电液伺服阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统设计.doc

电液伺服阀控活塞式液压摆动马达 位置控制系统设计 姓名： 洪敏 学号： 101201205 班级： 机械1002班 专业： 机械设计与制造及其自动化 学院： 机械工程学院 第一章、设计任务和要求1.1活塞式液压摆动马达的组成及工作原理活塞式液压摆动马达是将直线运动转换为旋转摆动的液压机械复合传动机构，其中结构原理如图所示。它由滚珠螺旋副、滚珠花键导轨副、旋转输出套以及液压油缸等组成。摆动马达的工作原理为：液压油进入油缸驱动滚珠螺旋丝杆轴往复直线运动，滚珠螺旋丝杆轴驱动螺旋旋转输出套做往复旋摆运动，滚珠花键导轨副防止螺旋丝杆轴转动。1.活塞式液压摆动马达是将直线运动转换为旋转摆动的液压机械复合传动机构，其中结构原理如图所示。它由滚珠螺旋副、滚珠花键导轨副、旋转输出套以及液压油缸等组成。摆动马达的工作原理为：液压油进入油缸驱动滚珠螺旋丝杆轴往复直线运动，滚珠螺旋丝杆轴驱动螺旋旋转输出套做往复旋摆运动，滚珠花键导轨副防止螺旋丝杆轴转动。2设计并仿真分析电液伺服阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统设计参数及性能要求：马达的最大旋转摆角为50；最大转速，最大角加速度；液压缸以外运动部件受到干摩擦力矩为；液压缸的粘性摩擦系数为；负载转动惯量为，静态误差；速度误差；相位裕量；增益裕量；液压弹性模量为。1）计算液压缸的传递函数，并绘制系统控制方框图；2）建立电液控制系统的数学模型；3)用pi调节器对系统进行性能校正和仿真分析（校正前、后的伯德图、单位阶跃响应以及正弦响应）。第二章、元器件选用2.1液压油源开式泵选用德国力士乐原装进口的轴向柱塞恒压变量泵，特别适合开式回路，具有良好的自吸特性，连续工作压力可达35mpa，噪声低、使用寿命长、功率重量比高，排量为125ml/r。阀控马达实验中，由该泵提供动力源。2.2电液伺服方向阀泵经此电液伺服方向阀控制活塞式液压摆动马达的流量和方向。这里采用的是意大利atos公司生产的16通径的dpzo-l型三位四通先导式高性能电液伺服方向阀，它主要由电-机械转换元件、先导式伺服阀两部分组成，可根据输入电信号提供方向控制和无补偿的流量控制。这种高性能电液伺服方向阀，是普通型电液伺服方向阀进一步发展的结果，它的动态和稳态性能指标已达到了传统伺服阀的指标，其中一些指标甚至超过伺服阀。dpzo-l型高性能电液伺服方向阀具有两个位置传感器。一个在先导阀上，用来检测先导阀的阀芯位移，并反馈至伺服放大器，从而形成先导级位移电反馈的作用，从而提高阀的运行可靠性以及优化阀的动态特性；而另一个在主阀阀芯上，用来检测主阀的阀芯位移，并反馈至伺服放大器，从而形成从伺服放大器给定信号至主阀芯位移的闭环位移控制，把伺服放大器、电磁铁及先导阀都包含在闭环中了，提高了主阀芯的抗干扰（摩擦力、液动力的变化）能力，快速、正确地跟踪输入电信号的变化。所以dpzo-l型电液伺服阀输入信号以双闭环形式精确地确定了阀芯调节，并且由于具有双传感器，动态性能高，响应快。2.3伺服放大器伺服放大器根据输入信号调整供给伺服电磁铁的电流，电磁铁将此电流转换为作用于滑阀阀芯上的力，以克服弹簧的弹力。电流增大，输出的力相应增大，结果压缩复位弹簧使阀芯移动。第三章、电液伺服阀控活塞式液压摆动马达位置控制系统数学模型3.1系统数学模型的建立3.1.1伺服放大器传递函数高性能电液伺服换向阀是电流控制型元件，其伺服电磁铁及线圈具有比较大的感抗，伺服阀的驱动电路伺服放大器通常为高输出阻抗的电压电流转换器，其频带比液压固有频率宽得多，在研究频率范围内，通常可视为放大环节，即 (3-1) 式中 伺服放大器输出电流； 误差电压； 伺服放大器增益。 3.1.2高性能电液伺服方向阀传递函数这里采用的先导式伺服方向阀的作用原理，即先导阀控制液动式主滑阀的作用情况，极类似于三位四通阀控制对称液压缸的作用原理。只是它比一般的阀控液压缸更为复杂，是一个复杂的闭环系统，它的实际动态响应既不是典型的惯性环节，也不是典型的震荡环节，其传递函数的简化要视具体情况而定。若将它简化为二阶震荡环节，则可知伺服阀传递函数为： （3-2）式中 电液伺服阀在稳态工作点附近流量； 电液伺服阀在稳态工作点附近流量增益； 电液伺服阀的等效无阻尼自振频率； 电液伺服阀的等效阻尼系数，无量纲； 拉普拉斯算子。3.1.3阀控活塞式液压摆动马达动力传递函数由电液伺服方向阀、活塞式液压摆动马达和负载组成的液压动力机构对系统的品质好坏有很大影响，因此确定阀控活塞式液压摆动马达动力机构的数学模型是分析整个系统的前提。首先假设：1）伺服阀和活塞式液压摆动马达之间的连接管道很短，可以忽略管道中的压力损失和管道动态的影响；2）活塞式液压摆动马达的内外泄漏流动状态为层流，马达的壳体压力为大气压，忽略低压腔的壳体的外泄漏，液流的密度和温度均为常数；3）伺服阀为理想零开口的四通滑阀，节流窗口匹配且对称，且滑阀具有理想的动态特性；4）油源供油压力恒定，回油压力为零；5）工作油液的体积弹性模量为恒值。在上述假设条件下可列出三个动态方程：1.电液伺服阀的线性化流量方程 （3-3）式中 电液伺服阀的负载流量； 伺服阀阀芯位移； 伺服阀流量-压力系数； 负载压力。对式（3-3）进行拉式变换 （3-4）2.活塞式液压摆动马达的流量连续性方程 （3-5）式中 活塞式液压摆动马达的等效弧度排量； 螺旋旋转输出套的角位移； 活塞式液压摆动马达的总泄漏系数， ； （其中，分别为马达的内外泄漏系数） 活塞式液压摆动马达、伺服阀腔及连接管道总容积 ； 工作油液的有效体积弹性模量。对式（3-5）作拉氏变换 （3-6）3.活塞式液压摆动马达轴上的力矩平衡方程忽略静摩擦力、库仑摩擦等非线性和油液的质量，根据牛顿第二定律可得马达和负载的力矩平衡方程为： （3-7）式中 活塞式液压摆动马达和负载（折算到马达旋转输出套 上）的总转动惯量； 粘性阻尼系数； 负载扭矩弹簧刚度； 作用在马达旋转输出套上的外负载力矩。对式（3-7）作拉氏变换 （3-8）4.阀控活塞式液压摆动马达动力机构传递函数联立式（3-4）、（3-6）、（3-8）可以得到阀芯位移和外负载干扰作用同时作用于马达的总输出角位移（3-9）式中kce-总流量-压力系数，kce=kc+ctm（m5/ns）。此阀控液压马达系统中，马达和负载刚性连接，故弹性负载影响可不计，即g=0，又通常1，则式（3-9）可简化为 （3-10）式中h-无阻尼液压固有频率，（rad/s）；h-液压阻尼比，无量纲。又系统稳态工作点附近流量q=kqxv，则由式（3-10）可得马达输出角位移对流量、外负载的传递函数分别为： （3-11） （3-12）则可知液压马达角速度对流量、外负载的传递函数分别为： （3-13） （3-14）令式（3-14）中3.1.4位移传感器传递函数可将速度传感器视为伺服环节，则有 （3-15）kf-速度传感器的增益。3.1.5阀控马达系统传递函数综合图（2-2）和式（3-1）、（3-2）、（3-13）、（3-15）得阀控马达电液伺服控制系统传递函数方框图，如图3-1所示： 电液伺服控制系统传递函数方框图3.2负载的等效处理阀控马达系统中弹性负载可忽略不计，这里主要考虑惯性负载和外负载力矩。1.惯性负载包括液压马达转动惯量jm和外负载二次元件转动惯量jl，又马达和负载直接相连，所以马达和负载折算到马达旋转输出套上的总惯量：jt=jm+jl。2.外负载力矩由加载模块调定加载压力，使承载元件二次元件产生一定量转动力矩，即外负载力矩mm。3.3系统传递函数参数确定1.伺服放大器增益ka这里采用与电液比例方向阀配套使用的e-me-l-01型伺服放大器，其误差电压额定输入值为uo=10（v），额定输出电流为io=3a，所以有 （3-16）2.电液伺服阀稳态工作点流量增益kq从所用dpzo-l270型电液伺服阀流量特性曲线3-2可以得出：阀压降p为10bar时，额定流量qv为200l/min。设空载时阀额定流量为qv1，又供油压力为31.5mpa，则可得（3-17）又知阀额定电流i1=10ma，则有电液伺服阀空载稳定工作点附近流量增益为： （3-18）3.电液比例阀压力-流量系数kc （3-19）4.活塞式液压摆动马达参数马达的最大旋转摆角为50=0.8727rad；最大转速max=30/s=0.5236rad/s，最大角加速度max=50/s2=0.8727rad/s2；液压缸以外运动部件受到干摩擦力矩为mm=150kgm=1500nm；液压缸的粘性摩擦系数为bp=1.5kgm/s；负载转动惯量为j=4.18nm，液压弹性模量为e=7000105n/m2。忽略负载粘性摩擦系数，取d0=0.12m，=18得： 由式（3-7）忽略弹性负载的影响得： 为满足最大功率要求则则满足满量程所需要的活塞容积考虑到管道体积及活塞有效容积利用率，将上述容积扩大20%作为塞式液压摆动马达、伺服阀腔及连接管道总容积，即4.其它参数由液压试验台资料及液压手册可以查得下列参数。阀固有频率v=60hz=377rad/s阀阻尼比v=0.70速度传感器增益kf=0.21vs/rad计算由以上已知参数可以计算出忽略马达活塞泄漏，则 （3-20） （3-21）（3-22）（3-23）jt=4.18nms2 （3-24）于是，电液伺服阀的传动函数为（3-25）液压马达角速度对流量的传递函数为（3-26）马达角速度对外负载传递函数为（3-27）3.4系统特性分析阀控马达速度控制系统是一零型有差系统，对于阶跃输入，速度偏差随速度增大而增大。这是因为要增大输出速度，电液伺服阀就要增大相应的输出流量；而增大相应的输出流量所需要的输入电流是由偏差而获得的。所以，只是把位置反馈变为速度反馈所组成的速度控制系统，不仅是有差系统，而且往往是不稳定的，或是稳定裕量很小。3.4.1开环传递函数由上可知阀控马达速度控制系统输出速度的相应电压与输入偏差电压开环传递函数为：（3-28）系统开环增益开环传递函数为：（3-29）其中k=484.5第四章、校正后的伯德图、阶跃响应和正弦响应%draw bodeclear all;clc;num=200*0.10778 1;den=conv(conv(1 0 0,0.000007036 0.003714 1),0.00001041 0.003714 1);g=tf(num,den);gm,pm,wcp,wcg=margin(g);margin(g);grid;clear all;clc;num=200*0.10778 1;den=conv(conv(1 0 0,0.000007036 0.003714 1),0.00001041 0.003714 1);t=0:0.1:20;sys1=tf(num,den);sys=feedback(sys1,1,-1);step(sys);clear all;num=200*0.10778 1;den=conv(conv(1 0 0,0.000007036 0.003714 1),0.00001041 0.003714 1);t=0:0.001:1;y=sin(300*t);lsim(num,den,y,t);可见，系统的频率响应的幅值随输入信号频率变化而变化，其相位也是随输入信号的频率变化而变化。当频率趋近无穷大时输出幅值才与输入幅值相等。第五章、调整后系统的稳态误差分析5.1指令输入引起的稳态误差（5-1）系统对指令输入的误差传递函数为利用拉氏变换的终值定理，求得稳态误差为5.2负载干扰力矩引起的稳态误差系统对外负载力矩的误差传递函数为稳态误差为5.3零漂和死区等