電液伺服閥控活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 電液伺服閥控活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá) 位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓名： 洪敏 學(xué)號(hào)： 101201205 班級(jí)： 機(jī)械1002班 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造及其自動(dòng)化 學(xué)院： 機(jī)械工程學(xué)院 第一章、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1.1活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)的組成及工作原理活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)是將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)的液壓機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中結(jié)構(gòu)原理如圖所示。它由滾珠螺旋副、滾珠花鍵導(dǎo)軌副、旋轉(zhuǎn)輸出套以及液壓油缸等組成。擺動(dòng)馬達(dá)的工作原理為：液壓油進(jìn)入油缸驅(qū)動(dòng)滾珠螺旋絲桿軸往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，滾珠螺旋絲桿軸驅(qū)動(dòng)螺旋旋轉(zhuǎn)輸出套做往復(fù)旋擺運(yùn)動(dòng)，滾珠花鍵導(dǎo)軌副防止螺旋絲桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)。1.活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)是將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)的液壓機(jī)械復(fù)合

2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其中結(jié)構(gòu)原理如圖所示。它由滾珠螺旋副、滾珠花鍵導(dǎo)軌副、旋轉(zhuǎn)輸出套以及液壓油缸等組成。擺動(dòng)馬達(dá)的工作原理為：液壓油進(jìn)入油缸驅(qū)動(dòng)滾珠螺旋絲桿軸往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，滾珠螺旋絲桿軸驅(qū)動(dòng)螺旋旋轉(zhuǎn)輸出套做往復(fù)旋擺運(yùn)動(dòng)，滾珠花鍵導(dǎo)軌副防止螺旋絲桿軸轉(zhuǎn)動(dòng)。2設(shè)計(jì)并仿真分析電液伺服閥控活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)位置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)及性能要求：馬達(dá)的最大旋轉(zhuǎn)擺角為50；最大轉(zhuǎn)速，最大角加速度；液壓缸以外運(yùn)動(dòng)部件受到干摩擦力矩為；液壓缸的粘性摩擦系數(shù)為；負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為，靜態(tài)誤差；速度誤差；相位裕量；增益裕量；液壓彈性模量為。1）計(jì)算液壓缸的傳遞函數(shù)，并繪制系統(tǒng)控制方框圖；2）建立電液控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；3)用pi調(diào)節(jié)器

3、對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能校正和仿真分析（校正前、后的伯德圖、單位階躍響應(yīng)以及正弦響應(yīng)）。第二章、元器件選用2.1液壓油源開式泵選用德國(guó)力士樂原裝進(jìn)口的軸向柱塞恒壓變量泵，特別適合開式回路，具有良好的自吸特性，連續(xù)工作壓力可達(dá)35mpa，噪聲低、使用壽命長(zhǎng)、功率重量比高，排量為125ml/r。閥控馬達(dá)實(shí)驗(yàn)中，由該泵提供動(dòng)力源。2.2電液伺服方向閥泵經(jīng)此電液伺服方向閥控制活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)的流量和方向。這里采用的是意大利atos公司生產(chǎn)的16通徑的dpzo-l型三位四通先導(dǎo)式高性能電液伺服方向閥，它主要由電-機(jī)械轉(zhuǎn)換元件、先導(dǎo)式伺服閥兩部分組成，可根據(jù)輸入電信號(hào)提供方向控制和無補(bǔ)償?shù)牧髁靠刂?。這種高性能電液

4、伺服方向閥，是普通型電液伺服方向閥進(jìn)一步發(fā)展的結(jié)果，它的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)已達(dá)到了傳統(tǒng)伺服閥的指標(biāo)，其中一些指標(biāo)甚至超過伺服閥。dpzo-l型高性能電液伺服方向閥具有兩個(gè)位置傳感器。一個(gè)在先導(dǎo)閥上，用來檢測(cè)先導(dǎo)閥的閥芯位移，并反饋至伺服放大器，從而形成先導(dǎo)級(jí)位移電反饋的作用，從而提高閥的運(yùn)行可靠性以及優(yōu)化閥的動(dòng)態(tài)特性；而另一個(gè)在主閥閥芯上，用來檢測(cè)主閥的閥芯位移，并反饋至伺服放大器，從而形成從伺服放大器給定信號(hào)至主閥芯位移的閉環(huán)位移控制，把伺服放大器、電磁鐵及先導(dǎo)閥都包含在閉環(huán)中了，提高了主閥芯的抗干擾（摩擦力、液動(dòng)力的變化）能力，快速、正確地跟蹤輸入電信號(hào)的變化。所以dpzo-l型電液伺服閥

5、輸入信號(hào)以雙閉環(huán)形式精確地確定了閥芯調(diào)節(jié)，并且由于具有雙傳感器，動(dòng)態(tài)性能高，響應(yīng)快。2.3伺服放大器伺服放大器根據(jù)輸入信號(hào)調(diào)整供給伺服電磁鐵的電流，電磁鐵將此電流轉(zhuǎn)換為作用于滑閥閥芯上的力，以克服彈簧的彈力。電流增大，輸出的力相應(yīng)增大，結(jié)果壓縮復(fù)位彈簧使閥芯移動(dòng)。第三章、電液伺服閥控活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)位置控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型3.1系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立3.1.1伺服放大器傳遞函數(shù)高性能電液伺服換向閥是電流控制型元件，其伺服電磁鐵及線圈具有比較大的感抗，伺服閥的驅(qū)動(dòng)電路伺服放大器通常為高輸出阻抗的電壓電流轉(zhuǎn)換器，其頻帶比液壓固有頻率寬得多，在研究頻率范圍內(nèi)，通常可視為放大環(huán)節(jié)，即 (3-1) 式中 伺服

6、放大器輸出電流； 誤差電壓； 伺服放大器增益。 3.1.2高性能電液伺服方向閥傳遞函數(shù)這里采用的先導(dǎo)式伺服方向閥的作用原理，即先導(dǎo)閥控制液動(dòng)式主滑閥的作用情況，極類似于三位四通閥控制對(duì)稱液壓缸的作用原理。只是它比一般的閥控液壓缸更為復(fù)雜，是一個(gè)復(fù)雜的閉環(huán)系統(tǒng)，它的實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)既不是典型的慣性環(huán)節(jié)，也不是典型的震蕩環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)的簡(jiǎn)化要視具體情況而定。若將它簡(jiǎn)化為二階震蕩環(huán)節(jié)，則可知伺服閥傳遞函數(shù)為： （3-2）式中 電液伺服閥在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近流量； 電液伺服閥在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近流量增益； 電液伺服閥的等效無阻尼自振頻率； 電液伺服閥的等效阻尼系數(shù)，無量綱； 拉普拉斯算子。3.1.3閥控活塞式液

7、壓擺動(dòng)馬達(dá)動(dòng)力傳遞函數(shù)由電液伺服方向閥、活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)和負(fù)載組成的液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的品質(zhì)好壞有很大影響，因此確定閥控活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)動(dòng)力機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型是分析整個(gè)系統(tǒng)的前提。首先假設(shè)：1）伺服閥和活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)之間的連接管道很短，可以忽略管道中的壓力損失和管道動(dòng)態(tài)的影響；2）活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)的內(nèi)外泄漏流動(dòng)狀態(tài)為層流，馬達(dá)的殼體壓力為大氣壓，忽略低壓腔的殼體的外泄漏，液流的密度和溫度均為常數(shù)；3）伺服閥為理想零開口的四通滑閥，節(jié)流窗口匹配且對(duì)稱，且滑閥具有理想的動(dòng)態(tài)特性；4）油源供油壓力恒定，回油壓力為零；5）工作油液的體積彈性模量為恒值。在上述假設(shè)條件下可列出三個(gè)動(dòng)態(tài)方程：1.電液

8、伺服閥的線性化流量方程 （3-3）式中 電液伺服閥的負(fù)載流量； 伺服閥閥芯位移； 伺服閥流量-壓力系數(shù)； 負(fù)載壓力。對(duì)式（3-3）進(jìn)行拉式變換 （3-4）2.活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)的流量連續(xù)性方程 （3-5）式中 活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)的等效弧度排量； 螺旋旋轉(zhuǎn)輸出套的角位移； 活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)的總泄漏系數(shù)， ； （其中，分別為馬達(dá)的內(nèi)外泄漏系數(shù)） 活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)、伺服閥腔及連接管道總?cè)莘e ； 工作油液的有效體積彈性模量。對(duì)式（3-5）作拉氏變換 （3-6）3.活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)軸上的力矩平衡方程忽略靜摩擦力、庫(kù)侖摩擦等非線性和油液的質(zhì)量，根據(jù)牛頓第二定律可得馬達(dá)和負(fù)載的力矩平衡方程為： （3-

9、7）式中 活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)和負(fù)載（折算到馬達(dá)旋轉(zhuǎn)輸出套 上）的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 粘性阻尼系數(shù)； 負(fù)載扭矩彈簧剛度； 作用在馬達(dá)旋轉(zhuǎn)輸出套上的外負(fù)載力矩。對(duì)式（3-7）作拉氏變換 （3-8）4.閥控活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)動(dòng)力機(jī)構(gòu)傳遞函數(shù)聯(lián)立式（3-4）、（3-6）、（3-8）可以得到閥芯位移和外負(fù)載干擾作用同時(shí)作用于馬達(dá)的總輸出角位移（3-9）式中kce-總流量-壓力系數(shù)，kce=kc+ctm（m5/ns）。此閥控液壓馬達(dá)系統(tǒng)中，馬達(dá)和負(fù)載剛性連接，故彈性負(fù)載影響可不計(jì)，即g=0，又通常1，則式（3-9）可簡(jiǎn)化為 （3-10）式中h-無阻尼液壓固有頻率，（rad/s）；h-液壓阻尼比，無量綱。又系統(tǒng)穩(wěn)

10、態(tài)工作點(diǎn)附近流量q=kqxv，則由式（3-10）可得馬達(dá)輸出角位移對(duì)流量、外負(fù)載的傳遞函數(shù)分別為： （3-11） （3-12）則可知液壓馬達(dá)角速度對(duì)流量、外負(fù)載的傳遞函數(shù)分別為： （3-13） （3-14）令式（3-14）中3.1.4位移傳感器傳遞函數(shù)可將速度傳感器視為伺服環(huán)節(jié)，則有 （3-15）kf-速度傳感器的增益。3.1.5閥控馬達(dá)系統(tǒng)傳遞函數(shù)綜合圖（2-2）和式（3-1）、（3-2）、（3-13）、（3-15）得閥控馬達(dá)電液伺服控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖，如圖3-1所示： 電液伺服控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖3.2負(fù)載的等效處理閥控馬達(dá)系統(tǒng)中彈性負(fù)載可忽略不計(jì)，這里主要考慮慣性負(fù)載和外負(fù)載力矩。

11、1.慣性負(fù)載包括液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量jm和外負(fù)載二次元件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量jl，又馬達(dá)和負(fù)載直接相連，所以馬達(dá)和負(fù)載折算到馬達(dá)旋轉(zhuǎn)輸出套上的總慣量：jt=jm+jl。2.外負(fù)載力矩由加載模塊調(diào)定加載壓力，使承載元件二次元件產(chǎn)生一定量轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，即外負(fù)載力矩mm。3.3系統(tǒng)傳遞函數(shù)參數(shù)確定1.伺服放大器增益ka這里采用與電液比例方向閥配套使用的e-me-l-01型伺服放大器，其誤差電壓額定輸入值為uo=10（v），額定輸出電流為io=3a，所以有 （3-16）2.電液伺服閥穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)流量增益kq從所用dpzo-l270型電液伺服閥流量特性曲線3-2可以得出：閥壓降p為10bar時(shí)，額定流量qv為200l/min

12、。設(shè)空載時(shí)閥額定流量為qv1，又供油壓力為31.5mpa，則可得（3-17）又知閥額定電流i1=10ma，則有電液伺服閥空載穩(wěn)定工作點(diǎn)附近流量增益為： （3-18）3.電液比例閥壓力-流量系數(shù)kc （3-19）4.活塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)參數(shù)馬達(dá)的最大旋轉(zhuǎn)擺角為50=0.8727rad；最大轉(zhuǎn)速max=30/s=0.5236rad/s，最大角加速度max=50/s2=0.8727rad/s2；液壓缸以外運(yùn)動(dòng)部件受到干摩擦力矩為mm=150kgm=1500nm；液壓缸的粘性摩擦系數(shù)為bp=1.5kgm/s；負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為j=4.18nm，液壓彈性模量為e=7000105n/m2。忽略負(fù)載粘性摩擦系數(shù)，

13、取d0=0.12m，=18得： 由式（3-7）忽略彈性負(fù)載的影響得： 為滿足最大功率要求則則滿足滿量程所需要的活塞容積考慮到管道體積及活塞有效容積利用率，將上述容積擴(kuò)大20%作為塞式液壓擺動(dòng)馬達(dá)、伺服閥腔及連接管道總?cè)莘e，即4.其它參數(shù)由液壓試驗(yàn)臺(tái)資料及液壓手冊(cè)可以查得下列參數(shù)。閥固有頻率v=60hz=377rad/s閥阻尼比v=0.70速度傳感器增益kf=0.21vs/rad計(jì)算由以上已知參數(shù)可以計(jì)算出忽略馬達(dá)活塞泄漏，則 （3-20） （3-21）（3-22）（3-23）jt=4.18nms2 （3-24）于是，電液伺服閥的傳動(dòng)函數(shù)為（3-25）液壓馬達(dá)角速度對(duì)流量的傳遞函數(shù)為（3-26）

14、馬達(dá)角速度對(duì)外負(fù)載傳遞函數(shù)為（3-27）3.4系統(tǒng)特性分析閥控馬達(dá)速度控制系統(tǒng)是一零型有差系統(tǒng)，對(duì)于階躍輸入，速度偏差隨速度增大而增大。這是因?yàn)橐龃筝敵鏊俣龋娨核欧y就要增大相應(yīng)的輸出流量；而增大相應(yīng)的輸出流量所需要的輸入電流是由偏差而獲得的。所以，只是把位置反饋?zhàn)優(yōu)樗俣确答佀M成的速度控制系統(tǒng)，不僅是有差系統(tǒng)，而且往往是不穩(wěn)定的，或是穩(wěn)定裕量很小。3.4.1開環(huán)傳遞函數(shù)由上可知閥控馬達(dá)速度控制系統(tǒng)輸出速度的相應(yīng)電壓與輸入偏差電壓開環(huán)傳遞函數(shù)為：（3-28）系統(tǒng)開環(huán)增益開環(huán)傳遞函數(shù)為：（3-29）其中k=484.5第四章、校正后的伯德圖、階躍響應(yīng)和正弦響應(yīng)%draw bodeclear a

15、ll;clc;num=200*0.10778 1;den=conv(conv(1 0 0,0.000007036 0.003714 1),0.00001041 0.003714 1);g=tf(num,den);gm,pm,wcp,wcg=margin(g);margin(g);grid;clear all;clc;num=200*0.10778 1;den=conv(conv(1 0 0,0.000007036 0.003714 1),0.00001041 0.003714 1);t=0:0.1:20;sys1=tf(num,den);sys=feedback(sys1,1,-1);step

16、(sys);clear all;num=200*0.10778 1;den=conv(conv(1 0 0,0.000007036 0.003714 1),0.00001041 0.003714 1);t=0:0.001:1;y=sin(300*t);lsim(num,den,y,t);可見，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)的幅值隨輸入信號(hào)頻率變化而變化，其相位也是隨輸入信號(hào)的頻率變化而變化。當(dāng)頻率趨近無窮大時(shí)輸出幅值才與輸入幅值相等。第五章、調(diào)整后系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差分析5.1指令輸入引起的穩(wěn)態(tài)誤差（5-1）系統(tǒng)對(duì)指令輸入的誤差傳遞函數(shù)為利用拉氏變換的終值定理，求得穩(wěn)態(tài)誤差為5.2負(fù)載干擾力矩引起的穩(wěn)態(tài)誤差系統(tǒng)對(duì)外負(fù)載力矩的誤差傳遞函數(shù)為穩(wěn)態(tài)誤差為5.3零漂和死區(qū)等