大流量2D数字伺服阀控制器的研究

摘要

电液伺服控制系统由于具有响应速度快、控制精度高、大的功率重量比等优点，被广泛应用在航天、机床、矿山、船舶等实际系统应用中。在液压控制系统中，伺服阀由于其功率放大和信号转换作用，对整个液压系统的性能起到了关键性的作用。纵观整个液压系统的发展，离不开伺服阀的发展，所以如何提高伺服阀的性能，尤其是近些年发展迅速的大流量伺服阀的性能始终是电液控制领域的一大课题。随着科技的进步伺服阀的数字控制越来越得到重视。
　　大流量2D伺服阀由于具有双运动自由度的机械结构，相比其他伺服阀具有抗污染能力强、动态性能好、零位泄漏量小、结构简单等优点。因此本文针对大流量2D伺服阀的数字控制展开研究，论文具体研究内容及成果如下:
　　1.研究了大流量2D数字伺服阀的工作原理，并进行了改动提升。为了提高初始先导级的控制流量，获得较快的响应和较宽频宽，将了原有的圆形高低压孔改为高低压孔槽，为了减少加工难度，将原有的螺旋槽改为斜槽。利用伺服阀的螺旋结构，使阀芯具有双自由度运动，在单个阀芯上实现了主阀和导控功能。同时建立了大流量2D伺服的数学模型，并进行仿真分析，为实现2D伺服阀的控制奠定了基础。
　　2.对大流量2D伺服阀电—机械转换器—三相感应子式同步电机进行分析。研究了三相感应子式同步电机常用的几种工作方式，并就为解决其在液压系统中频响与精度之间的矛盾，采用了连续跟踪控制算法。对三相感应子式同步电机进行了数学建模，为实现三相感应子式同步电机的控制奠定了基础。
　　3.针对三相感应子式同步电机，采用转矩最大的id=0的控制方法并结合空间电压矢量调制算法(SVPWM)，采用电流、速度、转子角位置三个串联闭环实现对三相感应子式同步电机的转子角位移任意点的精确快速控制。对id=0控制方法进行数学建模，并结合Simulink进行仿真，仿真结果表明该方法具有良好的效果，对应-90°，-3dB的频宽约为150Hz，阶跃响应的上升时间约为12ms。
　　4.根据空间电压矢量调制算法以及连续跟踪控制算法，设计了以TMS320F2812为核心的大流量2D伺服阀控制器。并对三相感应子式同步电机进行了动静态实验，实验结果表明三相感应子式同步电机具有良好的性能，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％。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 电液伺服控制技术的发展

1．2．1 电液伺服技术的研究现状

1．2．2 电-机械转换器的研究现状

1．3 电液伺服阀的发展趋势

1．4 论文的意义及研究内容

1．5 本章小结

第2章 大流量2D伺服阀建模及仿真

2．1 大流量2D伺服阀的结构

2．2 大流量2D伺服阀的工作原理

2．2．1 伺服螺旋原理

2．2．2 大流量2D伺服阀的工作原理

2．2．3 大流量2D伺服阀的优点

2．3 大流量2D伺服阀的数学建模

2．3．1 数学模型的建立

2．3．2 大流量2D伺服阀线性化分析

2．4 大流量2D伺服阀斜槽型导控级的仿真

2．4．1 动态特性仿真

2．4．2 结构参数对频率响应的影响

2．5 本章小结

第3章 大流量2D伺服阀电—机械转换器的建模

3．1 步进电机的分类

3．2 步进电机的基本结构

3．3 三相感应子式同步电机的工作原理

3．4 三相感应子式同步电机的数学建模

3．4．1 电压平衡方程

3．4．2 转子动力学方程

3．5 本章小结

第4章 大流量2D伺服阀电—机械转换器控制技术研究及仿真

4．1 空间矢量控制

4．1．1 空间矢量脉宽调制技术

4．1．2 空间矢量控制中的坐标变换

4．2 空间矢量控制在三相感应子式电机上的实现

4．2．1 空间矢量的基本原理

4．2．2 空间矢量的调制方案

4．2．3 空间矢量的控制算法

4．3 感应子式同步电机矢量控制方法及系统简图

4．4 三相感应子式同步电机矢量控制仿真

4．4．1 仿真系统的设计

4．4．2 仿真结果分析

4．5 本章小结

第5章 大流量2D伺服阀控制器的设计及其实验研究

5．1 电-机械转换器嵌入式控制器的设计

5．1．1 硬件设计

5．1．2 电—机械转换器同步跟踪控制算法

5．1．3 软件程序设计

5．2 电-机械转换器特性试验

5．2．1 电-机械转换器的静态实验研究

5．2．2 电-机械转换器的动态实验研究

5．3 大流量2D伺服阀实验

5．3．1 实验系统平台的搭建

5．3．2 空载流量特性的研究

5．3．2 零位泄漏特性的研究

5．3．3 2D数字伺服阀的动态特性

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 论文总结

6．2 后续展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果