微型数字伺服阀电-机械转换器的研究

摘要

本论文的主要工作是将正交正弦波细分驱动和连续跟踪控制算法相结合，着眼于提高系统的频响特性，设计适合微小数字伺服阀的步进电机驱动器的研究。
　　 微小流体控制系统由于其输出功率体积比大、重量轻、频率响应和精度高等特点，应用场合越来越多。电液伺服控制系统的性能好坏，一方面取决于伺服阀结构的本身，更重要的是取决于它的电-机械转换器性能的好坏。本文根据目前电-机械转换器的种类和特点，首次把步进电机正弦波细分驱动和连续跟踪控制算法相结合，设计了步进电机驱动器，运用到微型电液伺服控制系统中。实验证明，该方法有效的提高了系统的频响能力。本论文的主要工作如下：
　　 第一章综合国内外的有关文献，本章首先介绍了阀用电-机械转换元件，包括传统式和新型的电-机械转换元件。接着介绍了目前微小数字阀的控制方法。在此基础之上，提出了课题的选题意义及创新点与主要研究内容，并简要介绍了产品的应用前景。主要研究内容为：阀的结构设计、正弦波驱动与连续跟踪控制算法、步进电机驱动器的设计与实现、实验结果分析。
　　 第二章为测试驱动器的性能，设计了直动式数字电液微小伺服阀。在简化为理想零开口滑阀的前提下，计算了阀的各项系数。分析了阀芯的位置、移动速度和角度的关系，并对该关系的非线性进行了分析。另外，计算了运动部件的转动惯量和液动力。计算表明，由阀和电机组成的系统中，转动惯量95.2％集中在电机的转子上；而由液动力产生的折算到电机轴上的力矩只占电机输出力矩的0.32％。这说明，所设计的电-机械转换接口系统是否工作在带载荷状态，对系统的频响特性的影响可以忽略。这为后面实验里直接用阀心的运行状态，而不是阀的流量输出，作为评价系统频响特性的好坏提供了理论依据。
　　 第三章介绍了步进电机的特点、分类、工作原理及其控制方法。着重介绍了步进电机的正弦波细分驱动和连续跟踪控制算法，建立了连续跟踪算法下步进电机的模型。仿真结果表明，连续跟踪算法有效的提高了阀芯的频响能力。
　　 第四章主要介绍了基于正弦波细分驱动和连续跟踪控制算法的步进电机驱动器的设计和实现。包括系统硬件的具体设计、软件的实现和整体功能，详细地介绍了系统的硬件电路和软件的具体实现方案。
　　 第五章介绍了实验的原理、实验装置，并对获得的实验结果进行了分析和讨论。实验证明，采用步进电机正弦波细分驱动和连续跟踪算法，有效提高了系统的频响特性。
　　 第六章全文总结和后续展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 选题背景

1.1.1 传统电-机械转换元件

1.1.2 新型电-机械转换元件

1.2 国内外电-机械转元件在微型数字伺服阀上的应用现状

1.3 微型数字阀的控制方法

1.4 本论文选题的意义和创新点

1.5 主要研究的内容

1.6 微型电液伺服系统的应用

1.7 本章小结

第二章 微型数字伺服阀结构设计

2.1 微型数字伺服阀的结构

2.2 零位初始化

2.3 流量特性

2.3.1 节流口形式

2.3.2 流量方程和零位系数

2.4 凸轮机构的运动分析

2.4.1 运动分析

2.4.2 偏心轮转角与阀心位移的线性度

2.5 转动惯量

2.6 液动力及其产生的折算到电机轴上的扭距

2.7 本章小结

第三章 步进电动机及其控制方法

3.1 步进电动机概述

3.2 混合式步进电动机工作原理

3.3 步进电机的控制方法

3.3.1 步进电机的方波驱动

3.3.2 步进电机的正弦波细分驱动

3.4 混合式步进电机的连续跟踪控制

3.4.1 混合式步进电机的连续跟踪控制模型

3.4.2 步进电机连续跟踪控制算法

3.5 步进电机连续跟踪条件下的频率特性

3.5.1 跟踪控制信号的非线性分析

3.5.2 跟踪控制信号的频响特性

3.6 本章小结

第四章 步进电机驱动器的设计与实现

4.1 引言

4.2 伺服控制系统的方案设计

4.3 伺服控制系统的硬件设计

4.3.1 恒流载波驱动电路的硬件设计

4.3.2 正弦波驱动电路的硬件设计

4.3.3 控制信号输入电路的硬件设计

4.4 伺服控制系统的软件设计

4.4.1 正弦波阶梯电流给定的实现

4.4.2 连续跟踪控制算法的实现

4.5 本章小结

第五章 实验研究

5.1 实验系统

5.1.1 实验系统的原理

5.1.2 实验装置

5.2 步进方式

5.3 连续跟踪模式

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文总结

6.2 后续展望

参考文献

攻读硕士学位期间已发表论文

致谢

附录1