（机械电子工程专业论文）微型数字伺服阀电机械转换器的研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 微型数字伺服阀电一机械转换器的研究 摘要 f i i ii ii ii iif l lr lli lu | y 1810 8 5 4 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一机械转换 器性能的好坏。本文根据目前电一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一机械转 换元件，包括传统式和新型的电一机械转换元件。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9 5 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o 3 2 。这说明， 所设计的电一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。 关键词：电一机械转换器数字阀步进电机正弦波细分驱动连续 跟踪控制 浙江工业大学硕士学位论文 a ni n v e s t ig a t io n0 fm ic r o v a l v e e l e c t r j c c i t y m e c h a n i c a lc o n v e r t a bs t r a c t t h i st h e s i sf o c u s e sm a i n l yo nt h ed e s i g no fak i n do fs t e p p i n gm o t o r d r i v e rw h i c hi m b e d d e dw i t hs i n u s o i dw a v es u b d i v i s i o nt o g e t h e rw i t ha s m o o t ht r a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h m d u et oi t sl a r g ep o w e ro u t p u tv e r s u sv o l u m e ，l i g h t w e i g h t ，h i g h f r e q u e n c yr e s p o n s ea n dh i g h - a c c u r a c y ，m i c r o v a l v ei sa p p l i e di nm o r ea n d m o r ef i e l d s t h ep e r f o r m a n c eo fs e r v oc o n t r o l s y s t e mi n ae l e c t r o - h y d r a u l i cs y s t e md e p e n d sn o to n l yo nt h es e r v ov a l v es t r u c t u r eo fi t s e l f , b u ta l s o ，i ns o m ec a s e se v e nm o r eh e a v i l y ，o nt h ep e r f o r m a n c eo ft h e e l e c t r i c a lt om e c h a n i c a lc o n v e r t e ra p p l i e da sw e l l a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em i c r o v a l v ed e s i g n e d ，am e t h o d o fs i n u s o i dw a v es u b d i v i s i o nm i c r o s t e pd r i v e rt o g e t h e rw i t has m o o t h t r a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h mi sa p p li e di nt h ise le c t r i c h y d r a u li cs e r v oc o n t r o l s y s t e m e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n ea n dt h er e s u l t sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e c h a r a c t e r i s t i c so f f r e q u e n c yr e s p o n s e o ft h ec o n t r o l l e ri s i m p r o v e d s i g n if i c a n t l y 浙江工业大学硕士学位论文 乃em a i nt a s k so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s ： c h a p t e rl ：s o m et r a d i t i o n a le l e c t r i c a lt om e c h a n i c a lc o n v e r t e r st h a t u s e di nv a l v e ，b o t ha td o m e s t i ca n da b r o a d ，a r ei n t r o d u c e da tf i r s t t h e nt h e i n n o v a t i o np o i n t sa n dm a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp r o j e c ta r ep r o p o s e d ， a n dt h ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti si n t r o d u c e d b r i e f l y a sw e l l t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w ：t h es t r u c t u r a l d e s i g n so fm i c r o v a l v e ； s i n u s o i dw a v es u b d i v i d e dd r i v ea n ds m o o t ht r a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h m ； d e s i g n i n g a s t e p p i n g m o t o r d r i v e r ，b o t hh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ； e x p e r i m e n t sa n dr e s u l ta n a l y s i s c h a p t e r2 ：as t r u c t u r e o fd i r e c t d i g i t a le l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o m i c r o v a l v ei sd e v e l o p e d ，a n das i m p l i f i e dm o d e li se s t a b l i s h e da sw e l l t h e c o e f f i c i e n t so ft h em i c r o v a l v ed e v e l o p e da r ec a l c u l a t e d t h er e l a t i o n s h i p s s u c ha st h ep o s i t i o no fs p o o lv e r s u sr o t a t i o na n g l e ，t h es p e e do fs p o o l v e r s u sr o t a t i o na n g l ea n de c t ，a r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h en o n l i n e a r i t i e s o ft h er e l a t i o n s h i p sp r o p o s e da b o v ea r ea l s oa n a l y z e da sw e l l i na d d i t i o n ， t h em o m e n to fi n e r t i aa n dd y n a m i ch y d r a u l i cf o r c ea r ec a l c u l a t e d t h e r e s u l t ss h o wt h a t ，i nt h i sm o t o r - v a l v es y s t e m ，m o r et h a n9 5 i n e r t i at o q u e i sc a u s e db ys t e p p e rm o t o rr o t o ri t s e l f ；a n da l s o ，b e r n o u l l if o r c ei sm u c h s m a ll e rt h a nt h a t o u t p u tb ym o t o r t h e r e f o r e ，t h e i n f l u e n c et ot h e m o t o r - v a l v es y s t e mf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cc a nb en e g l e c t e d t h i sl a y sa t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ee x p e r i m e n tt h a tt h ed y n a m i cm o t o rc a nb e u s e dt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h em i c r o v a l v e 1 v e f f e c t i v et o i m p r o v e t h e f r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h e m i c r o v a l v ew h i c hh a sb e e nd e s i g n e d c h a p t e r4 ：t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs t e p p i n gm o t o rd r i v e ri m b e d e d w i t hs m o o t ht r a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h mi si n t r o d u c e d t h es y s t e mf u n c t i o n i si n t r o d u c e da tf i r s t ，t h e nf o ll o w e dt h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ea r ed i s c u s s e di nd e t a i l c h a p t e r5 ：t h es c h e m eo fe x p e r i m e n ta n de x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s u s e da r ei n t r o d u c e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa lef u r t h e ra n a l y z e da n d d i s c u s s e d a l t h o u g ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t si ns o m ec a s e sa r en o ta sg o o da s t h o s eg o ti nt h e s i m u l a t i o n ，s t i l l ，e x p e r i m e n t r e s u l t sa g r e e 谢lt h e s i m u l a t i o nr e s u l t s t h i sp r o v e st h a tt h es i n u s o i dw a v es u b d i v i d e dd r i v e t o g e t h e rw i t hs m o o t ht r a c k i n gc o n t r o la l g o r i t h mi se f f e c t i v et oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo f t h es y s t e m i nc h a p t e r6 ：t h es u m m a r i z a t i o no ft h i sd i s s e r t a t i o na n dt h ep r o s p e c to f t h i sp r o j e c t k e yw o r d s ：e l e c t r i c a lt om e c h a n i c a l c o n v e r t e r ，d i g i t a lv a l v e ， s t e p p e rm o t o r ，s i n es u b d i v i s i o n ，s m o o t ht r a c k i n gc o n t r o l v 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t i 认c t iii 目录v i 第一章绪论1 1 1 选题背景1 1 1 1 传统电一机械转换元件1 1 1 2 新型电一机械转换元件4 1 2 国内外电一机械转元件在微型数字伺服阀上的应用现状6 1 3 微型数字阀的控制方法7 1 4 本论文选题的意义和创新点9 1 5 主要研究的内容1 1 1 6 微型电液伺服系统的应用1 2 1 7 本章小结1 3 第二章微型数字伺服阀结构设计1 4 2 1 微型数字伺服阀的结构1 4 2 2 零位初始化1 6 2 3 流量特性1 6 2 3 1 节流口形式1 6 2 3 2 流量方程和零位系数1 7 2 4 凸轮机构的运动分析2 0 2 4 1 运动分析2 0 2 4 2 偏心轮转角与阀心位移的线性度2 2 2 5 转动惯量2 4 2 6 液动力及其产生的折算到电机轴上的扭距2 6 2 7 本章小结2 7 第三章步进电动机及其控制方法2 8 3 1 步进电动机概述2 8 3 2 混合式步进电动机工作原理2 9 3 3 步进电机的控制方法3 0 3 3 1 步进电机的方波驱动3 0 3 3 2 步进电机的正弦波细分驱动3 1 浙江工业大学硕士学位论文 3 4 混合式步进电机的连续跟踪控制3 3 3 4 1 混合式步进电机的连续跟踪控制模型3 3 3 4 2 步进电机连续跟踪控制算法3 8 3 5 步进电机连续跟踪条件下的频率特性4 0 3 5 1 跟踪控制信号的非线性分析4 0 3 5 2 跟踪控制信号的频响特性4 4 3 6 本章小结4 5 第四章步进电机驱动器的设计与实现4 6 4 1 引言4 6 4 2 伺服控制系统的方案设计4 6 4 3 伺服控制系统的硬件设计4 9 4 3 1 恒流载波驱动电路的硬件设计4 9 4 3 2 正弦波驱动电路的硬件设计5 1 4 3 3 控制信号输入电路的硬件设计5 4 4 4 伺服控制系统的软件设计5 6 4 4 1 正弦波阶梯电流给定的实现5 7 4 4 2 连续跟踪控制算法的实现5 7 4 5 本章小结6 l 第五章实验研究6 3 5 1 实验系统6 3 5 1 1 实验系统的原理6 3 5 1 2 实验装置6 4 5 2 步进方式6 6 5 3 连续跟踪模式6 8 5 4 本章小结7 1 第六章总结与展望7 2 6 1 本文总结7 2 6 2 后续展望7 2 参考文献7 4 攻读硕士学位期间已发表论文7 8 致谢7 9 v i i 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 微流体控制系统由于其输出功率大、体积小、重量轻、频率响应高、精度高 等特点。应用场合越来越多。普通的流体定值控制元件的输入信号一般为力或者 位移等机械信号，若流体控制元件为电液( 气) 比例元件，则输入的信号为电流 或电压信号。电一机械转换器作为连接其电气元件和液压机械元件的桥梁，是电液 伺服阀乃至液压控制系统的关键元件之一。电一机械转换器性能的优劣，直接关系 到液压控制系统的性能，特别是频响特性。所以，无论从历史和现实的角度，提 高电一机械转换器的频响和带载能力，是提高电液伺服阀频响的前提。 电一机械转换元件分为模拟式和数字式两种，目前主要的电一机械转换元件有以 下几种： 1 1 1 传统电一机械转换元件 在流体控制元件中，常用的模拟式电一机械转换元件为力矩马达、动圈式力马 达及比例电磁铁等转换元件n 1 。 1 ) 动铁式力矩马达 它是基于衔铁在磁场中受力的原理而工作的，即利用控制磁场调制极化磁场 来改变不同气隙中的磁通，使衔铁上得到与输入电流大小和方向相应的净输出力 矩。目前它是电液伺服阀中应用最广泛的一种，具有响应快，体积小，输出力矩 大和灵敏度高等优点；缺点是线性范围小，制造精度高，价格贵和易产生因磁性 刚度而造成的稳定性问题，见图卜l 。 图1 - 1动铁式力矩马达结构原理图 2 ) 动圈式力( 力矩) 马达 浙江工业大学硕士学位论文 它是基于载流导体在磁场中受力的原理而工作的，有激磁式和永磁式两种， 其中激磁式现已很少采用。其原理是永久磁铁在气隙中产生一个固定磁通，当载 流线圈通过直流电时，其便受到一个电磁力，改变线圈电流的大小和方向就可以 产生相应大小和方向的输出力和位移。其优点是工作行程大，线性好，滞环小， 结构简单；缺点是输出力小，体积大，且线圈因油的阻尼较大而影响其动态响应。 见图1 2 。图i - 3 为二级动圈式电液伺服阀结构幢1 。 ( a )( b ) 图1 - 2 动圈式力马达结构原理图 功暇挣纠月芯皇阀芯 闺突饵零螺丝 。l t bp i j 图1 - 3 二级动圈式电液伺服阀结构 图i - 4 为线性力马达结构图伍1 。力马达包含一个线圈、一对永久磁铁。永久磁 铁为磁场提供部分所需要的磁力。当不通电时，电磁力和弹簧力将使阀芯处于中 位；当通入一种极性的电流后，内部磁场一部分通过磁场叠加得到增强，另一部 分则因为磁场相抵而减弱，于是内部磁场将不再平衡，这种不平衡将驱动衔铁向 磁场增强的部分移动：反之当通入电流的极性发生变化时，衔铁又会向另一个方 向移动。这样，线性力马达可以产生左右两个方向的驱动力，相应推动阀芯产生 两个方向的位移。 2 轴承 线圈衔铁衔铁端盖 图卜4 线性力马达结构图 3 ) 比例电磁铁 比例电磁铁作为目前电液比例阀中应用最广泛的电一机械转换器，是电液比例 控制系统的关键元件之一。见图卜5 。它是一种基于电磁系统产生的电磁吸力， 使衔铁作机械运动，从而对外做功的电一机转换器，其功能是将比例控制放大器的 电流信号，转换成力或位移信号输出。其优点是电磁铁推力大，结构简单，价格 低廉，维护方便、技术成熟。其激励方式为直流、交流和永久磁铁；其结构可分 单向和双向型两种，常用的为单向型比例电磁铁。 1 推杆2 导套3 隔磁环4 衔铁5 线圈6 轴承环 图1 5 比例电磁铁结构原理图 4 ) 步进电机 离散式的电一机械接口主要为步进电机。步进电机是一种利用电磁作用原理将 浙江工业大学硕士学位论文 电信号转换为机械动作的电动机。步进电动机的输入是脉冲信号，从它绕组内的 电流来看，既不是通常的正弦交流，也不是恒定的直流，而是脉冲电流，所以有 时也叫做脉冲马达。小型步进电机常用作电一机械转换器。其优点是性能稳定，结 构简单，维护方便，且因输入信号为数字信号，便于计算机控制：缺点是动态响 应慢，效率低，承载能力差。 1 1 2 新型电一机械转换元件 1 ) 压电p z t 电致p m n l o 缩型 压电陶瓷p z t 和电致伸缩材料p m n 都是电介质，在一定电场作用下都能产生轴 向机械应变。它们的宏观表现比较类似，故归为一类分析：但从产生机理上讲它们 是两种不同的效应。两者的不同之处主要有两点：一是p z t 的应变大小与外加电场 强度成正比且应变方向与电场方向有关，即所谓“逆压电效应 。而p m n 应变大小 却与电场成平方关系，且应变方向与电场方向无关，即所谓“电致伸缩效应 。 二是p z t 的电场一应变存在严重的磁滞现象，一般为1 5 2 0 ；而p i n 却很小，一般 为1 5 一2 9 6 。因此，在电液伺服阀的应用中主要以p i n 为主，其特点是响应快，输 出力大。由于它位移输出小( 为g m m 的1 1 0 左右) 、工作电压高、电绝缘要求高、具 有漂移和滞回等缺点，加之材料本身的居里点温度低，限制了它们在这方面的进 一步应用。图卜6 是利用p z t 压电陶瓷作为电一机械转换元件的电液伺服阀结构乜】。 pc0cp 1 位移传感器2 阀芯 3 f 矗移测缝仪4 多层压 i 乜，e j 乍、 5 多层j 氍电，己f 牛i | 图卜6p z t 压电陶瓷电液伺服阀结构 2 ) 形状记忆合金s m a 型 形状记忆合金( s h a p em e m o r ya 1l o y ，s m a ) 。其特点是具有形状记忆效应：将 其在高温下定型后，冷却到低温状态，若对其施加外力产生变形，一般金属在超 过其弹性变形后会发生永久变形，而s m a 却不同，将其加热到某一温度之上，它会 4 重新 连续 图卜 - 。 1 ) t l 1 s m a 执 i 嚣 2 f l 惯f 车感器3 阀芯 图1 - 7 记忆合金电液伺服阀结构 3 ) 稀土超磁致伸缩型 超磁致伸缩材料( g i a n tm a g n e t o s t r i c t i v em a t e r i a l ，g m m ) 是继稀土永磁、 稀土磁光和稀土高温超导材料之后的又一种重要的新型功能材料。在一定的磁场 作用下，该材料与传统的镍基或铁基磁致伸缩材料相比，会产生大得多的长度或 体积变化，因此而得名。目前，国外已应用于流体控制元件的开发，并取得一定 进展。与压电材料( p z t ) 和传统磁致伸缩材料n i ，c 等相比，g m m 具有独特的性能： 在室温下的磁致伸缩应变大；能量密度高：响应速度快，一般在几十毫秒以下， 甚至达到微秒级；输出力大，带载能力强；其磁机藕合系数大，电磁能一机械 能的转换效率高，一般可达7 2 ：居里点温度高，工作性能稳定。此外，声速低， 约是n i 的1 3 ，p z t 的1 2 。 与其它转换器相比，超磁致伸缩材料制作转换器( g m a ) 的优势在于它的快响 应，高精度和大输出力，见表卜1 。 图卜8 是利用g m m 作为电一机械转换元件的电液伺服阀结构扭1 。 浙江工业大学硕士学位论文 电一机械转换器精度频宽特点 比例电磁铁 约2 0 小于1 0 0结构简单、磁滞大、价格低 动圈式力矩马达小于2 0小于2 0 0滞环小、行程大、体积大、价 格低 动铁式力矩马达 约1o约2 0 0滞环大、线性差 永磁力矩马达 1 0 小于4 0 0频响较高、线性差、结构复杂 p z t 约o 1大于1 0 3应力大、位移小、滞环大 g 删 小于o 1大于1 0 3结构简单、应力大、重复性好 表卜1 几种电一机械转换器性能比较 1 预偏压压力油口 2 阀芯3 g m m 捧4 线圈 5 调节螺钉6 骨架7 阀体8 位移传感器冀i 冀 图1 - 8g 删电液伺服阀结构 1 2 国内外电一机械转元件在微型数字伺服阀上的应用现状 国外多年来对微小型阀进行了持续的研究，其电一机转换接口多种多样。 1 9 9 0 年，t o h n s t e i n 等人研制的静电致动微小型常开气体阀，采用控制静电电压来控 制阀的开度睁耵，其最高可控压力1 5 1 0 4 p a l1 4 m m h g ，流量1 5 0 s c c m i n ，泄漏4 s c e m i n 。同年，h a lj e r m a n 研制的双金属致动常开气体微小型阀，采用控制电流强度 来控制温度，从而控制阀的开度，可控压力0 l0 0 p s i ，可控流量0 - - - 3 0 0 s c c m i n ，泄 o 0 4 5 s c c m i n ( 2 0 p s i ，g a s ) ，驱动响应时间l o o m s 。1 9 9 9 年，x i n g y a n g 等人研制出了热 气致动气液常开微小型阀，采用控制电流强度来控制温度，从而控制阀的开度。 20 0 3 年，东京技术学院的s h i n i c h iy o k o t a 等设计出了基于特殊功能液体的m r 微小 阀川们。 6 浙江工业大学硕士学位论文 美国国家航空和宇宙航行局研究出的用于深层宇宙空间飞行器微推进系统的 微小型阀，阀的驱动响应小于1 0 m s ：入口流体工作压力范围0 - - 4 0 0 p s i ，泄露小于 0 3 s c c h 。同时，对于阀工作特性的稳定性及可靠性，也提出了极为苛刻的要求”1 。 国内方面，1 9 9 6 年，浙大的李世伦等老师曾以液压万能试验机项目为背景， 进行了p w m 型数控电液比例微小流量阀组的研列引。该阀采用p w m 信号经放大后 控制电磁铁，通过比例电磁铁驱动阀芯，实现对主阀流量的控制。由于采用p w m 控制，该阀具有较强的抗污染和抗干扰能力，阀芯的摩擦力影响得到有效的抑制， 从而减小了因此而产生的滞回误差，得到了较好的控制性能。其主要技术指标为： 工作压力2 1 m p a ，最小可控流量0 0 2 l m i n ，最大可控流量4 5 l m i n ，滞环 1 。同年， 浙江工业大学阮健教授等老师，以材料试验机液压系统的精确控制为背景，进行 了数字微小流量阀的试验研究1 。研制出了一种新型数字微小流量阀。该阀采用三 通转阀式结构，利用步进电机作为电一机械转换元件，在小流量区采用非线性开口， 以提高该阀在小流量区域的控制精度，采用压力补偿机构对节流口进行补偿，这样 不仅有利于提高流量控制精度，还能起到消除系统压力脉动的作用，在控制器中加 入间隙补偿功能，以消除阀的滞环现象。其最小稳定流量为8 m l m i n 左右。以上两 种微小流量阀，其尺寸和可控流量远远大于目前意义上所说的微小阀，不适合用 在微流体控制系统里。2 0 0 3 年，清华大学的周兆英等在8 6 3 和9 7 3 “微执行器研究 的项目资助下，进行了用于航空航天领域的微流量控制系统中微小阀的研究m ，设 计出了一种可控高压力微流体的常闭微小型阀，阀出入口尺寸0 3 m i n x 0 3 r a m ；微 通道尺寸0 1 m mx 0 3 m i n x 2 5 7 m m ；入口压力0 - - 5 a t m ，出口压力l a t i n ，采用p w m 控 制。实验测试得其工作压力范围为0 , 5 a t m ，阀的驱动响应时间小于0 5 m s ，流量控 制分辨率达n g i - t l p u l s e ，流量范围0 - - - 1l m l m i n ，无泄漏。 1 3 微型数字阀的控制方法 随着计算机和微电子技术的发展，流体控制元件的数字化成为一种必然的趋势。 目前国内外比较流行的液压与气动数字控制方法是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，这种系统一般通过d a 接i ：i 实现数字控制训。这是一 种间接数字控制方法，这种方法存在的缺点： 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 浙江工业大学硕士学位论文 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。 与间接相对的就是直接数字控制，直接数字控制主要有两种方法。 其一是对高速开关阀的p w m ( 脉宽调制) 控制q 引。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。该思想源于电机的p w m 控制，流体动力的p ! j o d 控制最早开始于5 0 年代末对电 液伺服阀的开关特性的研究。1 9 5 9 年，首次报道了m u r t a u g h 在p w m 技术上的研 究。从那时起特别是自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。如：t s a ia n du k r a i n e t z ( 1 9 7 9 ) ，e 1 i b i a r y , u k r a i n e t za n d n i k i f o r u k ( 19 7 8 ) ：t a f ta n dh a m e d ( 19 8 0 ) ，l e ea n dw o r m a l e y ( 19 8 0 ) ，t a f t ， h e r r i c k a n da n db u k r k e ( 1 9 8 1 ) ，u s m a na n dp a r k e r ( 1 9 8 4 ) ，a n dt a n a k a ( 1 9 8 6 ) 等。该控制 方式具有不堵塞、抗污染能力强及结构简单的优点。但是存在以下缺点： 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m 叫钉。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。1 9 8 5 年，r a m c h a n d r a n 等发明了利用步进电 机驱动的带机械反馈的二阶数字阀；阮健教授等在1 9 8 9 - 1 9 9 6 年期间利用阀芯的 双运动自由度发明了流量一压力控制的复合型数字阀：h e n k e 在1 9 8 9 年的研究表 明：通过合理的设计，用步进电机驱动的离散式比例阀具有重复精度高及无滞环 的优点；然而，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 8 浙江工业大学硕士学位论文 步数( 脉冲数) ，因而存在着量化误差，通过增加阀的工作步数可以减少量化误差， 但却使阀的响应速度大大降低，这就是本文所要解决的主要问题。 1 4 本论文选题的意义s n f i , l 新点 随着机电一体化技术的发展，在流体控制技术领域将流体控制元件与电一机 械转换元件组合构成电液( 气) 控制元件已成为流体控制技术的一个重大的发展 趋势。前面所提到的几种电机械转换元件，总体分直线式的和旋转式的。由于直 线式电机械转换元件微小化以后，其力会减小，又难以实现放大，从而不能推动 阀心运动。而旋转式当其微小化以后，虽然它的力也会减小，但是可以通过机械 转换机构将力放大，实现阀心的运动所需要的力。步进电动机属于旋转式电一机械 转换元件，它是一种将电脉冲信号转换成相应角位移或线位移的机电执行元件， 是数字开环控制系统理想的执行元件d 7 1 。步进电机由于其具有成本低，可靠性高、 可直接数控等优点，此外，它还有步长受负载影响小、角位移和速度开环可控及 受温度变化影响小和抗干扰能力强等优点。正因为如此，其与流体控制元件相组 合构成电液数字控制元件自然便成为一种选择方案。 7 0 年代初随着计算机工业的发展，由于在外设方面的应用，以及计算机控制 系统的发展而使步进电动机获得迅速的发展。此后日本、德国、英国等众多工业 发达国家都开展了对步进电动机机理和驱动理论的研究n 蚓，建立了步进电动机规 模生产的企业，使得步进电动机很快成为区别于直流电动机和交流电动机以外的 第三大类型的电动机。 步进电动机的功率输出，从几个微瓦一直到几个千瓦，转速可以达j ! u 3 0 0 0 转， 随着驱动技术的进步转速还可以进一步提高，在许多工业领域，比如包装机、传 送系统、机器人手臂驱动等方面，因其定位精度高、价格低、结构简单维护量小 等特点而得到广泛应用2 1 。2 2 】。 近十几年内随着直流伺服和永磁同步电动机交流伺服系统的崛起，步进电动 机的发展势头有所缓和，但是由于其独有的特点，它仍然能根据市场的需求，沿 着小型、高效、低价的方向发展。在庞大的电动机家族中，尽管它仅仅是一个 很小的机种，但是仍然占有不可替代的位置。 步进电动机有多种不同的结构形式。经过近七十年的发展，逐渐形成以混合 9 浙江工业大学硕士学位论文 式与磁阻式为主的产品格局引。混合式步进电动机具有反应式和永磁式步进电动 机的特点，它是在永磁和变磁阻原理共同作用下运转的。通常对给定的体积，混 合式电机产生的转矩比磁阻式电机要大，步距角小，永久磁钢可以在绕组未受激 磁时产生自定位转矩妇引。其总体性能优于其它步进电动机品种，是工业应用最为 广泛的步进电动机品种6 ”2 钆矧。目前，混合式步进电动机主要应用于要求较高分 辨率的开环定位系统和低速开环调速系统，组成的系统简单方便、成本低，至今 还没有更合适的取代它的产品幢钔。 而电液控制系统性能的好坏一方面取决于伺服阀结构的本身，更重要的是取 决于它的控制系统和控制方案的好坏，虽然步进电机有其特有的优点，但是在实 时性要求较高的应用场合，如作为电液数字控制元件的电一机械转换装置，若仍按 常规的步进方式工作，虽然可以通过调节输入脉冲的频率来调节其运转速度，但 是由于步进电机有低频震荡和失步等特点，限制了其应用领域1 。 良好的电机驱动方式是减小电机转矩脉动的最有效途径汹1 ，采用微步驱动技 术可以有效改善开环驱动性能啪3 。微步驱动是步进电动机驱动技术的一次飞跃， 它是在对步进电动机运行机理深刻认识的基础上提出的，可以说是矢量控制的开 环应用。对于两相混合式步进电动机，如果采用低速同步电动机的步进控制，输 入两相离散的对称正弦交流，电动机具有更高的性能慨她她2 。这也是本课题研究 的起点。 本文采用正弦波细分驱动的方法来解决这个问题。另一方面，由于细分步数 多，则难以兼顾量化误差和响应速度之间的矛盾。如在工作区域内采用较多的工 作步数，可以提高阀的输出量化精度，但是却因工作步数太多使响应速度降低； 反之，虽然响应速度提高，则量化误差增大。正是为了解决这个矛盾，提出了步 进电机连续跟踪控制算法。正弦波细分驱动和连续跟踪算法相结合运用到微型电 液伺服控制系统，正是本文的创新点。 到目前为止，还未见有用步进电机的正弦波驱动和连续跟踪算法相结合运用 到微型电液伺服控制系统的相关文献。 1 0 1 5 主要研究的内容 图卜7 本课题主要研究的内容 l 、阀的结构设计 为实现阀的小型化，采用简单的直动式滑阀结构，尽量减少零件。阀的图纸 请见附录l 。在满足制造工艺和装配工艺及输出功率的前提下，阀的结构设计中需 要研究和考虑的有关内容有：开口形状、阀芯的形状、偏心轮的形状、台阶形状， 阀座形状等；开口尺寸、阀芯的尺寸、偏心轮的尺寸、台阶尺寸，阀座尺寸，配 合间隙尺寸等。 2 、步进电机正弦波驱动及连续跟踪算法 通过单片机d a 输出，在步进电机的两相产生幅值一样，相位相差9 0 0 的正弦波， 实现微步细分；对于连续跟踪算法，首先要建立步进电机的连续跟踪控制的数学 模型，采用相电流控制法，通过控制步进电机相电流的大小来实现，使得步进电 机转子输出的角位移大小，在两个通电相序所对应两个离散的角位移值之间的口 角连续可控。 3 、转动机构的运动分析及仿真 根据微小阀的机械结构，推导出数学模型，进行转动机构的受力分析及运动 仿真，并分析阀心运动的非线性特性。 4 、步进电机驱动器的设计与实现 分析系统的硬件、软件和整体功能及方案。并详细地给出系统的硬件电路和 浙江工业大学硕士学位论文 软件的具体实现方案。 5 、实验及结果分析 搭建实验平台，对阀在不同条件下的运动情况进行实验测试，并对实验结果 进行分析。 1 6 微型电液伺服系统的应用 航空航天及导弹领域众所周知，航空航天及导弹产业的费用是与发射重量 成正比的，因而大幅度降低飞行器的重量已成为技术发达国家竞相研究的重点。 所以，该领域微流量控制系统中的电液微小型阀，除要求工作绝对可靠、具有耐高 压、低泄漏、高频响和高控制精度等性能外，还要求重量轻、体积小。利用电液 微小数字阀设计的微流量控制系统方案能满足该类系统的苛刻要求。 医疗设备医疗设备直接关系到人的生命，所以，该领域微流量控制系统中 的电液微小型阀，也要求工作绝对可靠，同时要求体积小、高控制精度等综合性能。 例如：胰岛素注入设备、手术设备、齿科设备等。利用电液微小数字阀设计的微 流量控制系统方案能满足该类系统的苛刻要求。 各类试验机液压系统在该领域，系统的控制精度要求很高，尤其对系统的流 量脉动和压力脉动要求更高。例如，材料试验机液压系统，当工作油缸在初始工作 时，其压力要保持在零压左右，系统从零压开始进行加载。由于系统的流量较小，一 般最大流量为2 4 l r a i n ，在这样一种小流量高精度的