电液位置控制系统设计.doc

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1、电液伺服位置控制系统的设计与分析一、系统的设计要求设有一数控机床工作台的位置需要连接控制，进行电液位置控制系统设计。其技术要求为：指令速度信号输入时引起的速度误差为：ev＝5mm干扰输入引起的位置误差为：epf=0.2mm给定设计参数为：工作台质量m＝1000kg最大加速度amax＝1m/s2最大行程S＝50cm最大速度v=8cm/s工作台最大摩擦力Ff＝2000N最大切削力Fc＝500N供油压力ps＝6.3MPa反馈传感器增益Kf＝1V／cm二、系统的分析图1为某数控机床工作台位置伺服系统的系统方框原理图。由于

2、系统的控制功率较小、工作台行程较大，所以采用阀控液压马达系统。用液压马达驱动，通过滚珠丝杠装置把旋转运动变为直线运动。图1系统方框图三、工作台负载分析工作台负载主要由切削力、摩擦力和惯性力三部分组成。假定系统在所有负载都存在的条件下工作，则总负载力为：=3500N（1）四、动力元件参数选择（1）工作台由液压马达经减速器和滚珠丝杠驱动。根据力矩平衡方程，减速器输入轴力矩：（2）其中：t为丝杠导程；i为减速器传动比液压马达最大转速为：（3）其中：为工作台的最大运动速度。液压马达所需排量为（4）其中：为液压马达负载压力

3、，一般取＝，为液压系统压力，为液压马达弧度排量。根据条件：i＝2，t＝1.2×m/r，＝63×105Pa由式（2）、式（4）计算得：＝0.8×/rad所以，液压马达负载流量为：（5）伺服阀压降为：（6）考虑泄漏等影响，增大15％，。根据和，查手册得额定流量,选择液控型变量柱塞泵和电液伺服阀。（2）位移传感器选用差动式变压器式，其增益为。放大器采用高输出阻抗的伺服放大器，放大倍数待定。五、电液伺服控制系统的传递函数1.系统传递函数及方框图U1U2_i图2系统传递函数方框图2.各环节传递函数（1）放大器增益为：（7）

4、其中：∆I为输出电流；为输入电压。（2）电液伺服阀的传递函数由样本查得为：（8）其中：为伺服阀流量；为伺服阀的流量增益。经计算，额定流量＝8L/min的阀在供油压力＝63×Pa时，空载流量＝1.27×/s，所以阀的额定流量增益＝/＝4216×/(s·A)。则伺服阀的传递函数为：（9）（3）液压马达—负载的传递函数。由于负载特性没有弹性负载，所以液压马达和负载的传递函数为：（10）其中：为液压固有频率；为液压阻尼比。（11）式中：为系统的有效体积弹性模数；为液压马达的容积；为工作台质量折算到液压马达轴的转动惯量，＝

5、。考虑齿轮、丝杠和液压马达的惯量取＝1.12×kg·，并取液压马达的容积＝10×，则液压固有频率为：=388rad/s（12）假定阻尼比仅由阀的流量－压力系数产生。零位流量－压力系数近似计算为：（13）取＝2.51×m、＝5×m、＝1.8×Pa，得：液压阻尼比为=1.24将、、值代入式（10）得：（14）减速齿轮与丝杠的传递函数为：（15）位移传感器和放大器的动态特性可以忽略，其传递函数可以用它们的增益表示。传感器增益为：（16）其中：为反馈电压信号；为工作台位移。则伺服系统的开环传递函数为：（17）式中：为系统

6、开环增益。（18）其中：为放大器增益。一般情况下，取开环增益＝90时，由式（18）可得放大器增益为：=0.179（19）六、系统仿真分析由以上计算得到传递函数：（20）（1）通过Simulink仿真，可得到可机床工作台液压伺服系统的仿真模型，如下图3所示。＝0.179时，系统的仿真输出结果如下图3所示。图3系统仿真模型图4系统阶跃响应曲线从系统的单位阶跃响应曲线可以看出，系统的阶跃响应性能优良，系统稳定性良好，响应快速，调节时间短。（2）绘制系统的Bode图，求取系统的幅频性能指标。在matalb中运行如下程序：

7、num=[90];den=conv([1/1/6001],[1/0.3/38810]);h=tf(num,den);margin(h)图5系统开环Bode图做出＝90时开环系统的Bode图，如上图5所示，可以看出：＝11.6dB、＝52.8°，相角裕度和幅值裕度为正值，系统是一个稳定系统。七、系统的稳态误差分析干扰输入引起的系统的位置误差是指令速度信号输入时引起的系统的速度误差是V是工作台速度对于干扰来说，系统是0型的。启动和切削不处于同一动作阶段，静摩擦干扰就不必考虑。伺服放大器的温度零漂为0.5％～1％、伺服

8、阀的零漂和滞环为1％～2％、执行元件的不灵敏区为0.5％～1％。假定最大干扰量之和为±2％，由此引起的系统的位置误差＝±3.35×m。对指令输入来说，系统是I型的，最大速度＝8×m/s时的速度误差＝8.9×m。八、结论综上所述，系统能达到的性能指标为位置误差＝3.35×m<0.2mm，速度误差＝8.9×m<5mm。系统能在动态特性、稳定性和稳态误差等性能指标方面满足设计任