（机械电子工程专业论文）2d数字伺服阀及控制器的性能研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 2 d 数字伺服阀及控制器的性能研究 摘要 8 0 年代以来，随着电液伺服控制技术在工业中的广泛应用以及应廉价、抗污 染电液控制元件的要求，液压行业的专家和工程师们开始寻找新型的电液控制元 件及驱动方案，以取代价格昂贵、抗污染能力差的喷嘴挡板伺服阀以及泄漏量、 功率损耗都很大的射流管伺服阀。方案之一就是采用步进电机加伺服螺旋机构驱 动数字阀阀芯实现直接数字控制。 2 d 数字伺服阀相比较其他伺服阀，抗污染能力强：在设计中高低压口与螺旋 槽之间可以取为零遮盖即可保证稳定，同时还使阀j 卷的静态轴向刚度很大，阀j 签 的转角位移到轴向位移之间的转换精度很高；伺服螺旋机构泄漏极小，其功耗与 流体动力控制系统的其他能量损失相比几乎可以不考虑；控制特性比较理想，没 有滞环和死区。本文采用d s p 对2 d 数字伺服阀实现嵌入式数字控制，为了消除 传统步进式数字阀所固有的量化误差与响应速度之间的矛盾，放弃了步进的控制 方式，对步进电机的输出的角位移采用连续跟踪控制，该算法固化于单片机控制 器内来实现。 本论文对2 d 数字伺服阀以及控制器进行设计，主要对其性能进行仿真以及实 验研究，得到2 d 数字伺服阀阶跃过程约为9 m s ，在控制信号的幅值为最大阀开口 的2 5 的情况下，幅值衰减为3 d b 、相位滞后为5 5 。对应的频率约为1 0 0 h z ，具 有良好的动态性能以及频率特性。研究内容主要包括： 第一章，对本论文研究主题有关的文献进行了综述，接着阐述了本论文的研 究目的、意义以及创新点，并列出课题的主要内容。 第二章，本章详细介绍三位四通2 d 数字伺服阀的工作原理，通过数字阀的特 征支配方程建立数学模型，采用数值仿真的方法对该2 d 阀的动态性能以及频率特 性进行仿真。 第三章，本章首先对步进电机进行数学建模，采用连续跟踪控制算法，将其 固化在单片机控制器内，并对控制器进行仿真分析，得到步进电机输出角位移在 典型波形下的响应以及不同频率下正弦控制信号的响应，最后给出频率特性。 第四章，专门设计了一个以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为c p u 的嵌入式系统来作为2 d 浙江工业大学硕士学位论文 数字伺服阀的控制器，详细介绍控制器各部分，给出电路图，最后写了自己在设 计过程中的心得体会。 第五章，本章主要是2 d 数字伺服阀以及步进电机控制器实验研究，首先介绍 实验装置及系统，给出控制程序；然后得到在不同典型波形作用下，步进电机角 位移实际输出波形，在不同频率正弦控制信号下角位移响应的实际波形，给出步 进电机的频率特性曲线；最后测得2 d 数字伺服阀实际的稳定时间，在不同典型控 制波形作用下，采集实际的阀j 占位移波形，在一定阀开口下，不同频率控制信号 下阀j 笛位移响应实际波形，得到该2 d 数字阀的幅频特性和相频特性，将实验与理 论研究进行比较、分析。 第六章，对论文的研究内容进行了总结与展望。 关键词：2 d 数字伺服阀：控制器；动态响应，频率特性 浙江工业人学硕士学位论文 d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n d f r e q u e n c y r e s p o n s eo f2 dd i g i t a ls e v o r v a l v ea n di t sc o n t r o l l e r a b s t r a c t s i n c et h e19 8 0 s ，w i t ht h ew i d ea p p l i c a t i o n so fe l e c t r o h y d r a u l i cs e r v oc o n t r o l t e c h n i q u e si ni n d u s t r ya n dr e q u i r e m e n t sf o rc h e a p ，a n t i p o l l u t i o ne l e c t r o h y d r a u l i c c o n t r o lc o m p o n e n t s ，r e s e a r c he n g i n e e r sh a v eb e g u nl o o k i n gf o ran e wt y p eo f e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o lc o m p o n e n t sw h i c hw o u l dr e p l a c et h en o z z l e f l a p p e rv a l v e b e i n gs e n s i t i v et oo i lc o n t a m i n a t i o na n dj e tp i p es e r v ov a l v ew i t ht h el e a k a g ea n dp o w e r l o s sb e i n gal o t i no n es t u d y , ad i g i t a lv a l v ew a se x a m i n e d ，i nw h i c has t e p p e rm o t o r w a su t i l i z e da st h ee l e c t r o m e c h a n i c a lt r a n s f o r m e rt oc a r r yo u td i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 c o m p a r e dt oo t h e rs e r v ov a l v e s ，2 dd i g i t a ls e r v ov a l v eh a st h ea d v a n t a g eo f i n s e n s i t i v i t yt o o i lc o n t a m i n a t i o n i nt h ed e s i g n ，z e r ol a pb e t w e e nh o l e sa n ds p i r a l g r o o v ec a nb et a k e nt oe n s u r et h es t a b i l i t ya n dl a r g es t a t i ca x i a ls t i f f n e s s t h ea x i a l d i s p l a c e m e n to ft h es p o o li s r e l a t e dt ot h ea n g u l a r d i s p l a c e m e n ta n dc o n v e r s i o n a c c u r a c yi sh i 曲t h el e a k a g ei se x t r e m e l ys m a l la n di t sp o w e rl o s s i sa l m o s tn o t c o n s i d e r e d c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c si si d e a la n dt h e r ei sn od e a dz o n ea n dh y s t e r e s i s t o s u s t a i nt h eh i 曲r e s o l u t i o na n df a s t r e s p o n s e o ft h ed i g i t a ls e r v ov a l v e ，as p e c i a l a l g o r i t h mh a sb e e nd e v e l o p e dt o c o n t r o lt h es t e p p e rm o t o rc o n t i n u o u s l y , w h i c hi s u n d e r t a k e nb yam i c r o c o m p u t e rs y s t e mw i t hd s pi nt h ev a l v ec o n t r o l l e r i nt h i sp a p e r , 2 dd i g i t a ls e r v ov a l v ea n dc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e df o rs t u d yt h e p e r f o r m a n c eb ys i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t s t h es p e e ds t e pp r o c e s si sa b o u t9 m s t h e b a n d w i d t hi sa b o u t10 0 h za t 一3 d bg a i na n d5 5 0 p h a s el a gf o r2 5 i n p u ts i g n a l t h em a i n t a s k so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s i nc h a p t e ro n e ，as u m m a r yo fs o m er e l e v a n ti n f o r m a t i o na b o u tt h eh i s t o r ya n d t r e n do ft h i sr e s e a r c hi sm a d e t h em e a n i n g ，p u r p o s ea n dt h em a i nt a s k so ft h i st h e s i s a r eg w e n i i i 浙江工业人学硕士学位论文 i nc h a p t e rt w o ，t h ew o r k i n g p r i n c i p l et h r e e p o t e n t i a lf o u r - w a yd i g i t a ls e r v o v a l v ei s i n t r o d u c e d b a s e do nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n df r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c sa res i m u l a t e du s i n gan u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d i nc h a p t e rt h r e e ，m a t h e m a t i cm o d e lo fs t e p p e rm o t o ri se s t a b l i s h e da tf i r s t t h e n s i m u l a t i o n sa r em a d et om e a s u r ea n g u l a rd i s p l a c e m e n t so ft h es t e p p e rm o t o ru n d e rt y p i c i n p u tw a v e sa n dt h es i n u s o i d a lc o n t r o ls i g n a l sw i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c y a tl a s t ，t h e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r o l l e ra r eg i v e n i nc h a p t e rf o u r , a ne m b e d d e dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dw i t ha na l g o r i t h mo fc o n t i n u a l a n g u l a rd i s p l a c e c o n t r o lo ft h es t e p p e rm o t o r , w h i c hi sas p e c i a l l yd e s i g n e d m i c r o c o m p u t e rs y s t e mw i t hd s p a sc p u t h ee v e r yp a r to fh a r d w a r ec i r c u i td i a g r a mi s g i v e n t h e r ea r es o m ed e s i g ne x p e r i e n c e s i nd i s c u s s i o n i nc h a p t e rf i v e ，e x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e dt og e td y n a m i cr e s p o n s ea n df r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i r e c ta c t u a t e dd i g i t a lv a l v ea n di t sc o n t r o l l e r f i r s t ，e x p e r i m e n t a l s y s t e ma n dc o n t r o lp r o g r a ma r ei n t r o d u c e d t h e nt h er e a la n g u l a rd i s p l a c e m e n t so ft h e s t e p p e rm o t o ru n d e rt y p i c a li n p u tw a v e sa n dt h es i n u s o i d a lc o n t r o ls i g n a l so fd i f f e r e n t f r e q u e n c ya r eo b t a i n e d t h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r o l l e ra r eg i v e ni nt h e e x p e r i m e n t f i n a l l yat y p i c a ls t e pr e s p o n s et i m eo fd i g i t a lv a l v ei sm e a s u r e d t h er e a l a x i a ld i s p l a c e m e n tr e s p o n s e so ft h es p o o lt ot h et y p i c a li n p u tw a v e sa n dt h ed i f f e r e n t f r e q u e n ts i n u s o i d a lc o n t r o ls i g n a l s a r eo b t a i n e d t h ef r e q u e n c yr e s p o n s eo ft h e2 d d i g i t a lv a l v ei se x p e r i m e n t a l l ym e a s u r e da n dc o m p a r e dw i t ht h e r e t i c a lr e s u l t s i nc h a p t e rs i x ，as u m m a r ya n dap r o s p e c to ft h i st h e s i sa r ep u tf o r w a r da st h e c o n c l u s i o n s k e yw o r d s ：2 dd i g i t a ls e r v ov a l v e ，c o n t r o l l e qd y n a m i cr e s p o n s e ，f r e q u e n c y c h a r a c t e r s t i c s 1 v 浙江工业人学硕士学位论文 4 高压孔蕈叠面积，m 2 4 低压孔重叠面积，m 2 4 阀芯承压面有效面积，m 2 置阻尼系数，n s m e 阀u 流量系数 f 库仑摩擦力，n 玩初始重叠面积，t o n i h i 高压孑l 重叠面积弓高，m m j i i ：_ 低压孔重叠面积弓高，砌m k 。弹簧刚度，n m k 开环速度增益，d b 。敏感腔长度，i i l i n 符号说明 朋阀：占质量，k g p ，系统压力，p a p 。敏感腔的压力，p a q 。泵输出流量，l m i n q 。高压孔流入敏感腔的流量，l m i n q 2 敏感腔流入低压孔的流量，l m i n q ，。- a 孔处阀芯阀套配合间隙泄漏流量，l m i n q f ：- b 孔处阀芯阀套配合问隙泄漏流量，l m i n 静态转矩，n m v 尺阀芯台肩半径，m i l l x ，_ 2 d 阀阀芯位移量， z ，转子齿数 口螺旋槽升角，r a d 秒阀：卷转动角位移，r a d 哦液压固有频率，h z 彘液压阻尼比，n s m 痧失调角，。 p 油液密度，i , ：e d m 3 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者虢易侮研吼刀。7 年5 月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密瓯 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 日期：。7 年 日期：y 一7 年 s 具日 f 月岁日 浙 l ：工业大学硕士学位论文 第一章绪论 【内容提要】本章首先介绍了论文选题的背景，系统的阐述了数字阀以及电 液数字控制技术的分类、比较和应用，着重介绍了国内外研究现状和发展趋势， 最后说明本论文研究的意义和主要内容所在。 1 1 选题背景 从八十年代以来随着东西方冷战局势的缓和，各主要工业发达国家，逐步将 其原先主要应用于军事装备的电液伺服技术转向民用工业【他】，正是在这个背景下 人们开始探寻新的电液控制元件驱动和控制方案以取代加工精度高、对油液敏感 的喷嘴一挡板伺服阀。与此同时，随着计算机技术在流体动力控制系统中的大量 应用，流体动力控制元件及系统的数字化发展势在必行。 1 2 数字阀研究现状概况 数字控制阀，简称数字阀，是用数字信号直接控制液体压力、流量和方向的 液压阀。与伺服阀、比例阀相比，具有结构简单，工艺性好，价格低廉，抗污染 能力强的优势，而且数字阀的输出量，可靠地由脉冲频率或宽度调节控制，抗干 扰能力强，可得到较高的开环控制精度等，因此数字阀受到国内外液压界的关注， 自从1 9 8 1 年第十届国际流体动力博览会上首次展出数字阀以来已有2 6 年的历史 了，其间日本、美国、德国、英国、加拿大和中国等国家的一些科研单位相继进 行了研究和应用，已有了很大进展【3 】。在微机实时控制的电液系统中，已经部分取 代比例阀或伺服阀，为计算机在液压领域的应用开拓了一种新的方向。 1 2 1 数字阀的分类 数字阀种类繁多，按阀芯结构有转阀和滑阀之分；按工作过程有单级、双级 之分：按反馈形式有位置直接反馈和电反馈。按控制方式的不同，电液数字阀可 分为两种类型：一是采用步进电机d a 转换器，用增量方式进行控制的数字阀： 浙江工业大学硕士学位论文 二是采用脉宽调制原理控制的高速开关型数字测训。 ( 一) 增量式数字控制阀 增量式数字阀分为数字流量控制阀、数字方向流量阀和数字压力阀。 图l l 所示为由步进电动机直接驱动的数字流量阀【5 】。步进电机转动，通过滚 珠丝杠把转角变为轴向位移，带动节流阀阀j 卷移动将阀口开启，从而控制流量。 阀：卷向右移动时首先打开右节流口，由于右节流口为非全周开口，故流量较小； 继续向右移动时打开左节流口，左节流口为全周开口，流量增大。液流从轴向流 入，且流出时与轴线垂直，所以阀在开启时的液动力可以将向右作用的液压力部 分抵消掉。该阀的流量由阀芯、阀套及连杆的相对热膨胀取得温度补偿，当油液 温度上升时，油的粘度下降，流量增加。与此同时，阀套、阀j 薛及连杆的不同方 向的热膨胀使阀的开口变小，从而维持恒定流量。这种阀是开环控制的，但装有 单独的零位移传感器，在每个控制周期终了，阀芯可由零位传感器控制回到零位， 保证每个工作周期都在相同的位置开始，使阀的重复精度比较高。 1 一阀套2 一连接杆3 一零位位移传感器4 一步进电动机 5 一滚珠丝杆6 一阀芯 图1 1步进电动机直接带动的数字流量阀 数字方向流量阀结构原理图如图1 2 所示。图中压力油由p 口进入，a 口及b 口通负载腔，t 口回油，p p 口是先导级控制用的压力油口，与控制阀：卷两端容腔 相通，与a 2 腔之间有固定节流孔。阀j 卷右端是喷嘴，左腔面积a l 为右腔a 2 的一 半。当挡板运动时，右腔压力变化，使阀芯移动，直到右腔的压力为左腔的一半 时便停止运动。步进电机控制挡板位移，即控制阀芯跟随移动的距离，也就是阀 的开度，在这样的控制下可达到较高的精度。为使控制阀节流口的压差保持恒定， 浙江工业人学硕士学位论文 在阀内部可以设置安全型压力补偿阀。 流 图1 - 2 数字方向流量阀 数字压力阀的原理是计算机发出脉冲信号，步进电机转动带动偏心轮推动项 杆作往复运动，从而使弹簧的压缩量及先导级的针阀开度产生相应的变化，也就 调整了压力。 ( 二) 脉宽调制式数字阀 用脉宽调制原理控制的高速开关型数字阀由于只有“开”“关”两种工作状态， 因而结构简单、紧凑、价格低廉，抗干扰及抗污染能力强。用脉宽原理控制时， 采样周期恒定，输出流量正比于脉宽占空比，计算机编程方便，控制精度较高。 但由于阀的动态性能的限制，在起始段有死区，终了段有饱和，可控部分只限于 一定范围。若阀的动态性能越高，则在相同采样周期下阀开启和关闭所需时间越 短，可控范围越大。脉宽调制式数字阀包括一些结构形式，如盘式电磁铁和锥阀 组合的高速开关型数字阀、螺管电磁铁和阀组合的高速开关型数字阀和压电晶体 或磁致伸缩组件和滑阀组合的高速开关型数字阀。 图l 一3 所示为力矩马达和球阀组成的高速开关型数字阀的结构原理图 5 1 。力矩 马达某一线圈通电时如衔铁顺时针偏转，便推动先导级球阀2 向下运动，关闭压 力油口p d 。l 2 腔与回油p r 接通，球阀4 在液压力作用下上升，而左边球阀l 压在 上面位置，lj 腔与压力相通，球阀3 向下关闭，使得p a 腔与回油腔p p 相通，与回 油腔p r 断开。反之，另一线圈通电使衔铁逆时针偏转，情况刚好相反，p a 腔与 回油腔p r 相通，与回油腔p p 断开。这种阀流量较小，仅1 2 l m i n ，工作压力2 0 m p a ， 最短切换时间0 8 m s 。 浙江工业人学硕士学位论文 先导 二位 球阀 图1 3 球阀型二位三通高速开关阀 如图l 一4 为锥阀型高速开关电磁耐5 1 。当螺管电磁铁不通电时，铁心在弹簧的 作用下使锥阀关闭；当电磁铁有脉冲信号时，通过固定元件作用的电磁吸力使铁 心带动锥芯开启，导通p 、t 油路。为了防止阀开启时因为稳态液动力而关闭和减 小电磁力，该阀采用了通过射流对铁心的作用来补偿液动力的办法。这种阀的行 程为0 3 m m ，动作时间3 m s ，控制电流o 7 a ，额定流量为1 2 l m i n 。 5432 p t l 一阀芯2 一铁心3 一固定元件4 一弹簧5 一线圈 图1 4 锥阀型高速开关电磁阀 有一种快速锁紧阀的结构如图1 5 所示，其整体采用两级结构，先导阀为直动 浙江工业大学硕士学位论文 式高速数字伺服阀，主阀采用锥阀的结构保证其无泄漏【6 】。数字阀由伺服电机驱动， 偏心轮机构位于电机的转子和阀芯之间。当电机由驱动器驱动时，偏心轮机构在 电机转子驱动下使阀芯做线性运动，从而控制主阀的开关。为了减少主阀快速关 断时的撞击，设置了缓冲油膜结构，延长了阀的使用寿命。 先 丰阀 连伺服阀至油箱 图1 5 快速锁紧阀结构图 1 2 2 数字阀国外研究现状 步进电机增量式数字阀的开发，以日本较为领先，其中东京计器公司的数字 流量阀、压力阀、方向流量控制阀均己作为产品，压力达到2 1 0 m p a ，流量l 5 0 0 l m i n ，输入脉冲数为1 0 0 - - 1 2 6 ，其重复特性精度和滞环精度均在0 1 以下。 日本的油研公司、丰兴工业公司、内田油压公司、d a n f o s s 公司、e b a mr e s e a r c hc o 、 l t d 和u r a t a ，美国的s p e r r y 、v i c k e r s 等公司和德国h a u h i n c o 公司【7 母】等均已有 数字阀商品投放市场。法国、英国、加拿大等国家也进行了相关研究和应用【1 0 】。 脉宽调制开关式数字阀亦以英国、日本、美国、法国、德国研究为多。自二 十世纪七十年代末，英国l u c a s 公司的a h s e i l l y 率先开始了研究，并开发两种特 殊结构的高速电磁开关阀：h e l e n o i d 阀【l l 】和c o l e n o i d 阀【12 1 。h e l e n o i d 阀的电磁铁 为螺管形结构，而c o l e n o i d 阀的电磁铁则为圆锥形结构。这两种数字阀的共同特 点就是通过采用特殊结构形状的电磁铁，克服了传统电磁开关阀“电磁作用力越 大衔铁加速度反而越小 的矛盾，使得当阀j 签行程小于l m m 时，阀的响应时间不 大于l m s 。然而，h e l e n o i d 阀和c o l e n o i d 阀的结构都相当复杂，加工与制造难度 大且成本高。因此，这也就限制了这两种阀在以后的实际应用。 浙江工业大学硕士学位论文 美国b k m 公司推出了一种三通球形插装式高速电磁开关阀13 1 ，该阀的响应时 间为：开启时间3 m s ，关闭时间2 m s ，工作压力为1 0 m p a 。该公司将这种阀主要被 用于中压共轨蓄压式电控燃油喷射系统中，典型系统为s e r v o j e t 系统，其结构原理 图如图1 - 6 所示。 燃油供油轨 图1 - 6s e r v o j e t 共轨蓄压式喷油系统图 日本的田中裕久等人于1 9 8 4 年前后研制了两种高速电磁开关阀1 4 - | 6 1 ，其中的 二通阀在工作压力为1 5 m p a 时，阀的响应时间为：开启时间3 3 m s ；关闭时间2 8 m s ； 三通阀在工作压力为7 m p a 时，阀的响应时间不足3 m s 。还有日本的川崎忠幸也 提出了一种球形阀芯结构的高速电磁开关阀，当该阀工作压力为4 1 9 m p a 时，其 开启与关闭时间均为2 1 5 m s 。到了二十世纪八十年代中、后期，日本的宫本正彦等 人成功地研制出工作压力为1 2 0 m p a ，开启和关闭时间分别为0 3 5 m s 和0 4 m s 的 三通型超高压高速电磁开关阀【1 7 】。 德国b o s c h 公司也成功地开发出一种适用于超高压下工作的高速电磁开关 阀，该阀的开启时间为0 3 m s ，关闭时间为0 6 5 m s 。但是值得注意的是，上述几种 超高压高速电磁开关阀的工作流量都甚小【1 8 1 9 】。 在日本、德国等国家，利用脉冲调制式数字开关阀的p w m 电液控制系统己经 应用到农业机械、运输设备、机床、航空等领域【2 0 】。 1 2 3 数字阀国内研究现状 浙江工业大学硕上学位论文 与国外相比，我国的液压数字阀的开发研究工作则起步相对较晚，但也取得 了很大的成就。期间所开展的工作大致可以分为两个方面，一方面是跟踪国外的 研究，另一方面则是自主或合作开发数字阀样机及与之配套的驱动控制装置。 哈尔滨工业大学、浙江工业大学、浙江大学、北京航天工业总公司、北京钢 铁研究总院、上海7 0 4 所、上海液压气动研究所、华中科技大学、广州机床研究 所、湖南大学、重庆大学、兰州理工大学等都在开展数字阀的研究。 步进电机增量式直接控制数字阀以广州机床研究所研制的s z y - f 6 b 数字先 导溢流阀、s z y - f 1 0 b 数字溢流阀、s z q f 8 1 6 数字调速阀、8 4 s z f 1 0 6 8 b 数字 换向阀为代表，并且该系列产品已经成功投入使用。 武汉理工大学在液力增压式电控燃油喷射系统采用了一种快速响应小型电磁 阀，它是一种常闭二位三通式电磁阀，其结构如图1 7 所示【2 1 】。当电磁阀通电时， 由于电磁力的作用，动衔铁l 克服运动阻力和液压力的作用向左运动，此时，进 油口与控制口连通，回油口与控制口断开，电磁阀处于开启状态；当电磁阀断电 时，进油口球阀在液压力的作用下通过推杆带动回油口球阀和动衔铁向右运动， 此时，回油口与控制口连通，进油口与控制口断开，电磁阀处于关闭状态。高速 电磁阀是机械、液力部分和电子控制部分的接口，电磁阀的开启时刻决定了喷油 的始点，开启持续时间决定了喷油量。它取代了传统喷油泵中复杂的控制执行机 构，实现对喷射过程的直接数字控制。考虑到所用电磁阀的通流能力小，系统将 两个电磁阀并联使用，以增大通流能力。 进 油 口 口u l 一动铁芯2 一线圈3 一静铁芯4 一阀杆5 一三通阀组件 图1 7 高速电磁阀结构原理图 浙江大学流体传动与控制实验室设计了p z t 压电陶瓷数字阀 2 2 - 2 3 】，其阀的结 浙江工业大学硕学位论文 构原理图如图l 一8 所示。这是一种新型的数字阀，并合理地考虑了温度补偿。压电 陶瓷数字阀压力2 0 m p a ，流量1 0 l m i n ，频率达到2 0 0 h z 。 ，手、f 二 ( a ) 图i - 8p z tu 。电陶瓷数中阀结构原弹图 ( c ) 北京航天工业总公刮一院研制的数宁量调仃闷，它可以小经过d a 转换的中 间环节接受电子计算机发出的数字帚脉冲信号，并按其指令实施开关动作。既可 以卣接由电子计算机按预定程度进行开环调节，叉可以接收电子训算机发出的脉 冲信号指令实施闭环调节。其动力装置采用步进电机，由于传动系统和执行机构 小同，运动形式分为直线性和旋转性。 浙汀t 业大学数字化装备与控制实验室多年来一直从事数字阀的研究，存数 字阀的结构设计以发电液挖制技术上都进行r 深入的理论研究，并廊用实践。 比如曲一些要求快速响应，高手牵制精度的液压系统中传统的液压锁往往小能满 足要水，浙江工业大学设汁的高速开关阀如图1 9 所示，其工作压力为2 l m p a 主阀流量4 5 0 l m i n ，从信号发生器发出开始信号到锁紧阀的主阀完全关闭即主 阀阀。出似移到达6 m m ，之间的时间间隔大约为8 m s 寿右l 。应用于某振动赍的高 频馓振阀亦为2 d 数字阀如同1 一1 0 所不实现r 多轴振动台的同步激振，振动频 率可达2 0 0 h z 。 藕 祈i 1 ：3 2 n 大学顾学位论文 网1 9 快速锁紧阀的某液堆系统中的应用图1 1 0 高频激振阀的某振动台中的应用 重庆大学存8 0 年代末期先后开发研制了步进电机控制的各类液压气动组件 盘液压数字阀，数宁泵、数字缸等等；同时义相继研制了脉宽调制型各炎数字液 堆气动组件。 脉宽调制式龃接控制数字阀以贵州红林机械厂与美圈b k m 公叫合作并经过 二年多的努力，研制成功了h s v 系列高速电磁开关阀为代表。该阀为螺纹插装式 结构，阀的开启时问为3 m s ：关闭时m 为2 m s ：最高额定工作坼力为2 0 m p a ：额 定流量为2 - 9 l m i n 。 甘肃7 - j k 大学从8 0 年代末期起，针对小i 州的f 况需求，先后研审q h p , 人流量高 频响先导式数字液压阀、数字式压力调节阀、柴油机高压共轨数字渊等数字删， j ：2 0 0 4 年结合市场需要，推出超高速大吸力燃气电喷阀( h g d v 脉冲调制开关式 数字阀) i z 6 1 。 在国内p w m 电液控制系统也逐步得到广泛应用，脉冲调制式数字开关棚作为 一种先导控制用于泵的变最机构、换向阀或比例阀的先导级也u 趋明显。但足， 国内的电液数字阀毕竟尚处于研制阶段，离批量生产和普投应用尚有很大距离。 1 3 电液数字控制技术概况 八十年代初出现的各类电液比例控制元件，这些元件是应民用 业对廉价， 抗污染电液控制元件的要求而发展起来的。与此h 时，随着计算机技术存流体动 力控制系统中的大量应用，流体控制元件数字化成了一种必然趋势， 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 1 数字控制技术的分类及比较 数字控制技术分为间接数字控制方法和直接数字控制方法： ( 一) 间接数字控制方法 采用传统的比例阀或伺服阀等模拟信号控制元件构成的系统一般通过d a 接口实现数字控制，这是目前国内外液压与气动数字控制流行的方法【2 7 1 。这是一 种间接数字控制方法，但是这种方法存在以下缺点： 1 ) 由于控制器中存在着模拟电路，易于产生温飘和零飘，这不仅使得系统易 受温度变化的影响；同时，也使得控制器对阀本身的非线性因素的如死区、滞环 等难以实现彻底补偿。 2 ) 增加了d a 接口电路。 3 ) 用于驱动比例阀和伺服阀的比例电磁铁和力矩马达存在着固有的磁滞现 象，导致阀的外控特性表现出2 8 的滞环，控制特性较差。采用阀芯位置检测 和反馈等闭环控制的方法可以基本消除比例阀的滞环，但却使阀的造价大大增加。 4 ) 由于结构特点所决定，比例电磁铁的磁路一般只能由整体式磁性材料构成， 在高频信号作用下，由铁损而引起的温升较为严重。 ( 二) 与间接方法相对应的有两种直接数字控制方法： 其一是对高速开关阀的p w m ( 脉宽调制) 控制。通过控制开关元件的通断时 间比，以获得在某一段时间内流量的平均值，进而实现对下一级执行机构的控制。 在流体动力系统中，这种控制方式的控制信号是开关量，因而本质上是直接数字 控制。 在流体动力控制系统领域，最初引入了p w m 概念的是在1 9 5 0 年，美国l o g n h o p k i n s 大学的应用物理实验室，流体p w m 技术得到了初步的发展，1 9 5 9 年出现 了第一个流体p w m 控制的开关电液伺服系统。在当时的由伺服系统中引入p w m 技术的主要目的是为了提高伺服阀对微弱信号的响应能力，克服伺服阀死区和零 位漂移对系统寿命和可靠性的影响f 2 8 之9 1 。在此后的一段时间里，西方的一些学者 采用p w m 的伺服阀系统作了许多的研究和实验，取得了一些进展。在七十年代这 项技术发展得极为缓慢，甚至滞足彳i 前，这是由于一方面电液伺服系统本身的一 些问题己被很好解决，另一方面p w m 的噪声和引起的输出误差“波纹”难消除等 的缘故，使人们将精力转向当时迅速发展的模拟电液伺服系统3 0 。3 2 1 。当然，对流 体p w m 系统的研究早期也有很多重要成果。t a f t 和他的同事在1 9 7 0 年发现了 浙江工业大学硕士学位论文 p w m 对伺服阀静特性线性改良作用，这促进人们在后来应用p w m 信号应用于伺 服阀，得到了比例流量控制。特别是自8 0 年代以后，人们对电液( 气) 控制系统 p w m 控制的性能提高及工程实际应用做了大量的工作3 3 。5 1 。 该控制方式具有不堵塞、抗污染能力强及结构简单的优点，但是存在以下缺 占 ，、 1 ) 由于高速开关阀的p w m 控制最终表现为一种机械信号的调制，易于诱发 管路中压力脉冲和冲击，从而影响元件自身和系统的寿命及工作的可靠性。 2 ) 元件的输入与输出之间没有严格的比例关系，一般不能用于开环控制。 3 ) 控制特性受机械调制频率不易提高的限制。 其二是利用数字执行元件步进电机加适当的旋转一直线运动转换机构驱动阀 芯实现直接数字控制。由于这类数字控制元件一般按步进的方式工作，因而常称 为步进式数字阀或离散式比例阀。通过合理的设计，这类阀具有重复精度高以及 无滞环的优点。但是步进式数字阀是通过阀芯的步进运动将输入的信号量化为相 应的脉冲数，因而存在量化误差，通过增加阀的工作步数可以减小量化误差，却 使阀的响应速度大大降低。 1 3 2 数字控制技术的发展趋势 近年来各国都在不遗余力地发展和完善新的控制元件，以此为基础的控制系 统也得到了迅速发展，其发展趋势主要表现在如下方面 3 6 - 3 7 】： 1 ) 高性能化 最新电液控制器件无论从精度、响应速度，还是稳定性，都有了长足进步。 传统上认为液压技术不能像齿轮机构那样，用于精确传动场合，但随着机电一体 化以及各种控制技术的发展，液压系统的控制精度已经有了显著提高。美国o i s e n d 的l s 3 0 0 精密数字油缸，其移动精度已达1 2 7 9 m ，西安交通大学流体传动与控制 教研室近年开发研制出的计算机控制液压伺服系统用于汽车椭圆活塞车削加工设 备，其位移动态精度高达7 9 m 左右。与此同时，元件的压力级、流量等级有了较 大提高。向高速、高压、高精度方向发展仍是电液系统元件追逐的目标。 2 ) 高可靠性 采用对污染不敏感结构，提高对环境的适应能力，是电液控制元件发展又一 重要趋势。就此点而言，电液比例摔制元件及数字式控制元件的进展是令人满意 浙江工业大学硕士学位论文 的，这类元件对介质清洁度无特殊要求，适应能力强，工作可靠，而动、静态特 性却足以满足工程控制需要。 对于系统而言，为提高工作可靠性所作的努力是增加在线实时监测系统和故 障诊断系统，以便随时跟踪监测电液系统运行状态，及时发现故障征兆，迅速准 确地判断出故障源，并采取相应的调整措施。美国俄克拉荷马州流体动力技术公 司f e s 已提出一种“先治性维护( p r o a c t i v em a i s t e n a n c e ) ”概念，即液压系统故障 出现之前便能进行必要的处理和维护，因此系统可靠性作为一个重要概念，正在 为大家所接受。 3 ) 集成化 从技术构成上电液控制实际集液压技术、微电子技术、传感检测技术、计算 机控制及现代控制理论等多学科于一体的高交叉性、高综合性的技术学科，具有 显著的集电液一体化特征。从元器件结构组成上，往往是集传感器、控制放大器、 执行器于一身，构成集成化功能单元，而系统应用上则趋向于采用集成单元来实 现复合功能。 4 ) 智能化 无论从元件的开发研究，还是系统的构成，以机敏材料( s m a r tm a t e r i a l ) 为代表 的智能材料的引入【3 8 1 ，传感检测技术的不断进步，以及包括模糊理论、人工神经 网络在内的新的智能化控制策略与手段的小断成功运用，使得系统及元件的自学 习、自适应机能得到充分提高，当代的电液控制技术越来越呈现出智能化的趋势。 1 4 论文的意义及研究内容 在电液伺服系统中，电液伺服阀作为关键元件其性能很大程度上决定了整个 系统的性能。喷嘴挡板伺服阀的惯性小、位移量小，因而动态性能及灵敏度都很 高，但抗干扰和抗污染能力较差，而且存在于喷嘴与挡板之间的泄漏会导致大量 的功率损耗，在较高系统压力工作的情况下，阀的功率损耗正比于系统损耗的平 方。射流管伺服阀的抗污染性比喷嘴挡板阀有所改善，但泄漏量和功率损耗都更 大 3 9 4 2 】。2 d 数字伺服阀相比较其他伺服阀，抗污染能力强，伺服螺旋机构泄漏极 小，其功耗与流体动力控制系统的其他能量损失相比几乎可以不考虑，控制特性 比较理想，没有滞环和死区。此外，2 d 数字伺服阀虽然只有一个阀芯，但却是双 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 级阀，其性能由伺服螺旋机构决定，由于螺旋伺服机构的固有频率达到1 0 5 h z ，所 以2 d 数字伺服阀具有良好的静态以及动态性能。 为了消除传统步进式数字阀所固有的量化误差与响应速度之间的矛盾，本文 放弃了步进的控制方式，对步进电机的输出的角位移采用连续跟踪控制，其核心 思想是通过控制步进电机相邻相序通电时间的长短，使步进电机输出的角位移得 以连续控制，该控制思想由固化于单片机控制器内的特殊跟踪算法实现。 本论文的研究内容主要包括： 1 ) 2 d 数字伺服阀数学模型的建立及性能仿真：详细介绍三位四通2 d 数字阀 的工作原理，通过阀的特征支配方程建立数学模型，采用数值仿真的方法对该2 d 阀的动态性能以及频率特性进行仿真。 2 ) 控制器模型建立与仿真：对步进电机进行数学建模，采用连续跟踪控制算 法，将其固化在单片机控制器内，并对控制器进行仿真分析。 3 ) 控制器的硬件设计：专门设计了一个以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为c p u 的嵌入式 系统来作为2 d 数字伺服阀的控制器。 4 ) 步进电机控制器实验研究：得到在刁 同典型波形作用下，步进电机角位移 实际输出波形，在不同频率正弦控制信号下角位移响应的实际波形，最后给出步 进电机的频率特性曲线。 5 ) 2 d 数字阀的动态性能实验研究：建立实验装置以及测试系统，设计控制 程序，进行实验研究，得到2 d 数字伺