高压电源毕业论文硕士

液压伺服系统设计 液压伺服系统设计 在液压伺服系统中采用液压伺服阀作为输入信号的转换与放大元件。液压伺服系统能以小功率的电信号输入，控制大功率的液压能（流量与压力）输出，并能获得很高的控制精度和很快的响应速度。位置控制、速度控制、力控制三类液压伺服系统一般的设计步骤如下： 1）明确设计要求：充分了解设计任务提出的工艺、结构及时系统各项性能的要求，并应详细分析负载条件。 2）拟定控制方案，画出系统原理图。 3）静态计算：确定动力元件参数，选择反馈元件及其它电气元件。 4）动态计算：确定系统的传递函数，绘制开环波德图，分析稳定性，计算动态性能指标。 5）校核精度和性能指标，选择校正方式和设计校正元件。 6）选择液压能源及相应的附属元件。 7）完成执行元件及液压能源施工设计。 本章的内容主要是依照上述设计步骤，进一步说明液压伺服系统的设计原则和介绍具体设计计算方法。由于位置控制系统是最基本和应用最广的系统，所以介绍将以阀控液压缸位置系统为主。 全面理解设计要求 全面了解被控对象 液压伺服控制系统是被控对象—主机的一个组成部分，它必须满足主机在工艺上和结构上对其提出的要求。例如轧钢机液压压下位置控制系统，除了应能够承受最大轧制负载，满足轧钢机轧辊辊缝调节最大行程，调节速度和控制精度等要求外，执行机构—压下液压缸在外形尺寸上还受轧钢机牌坊窗口尺寸的约束，结构上还必须保证满足更换轧辊方便等要求。要设计一个好的控制系统，必须充分重视这些问题的解决。所以设计师应全面了解被控对象的工况，并综合运用电气、机械、液压、工艺等方面的理论知识，使设计的控制系统满足被控对象的各项要求。 明角设计系统的性能要求 1）被控对象的物理量：位置、速度或是力。 2）静态极限：最大行程、最大速度、最大力或力矩、最大功率。 3）要求的控制精度：由给定信号、负载力、干扰信号、伺服阀及电控系统零飘、非线性环节（如摩擦力、死区等）以及传感器引起的系统误差，定位精度，分辨率以及允许的飘移量等。 4）动态特性：相对稳定性可用相位裕量和增益裕量、谐振峰值和超调量等来规定，响应的快速性可用载止频率或阶跃响应的上升时间和调整时间来规定； 5）工作环境：主机的工作温度、工作介质的冷却、振动与冲击、电气的噪声干扰以及相应的耐高温、防水防腐蚀、防振等要求； 6）特殊要求；设备重量、安全保护、工作的可靠性以及其它工艺要求。 负载特性分析 正确确定系统的外负载是设计控制系统的一个基本问题。它直接影响系统的组成和动力元件参数的选择，所以分析负载特性应尽量反映客观实际。液压伺服系统的负载类型有惯性负载、弹性负载、粘性负载、各种摩擦负载（如静摩擦、动摩擦等）以及重力和其它不随时间、位置等参数变化的恒值负载等。 拟定控制方案、绘制系统原理图 在全面了解设计要求之后，可根据不同的控制对象，按表6所列的基本类型选定控制方案并拟定控制系统的方块图。如对直线位置控制系统一般采用阀控液压缸的方案，方块图如图36所示。图36 阀控液压缸位置控制系统方块图表6 液压伺服系统控制方式的基本类型伺服系统 控制信号 控制参数 运动类型 元件组成机液电液气液电气液 模拟量数字量位移量 位置、速度、加速度、力、力矩、压力 直线运动摆动运动旋转运动 1.阀控制：阀-液压缸，阀-液压马达2.容积控制：变量泵-液压缸；变量泵-液压马达；阀-液压缸-变量泵-液压马达3.其它：步近式力矩马达 动力元件参数选择 动力元件是伺服系统的关键元件。它的一个主要作用是在整个工作循环中使负载按要求的速度运动。其次，它的主要性能参数能满足整个系统所要求的动态特性。此外，动力元件参数的选择还必须考虑与负载参数的最佳匹配，以保证系统的功耗最小，效率高。 动力元件的主要参数包括系统的供油压力、液压缸的有效面积（或液压马达排量）、伺服阀的流量。当选定液压马达作执行元件时，还应包括齿轮的传动比。 供油压力的选择 选用较高的供油压力，在相同输出功率条件下，可减小执行元件——液压缸的活塞面积（或液压马达的排量），因而泵和动力元件尺寸小重量轻，设备结构紧凑，同时油腔的容积减小，容积弹性模数增大，有利于提高系统的响应速度。但是随供油压力增加，由于受材料强度的限制，液压元件的尺寸和重量也有增加的趋势，元件的加工精度也要求提高，系统的造价也随之提高。同时，高压时，泄漏大，发热高，系统功率损失增加，噪声加大，元件寿命降低，维护也较困难。所以条件允许时，通常还是选用较低的供油压力。 常用的供油压力等级为7MPa到28MPa，可根据系统的要求和结构限制条件选择适当的供油压力。 伺服阀流量与执行元件尺寸的确定 如上所述，动力元件参数选择除应满足拖动负载和系统性能两方面的要求外，还应考虑与负载的最佳匹配。下面着重介绍与负载最佳匹配问题。 （1）动力元件的输出特性 将伺服阀的流量——压力曲线经坐标变换绘于υ－FL平面上，所得的抛物线即为动力元件稳态时的输出特性，见图37。 图37 参数变化对动力机构输出特性的影响a）供油压力变化；b）伺服阀容量变化；c）液压缸面积变化 图中 FL——负载力，FL=pLA； pL——伺服阀工作压力； A——液压缸有效面积； υ——液压缸活塞速度， ； qL——伺服阀的流量； q0——伺服阀的空载流量； ps——供油压力。 由图37可见，当伺服阀规格和液压缸面积不变，提高供油压力，曲线向外扩展，最大功率提高，最大功率点右移，如图37a。 当供油压力和液压缸面积不变，加大伺服阀规格，曲线变高，曲线的顶点A ps不变，最大功率提高，最大功率点不变，如图37b。 当供油压力和伺服阀规格不变，加大液压缸面积A，曲线变低，顶点右移，最大功率不变，最大功率点右移，如图37c。 （2）负载最佳匹配图解法 在负载轨迹曲线υ－FL平面上，画出动力元件输出特性曲线，调整参数，使动力元件输出特性曲线从外侧完全包围负载轨迹曲线，即可保证动力元件能够拖动负载。在图38中，曲线1、2、3代表三条动力元件的输出特性曲线。曲线2与负载轨迹最大功率点c相切，符合负载最佳匹配条件，而曲线1、3上的工作点α和b，虽能拖动负载，但效率都较低。 （3）负载最佳匹配的解析法 参见液压动力元件的负载匹配。 （4）近似计算法在工程设计中，设计动力元件时常采用近似计算法，即按最大负载力FLmax选择动力元件。在动力元件输出特性曲线上，限定 FLmax≤pLA= ，并认为负载力、最大速度和最大加速度是同时出现的，这样液压缸的有效面积可按下式计算： （37） 图38 动力元件与负载匹配图形 按式37求得A值后，可计算负载流量qL，即可根据阀的压降从伺服阀样本上选择合适的伺服阀。近似计算法应用简便，然而是偏于保守的计算方法。采用这种方法可以保证系统的性能，但传递效率稍低。 （5）按液压固有频率选择动力元件 对功率和负载很小的液压伺服系统来说，功率损耗不是主要问题，可以根据系统要求的液压固有频率来确定动力元件。 四边滑阀控制的液压缸，其活塞的有效面积为 （38） 二边滑阀控制的液压缸，其活塞的有效面积为 （39） 液压固有频率ωh可以按系统要求频宽的（5～10）倍来确定。对一些干扰力大，负载轨迹形状比较复杂的系统，不能按上述的几种方法计算动力元件，只能通过作图法来确定动力元件。 计算阀控液压马达组合的动力元件时，只要将上述计算方法中液压缸的有效面积A换成液压马达的排量D，负载力FL换成负载力矩TL，负载速度换成液压马达的角速度 ，就可以得到相应的计算公式。当系统采用了减速机构时，应注意把负载惯量、负载力、负载的位移、速度、加速度等参数都转换到液压马达的轴上才能作为计算的参数。减速机构传动比选择的原则是：在满足液压固有频率的要求下，传动比最小，这就是最佳传动比。 伺服阀的选择 根据所确定的供油压力ps和由负载流量qL（即要求伺服阀输出的流量）计算得到的伺服阀空载流量q0，即可由伺服阀样本确定伺服阀的规格。因为伺服阀输出流量是限制系统频宽的一个重要因素，所以伺服阀流量应留有余量。通常可取15%左右的负载流量作为伺服阀的流量储备。 除了流量参数外，在选择伺服阀时，还应考虑以下因素： 1）伺服阀的流量增益线性好。在位置控制系统中，一般选用零开口的流量阀，因为这类阀具有较高的压力增益，可使动力元件有较大的刚度，并可提高系统的快速性与控制精度。 2）伺服阀的频宽应满足系统频宽的要求。一般伺服阀的频宽应大于系统频宽的5倍，以减小伺服阀对系统响应特性的影响。 3）伺服阀的零点漂移、温度漂移和不灵敏区应尽量小，保证由此引起的系统误差不超出设计要求。 4）其它要求，如对零位泄漏、抗污染能力、电功率、寿命和价格等，都有一定要求。 执行元件的选择 液压伺服系统的执行元件是整个控制系统的关键部件，直接影响系统性能的好坏。执行元件的选择与设计，除了按本节所述的方法确定液压缸有效面积A（或液压马达排量D）的最佳值外，还涉及密封、强度、摩擦阻力、安装结构等问题。 反馈传感器的选择 根据所检测的物理量，反馈传感器可分为位移传感器、速度传感器、加速度传感器和力（或压力）传感器。它们分别用于不同类型的液压伺服系统，作为系统的反馈元件。闭环控制系统的控制精度主要决定于系统的给定元件和反馈元件的精度，因此合理选择反馈传感器十分重要。 传感器的频宽一般应选择为控制系统频宽的5～10倍，这是为了给系统提供被测量的瞬时真值，减少相位滞后。传感器的频宽对一般系统都能满足要求，因此传感器的传递函数可近似按比例环节来考虑。 确定系统方块图 根据系统原理图及系统各环节的传递函数，即可构成系统的方块图。根据系统的方块图可直接写出系统开环传递函数。阀控液压缸和阀控液压马达控制系统二者的传递函数具有相同的结构形式，只要把相应的符号变换一下即可。 绘制系统开环波德图并确定开环增益 系统的动态计算与分析在这里是采用频率法。首先根据系统的传递函数，求出波德图。在绘制波德图时，需要确定系统的开环增益K。 改变系统的开环增益K时，开环波德图上幅频曲线只升高或降低一个常数，曲线的形状不变，其相频曲线也不变。波德图上幅频曲线的低频段、穿越频率以及幅值增益裕量分别反映了闭环系统的稳态精度、截止频率及系统的稳定性。所以可根据闭环系统所要求的稳态精度、频宽以及相对稳定性，在开环波德图上调整幅频曲线位置的高低，来获得与闭环系统要求相适应的K值。 由系统的稳态精度要求确定K 由控制原理可知，不同类型控制系统的稳态精度决定于系统的开环增益。因此，可以由系统对稳态精度的要求和系统的类型计算得到系统应具有的开环增益K。 由系统的频宽要求确定K 分析二阶或三阶系统特性与波德图的关系知道，当ζh和K/ωh都很小时，可近似认为系统的频宽等于开环对数幅值曲线的穿越频率，即ω-3dB≈ωc，所以可绘制对数幅频曲线，使ωc在数值上等于系统要求的ω-3dB值，如图39所示。由此图可得K值。 图39 由ω-3dB绘制开环对数幅频特性a）0型系统；b）I型系统 由系统相对稳定性确定K 系统相对稳定性可用幅值裕量和相位裕量来表示。根据系统要求的幅值裕量和相位裕量来绘制开环波德图，同样也可以得到K。见图40。 实际上通过作图来确定系统的开环增益K，往往要综合考虑，尽可能同时满足系统的几项主要性能指标。 系统静动态品质分析及确定校正特性 在确定了系统传递函数的各项参数后，可通过闭环波德图或时域响应过渡过程曲线或参数计算对系统的各项静动态指标和误差进行校核。如设计的系统性能不满足要求，则应调整参数，重复上述计算或采用校正环节对系统进行补偿，改变系统的开环频率特性，直到满足系统的要求。 仿真分析 在系统的传递函数初步确定后，可以通过计算机对该系统进行数字仿真，以求得最佳设计。目前有关于数字仿真的商用软件，如Matlab软件，很适合仿真分析。

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1 引言随着电子技术的高速发展, 电子设备的种类与日俱增。任何电子设备都离不开可靠的供电电源, 对电源供电质量的要求也越来越高, 而开关电源在效率、重量、体积等方面相对于传统的晶体管线性电源具有显著优势。正是由于开关电源的这些特点, 它在新兴的电子设备中得到广泛应用, 已逐渐取代了连续控制式的线性电源。图1 功率主电路原理图2 功率主电路本电源模块采用半桥式功率逆变电路。如图1 所示, 三相交流电经EM I 滤波器滤波, 大大减少了交流电源输入的电磁干扰, 同时防止开关电源产生的谐波串扰到输入电源端。再经过桥式整流电路、滤波电路变成直流电压加在P、N 两点间。P、N 之间接入一个小容量、高耐压的无感电容, 起到高频滤波的作用。半桥式功率变换电路与全桥式功率变换电路类似, 只是其中两个功率开关器件改由两个容量相等的电容C1 和C2代替。在实际应用中为了提高电容的容量以及耐压程度, C1 和C2 往往采用由多个等值电容并联组成的电容组。C1、C2 的容量选值应尽可能大, 以减小输出电压的纹波系数和低频振荡。由于对体积和重量的限制, C1和C2 的值不可能无限大, 为使输出电压的纹波达到规定的要求, 该电容值有一个计算公式[3 ] , 即:整流电路半波整流全桥整流滤波电容CIL2 3 f gVUgV LVMIL4 3 f gVUgV LVM22 《电气开关》(2008. No. 1)式中, IL 为输出负载电流, V L 为输出负载电压,V M 为输入交流电压幅值, f 为输入交流电频率, VU为输出的纹波电压值。这是一个理论上的计算公式, 得到的满足要求的电容计算值比较大, 实际取的电容应尽量大一些, 由于输出端电压较小, 也可以在二次整流滤波时加大电容,这样折算到该公式的电容值也不小。C1 和C2 在这里实现了静态时分压, 使V A= V inö 2。当VT1导通、VT2截止时, 输入电流方向为图中虚线方向, 向C2 充电, 同时C1通过V T1 放电; 当V T 2 导通、V T 1 截止时, 输入电流方向为图中实线方向, 向C1 充电, 同时C2 通过V T 2 放电。当V T1 导通、V T 2 截止时,V T 2 两端承受的电压为输入直流电压V in。IGBT 的集- 射极间并接RC 吸收网络, 降低开关管的开关应力, 减小IGBT 关断产生的尖峰电压; 并联二极管实现续流的作用。二次整流采用单相桥式整流电路, 通过后续的LC 滤波电路, 消除高频纹波, 减小输出直流电压的低频振荡。LC 滤波电路中的电容由多个高耐压、大容量的电容并联组成, 以提高电源的可靠性, 使输出直流电压更加平稳。3 PWM 集成芯片SG3525 的功能特点[2 ]SG3525 是一款功能齐全、通用性强的单片集成PWM 芯片。它采用恒频脉宽调制控制方案, 适合于各种开关电源、斩波器的控制。其主要功能包括基准电压产生电路、振荡器、误差放大器、PWM 比较器、欠压锁定电路、软启动控制电路、推拉输出形式。SG3525 的基本外围电路接线图如图2 所示。该芯片与其它同类型的芯片相比具有许多突出的特点。图2 SG3525 的基本外围接线图(1) 频率可调, 一般通过改变CT 和R T (见图2) 的值来调节PWM 波的输出频率, 其频率的计算公式为:f =1Cr (0. 67R T+ 1. 3R D )(2) 死区时间可调, 通过调节R D 即可改变死区时间的大小, 防止逆变桥的上下桥臂直通。(3) 具有PWM 脉冲信号封锁功能, 当10 脚电压高于2. 5V 时, 可及时封锁脉冲输出, 防止出现过压、过流、过热故障时对电路产生危害。(4) 芯片内振荡器工作频率为100Hz～ 400kHz。设有引脚3 为同步端, 为多个SG3525 联用提供方便。(5) 具有软启动电路, 比较器的反相输入端即软启动控制端芯片的引脚8, 可外接软启动电容C。该电容器内部的基准电压V ref由恒流源供电, 达到2. 5V 的时间t= (2. 5V ö50LA )C, 占空比由小到大(50% ) 变化。(6) 内置PWM (脉宽调制) 锁存器将比较器送来的置位信号锁存, 并将误差放大器上的噪声、振铃及系统所有的跳动和振荡信号消除。只有在下一个时钟周期才能重新置位, 系统的可靠性高。4 SG3525 的应用电路及工作原理利用SG3525 建立的大功率直流开关电源控制电路如图3 所示, 下面主要介绍调压和限流模块。图3 SG3525 外围控制电路如图3, 电压反馈电路通过光电耦合器实现了强电输出部分与弱电控制部分的隔离。光电耦合器采用的是Hp 4504, 当输入端电流在0～ 4mA 之间的时候, 输入与输出之间的电流传递比呈线性关系, 设计的时候选择合适的限流电阻, 控制输入端电流在0～ 3mA 之间变化。当输出电压U out升高时, 光电耦合器的输出端发射极电流I e 呈线性增大, 使发射极电压V e 增大, 通过C2、C3、R 4、R 5 的滤波稳压后输入到引脚1 的V 1 也随之增大。当V 1 增大时, 经误差放大9 脚电压下降, 比较器输出的脉冲宽度变宽, 11 和14 脚输出的PWM 脉冲宽度反而变窄, 从而使输出电压U out降低; 反之, 当U out下降使1 脚电压减小, 9 脚电压升高, 11 和14 脚输出的PWM 脉冲宽度变宽。总之, 1 脚电压V 1 的增大与减小《电气开关》(2008. No. 1) 23反映了输出电压U out的上升与下降, 最终都表现在11、14 脚输出PWM 脉冲的宽窄变化上, 以实现电路的自动稳压调节。利用光耦电流传输比的线性段, 可以做到输入输出的线性变化, 用在反馈电路当中, 不仅降低了成本,而且使输入与输出隔离, 同时在稳压效果上也能与电压传感器相媲美, 在实际应用当中, 不失为一种可取的方法。通过输出端电流传感器得到的电流采样信号V i与给定的限流基准电压U refi作比较, 外接负载变化使输出电流U out变化时,V i 也会相应的改变。当Iout增大使V i 大于V refi时, 运算放大器L 1A 的输出端V b 为低电平。此时,L 2A 的输出端V 2 将被直接拉低为低电平, 2脚相当于接地, 输出端11 和14 脚无脉冲输出, 开关电源出现“打嗝”现象, 起到了限流作用。与此同时, 输出电流Iout减小使得V 2 再次被拉高, 11 和14 脚恢复脉冲输出, 开关电源正常工作, 以此达到输出电流的动态平衡过程。图4 赛米控SKYPER 32PRO 驱动模块5 IGBT 的驱动电路IGBT 的触发和关断要求给其栅极和发射极之间加上正向和反向电压, 并且需要一定的动态驱动功率,才能保证IGBT 的及时触发和关断。本电源的IGBT 驱动采用赛米控(Sem ik ron )SKYPER32PRO 驱动模块。该控制核是一个半桥式驱动模块, 集驱动、内部隔离、电气保护于一体。与同类型的产品相比, SKYPER32PRO 具有许多特点。(1) 采用具有双向传输功能的脉冲变压器, 通过这种方法在原边与副边之间传输驱动信号和状态信号,并将能量传递到副边。(2) 该组件设计为即插即用, 使用方便, 并且已经进行了全面的电测试和温度测试。(3) 采用单电源供电模式, 同时对驱动桥臂的双边供电。(4) 具有短脉冲抑制功能, 能自动修复由SG3525送出的双路PWM 波, 使波形更加平稳。(5) 具有VCE 监测、欠压监测、欠压复位和死区互锁功能等。6 样机研制主要技术指标:输入电压: 三相AC380V ±5%输出电压:DC220V ±2%输出电流: 50A额定功率: 11kW所得试验样机额定负载时的输出波形如图5 (a) 所示。由图5 (a) 实际读数可知, 输出电压从0V 上升到220V 的响应时间为1s 左右, 电源系统具有较快的响应速度。同时, 由图5 (b) 中的电压波形局部放大图可见, 输出电压为220V 时, 电压波动在2V 左右, 其最大电压波动小于1%。图 57 结论利用SG3525 和SKYPER32PRO 的强大功能设计了一台11kW、220V 的直流开关电源。本电源设计简单, 调试方便, 所需元器件较少, 体积小, 成本低。负载在全范围内变化时, 本电源均能够保持良好的输出性能。试验数据表明指标满足设计要求, 输出纹波系数控制在小于1% 的范围内。参考文献[ 1 ] 周志敏, 纪爱华. IGBT 和IPM 及其应用电路[M ]. 北京: 人民邮电出版社, 2006.[ 2 ] 王英剑, 常敏慧. 新型开关电源实用技术[M ]. 北京: 电子工业出版社, 1999.[3 ] 张古松, 开关电源原理与设计[M ]. 北京: 电子工业出版社,2002.[ 4 ] 方大千, 鲍俏伟. 实用电子控制电路[M ]. 北京: 国防工业出版社, 2002.收稿日期: 2008- 01- 03作者简介: 邓国栋(1983- ) , 硕士研究生, 主要从事电能变换与控制理论方面的研究工作.

本实用新型是一种大功率自动高频高压恒流直流电源，它主要由整流滤波，高频逆变，高压输出及控制部分组成，特别是：a．所述高频逆变部分是采用多个最新的大功率电力电子器件IMOSFEET分布在散热器中并配以高频逆变电路组成；b．所述高压输出部分是由若干层线包叠加而成，外接高压输出棒，每层线包接装有两组整流桥；本实用新型解决了现有逆变式高压恒流电源功率小，适应范围规格偏低的问题，其动态特性好，适应电场范围宽，系统功率大大提高，主要应用于高压静电除尘器配套的高压发生源，广泛应用于冶金、化工发电、建材部门。

大学是干嘛的地方？无论多高的学历和职称，不会设计、制造教具，不会设计、制造教学仪器，不会维修仪器和设备；用你父母的钱进口教学仪器模仿了委托工厂仿制就是佼佼者；用你父母的钱请校外的人来维修设备、从校外采购配件；用你父母的钱请教学仪器生产企业提供教学实验讲义，将作者填上他们的名字就有教学突出成就奖；教你背诵的公式和外语，永远也比不上美国麻省理工学院在网上公开的教材内容。学生也不要埋怨学费贵，除了上面教师的原因，你们自己的基础实验、专业课就上的迷迷糊糊的，高额投资下的创新实验项目、挑战杯、科技竞赛、毕业论文、商业开发，都见不得阳光，将真金白银变成了一堆堆的垃圾！！！！