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浙江工业大学硕士学位论文 低惯量电一机械转换器的研究 摘要 数字阀是一种电液控制元件，由于其具有响应速度快，抗污染能力强，直接数字控 制，且重复精度高等优点而得到广泛的应用。电机械转换器作为数字阀的控制器，其 性能的优劣直接决定数字阀性能的好坏。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位置信 号的执行元件，可以作为电机械转换器直接控制数字阀。因此，实验选用低惯量、高 频响的永磁盘式步进电机作为电机械转换器，通过控制方法的分析和改进提高电机械 转换器的响应频率。 本文以永磁盘式步进为研究对象，分析其结构和原理，建立数学模型并提出电流和 位置补偿校正控制方案；设计了基于d s p 的专用控制器，采用电流和位置双闭环对其 进行实验研究。实验结果表明电流和位置补偿校正能很好地改善电机械转换器的动态 特性，校正环节作用后，系统频响提高了6 0 ，阶跃响应实验表示上升时间最快为2 1 m s ， 对应相位滞后9 0 0 的最大频宽为2 7 5 h z 。 具体研究内容如下： 第一章，论述了数字阀、电机械转换器以及永磁盘式步进电机的国内外发展和研 究现状，阐述本论文的研究目的及意义。 第二章，选用永磁盘式步进电机为研究对象，该电机具有极低的转动惯量，能产生 优异的动态特性。详细介绍了永磁盘式步进电机的结构和原理，并对其进行了数学建模， 得出两相步进电机的电压方程，力矩方程和动力学方程。 第三章，设计基于d s p 低惯量电机械转换器控制器，介绍了硬件系统和软件系统， 对各个模块进行说明；阐述了电流控制信号的产生及位置闭环等方法的实现。 第四章，介绍电流和位置补偿校正环节，分析补偿环节的原理，理论和实验结果表 明补偿环节作用后电机械转换器的频响有了很大的提高。 第五章，搭建低惯量电机械转换器实验平台，对其动态特性进行实验研究。控制 器具有良好的阶跃响应特性，上升时间最快可达2 1 m s ：频宽最大可达2 7 5 h z ，比补偿 环节作用之前提高了6 6 。 第六章，概括总结本论文的主要研究工作和成果，展望今后需进一步研究的工作和 方向。 关键词：低惯量电机械转换器，闭环控制，补偿校正，动态特性，频率响应 摘要 浙江工业大学硕士学位论文 i 之e s e a r c ho nl o w 【n e r t i a e l e c t r o m e c h a n i c a lc o n v e r t e r a b s t r a c t a so n eo ft h ee l e c t r o - h y r d r a u l i ce o n t r o le l e m e n t s d i g i t a lv a l v ei s a p p l i e dw i d e l yb e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e s ，s u c ha s f a s tr e s p o n s et i m e ，s t r o n ga b i l i t yt of i g h tp o l l u t i o n , r e p e a td i r e c tn u m e r i c a lc o n t r o l ， t l i g hp r e c i s i o ne t c l o wi n e r t i ae l e c t r o - m e c h a n i c a lc o n v e r t e ri sac o n v e r s i o ni n t e r f a c eu s e do nd i g i t a lv a l v e ， i t sp e r f o r m a n c el a r g e l yd e t e r m i n et h ee n t i r ed i g i t a lv a l v e sa n de v e nt h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mp e r f o r m a n c e s t e p p e rm o t o ri sa na c t u a t o rw h i c h c a nc h a n g ee l e c t r i c a lp u l s es i g n a li n t op o s i t i o ns i g n a l ，a n dc a l ld i r e c t l y c o n t r o lt h ed i g i t a lv a l v e s e l e c t i n gt h el o wi n e r t i ap e r m a n e n tm a g n e ts t e p p e rm o t o ra st h ea c t u a t o ra n d c o m p a r i n gd i f f e r e n tc o n t r o lm e t h o d st oi m p r o v ef r e q u e n c yr e s p o n s eo f t h ee l e c t r om e c h a n i c a lc o n v e r t e r b a s e do np e r m a n e n tm a g n e ts t e p p e rm o t o r , a n a l y z i n gi t ss t r u c t u r ea n dp r i n c i p l ea n dp r e s e n t i n g m a t h e m a t i cm o d e la n dt h ec u r r e n ta n dp o s i t i o nc o m p e n s a t i o nc o n t r o ls c h e m e ac o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d f o rm a g n e t i cd i s cs t e p p e rm o t o rb a s e do nd s pa n du s e da sal o w - i n e r t i ae l e c t o r - m e c h a n i c a lc o n v e r t e rf o r d i g i t a lv a l v e t h er e s e a r c hi se m b e d d e di nc u r r e n ta n dp o s i t i o no fd o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r 0 1 t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tu s i n gt h el o w - i n e r t i am o t o ra sa ne l e c t o r - m e c h a n i c a lc o n v e r t e r , t h er i s et i m e i s2 1 m sf o r2 5 i n p u ts i g n a la n dt h eb a n d w i d t hr e a c h e s2 7 5 h za t 一9 0 ”p h a s ea n g l ef o r2 5 i n p u ts i g n a l a n dt h a th i g h - f r e q u e n c yr e s p o n s eo fd i g i t a ls c f v ov a l v ec a nb er e a l i z e d t h ec o n t e n t so f e a c hc h a p t e r & r el i s t e da sf o l l o w s ： i nc h a p t e rl ，t h er e s e a r c hs t a t u so fd i g i t a lv a l v e ，e l e c t r o - m e c h a n i c a lc o n v e r t e ra n dp e r m a n e n tm a g n e t s t e p p e rm o t o ra r es u m m a r i z e d t h ep a p e re x p o u n d st h ep u r p o s ea n dm e a n i n g so f t h i sr e s e a r c h i nc h a p t e r2 ，t h i sp a p e rs e l e c t sp e r m a n e n tm a g n e ts t e p p e rm o t o rb e c a u s eo fi t sl o wi n e r t i aa n dh i g h f r e q u e n c yr e s p o n s e d e s c r i b e s t h e p r i n c i p l e o fe l e c t r o - m e c h a n i c a lc o n v e r t e r sa n de s t a b l i s h e si t s m a t h e m a t i c a lm o d e l i n g , d r a wt h et o r q u ee q u a t i o n , v o l t a g ee q u a t i o n , a n dt h ei d n e t i ce q u a t i o n so ft w o - p h a s e p e r m a n e n tm a g n e ts t e p p e rm o t o ra n dp r o p o s e dc u r r e n tv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g i e s i nc h a p t e r3 ，ac o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o rl o w i n e r t i am a g n e t i cd i s cs t e p p e rm o t o rb a s e do nd s p , w i t h t h ec u r r e n ta n dp o s i t i o no fd o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r 0 1 i n t r o d u c et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e m a n dt h e s p e c i a ld s pc o n t r o l l e ri sd e s i g n e dw h i c hi su s e df o rs m a l lf l o w2 dd i g i t a lv a l v e 1 1 1 ei m p l e m e n t a t i o no f a l g o r i t h mw h i c hi su s e dt op r o d u c es i g n a lo fc u r r e n ta n dp o s i t i o nl o o pi se x p o u n d e d i nc h a p t e r4 ，d i r e c tc u r r e n tf e e d b a c ku s e di no r d e rt oi m p r o v et h ee l e c t o rm e c h a n i c a lc o n v e r t e r f r e q u e n c yr e s p o n s e c u r r e n ta n dp o s i t i o nc o r r e c t i o nc a nc o m p e n s a t ep o o rt r a c k 丽t hh i g hf r e q u e n c y a n a l y s i so fc o m p e n s a t i o np r i n c i p l ea n dt h e o r y , e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p e n s a t i o ne f f e c to f e l e c t r o - m e c h a n i c a lc o n v e r t e rf r e q u e n c yr e s p o n s eh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e d i nc h a p t e r , t ob u i l dap e r m a n e n tm a g n e ts t e p p i n ge l e c t r om e c h a n i c a lc o n v e r t e re x p e r i m e n tp l a t f o r m , d ot h ee x p e r i m e n to fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h ec o n t r o l l e rh a sag o o ds t e pr e s p o n s e ，r i s et i m eu pt o 2 1m s ；b a n d w i d t ho f2 7 5 h z ，t h ec o m p e n s a t i o ne f f e c tb e f o r et h ei n c r e a s e d6 6 i nc h a p t e r6 ，a l la c h i e v e m e n t so ft h ep a p e ra r es u m m a r i z e da n dn e wp r o s p e c ti sp u tf o r w a r d i i i a b s t r a c t k e y w o r d s ：l o w - i n e r t i ae l e c t r o - m e c h a n i c a lc o n v e r t e r , l o o pc o n t r o l ，c o m p e n s a t i o np r i n c i p l e ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i e s ，r e s p o n s ef r e q u e n c y i v 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 流体元件数字化已经成为了流体传动及控制领域一种必然的发展趋势，而作为关键 元件的数字伺服阀，因其具有数字控制的诸如无需d a 转换器、信号传递不受外部环境 干扰等优点，是实现电液控制系统数字化的理想方式【1 】。数字阀是用数字信号直接控制 液体压力、流量和方向的阀，与伺服阀比，具有结构简单、价格低廉、工艺性好、抗污 染和抗干扰能力强、工作稳定可靠、重复性好、功耗小等优点。在计算机实时控制电液 系统中，数字阀已取代比例阀和伺服阀，得到了广泛的应用。 电机械转换器是数字阀的关键元件，功能是将输入的控制信号转换成相应的阀芯 转角或位移，其性能的优劣直接影响数字阀的品质1 2 1 。要提高电液数字阀的性能指标， 很大程度上就是要提高电机械转换器的驱动能力，通过提高电机械转换器的响应频率， 从而提高数字阀的品质显得非常有意义【3 1 。 数字阀的电机械转换器主要有两种，一是利用脉宽调制控制的开关电磁铁，二是步 进电机，两者应用场合不同。步进电机( s t e pm o t o r ) 是一种利用电磁作用原理将电信号 转换成机械动作的电机。步进电机的步距角和转速与脉冲频率有关，不受电压波动和负 载变化的影响 4 】。由于步距角误差不会长期积累，步进电机很适合用于数字控制的开环 系统的驱动电机，它与流体控制元件相结合构成电液数字控制系统。低惯量步进电机能 提高电机械转换器的频响，因此本文对低惯量步进电机进行研究，选用永磁盘式步进 电机为研究对象。 1 2 数字阀发展概况 数字阀在国外应用得比较早，二十世纪八十年代，人们开始研究比例阀同时，也对 数字阀进行了研究。1 9 8 1 年，数字阀首次在第十届国际流体动力博览会上展出，随后国 内外对其进行了大量的研究和开发，受到了液压界的广泛关注。 1 9 8 2 年，美国f o r dm o t o r 公司开发了一种环状多极高速电磁开关阀，其响应时间 第1 章绪论 为2 m s 5 1 。1 9 8 4 年美国b k m 公司的专家们推出一种三通球形插装式高速电磁开关阀【6 1 ， 当工作压力为1 0 m p a 时阀的开启时间为3 m s ，关闭时间为2 m s 。该阀已经被用于柴油机 中压共轨蓄压式电控燃油喷射系统中。 1 9 8 5 年，r a m c h a n d r a n 等人开始对以步进电机作为电机械转换器的增量式数字阀 的性能进行了分析 7 1 。该数字阀具有成本低无累计误差等优点。增量式数字阀的研发以 日本较为领先，东京计器公司的压力阀、数字流量阀、方向流量控制阀等产品均己投入 市场，流量范围为1 - - 5 0 0 l m i n ，压力最高可达2 1 0 m p a ，输入脉冲数为1 0 0 - 1 2 6 ，其 滞环精度和重复特性精度均在0 1 以下。除此之外，日本的内田油压公司、油研公司、 丰兴工业公司、d a n f o s s 公司和u r a t a ，美国的s p e r r y 、v i c k e r s ，德国的h a u h i n c o 等 公司【8 1 0 1 等均已有自己的数字阀商品投放市场。英国、法国、加拿大等也进行了相关研 究及应用【1 1 】。 九十年代数字阀的研究得到了更大的发展，其中田中裕久等人研制出了两种高速电 磁开关阀 1 2 - 1 4 】，二通阀工作在1 5 m p a 的压力下，阀的开启时间和关闭时间分别是3 3 m s 和2 8 m s ：三通阀工作在7 m p a 的压力下，阀的响应时间少于3 m s 。宫本正彦等人成功 研制出三通型超高压高速电磁开关阀，工作压力为1 2 0 m p a 时，阀的开启时间和关闭时 间分别是0 3 5 m s 和0 4 m s ”】。 我国由于工业基础薄弱，改革开放时间比较晚，与国际的技术交流渠道欠缺，所以 与国外相比，国内液压数字阀的研究及应用相对比较落后，但是经过三十多年的发展也 取得了相当大的成就。国内对数字阀所开展的工作大致上可以分为两个方面：一方面是 跟踪国外的研究，积极探索并提高数字阀性能的理论研究；另一方面是自主研发数字样 阀及与之相配套的驱动控制系统【1 6 1 。 甘肃工业大学许仰曾教授从八十年代末期起就对数字液压阀作了大量的研究，不仅 研究阀体结构，而且深入研究了控制驱动系统，并很好地结合实际，先后成功研制出大 流量高频响先导式数字阀、柴油机高压共轨数字阀、数字式压力调节阀等数字阀，并于 2 0 0 4 年推出了h g d v 脉冲调制开关式数字阀 1 7 - 1 8 】。 浙江大学流体传动与控制实验室的丁凡教授设计了p z t 压电陶瓷数字阀【1 蛇们，该数 字阀的工作压力为2 0 m p a ，流量1 0 l m i n ，频率可达2 0 0 h z ，并合理考虑了温度补偿。 重庆大学八十年代末期相继研发了运用步进电机控制的各类液压气动组件，如液压 数字缸、液压数字阀，数字泵等；同时又先后成功研制出脉宽调制型各类数字液压气动 组件。 2 浙江工业大学硕士学位论文 北京航天工业总公司研制了一种数字量调节阀，它不需要d a 转换，可以直接接收 计算机发出的数字脉冲信号，并按其指令执行相关动作。它既可实现开环控制也可实现 闭环控制。由于传动系统和执行机构不同，运动形式可分为直线性和旋转性【2 心3 1 。 浙江工业大学利用单个阀芯的旋转和滑动双自由度构成了新型二维阀即2 d 阀。2 d 数字阀克服了步进电机作为阀电一机械转换器存在量化精度和响应速度之间的矛盾，具 有响应速度快，控制精度高等特点，已在地震模拟台电液数字伺服系统的高速开关阀、 铁路减速项检测电液伺服系统等上得到应用。其中应用于材料试验机系统达到系统载荷 定值控制精度优于0 2 ，材料变形速率、载荷速率的控制精度优于1 1 2 4 1 。 1 3电机械转换器的国内外研究现状 电机械转换器是数字阀的关键元件，功能是将输入的控制信号转换成相应的阀芯 转角或位移，其性能的优劣直接影响数字阀的品质【2 5 1 。高性能电机械转换器的研究一 直是电液伺服控制元件研究的重要方向之一。 1 3 1 传统型电机械转换器 目前，传统型电机械转换器主要可分为以下几种类型。 一、动圈式电机械转换器 动圈式电机械转换器( 又称直流直线电机) 的结构形式以及作用原理和扬声器中 的音圈电机相似，所以也称音圈电机。可以单独使用，也可以和液压元件组合为电机 械转换结构，在液压元件中称为力马达 2 6 1 。动圈式电机械转换器的基本原理是位于磁 场中动圈上的载流导体受力作用的基本原理。恒定磁场由永久磁钢产生，再配以导磁体 组成定子。载流导体制成动圈，通过导流装置将电流引至动圈，当载流线圈被通以直流 电时，便产生一个电磁力，改变线圈中电流的大小和方向就可以得到相对应的输出力和 位移。其优点是结构简单、工作行程大、线性好、滞环小【2 7 】；缺点是体积大、输出力小， 线圈因油的阻尼大而影响其动态响应。 采用力马达驱动有两种代表性方案。一种是以m o o g 公司的d 6 3 3 和d 6 4 4 系列直动式 伺服阀为代表，另一种是以三菱与k y b 株式会合作研发的m k 型伺服阀。m o o g 公司的直 动式伺服阀中的关键部件线性力马达为双向永磁式差动马达。应用线性力马达是近年来 伺服阀技术的一项突出进展，它不但使伺服阀的性能得到较大提高，而且加工精度、功 耗以及成本方面的要求都相应的降低。 第1 章绪论 二、动铁式电机械转换器 动铁式直流直线电机有较长距离运动的磁钢和短距离运动的电磁铁。直线运动的电 磁铁在实际生产中得到广泛的运用。短距离运动的直流直线电机更为普及，在电液控制 系统中也称为动铁式电机械转换器。动铁式直流直线电机结构繁多，几种常见的结构 形式主要分述如下： 1 、开关式电磁铁 开关式电磁铁在继电器、电液换向阀、燃料喷射泵等方面得到广泛的应用。 2 、比例电磁铁 比例电磁铁是电液比例控制系统的关键元件之一，目前在电液比例阀中应用比较广 泛。比例电磁铁开发于7 0 年代，它能使电磁铁按输入电流的大小产生相应的电磁力， 从而按比例进行控制。如图1 - 1 所示，它是一种基于电磁系统产生的电磁吸引力，使衔 铁作机械运动，从而对外做功，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。其优点是结构简单，电磁铁推力大，维护方便，价格低廉，技术成熟。其 激励方式分为直流、交流和永久磁铁：其结构分为单向型和双向型两种，常用为单向型 比例电磁铁。 46 l 一推杆；2 一导套；3 一隔磁环：4 一衔铁；5 一线圈；6 一轴承环 图1 1比例电磁铁结构原理图 目前在i 影, 1 - ，德国、意大利均有成熟的伺服比例阀产品系列，其动态特性较传统的比 4 浙江工业大学硕士学位论文 例阀大为改善，频宽可达4 0 8 0 h z ，并且重复特性精度和滞环精度都小于0 1 的高稳态 控制。国内中船重工第七0 四研究所在原c s d y 射流管伺服阀的基础上研制射流管伺服 比例阀，已取得初步成效。比例伺服阀的动态特性虽较原来的比例阀有较大提高，但其 动态响应仍较喷嘴挡板伺服阀差。 3 、力矩马达 力矩马达用于电液伺服阀的前置级，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 和方向的相应净输出力矩。 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。电磁力矩马达的频率响应，也就是力矩马达由电压输入到衔铁转动的频 率响应，频宽为2 0 0 3 0 0 h z 。由力矩马达驱动的阀的响应时间通常大于1 0 r r 塔，频响在 1 0 0 h z 左右。 但是力矩马达的工作原理决定了阀的性能在如下方面存在不足：力矩马达为感性 负载，温度高时吸力下降且线性范围小；滞后约5 0 m s 才达到额定吸力；对电源和 制造精度的要求较高；动态响应较低等。 l 图1 2 动铁式力矩马达结构原理图 三、步进电机 数字阀的电机械转换器一般指步进电机，步进电机安励磁方式可分为反应式、永磁 式和混合式三种。反应式步进电机结构简单、成本低、步距角小，但动态性能较差。永 磁步进电机电磁阻尼大，控制功率小，以及由于采用永磁体机构，因此具有自锁制动能 力，但这种电机步距大，启动频率低。混合式步进电机定子结构与反应式步进电机相同。 转子是由环型磁铁和两端铁芯组成。两端转子铁芯的外圆周上开有小齿，并且两端铁芯 第1 章绪论 上的小齿错过1 2 个齿距角。电机输出转矩大，动态性能好，步距角小。 1 3 2 新型电一机械转换器 随着科学技术的飞速发展，涌现出一大批应用新型材料的电一机械转换器。主要有 压电陶瓷p m n 、电致p m n 伸缩型、超磁致伸缩型、形状记忆合金型电机械转换器等。 一、压电陶瓷p z t 电介质在电场作用下有两种效应，即逆压电效应和电致伸缩效应。压电陶瓷p z t 是 电介质，在一定电场作用下能产生轴向机械应变力【2 8 】。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”。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 ，响应慢。 压电型电液伺服阀为双喷嘴挡板式一级阀，该阀主要由压电驱动机构，液压阀两部 分构成。压电驱动机构的核心部件为压电双晶片，压电双晶片是由两块p z t 压电陶瓷和 基板黏结而成。液压阀主要由两个进油口、两个工作油口、两个喷嘴、一个回油口以及 进油口、回油口内的固定节流口组成。压电双晶片安装在两个喷嘴的中间位置 3 9 1 。可见， 压电双晶片既是伺服阀的驱动器，亦为其挡板部件。当工作油口的压力反馈信号与计算 机输出控制信号存在差异时，系统通过计算机的比较控制，对压电双晶片的位移进行调 节，使工作油1 ：3 的压力达到要求3 0 1 。 二、电致伸缩材料 电致伸缩是电介质与电场相互作用，引起的二阶机电耦合效应，p m n 应变大小与电 场成平方关系，而应变方向与电场方向无关，即所谓“电致伸缩效应”。1 8 8 0 年p i e r r e 和 c u r r i e 在对一些晶体材料如石英等进行研究时发现了正压电效应和逆压电效应。1 9 7 7 年 美国滨州大学的c r o s s 开始研究电致伸缩效应及实用材料，与日本东京大学的内野研二一 起开发了具有大电致伸缩系数的弛豫铁电体0 9 p b m 9 1 3 n b 2 3 0 2 ，其应变达n o 1 。1 9 8 2 年我国1 4 2 6 所在p l z t 系列电光陶瓷中首先发现了具有大电致伸缩效应的组分( l a ：p z t - - 4 8 1 a ) ，并开发了国内广泛使用的w t d s - _ i 型电致伸缩微位移器。 图1 3 是一种双级四通阀结构图。第一级采用了电致伸缩陶瓷( p m n ) 材料的挡板， 第二级是直径4 毫米的滑阀。滑阀阀芯的位置及速度由电感式敏感元件探测，信号反馈 至差动放大器。由于采用了p m n 电致伸缩材料作为电机械转换元件，使整个伺服阀可 能达到高速响应特性和极小的滞后性能3 1 1 。 6 浙江工业大学硕士学位论文 3 1 一p m n 元件；2 一喷嘴：3 一位移传感器；4 一主阀阀芯；5 一固定节流孔 图1 3 双级四通阀原理图 三、超磁致伸缩电机械转换器 超磁致伸缩材料是一种新型功能材料。目前，国产材料的饱和磁致伸缩系数大于 1 0 - 3 ，具有磁致伸缩应变大、能量传输密度高、响应速度快等特点【3 2 1 。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。 国外己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 o 等相比，g m m 具有独特的性t i ：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；其磁机耦合系数大，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p 3 4 1 。 超磁致伸缩电机械转换器( g m a ) 响应速度快、带载能力强，在精密位置控制、主 动振动控制、超精密加工、机器人等领域具有较好的应用前景。超磁致伸缩电机械转 换器整体结构见图1 4 。由压盖、弹簧和输出杆组成的预压力组件给超磁致伸缩( g m m ) 棒施加一定大小的轴向预压力，使g m m 棒内部磁畴在零磁场时尽可能地沿着与轴向垂 直的方向排列，当； l - j j i 激励场时，可获得较大的轴向磁致伸缩应变，从而增大g m a 位 移输出。另外，预压力的大小对磁机耦合系数和场耦台系数也有影响，适当大小的预 压力可提高g m a 电磁能向机械能的转换效率。前端板、外套、后端板、热补偿机构、 g m m 棒、输出杆和气隙等组成闭合磁路。偏置线圈给g m m 棒施加一定强度的授化磁场， 7 第1 章绪论 一方面可避免倍频现象，另一方面可使g m m 棒磁致形变处于线性区域，并可减d , g m a 响应的不灵敏区。偏置场可采用永久磁铁或电流线圈施加，前者偏置场强度不能改变， 后者则可根据不同的工况方便地调节。 l 一线圈2 - - g m m 棒3 一阀体4 一预压弹簧5 一阀口6 一燃料喷射管7 一法兰盘8 一燃料管 图1 4g m a 结构原理 四、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 y a l l o y ，s m a ) 是一种新型功能材料，由于其功能特异 得到广泛应用。自2 0 世纪5 0 年代在a u - c d 合金和i n - t i 合金中发现热弹性马氏体之后，1 9 6 3 年b i e h e v 等人发现合金元件的声阻尼性能与温度有关。进一步研究发现近等原子比的 t i n i 合金具有良好的形状记忆效应( s h a p em e m o r ye f f e c t ) ，此后t i n i 合金作为商品进人市 场记忆合金的较早的典型应用之一是1 9 7 0 年美国将t 甜i 记忆台金丝制成宇宙飞船天 线。7 0 年代先后在c u a l n i 及c u z n a l 等合金中发现了形状记忆效应。8 0 年代开发出 f e m n s i 、不锈钢等铁基形状记忆合金，由于其成本低廉，加工简便而引起材料工作者的 兴趣。9 0 年代高温形状记忆合金( 金属问化合物型) 、宽滞后记忆台金以及记忆合金薄膜 等相继开发出来。 形状记忆合金的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，它会重新恢复到高温下形状。形状记忆合金虽变形量 大，但其响应速度慢，且变形不连续，无法精确控制等缺点，限制了其在流体控制元件 中的应用范围。 如图1 5 所示为基于s m a 电机械转换器的小型比例伺服阀【3 5 1 。该阀采用差动结构， 左右两端的s m a 转换器是由一组细丝状的形状记忆合金绕制而成；对该阀进行性能测 试实验时，采用通电加热和强制油冷方法来驱动s m a 转换器，对阀芯两端分别给以加 热或冷却，形状记忆合金就会相应的收缩或伸长，从而驱动伺服阀的阀芯左右移动，同 时加入位置反馈来提高伺眼阀的控制性能。当伺服阀的振幅为5 0 9 m 时，其频宽大约为 浙江工业大学硕士学位论文 2 0 h z ；当伺服阀的振幅降为2 5 a m 时，频宽将提高到4 0 h z ( 3 6 1 。 1 一s m a 执行器2 一位置传感器3 一阀芯 图1 5s m a 比例阀 1 4 永磁盘式步进电机研究现状 1 4 1永磁盘式步进电机国外研究现状 1 8 2 1 年，法拉第发明的世界上第一台电机就是轴向磁场盘式永磁电机。限于当时的 材料和工艺水平，盘式电机未能得到进一步发展。当1 8 3 7 年柱式电机( 径向磁场电机问 世以后，盘式电机便受到冷落。一百多年来，柱式电机一直处于主导地位，具有明显的 优势”1 。 然而，人们逐渐认识到普通圆柱式电机存在一些固有的缺点，如冷却困难和转子铁 心利用率低等【3 8 1 。从2 0 世纪4 0 年代起，轴向磁场盘式电机重新受到了电机界的重视。 2 0 世纪7 0 年代初研制出盘式直流电机，7 0 年代末研制出交流盘式电机。 随着技术的进步，特别是微机控制的铁心自动冲卷机的问世，解决了盘式电机制造 的关键工艺装备问题，使其批量生产及多种结构设计成为可能，因而促进了盘式电机的 推广应用【3 9 1 。值得一提的是，高性能n d f e b 永磁材料的出现，使盘式永磁电机得到了 迅速发展。如英国一家公司采用稀土永磁材料研制的电动汽车用永磁盘式电机，具有高 效率( 9 0 - - 9 2 ) 、高转矩、高转速( 1 0 0 0 0r r a i n ) 和低惯量的特点，将盘式电机装在车轮 内直接驱动车辆，结构非常紧凑。美国p m im o t i o nt e c h n o l i g i s t 公司开发的n 系列盘式 伺服电动机，厚度不到2 5 4 m m ，转速为4 0 0r i m i n ，转矩为0 4 9 n m ，峰值力矩可达5 3 n m ， 这种电机转矩稳定，尤其是低速下转矩稳定。研究表明，轴向磁场结构电机比普通的径 向磁场结构具有更高的功率密度和转矩一惯量比，e s p o o n e r 在“环绕无槽轴向磁场无 刷直流电动机 一文中给出了5 一- 1 0 0 k w 电机的设计尺寸，其中1 0 0 k w 电机的设计总 长度仅为l l l m m ，它表明盘式电机在某些传动系统应用中具有特别的吸引力 4 0 】。 9 第1 章绪论 国外盘式电机的产品各异，门类较全，在七、八十年代，很多已进入市场。线绕盘 式直流电动机是无铁芯电枢电机之一，它最早出现在1 9 7 1 年的美国专利，但当时尚无实 用阶段的技术报告。由于新材料的使用和工艺方法的发展，日本在世界上最早使该电机 工业化生产获得成功。八十年代，瑞士、美国、日本都先后开发了盘式结构的永磁步进 电动机，1 9 8 1 年瑞士p o r t e s c a p 公司首先公布了盘式永磁转子步进电动机系列，1 9 8 6 年美 国研制出该产品，并申请了专利。该结构的优点是永磁材料利用较合理，转子重量轻， 改善了电机的加速性能和频率响应，矩频特性较理想，单位体积的输出功率也较大【4 l 】； 缺点是定子结构及其制造相当复杂。2 0 世纪初，国外对环形有槽和无槽盘式永磁电机进 行了深入的研究，推导出用于环形盘式永磁电机的s i z i n g 方程，并将其与三维有限元计 算结果对比，结果基本一致。2 0 0 3 年，芬兰的p a n uk u r r o n e n 在其博士论文中详细的讨论 了减少脉振转矩的几种技术手段。2 0 0 4 年，意大利一家公司等对盘式永磁电机的空载损 耗和脉动转矩通过试验和磁场分析的方法进行了深入研究。2 0 0 5 年芬兰理工大学一位博 士在其博士论文中介绍双定子夹单转子型结构的盘式永磁电机的设计，并制造了一台 5 k w 的双定子单转子的表面式永磁盘式电机。 1 4 2 永磁盘式步进电机国内研究现状 在我国，七十年代开始研究盘式电机，八十年代以来，我国对盘式电机的研究向纵 横发展。各类产品及样机相继问世。由于航天工业需要，1 9 7 6 年研制成功第一代线绕盘 式直流电机，并由于它的优异性能，收到了极好的实用效果。之后，随着家用电器、电 动自行车、机器人、计算机及其外围设备、复印机、办公自动化产品、豪华型高级轿车、 录像产品的兴起，对一些配套电机提出了高的性能指标和薄型安装结构的要求。在八十 年代初中期，我国的起重机和冲压机上需要的一些盘式制动电动机主要从国外进口，日 本安川公司生产的盘式制动电动机系列产品己进人商品阶段，到八十年代末期，我国湖南 跃进机械厂和上海电机技术研究所成功地开发了这种产品，并使之系列化该产品主要用 于电动葫芦、升降机械、吊篮卷扬机等。1 9 8 6 年我国发明了盘式鸟嘴形永磁步进电动机， 并取得了中国实用新型专利，它兼有盘式结构和传统的爪极式结构两种步进电动机的优 点，盘式永磁步进电动机可应用于计算机外设、自动化仪表自动控制设备、机器人及办公 自动化机器人等领域。1 9 8 8 年至1 9 9 0 年初，我国研制出盘式永磁转子步进电动机。1 9 9 8 年浙江大学的刘晓东、赵衡兵等对单定子，双转子的盘式永磁电机进行了研究，采用这 种结构消除了轴向吸力的影响，提出了该类电机的设计方法，并给出了该电机的输出功 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 率和主要尺寸之间的关系。2 0 0 0 年，西安交通大学的王正茂、苏少平等研制出了两台三 相盘式永磁电动机。2 0 0 5 年沈阳工业大学特种电机研究所研制出两台外转子结构的无铁 心永磁电机，具有很高的转矩密度和率。 目前，我国已经有了一批盘式永磁电动机产品，但现有产品技术指标仍低于国际水 平，盘式电机的设计不是很完善，制造上也较为困难，这使得其应用受到了限制。因此， 我国白行开发和研制盘式永磁电动机的能力还不高，相关理论还有待于深入研究。 1 5 研究内容及意义 电机械转化器是数字阀的核心元件，其性能优劣直接关系到伺服阀整体性能的好 坏。数字阀的电机械转换器一般指步进电机，由于阀的开口大小不一，针对最大阀开 口为1 4 4 0 的数字阀，设计基于d s p 的专门控制器。为精确快速地控制阀开口，要求选 用的步进电机定位精度准确、频响高。本文选用p o r t e s c a p 公司型号为p 4 3 02 5 80 0 50 1 永磁盘式步进电机研究对象，该电机相比于其他步进电机具有动态性能好、转子惯量极 低、频响高等优点，适合用于高速场合。本文着重对低惯量电机械转换器特性进行研 究和分析，建立其数学模型，运用p i d 控制算法，通过仿真和实验对比分析电流和位置 补偿校正控制方法，并运用该方法分别测得电机械转换器对应阀开口幅值2 5 、5 0 和1 0 0 下的阶跃特性和频率特性。实验结果表明，低惯量电机械转换器的上升时问最 快可达2 1 m s ；频宽最大达2 7 5 h z 。 主要内容如下： 1 、选用永磁盘式步进电机为研究对象，详细介绍了该电机的结构和原理，并对其 进行了数学建模，得出两相步进电机的电压方程，力矩方程和动力学方程。 3 、设计基于d s p 低惯量电机械转换器控制器，介绍了硬件系统和软件系统，对各 个模块进行说明；阐述了电流控制信号的产生及位置闭环等方法的实现。 4 、为提高电机械转换器频响，采用电流直接反馈。由于高频时电流跟踪能力差， 本章介绍电流和位置补偿校正环节。分析补偿环节的原理，理论和实验结果表明补偿环 节作用后电机械转换器的频响有了很大的提高。 5 、搭建低惯量电机械转换器实验平台，对其动态特性进行实验研究。控制器具有 良好的阶跃响应特性，上升时间最快可达2 1 m s ；频宽最大达2 7 5 h z ，比补偿环节作用 之前提高了6 6 。 第i 章绪论 1 6 本章小结 本章简要论述了数字阀、电机械转换器以及永磁盘式步进电机的国内外发展和研 究现状，阐述本论文的研究内容及意义。 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章电机械转换器的结构原理与建模 机电控制技术的数字化应用已经越来越广泛，并且将成为信息时代发展的必然趋势 【4 2 】。如今，在电液控制技术领域，技术人员也千方百计应用软硬件技术来实现电液系统 的数字化控制。电液控制系统的数字化实现有直接和间接两种方式：直接方式是将数字 阀运用于电液控制系统中；间接方式是用计算机通过数模转换器实现对于模拟式电液控 制元件( 如比例伺服阀) 的数字控制。直接控制方式相对间接控制方式更理想，主要原 因是数字阀除了不需要数模转换器、信号传递也不受外部环境干扰等优点外h 3 1 ，还具备 重复精度高、滞环小等其他优点。步进电机因具有抗干扰能力强、精度高、受摩擦力和 非线性因素影响小以及可直接用于开环控制等优点1 4 4 ，常用作数字阀的电一机械转换 器。 步进电机是一种利用电脉冲信号进行控制，将电脉冲信号转换成相应的角位置或线 位置的控制步进电机，也称脉冲电动机。它可以看作是一种特殊运行方式的同步电动机。 步进电机是数字控制系统中的一种执行元件4 5 1 。它的直线位移量或角位置量与电脉冲数 成正比。所以电机的线速度或转速也与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率的高低就可 以在很大的范围内调节电机的转速。若用同一频率的脉冲电源控制几台步进电机，它们 可以同步运行。 有些步进电机在停止供电状态下还有定位转矩，有些在停机后某些相绕组仍保持电 状态，也具有自锁能力，不需要机械的制动装置。电机的步距角和转速大小不受电压波 动和负载变化的影响，也不受环境条件如温度、气压、冲击和振动等影响，仅与脉冲频 率有关。一般在控制系统中，对步进电机的基本要求是： ( 1 ) 在电脉冲的控制下步迸电机能迅速启动、正反转、停转及在较宽的范围内进 行转速调节。 ( 2 ) 为了提高精度，一个脉冲对应的位移量要小，要准确、均匀。这就要