工业型二维（2D）伺服阀及其双冗余控制器的设计
发布时间：2021-01-26 16:50
电液伺服阀具有很多优点,例如它具有动态响应迅速和耐用性强等优点。基于这些优点,电液伺服阀广泛应用于航空航天以及军工领域。在伺服阀工作时,控制器的可靠性直接影响着伺服阀的可靠性。工业伺服阀相比军用伺服阀,其简化了机械结构,适当的降低其性能,制造成本也相对较低。因此本文研究并设计了工业型二维（2D）伺服阀及其双冗余控制器,以及一定程度增加了控制器以及阀的可靠性。本文的控制对象为工业型的二维（2D）伺服阀。该伺服阀的抗污染的性能加大,频率响应迅速并且成本较低。伺服阀的电—机械转换器为两相混合式步进电机,为解决电机响应的速度和电机的分辨率之间的矛盾,提出了电机转子角位移闭环控制算法能够让转子停留在固定位置;为了提高伺服阀的精度,在电机转子位移闭环算法的基础上提出了伺服阀阀芯位置闭环控制算法。设计了具有双冗余功能的控制器来控制电机,再通过拨杆拨叉机构来控制伺服阀。并对电—机械转换器和伺服阀在相应的控制闭环下进行仿真。最后对电机和伺服阀进行实验。具体的设计成果如下:（1）针对两相的混合式步进电机的结构以及其原理进行研究。提出了电机转子位移同步的跟踪控制算法,并基于这一算法对电机进行数学建模和仿真。...
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1双喷嘴挡板伺服阀结构原理图[19]
浙江工业大学硕士学位论文41-步进电机2-支座3-左弹簧4-左弹簧座5-先导阀体6-先导活塞7-旋芯8-导向销9-主阀体10-主阀芯11-右弹簧12-右端盖图1-2数控旋芯式比例伺服阀结构图[20]1-Steppingmotor2-Support3-Leftspring4-Leftspringseat5-Pilotvalvebody6-Pilotpiston7-Rotarycore8-Guidepin9-Mainbody10-Mainspool11-Rightspring12-RightendcapFigure1-2.Structurechartofnumericalcontrolrotarycoreproportionalservovalve伺服控制技术不断地成熟和发展，技术不断用于其他领域例如工业化和民用化，电液伺服阀的缺点也凸显出来了，例如抗污染能力较差、制造维护费用相对较高等缺点。为了解决这一难题，二十世纪六十年代，人们研发了电液比例阀用于工业上的需求[21]。但是较早发明的比例阀仅仅用比例形式的电磁铁代替了阀上的手柄，而阀的设计原则其实没有多大的变化[22-23]。随着伺服阀技术的发展，人们研制出了电液比例伺服阀，与普通的比例阀相比，它典型的特点就是当阀芯处在零位的时候，阀口是零开口的，这就表示比例伺服阀具有死区为零的控制特点，适用在闭环系统中的控制元件。伺服阀可以按照给定的输入信号连续且按比例地控制流体的流量、压力和方向[24-25]。如图1-2所示，这是一款采用步进电机作为电—机械转换器的旋芯式比例伺服阀[26-27]。国内对比例伺服阀有研究，国内有一些厂家引进、消化和吸收国外的技术。但是国内生产研制的比例伺服阀迄今为止其实还是缺乏自主创新性，优良品质的比例电磁铁和一系列的位移传感器等一些研制阀的关键元件任需进口，很难见到具有自主拥有知识产权的新型比例伺服阀出现[28]。（3）电液数字阀现如今，计算机控制技术发展迅速，利用数字电路来实现对控制信号的处理，从而来控制电液?
工业型二维（2D）伺服阀及其双冗余控制器的设计5驱动模块将脉冲信号进行放大，输入至步进电机。步进电机通过放大后的脉冲信号的控制，将通过脉冲信号使得步进电机旋转相应的步距角。电—机械转换器通过拨杆拨叉机构或者其他的一些传导机构可以将旋转角位移信号转换成伺服阀上的阀芯直线位移信号，从而使阀进行工作。1-右钢球2-分离销3-左钢球4-阀体5-推杆6-极靴7-线圈8-衔铁图1-3高速开关阀的结构图[30]1-RightBall2-SeparatingPin3-LeftBall4-ValveBody5-Push6-PoleBoot7-Coil8-ArrowFigure1-3.Structuraldiagramofhigh-speedon-offvalve脉冲调制开关式数字阀也叫高速开关数字阀可以利用脉宽调制(PWM)、脉数调制(PNM)、脉码调制(PCM)、脉幅调制(PAM)，脉频调制(PFM)等，其中脉宽调制较为常用，将开或者关数字信号转换成为流体的脉冲信号，使计算机控制技术与液压技术的有机结合[31]。如图1-3所示即为高速开关阀的结构图。（4）工业伺服阀电液伺服阀的优良特点，使之用于高精度控制的领域。由于电液伺服控制系统，虽然精度较高，且有很好的动态和静态特性，但是其成本过于昂贵，无法普及于工业领域；传统型的电液阀无法满足现代工业的控制要求，所以价格相对便宜的工业领域用途的伺服阀应运而生。但是由于国内工业自动化生产技术水平低下，相对国外工业强国对工业类型的伺服阀没有需求，因此查阅相关资料，鲜有对工业型伺服阀的研究。1.3电—机械转换器的研究概况随着人们对电液伺服阀不断地研究，推动着电液伺服阀其性能的不断提升。电—机械转换器是电液伺服阀的重要部件之一，该部件是将电信号转换为机械信号的重要环节，所以相应的电—机械转换器也随之不断发展。提高电—机械转换器的控制性能直接提升伺服阀的整体性能，所以
【参考文献】：
期刊论文
[1]插装式二维（2D）伺服阀的理论分析与实验研究[J]. 何晋飞,陈烜,鲁鹏勇,阮健,常亮. 航空学报. 2019(05)
[2]基于CS31总线的双冗余船舶电力推进控制系统设计[J]. 王刚毅,石磊,范松伟. 船舶工程. 2018(S1)
[3]自主创新的数控旋芯式比例伺服阀[J]. 郭建业. 液压气动与密封. 2018(06)
[4]旋转直接驱动式电液压力伺服阀机理及特性分析[J]. 原佳阳,訚耀保,陆亮,方向,郭生荣. 机械工程学报. 2018(16)
[5]基于电流反馈的高速开关阀3电压激励控制策略[J]. 钟麒,张斌,洪昊岑,杨华勇. 浙江大学学报(工学版). 2018(01)
[6]Effects of adenosine triphosphate concentration on motor force regulation during skeletal muscle contraction[J]. J.Wei,C.Dong,B.Chen. Acta Mechanica Sinica. 2017(02)
[7]斜槽型2D伺服阀的阀芯高低压孔设计与实验研究[J]. 罗方赞,金丁灿. 机床与液压. 2017(07)
[8]动圈式力马达特性有限元建模与分析[J]. 刘硕,蔡勇,沈莹杰,方辉. 农机使用与维修. 2016(12)
[9]大流量2D数字伺服阀电-机械转换器的频率特性研究[J]. 李胜,杨波,阮健,俞张斌,刘奎,郭克. 液压气动与密封. 2016(07)
[10]宇航双绕组步进电动机感应电流机理及措施研究[J]. 蒋范明,屈传坤,周建华. 微特电机. 2016(01)
博士论文
[1]射流管伺服阀耐久性与可靠性研究[D]. 褚渊博.西北工业大学 2017
[2]先导式电液比例方向阀换向滞后分析及其补偿方法研究[D]. 苏琦.浙江大学 2016
[3]射流管伺服阀的模型构建与仿真研究[D]. 张颖.西北工业大学 2015
[4]半桥导控型2D电液比例换向阀的原理、理论分析及实验研究[D]. 左强.浙江工业大学 2014
[5]电液流量、方向连续控制新原理及其应用研究[D]. 赵虎.太原理工大学 2013
[6]大流量插装式伺服阀的设计与控制方法研究[D]. 方锦辉.浙江大学 2013
[7]新型2D阀用电—机械转换器及其应用研究[D]. 孟彬.浙江工业大学 2013
[8]2D伺服阀数字控制的关键技术的研究[D]. 李胜.浙江工业大学 2012
硕士论文
[1]工业型二维（2D）伺服阀及其控制器的设计研究[D]. 姜志海.浙江工业大学 2019
[2]二维（2D）比例压力阀及其数字控制器的设计与研究[D]. 郑鹍.浙江工业大学 2018
[3]两相混合步进电机伺服控制技术研究[D]. 茹珂.北京交通大学 2018
[4]伺服阀动压反馈特性分析与试验研究[D]. 张苗苗.北京交通大学 2018
[5]基于三相步进电机的2D伺服阀控制器的研究[D]. 黄星.浙江工业大学 2017
[6]基于神经元自适应PID的电液伺服加载控制系统研究[D]. 冉巍.吉林大学 2017
[7]基于STM32的2D比例伺服阀数字控制器的设计与研究[D]. 李成蔚.浙江工业大学 2017
[8]二维（2D）电液压力伺服阀的设计与研究[D]. 孙坚.浙江工业大学 2016
[9]直动式电液伺服阀动态特性研究[D]. 安文龙.长安大学 2016
[10]微小型2D数字伺服阀的改进设计研究[D]. 孔晨菁.浙江工业大学 2016
本文编号：3001478
【文章来源】：浙江工业大学浙江省
【文章页数】：97 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1双喷嘴挡板伺服阀结构原理图[19]
浙江工业大学硕士学位论文41-步进电机2-支座3-左弹簧4-左弹簧座5-先导阀体6-先导活塞7-旋芯8-导向销9-主阀体10-主阀芯11-右弹簧12-右端盖图1-2数控旋芯式比例伺服阀结构图[20]1-Steppingmotor2-Support3-Leftspring4-Leftspringseat5-Pilotvalvebody6-Pilotpiston7-Rotarycore8-Guidepin9-Mainbody10-Mainspool11-Rightspring12-RightendcapFigure1-2.Structurechartofnumericalcontrolrotarycoreproportionalservovalve伺服控制技术不断地成熟和发展，技术不断用于其他领域例如工业化和民用化，电液伺服阀的缺点也凸显出来了，例如抗污染能力较差、制造维护费用相对较高等缺点。为了解决这一难题，二十世纪六十年代，人们研发了电液比例阀用于工业上的需求[21]。但是较早发明的比例阀仅仅用比例形式的电磁铁代替了阀上的手柄，而阀的设计原则其实没有多大的变化[22-23]。随着伺服阀技术的发展，人们研制出了电液比例伺服阀，与普通的比例阀相比，它典型的特点就是当阀芯处在零位的时候，阀口是零开口的，这就表示比例伺服阀具有死区为零的控制特点，适用在闭环系统中的控制元件。伺服阀可以按照给定的输入信号连续且按比例地控制流体的流量、压力和方向[24-25]。如图1-2所示，这是一款采用步进电机作为电—机械转换器的旋芯式比例伺服阀[26-27]。国内对比例伺服阀有研究，国内有一些厂家引进、消化和吸收国外的技术。但是国内生产研制的比例伺服阀迄今为止其实还是缺乏自主创新性，优良品质的比例电磁铁和一系列的位移传感器等一些研制阀的关键元件任需进口，很难见到具有自主拥有知识产权的新型比例伺服阀出现[28]。（3）电液数字阀现如今，计算机控制技术发展迅速，利用数字电路来实现对控制信号的处理，从而来控制电液?
工业型二维（2D）伺服阀及其双冗余控制器的设计5驱动模块将脉冲信号进行放大，输入至步进电机。步进电机通过放大后的脉冲信号的控制，将通过脉冲信号使得步进电机旋转相应的步距角。电—机械转换器通过拨杆拨叉机构或者其他的一些传导机构可以将旋转角位移信号转换成伺服阀上的阀芯直线位移信号，从而使阀进行工作。1-右钢球2-分离销3-左钢球4-阀体5-推杆6-极靴7-线圈8-衔铁图1-3高速开关阀的结构图[30]1-RightBall2-SeparatingPin3-LeftBall4-ValveBody5-Push6-PoleBoot7-Coil8-ArrowFigure1-3.Structuraldiagramofhigh-speedon-offvalve脉冲调制开关式数字阀也叫高速开关数字阀可以利用脉宽调制(PWM)、脉数调制(PNM)、脉码调制(PCM)、脉幅调制(PAM)，脉频调制(PFM)等，其中脉宽调制较为常用，将开或者关数字信号转换成为流体的脉冲信号，使计算机控制技术与液压技术的有机结合[31]。如图1-3所示即为高速开关阀的结构图。（4）工业伺服阀电液伺服阀的优良特点，使之用于高精度控制的领域。由于电液伺服控制系统，虽然精度较高，且有很好的动态和静态特性，但是其成本过于昂贵，无法普及于工业领域；传统型的电液阀无法满足现代工业的控制要求，所以价格相对便宜的工业领域用途的伺服阀应运而生。但是由于国内工业自动化生产技术水平低下，相对国外工业强国对工业类型的伺服阀没有需求，因此查阅相关资料，鲜有对工业型伺服阀的研究。1.3电—机械转换器的研究概况随着人们对电液伺服阀不断地研究，推动着电液伺服阀其性能的不断提升。电—机械转换器是电液伺服阀的重要部件之一，该部件是将电信号转换为机械信号的重要环节，所以相应的电—机械转换器也随之不断发展。提高电—机械转换器的控制性能直接提升伺服阀的整体性能，所以
【参考文献】：
期刊论文
[1]插装式二维（2D）伺服阀的理论分析与实验研究[J]. 何晋飞,陈烜,鲁鹏勇,阮健,常亮. 航空学报. 2019(05)
[2]基于CS31总线的双冗余船舶电力推进控制系统设计[J]. 王刚毅,石磊,范松伟. 船舶工程. 2018(S1)
[3]自主创新的数控旋芯式比例伺服阀[J]. 郭建业. 液压气动与密封. 2018(06)
[4]旋转直接驱动式电液压力伺服阀机理及特性分析[J]. 原佳阳,訚耀保,陆亮,方向,郭生荣. 机械工程学报. 2018(16)
[5]基于电流反馈的高速开关阀3电压激励控制策略[J]. 钟麒,张斌,洪昊岑,杨华勇. 浙江大学学报(工学版). 2018(01)
[6]Effects of adenosine triphosphate concentration on motor force regulation during skeletal muscle contraction[J]. J.Wei,C.Dong,B.Chen. Acta Mechanica Sinica. 2017(02)
[7]斜槽型2D伺服阀的阀芯高低压孔设计与实验研究[J]. 罗方赞,金丁灿. 机床与液压. 2017(07)
[8]动圈式力马达特性有限元建模与分析[J]. 刘硕,蔡勇,沈莹杰,方辉. 农机使用与维修. 2016(12)
[9]大流量2D数字伺服阀电-机械转换器的频率特性研究[J]. 李胜,杨波,阮健,俞张斌,刘奎,郭克. 液压气动与密封. 2016(07)
[10]宇航双绕组步进电动机感应电流机理及措施研究[J]. 蒋范明,屈传坤,周建华. 微特电机. 2016(01)
博士论文
[1]射流管伺服阀耐久性与可靠性研究[D]. 褚渊博.西北工业大学 2017
[2]先导式电液比例方向阀换向滞后分析及其补偿方法研究[D]. 苏琦.浙江大学 2016
[3]射流管伺服阀的模型构建与仿真研究[D]. 张颖.西北工业大学 2015
[4]半桥导控型2D电液比例换向阀的原理、理论分析及实验研究[D]. 左强.浙江工业大学 2014
[5]电液流量、方向连续控制新原理及其应用研究[D]. 赵虎.太原理工大学 2013
[6]大流量插装式伺服阀的设计与控制方法研究[D]. 方锦辉.浙江大学 2013
[7]新型2D阀用电—机械转换器及其应用研究[D]. 孟彬.浙江工业大学 2013
[8]2D伺服阀数字控制的关键技术的研究[D]. 李胜.浙江工业大学 2012
硕士论文
[1]工业型二维（2D）伺服阀及其控制器的设计研究[D]. 姜志海.浙江工业大学 2019
[2]二维（2D）比例压力阀及其数字控制器的设计与研究[D]. 郑鹍.浙江工业大学 2018
[3]两相混合步进电机伺服控制技术研究[D]. 茹珂.北京交通大学 2018
[4]伺服阀动压反馈特性分析与试验研究[D]. 张苗苗.北京交通大学 2018
[5]基于三相步进电机的2D伺服阀控制器的研究[D]. 黄星.浙江工业大学 2017
[6]基于神经元自适应PID的电液伺服加载控制系统研究[D]. 冉巍.吉林大学 2017
[7]基于STM32的2D比例伺服阀数字控制器的设计与研究[D]. 李成蔚.浙江工业大学 2017
[8]二维（2D）电液压力伺服阀的设计与研究[D]. 孙坚.浙江工业大学 2016
[9]直动式电液伺服阀动态特性研究[D]. 安文龙.长安大学 2016
[10]微小型2D数字伺服阀的改进设计研究[D]. 孔晨菁.浙江工业大学 2016
本文编号：3001478
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