（机械电子工程专业论文）脉宽调制液压数字泵的理论及实验研究.pdf

重庆人学倾1 ：学位论且：摘要 ，摘要 l f m 永宽调制( p w m ) 技术最早应用于通讯领域。近年来，随着高速开关 技术的出现和发展，脉宽调制技术丌始广泛地应用于流体传动与控制领 域，并且取得了显著的成果。 p w m 信号由载波受连续输入的调制而产生的。对信号的复现能力取决 于低通滤波器的截止频率。要能完全不失真地复现输入信号，必须使低通 滤波器的截止频率大于或等于输入信号频率且小于载波频率。另一方面， p 1 v m 信号的载波频率由于受高速开关阀响应时间限制不能做得太高。因此 总存在一个频率最佳的p 眦信号导、 本课题所研制的是p w m 液压数字泵，该产品在国内尚属空白，在国际 上未见商品化报道。该泵是在手动伺服柱塞式变量泵基础上经过改造得到 的。其方法是制造一个由高速开关阀控制的小油缸，其活塞杠与变量泵的 拉杆相连f 囱次改变高速丌关阀的占空比就能控制拉杆位移，进而控制变 量泵流量变化。显然，这利，形式的变量泵不必改变原泵体结构。这就节约 了有限资金，有较大实用价值? 1 司时，高速开关阀与p _ | ；i , 2 v l 计算机控制系统 相连，因此，通过改变软件可以方便连续地控制流量。使得这种变量泵成 为一种结构简单、造价低廉、控制方便的新型变量泵，具有广阔的应用前 景。 本课题通过理论分析，建立了p w m 变量泵的数学模型，进行了仿真分 析与实验研究，其中对该泵的动静态性能的实验研究在国内尚属首次。 受实验条件和资金的限制，木课题对研制出的p w m 变量泵仅作了静态 实验，实验结果与理论分析大体一致，论证了控制方案的正确性。 关键词：高速开关阀，1 w 5 f i ，变量泵 蘑庆人学硕l - 学位论义 摘要 t h et e c h n o l o g yo fp u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p 州) i su s e di n i t i a l l y i nt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o i l r e c e n t i yt h i st e c h n o l o g yi sa p p l l e d v e r yw i d e l y i nt h ef i e i do ff 1 u i dp o w e rc o n t r o la n dt r a n s m i s s i o n t h ep w ms i g n a li sp r o d u c e db yc a r r i e rw a v et h a ti sm o d u l a t e db y i n p u ts i g n a l a c r o s st h e1 0 w p a s s f ii t e rt h ei n p u ts i g n a lc a nb e s e p a r a t e do u t t h ea b i li t yo fr e c o v e r i n gt ot h ei n p u ti sd e c i d e db y t h ec r o s s o v e rf r e q u e n c yo fi n p u ta n ditm u s tb e1 e s st h a nt h a to f c a r r i e rw a v e s o nt h eo t h e rh a n d ，c a r r i e rw a v ef r e q u e n c yo fp w m s i g n a li s1 i m i t e db yh i g h s p e e dv a l v e s r e s p o n d s ot h e r ei s p w m s i g n a l o fo p t i m i z ef r e q u e n c y t h ep a p e rf o c u s e so i lt h ep w mh y d r a u l i cd i g i t a lp r o p o r t i o n a l v a r i a b l ep u m p ，w h i c hi si m p r o v e do nt h eb a s eo ft h eh a n da x i a lp i s t o n v a r i a b l e p u m pt h r o u g ha d d i n g as m a l l c y li n d e rc o n t r o l l e d b y a h i g h s p e e do n _ o f fv a l v e t h ep i s t o nr o do ft h ec y l i n d e ri sc o n n e c t e d w i t hp u l l i n gr o d a c c o r d i n g yt h ed is p l a c e m e n to ft h ep u l l i n gr o d isc h a n g e dw jt ht h em o d if ic a t io no ft h ez h a n k o n g b io ft h eh ig hs p e e d o n o f fv a l v e ，t h e r e b yw ec a nc o n t r o l t h ef 】o ww i t h o u tc h a n g i n gt h e o r i g i n a lp u m p ss t r u c t u r e t h ea p p r o a c hi so fh i g hp r a e t i c a lv a l u e t h ep a p e rb u i l d sam a t h e m a t i c sm o d e lf o rp w b lv a r i a b l ep u m po n t h eb a s eo ft h et h e o r ya n a l y s i sa n dc a r t i e so u td i g i t a s i m u l a t i o n a n dt h e e x p e r i m e n t s o fw h i c ht h er e s u l t sc o n f o r mo nt h e t h e o r y a n a ly s i s w i t ht h e1 i m i t e dt e s tc o n d i t i o n t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i et e s t i so n l yc a r r l e do u tf o rt h ep 州v a r i a b l ep u m p t h ef u r t h e rr e s e a r c h i sn e e d e db e f o r ep u t t i n gi ti e t ow id eu s e k e yw o r d s ：h i g h s p e e do n o l tv a l v e ，p w m ，v a r i a b l ep u m p 照庆火学坝：i 论史笫一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 液压传动技术在国民经济中有广泛的应用，在农业、化工、能源、 冶金、建筑、及机床行业中，需要各种各样的液压机械。这是因为液压元 件有很多的优点，比如力质量比大，能实现无级调速，传动介质兼有润 滑作用等。另一方面。它也存在某些缺点。突出的有：效率较低，无功损 耗较大，浪费能源；信号的传递不如电信号快，也不方便。如果在液压设 备的设计过程中不考虑节能的要求，则液压系统的无功损耗通常会超过输 入功率的一半，不仅浪费大量能源，而且由于这些液压能转化为热能，又 恶化了系统的工况，造成恶性循环。随着全世界对环保问题和能源危机的 重视，人们对液压系统能量消耗和系统效率的要求亦不断提高，通常大功 率的液压系统都使用了各种类型的变量泵。比如功率适应控制变量泵、伺 服泵、比例泵等，其中又以数字式变量泵节能效果最佳。随着计算机成本 降低，功能提高，使数字控制技术渗透到各个工业控制领域。由此发展起 来的数字泵，由于它只要编制合适的软件即可获得任意的工作特性曲线， 充分适应执行机构的压力、流量等工况要求。因此它一方面可以有效的减 少液压系统中的能量损失，提高节能效果，在各种液压系统中达到最高的 效率：另一方面，其闭环控制系统可精确控制流量和压力，大大简化复杂 的液压系统i ，“。 1 2 数字泵的国内外发展现状 在液压系统中，组成功率的两个主要物理量是压力和流量，而在 般常见系统中，压力与流量都是可变的，即负载压力与流量均为变量。为 了实现最优效率设计方案，人们用了各种不同的逼近控制方案如恒功率控 制，恒流控制，压力补偿控制，功率适应控制等。但这些控制方式多少都 有一些不可避免的流量损失。系统的效率很难达到8 0 以上。而象伺服变 量泵，比例变量泵等模拟控制系统的效率虽很高，但其也有控制接口复杂， 需d a 转换，对油液污染敏感，制造维修不便等模拟控制固有的缺点。由 于存在这些问题，从7 0 年代术丌始，l j = 界上就有采用数字技术节能的趋 势。最早在1 9 7 7 年，西德枷什( b o s c h ) 公司的径向柱塞泵的变量机构中， 采用电子控制器控制三个电磁阀来实现变量，这是把小型电子计算机( 控 囊庆人学坝，i ：论文第一章绪论 制器) 用到小液压泵变量机构的首次报道。控制器把从系统反馈回来的实 际参数与给定值进行比较，然后再发出信号给电磁阀，使变量机构动作。 因为电磁阀的频率相当高，所以变量机构的动作仍是连续的，就是说，输 入电磁阀的信号是数字量而变量机构的动作是模拟量，如图1 1 所示。 图1 1 高速电磁阀控制的变量泵 发展到目前，国内外丌发与研究了许多新型的数字式高效液压节能 泵。现介绍几种典型结构： 1 2 1 二进制数字变量泵 二进制数字变量泵是上海交大在八十年代中期研制的，是一种以组合 式数字缸作为变量驱动机构的变量泵。图1 3 是利用二进制数字泵构成 的容积式调速系统。该系统由液压缸7 ，三位四通电磁阀6 ，溢流阀5 及数 字式变量泵组成，数字式变量泵又由阀组2 ，变量机构3 和变量泵4 构成。 图1 2 组合式数字缸原理图 其中，变量机构就是上述的组合式的二进制数字缸( 图1 2 ) ，活塞 杆的状态由阀组2 的通电状态，即四个电磁铁输入电平的编码状态决定。 图中活塞杆的位箭对应着四个二位三通阀的失r 乜状态。即编码为0 0 0 0 ， 若输出编码状态为1 1 1 1 ，这时活塞析完全伸出。编码是由计算机l 或逻 辑控制器控制的。 童庆人学坝i j 论立第币绪论 图1 3 二进制数字泵容积调速回路 组合式二进制油缸共有四级，每级由一个二位三通阀控制。它们的 行程按二进制数取权，即 亍程比为l ：2 ：4 ：8 。设第一级行程对应的排 量为单位排量q 。则该泵所获得的1 6 种排量中，最小排量为0 ，最大排 量为1 5 q 。每级的增量为q ，如果变量缸山1 7 级组成，则可以得到2 n 油泵排量变化。 二进制数字变量泵调速系统采用的是常舰液压元件，对油的污染不 敏感。采用的控制信号为二进制脉冲信号，经放大后直接驱动电磁铁， 无需d a 转换器，容易由计算机或p c 直接控制。其缺点是当要求的调速 范围增大时，就必须采用级数更多的变量数字缸，这将会使整个数字泵 的变量机构复杂化。因此，这种调速系统只适应与调速级数不太多的场 合【4 。 1 2 2 步进电机控制的数字变量泵 这利i 数字泵是在2 5 c c y l 4 - l b 型轴向柱塞泵的基础上增加套将步进 电机的转动转化成伺服阀阀芯移动的机构。( 图1 4 ) 步进电机2 为机电 转化元件，可由微机控制。角位移通过一减速齿轮副1 和凸轮副5 转换 成直线位移，驱动泵的伺服阀芯3 调节斜盘4 的倾角而改变泵的排量。 步进电机运行方向，速度和大小由单片机发出的脉冲序列来控制。因此 泵的输出流量可以根据工况要求，非常准确而及时的改变。 ，_二p 0 j 一 掣_ 邗扩r卜l ，卜，飞，卜 、i、一。 重庆人学硕i 沦史第一章绪论 l r 齿轮2 步进电机3 伺服阀芯4 斜盘5 凸轮 图1 4 泵的结构 重庆大学机械系将该变量泵应用于8 5 0 t 液压熨平机，实现熨平机工 作台速度的开环控制和系统工作压力的闭环控制，使熨平机液压系统大 大简化，系统工作压力的控制精度及可靠性大大提高。图1 5 是采用数 字变量泵的8 5 0 t 液压熨平机液压系统原理图( 5 j 。 图1 5 与二二进制数字泵相比，步进电机控制的变量泵调节流量范围要大得多， 节能效果更佳，并且该数字泵工况适应能力很强，只要改变软件即可获得 任意的工作特性曲线，故可代替现有各种变量泵使用。另一方面，由于这 4 蕾庆人学坝l 。论史第一市绪论 种变量泵是由步进电机控制的，因此步进电机本身的性能对变量泵影响 很大，步进电机启动频率较低，速度过大易丢步，驱动电源价格昂贵等 缺陷限制了这种数字泵向更完善的方向发展。 1 2 3 脉宽调制式( p w m ) 数字泵 除了以上几种形式的数字泵外，近几年国内外又在积极研制高速开关 阀控制的数字泵。 早在6 0 年代，为了克服电液伺服阀的固有缺点，国内外学者对任何 利用丌关控制方式进行液压系统的位置、速度控制进行了许多工作，然 而由于当时开关阀在切换时间与寿命等方面存在严重缺陷，使开关阀及 其控制系统的发展受到制约。而在同一时间( 6 0 年代末) ，由于比例电磁 铁的出现，使模拟式比例阀得到了迅速发展，成为目前应用较多的比例 类型。直到7 0 年代，人们在丌关阀的高速化、小型化方面取得了突破， 并成功应用于导弹姿态的气动伺服控制系统。 从7 0 年代开始，以西德为中，i i , 开始对电磁阀的高速化、小型化及 小功率化等方面采取了一些措施。如采用球阀增加面积梯度、减小摩擦 及液动力等。发展至今，德国、f i 本、美国都成功研制出高速开关阀， 并以有商品化的高速丌关阀出售。日前高速开关阀规格较小一般为流 量4 一l o l m i n ，时间2 5 m s ，压力2 2 0 m p a ，功率1 5 5 0 w ，开关寿命 为l l o 亿次，能满足一般工业的需求m j 。国内对高速开关阀的研究是从 1 9 8 4 年浙江大学液压传动与研究所丌始的；1 9 8 9 年北京理工大学研制 出高速开关阀，压力1 5 m p a ，流量1 2 1 m i l 3 ，时涮3 m s ，功率1 5 w 【3 j 【。 从8 0 年代后期开始，人们的研究重点已不完全在高速开关阀本身 上，开始探索高速丌关阀的应用问题。采用高速丌关阀的脉宽调制式新 型变量泵成为研究的一个重要方面。然而，脉宽调制式数字泵在世界上 还未见商品化产品，在国内更是一个空白。 1 3 课题的学术及实用意义 从以上各种数字泵的介绍可以得到它们的共同原理。其控制方法都是 通过计算机或p c 控制，使变量机构的一定位移对应一定的数字信号( 如 对应步进电机的脉冲数、二进制数字泵的脉码信号等) ，最终是要改变斜 盘的倾角以获得所需要的流量。而脉宽调制数字泵则是用高速开关阀的 占空比来改变变量机构的位移，达到控制流量的目的。脉宽调制数字泵 的示意图如图1 7 所示。图1 6 则为另一种结构方式。这两种结构形式 都是在手动伺服斜盘式柱塞泵的基础上经过改造得到的。图1 6 的方案 重庆大学伸! i 论文第一章绪论 看似简单，但却要对变量泵本体进行修改，首先要拆开变量活塞，然后 进行机加工、焊接堵塞油口，还要去掉随动阀芯，重新装配，十分麻烦。 因此本课题采用图1 7 所示方案进行研究。 图1 67 f 关型位置变量机购示意图 图1 7 脉宽凋制数字泵原理图 6 最庆人学顺l 论殳第一章绪论 除了数字系统固有的特点，如可直接与计算机相连，不需d a 接口， 控制简单方便外，这种新型的脉宽调制数字泵还有它自身的优越性。 1 )由于开关阀只工作在开、关两种状态，不要求输出和输入呈线性关 系，所以对阀的要求比较低，结构简单，成本低廉，这与步进电机控制 的数字泵相比有很大竞争力，后者成本高。 2 ) 高速开关阀的这种开关信号，类似于给阀加入颤振信号，使阀和液压 执行机构始终处于一种微振状念，因此对减小滞环，改善系统的静摩擦 特性，以提高低速平稳性，提高阀的抗污染能力，提高控制系统的可靠 性。 3 ) 可以通过调整p _ l v m ( 脉宽) 信号的载波频率来调整阀的增益，进而控 制泵的变量速度，这是模拟式比例泵和伺服泵难以做到的。 4 ) 在上面的内容中提到，脉宽调制位置比例控制方式非常适合对通用的 斜盘式轴向手动伺服变量泵的变量机构进行改造。与图1 6 的改造方案 相比，选择直接控制拉杆的方式更为简便，图1 7 。这种手动伺服变量泵 的伺服变量机构是一种动、静态性能都相当好的自适应系统，因此直接 控制拉杆与图1 6 的方案相比在性能上并不逊色，而且可避免对变量机构 本身进行修改，省掉了撤卸机加工，焊接，重新装配等复杂的加工过 程，只要把脉宽调制位置比例控制机构与拉杆固定在一起即可。在现有 有限资金的前提下，对价格较低的手动伺服变量泵进行改进，得到一种 新型的数字变量泵，对我国的工业产生有实际的意义。 综合以一l - 说明，三和，数字泵某些性能的比较如下表所示： 表i - i 数字泵类型二进制数字泵步进电机控制的数p _ | v m 数字泵 字泵 控制方式脉码调制脉数调制脉宽调制 控制精度低高 高 价格较昂贵较昂贵便宜 软件控制复杂简单较复杂简单 程度 控制机构复杂很复杂较复杂 简单 程度 寿命较长较长 短 出j 二可见，脉宽调制比例控制变量泵是一种有实用价值的新型变量 泵，它适用于所有需要节能的液压系统，是液压节能的一个重要发展方 向。 重庆人学t i # i cl ：论业 第一章绪论 1 4 本课题的主要任务 本课题针对c c y i b 型手动伺服变量泵，就以下几个方面进行研究。 1 ) 脉宽调制数字泵的变量机构的结构设计和计算。 2 ) 脉宽调制数字泵的数学模型及数字仿真。 3 ) 脉宽调制数字泵与微机接口板的设计和制作。 4 ) 脉宽调制数字泵实验台的回路设计，安装，调试和动静态性能测试。 重庆大学坝 学位论义 筇一章p w m 数一采变量机构的结构设计和计算 第二章p i t m 数字泵变量机构的结构设计和计算 2 1p w i i 数字泵结构形式的选择 整个p w m 数字泵结构由两大部分组成。一是控带虮构部分；一是泵本 体部分。由于泵本体就是普通的轴向柱塞式变量泵，因此只考虑控制机构 部分( 2 e 要是控制油缸) ，以及泵和控制机构连接部分的设计。为了使该数 字泵布局紧凑，结构简单，也为了节约成本，控制机构采用4 a - t - 高速开关 阀控制油缸的行程的形式。因此控制机构的具体方式可采用图1 7 或图2 1 两种形式。 p 1 控制油缸2 弹簧3 高速开关阀 控制器5 变量泵 图2 ，1 图2 1 为4 a 4 b n 油缸，液压油单向进入油缸一腔，只能作单向运动，回程 需借助弹簧外力的作用。图1 7 为另种结构形式，这种形式实际上是一 个单活塞杆油缸。它的特点是活塞两端的有限面积不等，活塞是否运动， 向那个方向运动，由活塞两端有效作用面积上液压推力的大小来决定。这 种由于面积差的原因使活塞移动的连接方式，称为差动连接“。比较这两 种形式，单作用油缸在结构上更为简便，因为阀和缸之间只需连一条油路， 但存在弹簧的非线性等不利因素，而且加弹簧会增加油缸长度方向的尺寸， 加大制造成本。因此选择图l _ 7 结构为数字泵的结构形式。这种形式虽然 机械结构上复杂一些，但保证了系统的性能。 重庆大学颂二l 学位论文第二章p w m 数字泵变量机构的结构设计和计算 2 2 结构尺寸的设计 2 2 1 油缸所受负载力的计算 为了控制油缸对不同型号的轴向柱塞式变量泵的通用性，选用所需负 载力较大的s z b - i - 0 0 型数字泵为设计依据。 油缸的活塞杆与变量泵的拉杆固接在一超，而拉杆又和变量泵的随动 阀芯相连，如图2 _ _ 2 所示。因此随动阀芯所受的运动阻力即是油缸所受负 载力。随动阀：笛的受力分析如下： 1 ) 阀芯液动力计算： 阀芯受有轴向液动力和径向液动力两种，轴阳液动力又分为稳态和瞬 态两种，由于该阀芯在运动过程中位移量很小，所以忽略瞬态液动力的影 响，只计算轴向稳态液动力如下： f w = 0 4 3 w x 。y p 1 ( 2 1 ) 式中： w 一阀口面积梯度 x 。一阀开口量 v p 一阀口d h 后压差 对于s z b i 0 0 噩擞字泵： w = 3 1 d i r i l l x 。= 0 0 5 mv p = 3 2 0 k g f c m 2 将其代入2 一l 式中得： f w = - 0 4 3 x 3 1 4 xo 0 5 x3 2 0 1 0 2 = 一2 1 6 ( k g f l ( 式中，负号仅表示液动力方m 和阀z ：l g _ 动方向相反) 2 2 2 控制油缸尺寸的确定 油缸主要尺寸包括油缸的内径d 、活塞杆的直径d 和油缸的长度l 等。 这些尺寸可根据油缸所需牵引力p 来确定。 1 ) 内径d ，活塞杆直径d 的确定： 照庆大学坝一卜学位沦立第二章p w m 数宁泵变量机构的结构设计和计算 d d j 图2 3 对于图2 3 所示的差动油缸，有， 抡净” ， 其中p 油缸昕需牵引力，其值= 阻力f p 控制机构工作压力，选p = 2 5 公斤力厘米2 d 一活塞杆直径，选d z ( ) 融0 6 d 另外 j 层= 。4 x - 砑丌髦1 1 ；7 4 一 。莎= 瓜甭姓s 一 可见，只是让油缸满足克服阻力的条件，缸径可以做得很小，但考虑 到工艺上的要求，应剖哿缸径和活塞杆直径适当加大。因此，选择d = 2 5 m m ， d = 1 5 r 咖。由于所选尺寸远大于公式( 柚4 ) 所算出的数据，故完全能满足 强度及油缸输出力的要求，故强度计算省略。 缸简长度1 。： i k = l d + i2 + s 。+ s + l 。” ( 2 _ 5 ) l 。缸体装配台阶艮度，取1 4 = s r 帅 1 2 活塞厚度，约为0 良1 0 d s 。一活塞行程余量，一般取s 。2 2 3 m 蓐庆大学倾 。学位论史第一帝p w m 数7 泉变量机构的结构设汁和汁算 s 一活塞行程，必须大于拉杆行程，因此取s = 3 0 f l i n l 。一缸盖糊蝴髋i s 嘉+ 詈= 1 0 r a m 1k = 1 0 + 2 5 + 2 + 3 0 + 1 0 1 0 m m 3 ) 活塞杆长度i ， 1 i = lk 1 4 一l2 + l 。 ( 2 喝) 其中， k 一活塞杆端部余量，考虑到连接的需要，取k = 2 0 唧 因此， l i 2 8 0 1 0 - 2 5 + 2 0 = 6 野肌 4 ) 油缸壁厚强度校核 油缸的壁厚可根据图2 2 的结构设计确定。一般来说，只有当油缸工作 压力较高或油缸直径较大时，才进行强度验算。但由于结构上的需要，缸 壁上钻有一个0 4 i i i i l 的小孔，因此缸壁上孔与缸孔之间的部分存在危险点， 如图2 2 ，有必要进行强度校核。 当油缸壁较薄，即昙 16 时，则根据厚壁筒公式进行校核。 0 由于， 旦：旦。1 4 。1 6 巧1 7 5 应使用厚壁筒公式， 占一 | 1 缸壁厚( 毫米) b 一油缸材料的许用应力 ( 2 - _ 7 ) ， d 一2 一 占 中式 重庆人学坝j 学位论史第一章p w m 数宁泉变量机构的结构设计和计算 查表得b = 1 0 0 l 1 0 0 公斤力厘米2 占：1752_5!j!二!：兰：!-1。075 0 4 7 r a m占= 1 j 二_ 二= 二_ = ! 二二= 二 2v1 1 0 0 1 3 2 5 校核结果：缸壁厚度满足强度条件。 5 ) 前后端盖的结构设计 油缸的前端结构较为简单，它与缸体之阳j 采用螺钉连挠与缸体内壁配合 面上有密封圈，与活塞杆的配合面上也有密封圈，保证了有杆腔中油液的密 封性，由于系统压力较低( 2 5 3 0 公斤力厘米) ，选用0 型密封圈即可。 后端盖的结构则要复杂一些。冈为它既是端盖，又是一个阀块，要将 高速开关阀插装入其中。 除了与缸简的密封性要求之外，更重要的是开关阀姗l 的加工必须满足 一定的要求。如图2 2 所示，整个阀孔为阶梯型，孔的底端与压力油相通， 并且直接通向有杆腔( 通过缸筒壁上的小孔) ，孔的中部还有两个侧孔，分 别通向无杆腔和回油口。当开关阀插入后，必须保证三个侧孔之间相互密 封，不能有泄露。阀孔顶端的一段螺纹为美制螺纹，必须用专用的丝锥加 工。这样设计结构上比较紧凑，) j 1 1 - 1 ；简单，成本较低。 6 ) 控制机构与泵体连接部分的设计 控制机构的缸体必须固定在泵体上，而活塞杆则要求与拉杆固定在一 起，因此连接部分包括个托架和一个连接杼。 a 托架是一个焊接件，由两块带孔的平板加筋焊成，上面一块板与下端 盖用螺栓紧固，下面块板固定在泵体上，拉杆从中问孔伸出。 b 连接杆上端与活塞杆之间用圆锥销连接，选用直径d = 5 m 的圆锥销。 由于剪力q 只有# 日力f 的一半，即2 1i 7 4 2 = 1 0 5 8 7 牛顿圆锥销足以承受， 因此强度校核省略。连接杆下端与拉杆之阳j 用螺纹连接，直接旋入即可。 连接杼盼氏度必须使得拉杆处于最大流量处时，活塞杆尚有余量。不必担 心推力过大会压坏拉杆，因为占空比可人为控制。当活塞杆缩回时，可能 会拉坏拉杆，因此有必要加挡圈限位。 c 托架上下两板间必须保证较高的平行度和平面度，应将螺栓孔适当做 大些，以免影响拉杆与活塞杆之间的对中性。 重庆人学硕”学位论义 第二章p w m 数牛泉i u 拄系统设计 第三章p 嗍数字泵电控系统设计 p w m 电控系统是p i l l l f 数字泵的控制部分，该系统可用单片机或是系统 机来实现，由于我们重在实验研究，同时也为了利用现有的实验设备， 节约资金，所以采用p c 机控制系统。这样还可以利用系统机的软件丰 富，语言多，界面好的优点，便于程序的调试、修改，实验数据的收 集，处理等。 该系统包括：p c 机、接口板、驱动板。接口板和驱动板见实物。 3 1 接口卡的设计 图3 1 为了便于实验研究，从标准化、规范化方向出发、按i b m - p c 总线所 设计的带1 2 位a d 和8 2 5 3 定时，计数器的接口板该扳可配接2 8 6 3 8 6 、 4 8 6 、5 8 6 微型计算机，其主要技术指标如下： 1 模拟量输入通道：单端1 6 路 2 a d 转换位数：1 2 位 3 输入屯压范围：一5 v 十5 v 4 a d 转换时问：均7 u s 重庆大学坝i j 学位论文第兰章p w m 数字泵电摔系统战计 5 输出码制；偏移二进制码 6 接口卡误差： o 1 ( 包括：通道、采保、a d 转换误差) d = ( 标准值一实测值) 满度值x 1 0 0 7 输入阻抗：= i o m o 8 设有两路1 6 位定时计数器8 2 5 3 9 外接信号的计数额率：2 m l o 占用主机连续8 个 o 地址 3 1 1 接口卡的地址译码电路 在接口的地址译码中，为了使浚接l j 卡在各类系统机兼容，采用了比 较器7 4 l s 6 8 2 ，将地址总线e 送来的地址范围与预设地址范围进行比较， 若两者相等，便表示地址总线送来的接口地址范围为所用到的口地址范 围。 丸兰擀z m 图3 2 见图3 2 所示译码电路，用d i p 丌关设计a 3 a 9 接p o p 7 ，这样当 a 3 a 9 输入同d i p 丌关设置的值相同时，7 4 l s 6 8 2 相等输出端为低、表示 两者相等，用此电平控制两个7 4 l s 7 4 的允许输入控制端g 2 a ，再用i o r 或 i o w 控制g 2 b 端则可对用d i p 开关没置的地址范围的8 个地址进行泽码。 用d i p 丌关设置地址范围，是考虑到有可能用户设计的接口地址范 围和扩充插槽内已有的接口卡的地址相冲突，若遇到这种情况，则可方便 的用开关重新设置一个地址范围，因此改变灵活，不用再动线路，t 该译码 电路特别适合于兼容机的接口电路上。接口卡i 0 地址的设置成 0 1 0 0 h ，见图3 _ 3 占用的i 0 地址为o i o o h 、0 1 0 7 h 共8 个连续i o 口。各 i o 意义如下 重庆大学坝l 学位论文第三章p w m 数# 泵i u 控系统设汁 表3 1 i o 地址读写功能 o i o o h w 选择通道 0 1 0 c 脯 r 8 2 5 3 鲫状态 0 1 0 1 h w 启动a d 转换 o 1 0 1 h r 读k d 转换结束标志 0 1 0 2 hw 中断操作 0 1 0 2 hr 读 d 转换高8 位 0 1 0 3 hr 读a d 转换低4 位 0 1 0 4 hw r8 2 5 30 通道数据口 0 1 0 5 t tw r 8 2 5 3l 通道数据口 0 1 0 6 i w r 8 2 5 32 通道数据口 0 1 0 7 h w 8 2 5 3 控制口 图3 38 2 5 3 内部结构 3 1 2 用8 2 5 3 实现的p 删输出 8 2 5 3 可编程计数定时器芯片的内部逻辑单元见框图3 4 所示。一 个具有三态双向的8 位数据总线缓冲器为8 2 5 3 芯片提供与系统总线相接 口的能力，它在读写逻辑的控制下接收来自系统总线的命令和数据，并 将8 2 5 3 的状态字送上系统总线。控制寄存器接收来自数据总线缓冲器中 关于命令的数据，并暂存这些数据。命令的数据经内部译码后产生整个器 件操作的控制信号，并设置每个计数器的工作方式。1 6 位计数器# o 、# 1 和# 2 是具有相同结构的减法计数器，每个计数器可以进行计数预茕。它 的输出端o u r 、控制端g a t e 和计数过程由暂存在控制寄存器中的工作方 裟 黧 纂 重庆大学坝 ：学位论文第二三章p w m 数字泵电控系统设计 式决定。每一个计数器是完全独立的，并有各自独立的工作方式汹。 c 1 f nn n 几几n 几几几几n 几n 几 g a t e r r 一磊1 1 计数计器i 一黼 嘉1 旃数计数菇束 重赋值或复位 c l k n n 几f l f l 一一几n 几几一一n 几n 几f n 。弧f 7 瓜矿 置方式2 计数 恢复初值 赋初值 结束 重新计数 b ) 方式2 图3 48 2 5 3 定时波形 为了实现p w m 输出，8 2 5 3 的个计数器被设置为工作方式2 ，以产生 i ) i v m 所需的定时周期。而其他两个计数器被设置为工作方式1 ，以产生可 调的脉冲宽度，这两个计数器的控制端g a t e 受到前一个计数器的输出端 o u t 的控制，从而产生了周期与脉冲宽度均可调节的两路p w m 输出。周期 的定时长短取决于p w m 输出的分辨率其关系式如下： t = 2 “，k 其中1 3 为分辨率的位数，k 为计数器的输入时钊i 的频率。以k = 8 z 为例，产，卜8 位分辨宰的定时周期为3 2 u s 。若产生1 6 位分辨率，定 时周期为8 1 9 2 m s 。而脉p 宽度的最大预置数值m 依赖于定时周期的长 短，即m f c i k o ，舰定流入控制腔流量q 为正值。则在一 个截波周期内，通过开关阀流入k 腔的平均流量为： q - c d 丑囹d - - b 麻d 舯a 居 而流出控制腔的平均流量为： q 2 _ c d a 序( 1 _ d ) 则进入控制腔的流量为： q 。= q ，一q ： ：b 廊厄( - 一d ) j ：b 蚯i + 厄_ b 厄j 重庆人学倾l ：学位论文第四章p 删数字泵的建模与仿真 可见，流量q 。取决于控制腔平均压力p 。和占空比d ，它是一个非线 形方程。应用台劳级数在d 。= 5 0 , p c2 互ip s 处线形化，得 v q = q 。一q o = k q v d k 。7 p ( 卜1 1 ) 其中 k q - 詈= = b 属 k 。= 两q 。p , 。= 0 4 。e , = 面b 4 4 p 1 删数字泵线性化数学模型的建立 假定：a 描1 6 i j 着罨统压力恒定，即r = 常数； b 控制油缸的摩擦忽略不记，并忽略管道内的摩擦损失和管路动 态。 1 )开关阀的线性化流量方程 上节己推导出阀的线| 蚍流量方程，为： v q = k 。v d - k 。v p ( 4 _ 一1 1 ) 即q 。= k q d k c p 2 ) 控制油缸流量连 虫性方程 q 户v c + p c 旭一p 。) 【| = vc + _ c 一俨【l 一。j p c 式中： 。油液体积弹瞄摸量 ( 4 - 一1 2 ) ( 4 1 3 ) 霞庆人学坝i 学位论义第川帝i ，州数二# 象：的矬模l 孑仿真 c , p 一内泄漏系数 一活塞无杆腔的容积 若无杆腔的初始容积为v 。，则 v c = v o + a c x p 于是，v 。= a 。x p 考虑到工作时a 。x 。远小于v 0 ，则( 4 一1 3 ) 式变为 q l = a 。百d x p 划r - p s ) + 瓷鲁 2 ) 活塞的运动方程 活塞的运动方程为： r a 。一p s a ；= m x p + bp xp + k x p + f 式中：a 。一有杆腔活塞面积 m 一活塞及负载的质龄 b ，一活塞及负载的粘性阻尼系数 k 一负载弹簧刚度 f 一负载力之和 联立式( 4 1 2 ) ， ( 4 1 4 ) ，( 4 1 5 ) 取增量，进行拉氏变换，消去 p c ，q l ，解得开关阀输入占空比和负载力同时作用时活塞的输出位移x ，。 a x 。= 妥舭：k o o ( ，+ 瓦v os f 差s3 + 警+ 瓣t + 警+ 是卜是 2 8 最庆人学坝i 学位论义旃章p 删数字泵的建模勺仿真 弹簧力作用，因此系统不存在弹性负载，及k ：o ，再考虑到! 型彗 m i n 0 d o u b l e k j ，嵫蚣t ： d o u b l e k 垴l 国i 饰： d o u b l e x k t 3 i ： d o u b l e f a i l ( 3 3 ： d a b l e 蛐j i l l 3 1 ： 6 z u b l e f a i 2 3 3 】： d a b b l e 仇舵 3 1 】： d o u b l em e d i m 3 1 i n tf l a g ； d o u