强复中型电液转换元件特性研究

1、强复中型电液转换元件特性研究西安理工大学硕士学位论文强复中型电液转换元件特性研究姓名：张晓英申请学位级别:硕士专业:水利水电工程指导教师:雷践仁20010101 摘要摘要针对水轮机电液调速器中电液转换元件故障率高的问题，国内外投入了大量的人力物力进行研究，以改进其特性，虽取得了一定的成果,但效果有限。目前电液转换元件领域仍处于不断开发和研究的活跃时期。因此，对电液转元件的研究仍具有重要的实际意义。木论文选择了该领域的最新专利技术?强复中型电液转换元件,对其特性进行了进一步的理论研究。分析了强复中型电液转换元件基木结构和基木工作原理，对组成浚元件的几大部件即电一机械转换器、放大杠杆、液压放大部分

2、分别建立了数学模型,进行了静动态特性的分析，指岀了影响各部分性能的因索，提出了改进其性能的措施。分析了强复中型电液转换元件整体特性。静态特性的分析中重点讨论了防卡、抗油污能力、死区特性以及复屮精度，找出了其影响因素，提出了改进措施。动态特性的分析中，主要依据口动控制原理的理论來建立了整体的数学 模型，利用语言中的仿真软件对其进行计算机仿真分析。首先从线性理论出发,对影响强复中型电液转换元件性能的几个主耍因索即屯机械转换器的固有频率和阻尼比、放大杠杆的放大倍数、正反馈等进行了计 机仿真分析。在此基础上乂对考虑一些菲线性环节时对其性能的影响进行了 真分析，提岀了一定的改进措施。希望通过木课题的研究

3、,为以后电液转换元件的研究提供一定的理论基础和指导思想。电液转换元件，数学模型，静态特性，动态特性，仿真关键词：曲印？酬”，？ii恤?,，锄锄,锄tt ?,咖，&.iv , ?如，血趾锄廿，锄曲.土吋 .也仇曲恤，仃:廿。一，wft,西安理工大学硕士毕业论文绪论问题的提出作为电气一机械一液压转换部件的电液转换元件，由于具有能容比大，动态响应好，负载刚度大等许多优点，长期以來一宜被广泛应用于水轮机电液速器这类重载、高响应的控制设备屮【】。水轮机调速器是一典型的电一液、一液伺服控制系统,用于实现对水轮发电机组的开停机、增减有功功率、频 率调节、调和及紧急停机等口动和手动操作及远距离控制h含

4、一。调速系统的好 坏直接关系到机组的安全运行。近十儿年来由于计算机技术的发展，使得调速系统的研制进入了一个新的发展阶段。口前已广泛使用微机电子调节器液压随动 系统的调速器，由电子调节器完成数据的采集与处理、复杂调节规律的综合, 信号传递及控制量输出等功能“:rh液压部分完成功率放人和位置信号跟踪。二者的结合大大提高了系统的整体性能及设计使用的灵活性。而电液转换兀 件就是水轮机电液调速器中联结电气部分和机械液圧部分的一个关键元件，它 的作用是将电气部分输出的综合电气信号转换成具有一定操作力和位移量的 机械位移信号，或转换成具有一定压力的流量信号”。因此根据输出形式的不同, 电液转换元件又分为位移

5、输出型即电液转换器和流量输出型即电液伺服阀。在水轮机调速系统屮，工作油液量大，流动路径长，且与大气和压缩空气接触，因而工作油液内油泥、纤维、金屈微粒等机械杂质污染及酸碱、水分起的油质劣化，远比其它工业部门中那些用油量小的密闭油系统严重。i大i此 在电液转换元件所用液压油小，要保证油质的绝对清洁往往是难以做到的, 这就容易造成传统的电液转换元件堵塞或发卡，导致水轮机组不能正常运行。 仃时屯液转换元件出现故障还会引起溜负荷、水轮机失控等严重的事故或故 障，给国民经济造成重大损失口】。年，水电部组织的水电设备质量调查资料表明】：约有的电液转换元件控制套发卡、油孔易被污物堵塞。另外，约有%的电液转换元

6、件线圈 易烧断，或强度不够，多次动作后断线。年,原能源部电力司和中国电力 企业联合会科技工作部根据对个水电厂的台调速器近五年运行状况的调 查统计，发生故障总次数为次，被迫退出运行次，共计小时，给国民经济带來口大损失。其中电液转换元件故障率最高，占总数故障的%嘲。年，南瑞电气控制公司在型单调节水轮机调速器液压柜研制报告屮西安理工 大学硕士毕业论文也指岀，h前的调速器液压柜出现次数最多的故障是液压卡阻，且多是电液换元件的发卡、阻塞。以上调查的水轮机调速器所采用的大多是传统的电液换元件，由此可看出传统的电液转换元件是整个水轮机电液调速器及电液伺 服控制系统中最薄弱、故障率最高的核心元件。i多年来，为

7、解决水轮机调速器小传统电液转换元件工作可靠性差、抗油 污能力井，因而故障率最高的迫切问题，国内投入了大量的人力、物力进行研 究,先后开发成功了多种新型电气?位移/流量转换装置和机构。如由湖南省 水利水电科学研究所周泰经等人研制开发的环喷式电液伺服阀嘲，陕西机械 学院研制的步进式电液控制阀【？,长江控制设备研究所研制的双锥式电液伺服 阀和双球式电液伺服阀口”，武汉事达自控设备有限公司研制的由步进电机为 主构成的步进式螺纹伺服型电液转换器。此外，国内还研制成功的多功能步进式 电液随动阀，滑阀伺服平面连杆机构反馈式电液步进缸,步进电机一丝杆位移 转换装置，力矩电机一螺杆位移转换装置,控制电机驱动的积

8、分式或比例式电位移转换製置，数字阀控制的配压阀，比例阀控制的流量反馈式辅助接力器 等等，可谓百家争鸣，各具特色。为推动我国水轮机电液调速器中电液转换元件技术的发展和提高产品质量，尤其是工作可靠性的提高，作出了显著的贡”。但是，已有的新技术还不同程度地存在某些不足，下面简述z。已有的新技术可归纳为两类:一类是采用步进电机、力矩电机、伺服电机 等旋转电机作电?机械转换器，直接或经液压放大转换为直线位移,构成小 间接力器型电液伺服控制系统中的中间接力器或辅助接力器型电液随动系 统中的伺服控制机构;另一类是选用比例阀、球阀、插装阀等液压行业的通用元 件代替传统的电液伺服阀构成电液随动系统小的电液伺服控

9、制元件或机构。其 共同特点是提高了作用与液压系统先导级控制部件的驱动力，使系统的抗油污 能力在一定的程度上得到了提高,但也带来了另外一些问题：小间接力器型电液伺服控制系统并非为水轮机调节系统的最佳模式，不是发展方向。它要求系统必须设置主接力器机械反馈机构，甚至还要求该反机构具备相当的传递刚度。这就在一定程度上限制了它的应用范围【】。.对不含有液压放人部件的旋转电机机械机构构成的屯动型中间接力器，电机功率、速动性、满行程时间和伺服精度等指标z间的矛盾较难协调。对由电机凸轮滚了副构成驭动辅助接力器引导阀针塞的伺服控制机构，由于在失电时无复中能力，为防止在此种情况下调节系统失控，须设置机械开限机构，

10、必要时还需配备自动跟踪装置。故其系统结构并未明显简化。相对而言，步进电机的驱动电路较复杂,实现电手操较困难。另外,步进式电液转换元件还有通频带较窄的缺点。西安理工大学硕士毕业论文环喷式电液伺服阀使阀套能自动旋转，将较大的静摩擦转换成较小的动 摩擦,减小了静摩擦和粘性的影响，在一定程度上提高了抗油污能力。但环喷 式电液转换元件的电一机械转换器采用的是力马达，其输出功率小，因此作 用于液压控制部件的驱动力较小，抗汕污能力仍受到一定限制【】。上而所提到的电一机械转换器的工作电压绝大多数不超过,需要配备专用的功率电源。由此可看出，对水轮机调速器中新型电液转换元件的研究仍需进行。此外,再纵观液压行业屮的

11、电液转换元件的发展和研究状况。液压行业中对屯液转换元件的研究，最早岀现的是液压伺服阀。早在年代，电液转换元件是用一个小伺服电机操纵一个滑阀来实现的【】，由于伺 服电机的时间常数较大，故所组成的系统频带较低。年代初，力矩马达与滑阀的适当组合，形成了电液伺服阀【】，至今它仍是一 种响应性较好的控制阀,但对汕质耍求严格,冃制造成木和维护费用高 昂。年代末，力矩马达、喷嘴挡板阀、滑阀组合的二级电液伺服阀，进一步提高了电液转换的速度。该种阀是一种高性能、内泄少、功耗小、体积小、量轻的产品。其缺点是喷嘴挡板液压放大器的流量恢复较低，约在%左右，推动大直径的滑阀困难，而且响应频率受到一定的限制。喷嘴.描板级

12、最小液 流通道尺寸在喷嘴一挡板z间隙上，约为广，极易淤堵，造成零偏【】。所以它的抗污染能力井，输出功率小，寿命较短。双喷嘴一描板伺服阀的对称 性要求极为严格，加工装配调试要求较高,对油液清洁度要求也较高。年代以后,各种伺服阀的结构相继岀现，如动压反馈式伺服阀、射流管式两级流量控制伺服阀、偏转板射流式力反馈两级流量伺服阀、动圈式两级 电液流量伺服阀等等口"。动压反馈伺服阀是在双喷嘴挡板力反馈伺服阀的 基础上,增加一个带对中弹簧的动压活塞等零件构成的。用于驱动大惯量、低支 承刚度的低阻尼惯性负载，但动压反馈网络的转折频率须与被控系统相匹配。 射流管式两级流量控制伺服阀是采用四臂磁桥全焊接

13、结构的干式力矩马达、射 流管式前置放大器、四边滑阀功率输出级及力反馈结构。射流管摆动所需拖动 力极小，功率较小的的力矩马达就可带动它:然而,射流管惯性大，力矩马达衔铁i占i有频率低,故伺服阀的动态特性较差。偏转板射流式力反馈两级流量伺 阀其性能与射流管放大器伺服阀基木和同，结构简单，频响提高了，但在低温 下分辨率差、温度零漂大，使用温度范围窄。动圈式两级电液流量伺服阀是永磁式动圈力马达带动滑阀，结构简单、价格低，工作可靠。但性能不及射流 管式两级流量控制伺服阀和偏转板射流式丿j反馈两级流量伺服阀，而且结构积大、力马达输入功率大、功耗也大,频响也较低。西安理工大学硕士毕业论文年代初，日木等国家先

14、后推出了电液比例阀四。经过二十余年的发展，比例阀除中位仍有死区外，其稳态特性己与伺服阀不相上下，而制造成本和护费用则低得多，因此得到越来越广泛的应用四。年代末，比例阀占领了部分市场。年代初，随着电了技术的飞速发展，比例阀的改进出现了质的飞跃，像公司，公司等推出了伺服比例阀。这种类型的阀结构上与比例阀相似，而性能达到了喷嘴挡板式电液伺服阀的各项指标，短短儿年内，在欧美市场上得到了广泛应用并己占领了我国国内部分市场。但进口的各类伺服比阀大都价格昂贵，用户反映难以承受口？,而且其抗油污能力并未完全满足水机调速系统的需要。因而其推广应用受到一定限制。由液压行业小的电液转换元件的发展和研究状况可看出，液

15、压行业小的电液转换元件也还存在着各种各样的问题，还有待于进一步的研究。综上所述,对新型电液转换元件的研究，不仅是水电调速器行业中的一个重要课题,也是液压行业小的一个重要课题。希望研制出的新型电液转换元不仅能应用于水电行业，也能推广到液压行业，以使其应用范围得以扩大。本课题的研究目的和意义木课题选择了电液转换元件研究领域的最新专利技术?强复中型电液转换元件专利号进行深入研究。根据有关资料介绍，该种新型元件具有很强的抗油污能力，试运行效果良好。但由于该种电液转换元件尚 一种新开发产品，还没有人对其特性进行进一步的分析研究，因此作者便从论及制造的角度进行进一步研究,为设计通用性较强的强复屮型电液转换

16、元 提供理论依据，以便迅速推广该新技术的应用，最大限度地克服传统电液转 元件的缺点及其对所属设备或系统产生的不良影响。这无论是从理论上还是 践上,都有着重大的意义。.本课题的主要工作由于强复屮型电液转换元件有位移输岀型和流量输岀型两大类，其基本原理和分析方法大同小异，而位移输出型分析所得结论更具有普遍性和代表 性,因此本课题便是针对位移输出型的强复中型电液转换元件进行研究的。主要 的研究方法是通过理论推导建立强复中型电液转换元件各个部件及整个元件 的数学模型，运用理论知识和计算机仿真相结合来分析该元件中各个部件的性能 影响因素，该元件的整体性能及影响因素，以及各个部件性能及不同匹配对 体性能的

17、影响。选用不同参数，通过计算机仿真和分析,从而得出提高其性能西安理工大学硕士毕业论文的途径，为强复中型电液转换元件的进一步研究提供了一些指导思想。由于实际元件的设计、加工、试验特别是对不同方案，要求做出相应的试验样机工作量非常大，这不是在木课题有限的研究时间内能实现的，关于这 面的工作有待于进一步实施。因此,作者在做论文期间只是对己有样机进行 实地考察，而没有进行实际的试验工作。西安理工大学硕士毕业论文。基本结构强复屮型电液转换元件由个部件组成，其基本结构简图如图所示iii-图.强复小型电液转换元件结构简图图中：一电一机械转换器强复中机构一小连杆一放大杠杆一小连杆一机架一先导阀芯一液压放大活塞

18、一缸体电一机械转换器和强复屮机构的筒套固定在底板上，并将它们的输岀端通过小连杆与放大杠杆较接于点。机架固定于液压放大活塞上端，并与放大杠杆较接于点。先导阀芯通过小连杆与放大杠杆较接于点。先导阀芯与液压放大活塞为同心结构，按随动关系配合。先导阀芯为一双边滑 其下阀盘为控制阀盘:液压放大活塞为双作用的差动结构。为减小耗油量和低对零部件制造精度的影响，通常将先导阀芯与阀体液压放大活塞以正搭接的方式配合。所有较接点及连件的配合均采取消间隙的措施。西安理丁大学硕士毕业论文在此种电液转换元件屮，电一机械转换器在工作范围内应具有水平或稍下斜的位移一力力矩特性。当它为力或位移输岀型时，如图所示方式将其输出端与

19、传动小连杆较接；当它为力矩或转角输出型时，可以通过和其输轴固联的摆动臂与传动小连杆饺接。另外，电一机械转换器与机架的装配位置可以相互调换，即电一机械转换器安装在液压放大活塞上，机架固定在底板上。这种情况下，电一机械转换器输出的位移使先导阀芯产牛相对液压放大活塞的位移，液压放大活 塞的位移又通过电一机械转换器、放大杠杆及小连杆传递给先导阀芯，减小并 在平衡时抵消了由电一机械转换器产生的先导阀芯与液压放大活塞之间的相 对位移。平衡时液压放人活塞的位移与电i机械转换器输出的位移之比取决于先 导阀芯与放大杠杆的连接位置，等于放大杠杆两端较接点间的长度即与小连 杆和放大杠杆左端饺接点间的长度即之比，该比

20、值可以较大，即可以用 输出力大而输出位移小的电一机械转换器控制大位移输出的液压放大活塞。 在强复中型电液转换元件中的强复中机构可以是弹簧式，也可以是液压式 或液压弹簧混合式。当强复屮机构为液压式时，电一机械转换器应为位移输 ii!型；当强复中机构为弹簧式或液压弹簧混合式时，电一机械转换器可以是位 移输岀型，也可以是力力矩输岀型。木课题中的强复中机构采用的是弹簧式。强复小机构的位置也比较灵活，它可以布置在放大杠杆的上、下侧，也可以通 过一滚了与先导阀芯直接较接于放大杠杆某处,也可以单独较接于放大杠杆处。具休布置方式视具休情况而定。 安装在液压放大活塞上的机架与放大杠杆的较接点也可以位于先导阀芯

21、与放大杠杆的较接点z右。总之，采用何种结构或布置形式，应根据具体情况及具体要求而定，但其 基本特征和工作原理都是相同的。.基木工作原理根据强复中型电液转换元件的结构简图，作出其原理框图如图所示图.强复中型电液转换元件的原理框图西安理工大学硕士毕业论文假设电一机械转换器为一力输出型，当给电一机械转换器输入一个电信号/时，电一机械转换器输川一个机械信号力。当其输岀力方向向下时，由强复中机构位移随着复屮力增大而增大的特性， 其将电一机械转换器的输岀力转换为相应的位移，同时通过小连杆推动放大 杠杆右端向下移动，这时放大杠杆以机架的较接点为支点向下移动，通过 小连杆带动先导阀芯向下移动。由杠杆平衡原理可

22、知，传递给先导阀芯的力 远大于电一机械转换器的输出力。在这强驱动力作用下，先导阀芯的控制阀上沿开启，压力汕进入液压放大活塞上腔，由于液压放大活塞为差动式，上腔 受压而积大于下腔受压面积，因此作用于其上腔表而的圧力大于作用于其下表面的压力。液压放大活塞在这差压的作用下,也向下移动。液压放大活塞 向下移动又通过机架、放大杠杆和小连杆给先导阀芯引入一个反馈系数 小于的止反馈量，使先导阀芯乂产生一向下的位移，直到先导阀芯向下的总 位移等于液压放大活塞向下的总位移，先导阀芯的控制阀盘关闭，各机构、构 件即处于下移的新平衡位置。同理，当输入的电信号改变方向时，电一机械转换器输出一个向上的力，先导阀芯的控制

23、阀盘下沿开启，液压放大活塞上腔与冋油相通，上腔压力减 当上腔所受压力小于下腔所受压力时，液压放大活塞向上运动，对先导阀芯 生一个向上的位移止反馈,直到控制阀盘关闭。此时各机构处于上移的新平 位置。当电一机械转换器失电吋,输岀力为零。此时复中机构产生一强复中力， 该力又通过放大杠杆带动先导阀芯复中，液压放大活塞也随z回到屮位。由强复中机构具有强的复中力，可以有效地克服先导阀芯所受的阻力及液动 使先导阀芯/液压放大活塞准确复中，故零点漂移小。假设电一机械转换器为一位移输出型时，由强复小机构的复小力随位移的增大而增大的特性，其将电一机械转换器输出的位移转换为和应的力，该力通过放大杠杆、小连杆，经放大

24、后作用于先导阀芯，使先导阀芯产生位移。 其余分析均同力输出型电一机械转换器时的情况。平衡时，先导阀芯,液压放 大活塞的位移均与电一机械转换器的输出位移和等。由以上对强复中型电液转换元件基本工作原理的分析可知，由于放大杠杆 的放大作用，以及液压放大活塞引入的正反馈量，可使传递给先导阀芯的驱 动力远大于电一机械转换器的输岀力，因而此种电液转换元件驱动力大，具有 很强的抗汕污能力,对汕质耍求低。同时，当电一机械转换器为位移输岀型吋， 由于液压放大活塞的位移与电一机械转换器的输出位移相等，因此可以用输 ii!位移大而输出力小的电一机械转换器來控制大位移输出的液压放大活塞。 西安理工大学硕士毕业论文有关

25、强复中型屯液转换元件各部件的工作原理及动作过程将在后面章节中 给予较详细的论述和分析。基本特征与以往的电液转换元件相比，强复屮型电液转换元件独具特色之处在于：设置有与电一机械转换器、先导阀芯和液压放人活塞盲接或间接连接的力放大机构一放大杠杆，因此可以用输岀与先导阀芯位移相同而输出力小于动力或输出力基本等于驱动力而输出位移小于先导阀芯位移的电一机械转器。因而可使电机械转换器的输出力降低或输出位移减小，即可使电一机械 转换器的输出功率降低或可控制较大尺寸的先导阀芯及大尺寸的液压放大 活塞，而输岀位移却可以很大。而以往大多数的电液转换兀件均采用电一机械 转换器与先导阀芯直连，由于受电一机械转换器输出

26、功率的限制，输出位移较在人功率控制系统中应用需另设置液压放人器，从而使系统结构复朵化。采用了强复小机构可以是弹簧式，也可以是液压式或液压弹簧混合式，复中力大，使摩擦力、液动力、粘滞力及卡阻力等不利因素的影响大大减 小，故对油质要求低,零点漂移小;而以往的电液转换元件，复中力小，对油 质要求高,零点漂移大。.采用了由液压从动件液压放人活塞通过机架和放人杠杆给液压控制 部件先导阀芯引入适当的正反馈的措施，实现了在不增加或不过分增加电 一机械转换器功率的前提下，既使作用于先导阀芯的驱动力大幅度提高，乂液压放大活塞有足够的输岀位移。采用了滑阀控汕方式，不需设置节流塞，静态耗汕量较小，汕温的影响亦较小。

27、.小结介绍了强复中型电液转换元件的基本结构，分析了它的工作原理及基本特征。对于其结构，提出了多种可能的结构形式。对于电一机械转换器、复屮构也提出了可以根据具体情况选择不同的产品。其布置形式也灵活多样。所这些都有利于扩大强复小型电液转换元件的应用范围。西安理工大学硕士毕业论文电一机械转换器特性分析电一机械转换器是强复屮型电液转换元件的关键部件，其性能的好坏直接影响着屯液转换元件性能的好坏。因此，对电一机械转换器进行分析研究，是研究整个强复111型电液转换元件特性的一个关键环节。基木工作原理和性能要求.基本工作原理电一机械转换器能把输入的电信号转换为机械量力/力矩和位移/转角。它可 分为电和机械两

28、部分，其中电部分可称为电系统，机械部分可称为机械系统, 而电系统和机械系统z间储藏磁能的场所则称为耦合磁场。这样，电一机械 转换器就可以看成由电系统、耦合磁场、机械系统所组成的机电系统【】，它 们之间的关系如图所示：图.电一机械转换器系统框图就能量转换而言，电系统将电能送入磁场，机械系统从磁场中取出能量，并以机械能的形式表示出來。假设耦合磁场内没有磁滞损失和涡流损耗，耦磁场在电能到机械能的转换过程屮只起媒介作用。ri前，工业上采用的电械转换器大多采用这种电磁感应原理设计的，常用的有普通电磁铁、比例电 磁铁、直流/交流伺服电机、步进电机和动圈/动铁式力马达/力矩马达等【】。 对于本文屮所研究的强

29、复中型电液转换元件屮的电一机械转换器,可以选用动圈 式力马达、动铁式力矩马达/摆动电机/步进电机/有限转角电机/力矩电机/双 向极化式比例电磁铁等等。其输入的电信号可以是模拟量，也可以是脉冲量。 性能要求屯一机械转换器的性能宜接影响整个控制系统的性能，因此，它不仅要有足够的输出力和位移，而且要有良好的静态特性、动态响应特性，抗干扰能力 西安理工大学硕士毕业论文和工作可靠性等。对其性能要求如下：输入的电功率小，而输岀力力矩和位移转角大，效率高。分辨率高，死区小，线性好，滞环小。响应速度高。尺寸紧凑，结构简单，制造方便。运动部件耐高压，静压平衡。对温度、电磁场有抗干扰能力。抗环境污染能力强，耐酸、

30、碱腐蚀，能在湿热环境下工作。在特殊工况下,还要求防爆、防潮和防水等。静态特性分析电一机械转换器的静态特性是指在静态下，输入电信号与输出机械信号的关系。若电一机械转换器在静态下线性好、死区小、滞环小，则静态特性就 好。静态特性通常是通过实验得出，而对不同型式的电一机械转换器，对其静态 特性的描述又有所不同。下而对几种典型的电一机械转换器的静态特性进行描 述。普通电磁铁型电一机械转换器四普通电磁铁型电一机械转换器的静态特性由电磁铁的吸力特性和负载特性来描述，力特性与负载特性的匹配既充分发挥屯磁铁的特点，又能满足负载 要求。比例电磁铁型电一机械转换器【】比例电磁铁型电一机械转换器的静态特性是指在静态

31、下，输岀力、位移与输入屯流的关系。由位移一力特性和电流一力特性来描述。在稳态工作行程 内，比例电磁铁的输出力与位移无关，具有水平的位移一力特性，输出力与输入流成比例。步进电机型电一机械转换器【步进电机型电一机械转换器的静态特性主要由静态下，输入电信号与输出转矩的关系即矩角特性來描述。因为静态电磁转矩是转角的函数，通常称为角特性，常用静转矩/转了位置特性曲线來表示?它表达了不同绕组电流产的静转矩随转子位置变化的函数关系。如果在合适的相电流作用下，步进电 机的静转矩/转子位置特性曲线近似为正弦曲线。对具有个转子齿和峰值静转 矩为？。的一台步进电机型电一机械转换器来说，若转子偏离平衡位置的角度为口，

32、根据能量守恒定律，由它产生的转矩解析式可近似为：式中？。？?静态最大转矩。如果负载超过静态最大转矩，在静态时步进西安理 工大学硕士毕业论文电机就不能把转子保持在激磁所要求的位置上。衡量步进电机型电一机械转换器静态特性好坏的另一指标为静态误差。所谓静态谋差就是实际输出位置与所要求的输出位置z差。如在步进电机上作戌.负载转矩后，转子从要求的位置转过臼。角，在这个位置上,负载转矩和步电机转矩相等。瓦。丁？。臼静态位置谋差为：下/“。 口。？?？乙竺o从静态位置误井的数学表达式中可以看出，增加峰值转矩和转了齿数都能减小静态位置误差。要增加峰值转矩就需要采用多相控制，但这时又需要更 多功率激励绕组。在驱

33、动电路所能提供的功率受到限制的应用场合中，这种靠 增加峰值静转矩來减小静态位置误并的方法也受到一定的限制。另外,转了齿 数的增加也同样还受到其它因索的影响，在满足其它条件的情况下，增加转子 齿数，以尽量减小位置误差，使步进电机型电一机械转换器具有良好的静态特 性。动圈式力马达型电一机械转换器？动圈式力马达型电一机械转换器的静态特性由其空载力特性来描述，即,o ii式中。？?动圈马达的电流力増益。？?气隙磁通密度一动圈平均直径iv.?动圈绕线匝数由式可得，在静态下,动圈式力马达输岀力与输入电流成止比。动铁式力矩马达型电一机械转换器动铁式力矩马达型电一机械转换器的静态特性由输出转矩与输入电流和转

34、了位置的关系來描述。即 墨。一目瓦式中？?力矩马达的力矩系数，牛米/安,?力矩马达的磁弹簧刚度，牛米/弧度.?支承弹簧刚度，牛米/安?负载转矩，牛米/弧度一输入电流臼?输岀转角因此，针对不同型式的电一机械转换器，应根据其静态特性的不同描述采 西安理工大学硕士毕业论文取相应的措施來提高其静态特性。此外，由于以上所述电一机械转换器都是据电磁感应原理设计的，结构小都使用了铁磁材料。由于铁磁材料的磁滞和动的摩擦丿j的存在，电一机械转换器的静态特性均产生比较明显的滞环。为 此往往采用在控制信号上叠加颤振信号的方法來降低或消除摩擦滞环和磁滞 滞环，以来提高电一机械转换器的静态特性。动态特性分析【 数学模型

35、的建立要分析电一机械转换器的动态特性，首先应建立它的数学模型。数学模型是描述系统各变量之间相互关系的数学表达式。常用的数学模型有反映部件 及系统动态运行的微分方程，以及由微分方程派生出来的传递函数、动态结构 图。建立数学模型是对部件及系统进行理论研究和计算机仿真的基础性工作和 前提条件。电一机械转换器从总体上可分为两大类，输岀力矩型和输岀位移转角型，每一类又具有多种形式和结构，尽管对其静态特性的描述有所不同，但其基木原理和功用是和同的,都是电一力矩一位移转换器，且力或力矩的产生都源于电磁力。基于此，可根据电磁原理和机械运动定律來建立电一 械转换器的数学模型，即电压平衡方程和力矩平衡方程，并求出

36、线性条件 下的传递函数。.电压平衡方程式为分析方便，建立电一机械转换器的电路模型，如图所示图.电一机械转换器电路模型根据基尔霍夫定律，可得电压平衡方程式：出该方程表示,输入电一机械转换器的电压，用于克服电阻压降，感生西安理工大学硕士毕业论文反电动势上罢，动生反电势一，且一虬鲁。将一代入式则电一机械转换器的屯压平衡方程式为：庙堕。盟.式中?输入电一机械转换器的电压?电一机械转换器的输岀位移。?电压回路的总等效电阻；一一电压回路的总等效电感；电感三包扌舌主电感和漏电感。由于漏磁通中，所经过的路径主要是空气和其它非铁磁物质，其磁导率为常数。中，与成比，因此由屮，产生的漏电感： ivm/为常数。主磁通

37、所经过的路径是铁磁质，磁导率不是常数，所以主磁电感和相应的主磁感抗不是常数。工为小 的瞬时值，并与电一机械转换器运动部件的位置有关。为分析简便，忽略其动 态的影响,将电感看作一常数。彫?动生反电势系数;严格地讲它并非是一个常数，而是一个受多种因索影响的参数。但在此处的分析屮，也将其看作一常数。力矩平衡方程式电一机械转换器的力矩有电磁力矩、摩擦力矩、弹性力矩、负载力矩和惯性力矩。根据牛顿第二定律，可得各力矩z间的关系表达式为：只一如0式屮?惯性力；%w笋讲,?电一机械转换器运动部分与所带负载的总质量或运动部分转动惯量与负载惯量归算到电一机械转换器运动屮心处的转动惯量z和。,?电磁力矩；当电一机械

38、转换器在运动的过程中，若气隙磁密不发生变化，贝ij,只是电流的函数;但大部分的电一机械转换器在运动过程中，其屮的气隙磁密发生了变化,，不仅与电流的大小有关,还与运动部分的运动位置有关。在对电一机械转换器进行线性分析时，可将，看成电流和位移的线性函数。 丘,日,?电流一力放大系数；,?位移一力放大系数。西安理工大学硕士毕业论文。？?摩擦力矩，它可分为干摩擦力矩和粘性摩擦力矩。通常认为干摩擦力矩的数值是恒定的,粘性摩擦力矩的数值与电一机械转换器的速度成止比。由于电一机械转换器的干摩擦力矩与粘性摩擦力矩相比甚小,通常只考虑粘性摩擦力矩。则 %:掣,?总粘性阻尼系数，包括电一机械转换器运动部分的阻尼系

39、数及负载阻尼系数折算到电一机械转换器运动中心处的阻尼系数。？?弹性力矩；、乃彫。足,？?弹簧刚度，包括电一机械转换器本身的弹簧刚度和与负载有关的弹簧刚度折算到电机械转换器运动中心处的弹簧刚度。将式代入式并加以整理，则得电一机械转换器的力矩平衡方程为:脚，争鲁郴，小。,对式和式取拉氏变换，得： 世蹦oiii, o j -%,由式和式,可得电一机械转换器方块图，如图所示:图.电一机械转换器的方块图在配中，令帅志盖.式中国。必?？电一机械转换器的电气转折频率令%5。石甬抵嚣枷。孚一运动?豁懒率西安理：大学硕士毕业论文和丽耘一勘褂撇佃弧数由图可得电一机械转换器的传递函数：电流源驱动时鱼啾沪岩“肛2?i

40、v ?o曼。卯？卯，电压源驱动时小,岩芸踹蜀篇瑟oo?,/一枇8 <vffloj 三鱼,/, 一oo，/ ， vi蔦嚣oo国j脚。2益。珊？/ 8山。当8。°°。时，式可简化为iv岛.动态特性分析电气冋路动态特性由电一机械转换器所建的电压平衡方程式叮知，电一机械转换器中的反电 势的大小和方向既与电一机械转换器运动部分的位置有关，也与其运行瞬时度有关。详细的分析表明，反电势是运动部分位置的周期函数，同时反电势又 与速度成止比，速度越大，反电势越大，速度为零时，反电势也为零。因此， 西安理大学硕十毕业论文如果将电一机械转换器堵转，其反电势为零。此时电流可表示为;一 “一。

41、武式小，为绕组回路的电气时间常数,三佃。要改变电一机械转换器的运行 特性,可减小电气时间常数，即可通过减小绕组的电感或增加绕组回路的电 阻來达到目的。对于确定的电一机械转换器，绕组电感已经确定，一般不易 改变，因此在电路屮一般用增加回路电阻的方法。而要增加回路电阻，只需在 绕组回路中串入一电阻即可。这种方法简单易行。当电一机械转换器正常运行时，绕组导通开始时，运动部分速度为零，反电势为零，电流上升的起始斜率与堵转时和同。随着电流的上升，电磁力增大,运动部分的速度也增大，此时反电势也增大，且反电势与电流的方向相反。速 度越大，反电势越大，这个反电势会使作用在绕组上的静电压降低，限制回路 中的电流

42、,从而使绕组电流乂有所减小，这时电磁力也有所减小，速度降低， 经过一定时间后，电流达到稳定值。理论上，斗8时,。快速性与稳定性由前面求出的电一机械转换器的传递函数可知，当它由电流源驱动时或由 电压源驱动且电气冋路的频率远大于机械冋路的谐振频率时，可将电一机械换器简化成-个二阶系统?m来分析其特性。三五 脚iii '由以上的传递函数的表达式可得，电一机械转换器的动态品质主要由和 o决定。为获得快速响应,在线性范围内，希望棚。近可能取较大的值。由 厅?一岀。，竺兰羔可得，要提高，则应增大整个系统的弹簧刚度，减小运动 朋部分的质量或惯量，而且弹簧刚度，必须大于电一机械位移一力放大系数,。然而

43、，要使运动部件具有较高的刚度而不致产生弯曲或扭转，就必须将其设计得坚固结实,这样尺寸和质量或惯量都可能増人，还会导致摩擦力的加。其次，从理论上讲，电一机械转换器的频率越高，速动性越好，而实际上，电一机械转换器的最高运行频率是受其输出力矩限制的，因为运行频率越高，输出力矩越小;而口,运行频率增高，将使摩擦负载増大，这样就容易产生发卡。所以，电一机械转换器的运行频率选择要同时考虑速动性和输 力矩两个方面。在研究电一机械转换器的稳定性时，阻尼比是一个重要的参数。电一机械转换器耍正常工作的条件是，阻尼比必须大于零，为零或负吋，其运行肯定是不稳定的。因此,要使系统具有较好的平稳性则应使阻尼比加大，由西安

44、理工大学硕士毕业论文 可得,要增大阻尼比，则需增大系统总粘性系数，减小系,o?统质量或惯量及弹簧刚度。另外，述有一种电磁阻尼方案，这种阻尼系统使运 动时的机械能传送到电一机械转换器中，并消耗在电一机械转换器绕组和限电阻上。刚度的增加虽增人了频率,提高了系统的快速性，但使阻尼比减小，稳定性变差。因此，快速性与稳定性z间存在一定的矛盾。应根据工程的实际情 综合考虑这两方面的要求,给予合理解决。一般在不影响刚度的情况下，总应尽量降低各部件的质量和惯量,这样既提高了快速性也增大阻尼比，从而增了稳定性。但是，惯量的减小对抑制低频振荡不利。电一机械转换器控制系统在某些运行频率下会发生共振。共振现象是由于

45、系统的能量过剩血弓起的，共振会在哪些频率附近发生，即共振区在哪里，与 电一机械转换器所带负载的性质、电压高低、电流大小，驱动器的结构等都关系，分析起来比较复杂。当系统出现振动时，可以考虑在电一机械转换器屮 加机械阻尼,在屯路中加电气阻尼，在复中机构中加粘性阻尼，改进系统结构 等多种办法来增大阻尼克服共振现彖。.计算机仿真时域分析【“前面从理论上得lllteljo和善。对电一机械转换器特性的影响，下面再通过 计算机仿真，得出不同参数下的响应卅线，进一步更形象地描述岀参数变化其特性的影响。图表示出了不同阻尼系数下的阶跃响应仿真曲线：鹳雾警8罟八黒参。图善。变化时的阶跃响应曲线从仿真曲线中可以看出，

46、曲线的形状随阻尼比孝。而变化。当善。时，澎:，、西安理工大学硕士毕业论文为欠阻尼，响应具有振荡衰减特性。厶时为临界阻尼，孝。时为过阻尼，这二者阶跃响应具有非周期性，在欠阻尼响应曲线中，阻尼系数越小,超调量 越大,上升时间越短，但调节时间越长。在临界阻尼和过阻尼响应曲线屮，没 有超调和振荡，但调节时间长。当毒。左右时，超调量适度，调节时间较短。 因此。取左右时，动态特性较好。由前面的分析可知，善，又与其它因素有 关，如质量或惯量、弹簧刚度、粘性阻尼系数等等。改变其中的任意参数都以改变孝。的值。因此，可以通过调整参数、。、彫、，的值,使善。满足要求。由此便可得出改变电一机械转换器特性的途径。图描述

47、了8。变化时的阶跃响应仿真曲线：°°一。，？二一工二二二二二蒜君”旧-*999i 99999皆弘oo图国。变化时的阶跃响应曲线从仿真曲线小可以看出，曲。越大,调节时间越短，响应速度越快。由。，因此通过调整这些参数的表达式中可看出，影响8。的参数有用，、可改变快速性。而改变，、足,、。也将改变喜。这时就得综合考虑各个参 数的影响。.计算机仿真频率分析在频率内，电一机械转换器的动态特性由它的频率响应來描述。利用电一 机械转换器的传递函数，利用计算机仿真，叮绘出对数频率特性曲线图。图示岀了不同善。下的频率响应曲线：西安理工大学硕士毕业论文f研。一日。弓崔窖'乎8里一才。、

48、专、眨电三二二主三999999999999999999999999999ii二分铲删图.善。不同的频率响应曲线由仿真曲线可得，善。越小，频率响应曲线的峰值越高，意味着动态响应超 调大,过程不平稳。厶m时,峰值消失。善。时，幅频曲线是没有峰值 的一些曲线中较高的，频带较宽的，因此特性也是较好的。这和时域分析法所 得结论是一致的。小结根据基尔霍夫定律和牛顿篇二定律，建立了电一机械转换器的数学模型， 并将其简化成一个标准的二阶环节进行特性分析，得出了影响其特性的因提岀了解决问题的方法,给岀了时域、频域下的仿真曲线。另外，从电一机械 转换器的传递函数可知，当输入源为恒流源时，动态过程中，电流不再受电感

49、 的影响而始终为恒定值。因此，用恒流源时的动态特性优于用恒压源时的动特性。西安理工大学硕士毕业论文放大杠杆与复小机构放大杠杆以往的电液转换元件一般都是采用电一机械转换器直接与先导阀芯相连的形式。而本文所研究的强复屮型电液转换兀件则采用-放大杠杆将电-机械 转换器、强复中机构、先导阀芯和液压放大活塞连接起來。电一机械转换器输 出的力经放大杠杆放大，驱动先导阀芯运动，先导阀芯的运动使控制阀盘丿启， 通过油压使液压放大活塞作随动运动，液压放大活塞的运动又通过放大杠杆 给先导阀芯一正反馈。i大i此，在强复中型电液转换元件中，放大杠杆起着重要的 桥梁作用。为分析方便，假设杠杆及所连部件系统已良好配重，冊

50、i岀图所示的放大杠杆静态时的叉/叫：图放大杠杆受力简图从图可知，点为电一机械转换器输川力的作用点，也是复中机构与放大杠杆的连接点；点为先导阀芯对放大杠杆反作用力的作用点；点为液压放大活塞引入正反馈的作用点。设电一机械转换器作用于点的力为，先导阀芯对放大杠杆的反作用力阀芯阻力为名，复中机构的弹性力为，弹性系数为;，点相对于各自中位的位移分别为。，：，如。点的位移可看成由两部分组成，一部分是跟随点的运动而产生的位移纂一，另一部分是由点引入的正反馈位移筹屯，因此点的位移为：。：丝.丝矗.彳彳。因为液压放大活塞随动于先导阀芯，故稳定后、两点的位移和等，即 o %由式和式，可得西安理工大学硕士毕业论文

51、而玛根据杠杆平衡原理可知，静态稳定后 ?一 土厶？占？一.主要是指先导阀芯的阻力,它的方向与电一机械转换器作用于点的力 的方向及大小有关。当厶詹，而时，厶与的方向相反，式中的厶 前的符号为正，反之为负。 若忽略阀芯阻力，则'圻莆由式说明，稳定状态时，液压放大活塞的位移与先导阀芯的位移、以及电一机械转换器传至点的位移相等,并且与电一机械转换器输岀力成正比。当先导阀芯阻滞发卡时，电一机械转换器将首先通过放大杆，以/倍于其作用于点的力去驱动先导阀芯。因此,该结构能产生强驱动力克服先导阀芯发卡，具有抗油污能力强的优点。以上考虑的是放大杠杆在静态时的情况。在动态过程小，放大杠杆作具有 一定角加速度的转动，根据动力学定律得 一圻孔.土厶髭:，掣搴a a式中,厶?放大杠杆在点所受