抗负载刚度大、动态响应快的优点，在机床、船舶、矿山和航空航天等行业中得到广泛应用。电液伺服阀能将小功率的电信号转换为大功率的流量和压力信号输出，是电液伺服系统的核心部件，电液伺服阀的性能很大程度上决定了电液伺服系统的性能。电—机械转换器作为电液伺服阀的关键元件，其性能在一定程度上又决定了整个电液伺服阀的性能。
　　本文的研究对象为大流量2D伺服阀及其新型控制器。大流量2D伺服阀利用伺服螺旋机构在单个阀芯上将阀芯的旋转运动转换为阀芯轴向运动从而实现液压功率放大，其集导控和主阀芯于单一阀芯上，这种独特的结构使得大流量2D伺服阀的结构简单，体积和重量远小于传统的大流量电液伺服阀（通常为三级阀）；大流量2D伺服阀利用阀芯上高、低压小孔与阀套上的螺旋槽构成液压阻尼桥路实现导控，通流尺寸大、抗污染能力强。大流量2D伺服阀以三相混合式步进电机作为电—机械转换器，不仅响应速度快、成本低，而且便于实现直接数字控制；同时以DSP芯片TMS320F2812和电机驱动芯片 DRV8432为核心器件设计的控制器，不仅具有良好的动静态性能，而且使得控制器集成化、小型化、可靠性高。具体研究内容及成果如下：
　　1.研究了大流量2D数字伺服阀的结构和工作原理，建立了大流量2D伺服阀的数学模型，并由此建立了2D伺服阀的Simulink模型，进行了仿真分析，研究了大流量2D伺服阀主要结构参数对其动静态特性的影响。
　　2.对大流量2D伺服阀的电—机械转换器进行了结构分析，建立了电—机械转换器的数学模型和Simulink仿真模型，为电—机械转换器的控制仿真奠定了基础。
　　3.提出采用最大转矩与空间电压矢量调制算法（SVPWM）相结合的控制方法，对电机转子位置、速度、电流进行三闭环控制以实现电—机械转换器在任意位置都能够快速无失步精确定位。根据上述控制方法建立了电—机械转换器三闭环控制的数学模型，并进行了Simulink仿真。仿真结果表明，采用该控制方法电—机械转换器控制系统具有良好的动静态特性，对应-90°，-3dB的频宽约为150Hz，阶跃响应的上升时间约为12ms。
　　4.根据最大转矩与空间电压矢量调制算法（SVPWM）相结合的控制方法，设计了以高速TMS320F2812芯片和DRV8432集成驱动芯片为构架的大流量2D伺服阀新型控制器，开发了整套的控制程序，进行了动静态实验。实验结果表明大流量2D伺服阀控制器具有良好的性能，重复精度小于3％，线性度小于1.5%，对应-90°，-3dB的频宽约为120Hz，阶跃响应的上升时间约为15ms。
　　5.搭建了大流量2D伺服阀性能测试实验平台，测试了大流量2D伺服阀空载流量特性曲线和零位泄漏特性以及动态特性。实验表明，该大流量2D伺服阀具有较好的动态特性，对应-90°，-3dB的频宽约为100Hz，阶跃响应的上升时间约为17ms，最大百分比超调量为8%。同时也说明大流量2D伺服阀控制器的实用性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景与意义

1.2 电液伺服控制系统的发展及研究现状

1.3 电液伺服阀的发展现状

1.4 电—机械转换器的发展现状

1.5 论文的意义及研究内容

1.6 本章小结

第2章 大流量2D伺服阀工作原理及建模

2.1 引言

2.2 大流量2D伺服阀的结构和工作原理

2.3 大流量2D伺服阀斜槽型导控级的数学建模

2.4 仿真分析

2.5 本章小结

第3章 大流量2D伺服阀电—机械转换器的工作原理及建模

3.1 引言

3.2 三相混合式步进电机的结构和工作原理

3.3 三相混合式步进电机的动态数学模型

3.4 三相混合式步进电机仿真模型

3.5 本章小结

第4章 电—机械转换器控制方案的研究及仿真

4.1 引言

4.2 传统的步进电机驱动技术

4.3 DRV8432集成驱动

4.4 空间电压矢量脉宽调制驱动SVPWM技术

4.5 混合式步进电机矢量控制方法及系统简图

4.6 三相混合式步进电机矢量控制仿真

4.7 本章小结

第5章 大流量2D伺服阀新型控制器的软硬件设计及其实验研究

5.1 电-机械转换器嵌入式控制器的设计

5.2 电-机械转换器嵌入式控制器的设计

5.3 电-机械转换器特性试验

5.4 大流量2D伺服阀实验

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1论文总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果