高温高压流变仪伺服机械增压装置压力控制研究

　　高温高压流变仪是地球科学高温高压实验研究的重要仪器[1]。随着对地球深部过程研究的深入,仪器的温度、压力控制性能要求也进一步提高,而增压装置用于形成流变仪所需的反应容器围压,压力控制范围最大达200 MPa,控制精度1 MPa,其性能的好坏对于高温高压实验的开展起着重要作用。现有的增压装置一般由液压系统、气压系统以及气液系统组成[2]。随着交流伺服控制技术的进步,交流伺服系统具有的控制精度高、恒转矩输出、转速高、响应速度快等特点越来越突出,在自动控制系统中地位也越来越重要。作者介绍了一种以永磁同步电机(PMSM)为驱动元件的机械增压装置,与液压增压装置相比其结构紧凑、成本相对较低、响应速度更快。采用基于磁场定向的矢量控制理论对伺服系统进行了数学建模,建立了伺服机械增压装置(的整体数学模型,提出电流、压力双闭环串联控制的控制策略;使用Matlab/Smi ulink建立了控制框图进行仿真,为伺服机械增压装置的设计和性能分析以及应用提供了参考。

　　1　伺服机械增压装置结构及工作原理

　　伺服机械增压装置主要由5个部分组成:交流伺服系统、减速器、千斤顶、增压油缸和支架,如图1所示。设定目标压力值后压力控制器会给伺服驱动器控制信号,使PMSM输出恒定的转矩。若当前压力小于目标设定值即负载转矩小于PMSM的输出转矩,PMSM就会转动,经蜗轮蜗杆减速器传动后驱动千斤顶进而产生一定的力作用在增压油缸上,使油缸内油压上升, PMSM的负载不断增大最终达到或超过形成目标压力所需的负载转矩, PMSM的转速会下降并最终停止,高压油从增压油缸油孔中输出到高压油路中,这是增压的过程。降压时, PMSM向相反的方向转动,压力就减小。控制过程以压力传感器信号为反馈形成闭环。

　　2　伺服机械增压装置的数学建模

　　2·1　伺服系统模型

　　文中的增压装置中伺服系统采用电流闭环,来实现对转矩的控制。将电流环的滤波器和SPWM两个小惯性环节合并为一个小惯性环节,KI为小惯性环节控制增益,T为小惯性环节积分时间常数

　　式中:Tcf,Tpwm分别为电流反馈滤波环节和SPWM逆变器时间常数;Kcf,Kpwm分别为电流反馈滤波环节和SPWM逆变器增益。

　　为了把电流环校正为典型Ⅰ型系统,电流调节器一般采用PI控制,加入电流调节器的电流环闭环传递函数为[4-5]

　　2·2　减速器模型

　　减速器为蜗轮蜗杆减速器,输入为伺服电机输出转矩Te,传动比为i,传动效率为η,输出为扭矩Tm,有

　　减速器可以直接简化为比例环节,其传递函数为