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原文传递船用低速机燃油喷射电液控制用压电阀驱动控制系统研究

论文题名：	船用低速机燃油喷射电液控制用压电阀驱动控制系统研究
关键词：	船舶低速柴油机;电控燃油喷射系统;电液控制阀;驱动电路
摘要：	电液控制阀作为船舶低速柴油机电控燃油喷射系统的关键控制部件，其快速响应能力、流通特性直接影响燃油喷射的控制精度及灵活喷射规律。电磁阀由于自身的局限性，比如工作机理、机械结构和能耗等，难以解决高响应速度与低功耗间的矛盾，限制了柴油机电控燃油喷射系统的进一步发展。压电执行器作为新型智能器件，具有体积小、驱动力大、响应速度快和功耗低等特点。以压电执行器作为原始驱动力，辅以微位移放大机构而制成的大行程、大流量的电液控制用压电阀在船舶电控系统中具有广阔的应用前景。然而与电磁式执行器显著不同的是，压电执行器属于容性负载，决定了控制电路中必须有充电和放电过程，且输出位移和响应时间与其电压和电流的关系密切，因此船舶压电阀驱动电路的设计开发非常重要。　　本文以自主设计的杠杆位移放大式压电阀和组合位移放大式压电阀为研究对象，对已有的船舶柴油机共轨试验台增设了压电阀的控制信号，结合两型压电阀各自特点，分别设计了开关式驱动电路和线性复合式放大驱动电路，据此完成了压电执行器特性分析试验和两型压电阀驱动试验。论文主要研究内容与取得的结论如下：　　（1）分析了电液控制用压电阀和压电执行器控制方法的研究现状，根据压电方程和边界条件，得出了影响压电执行器输出位移及响应速度的关键因素，为压电执行器驱动电路及试验的设计提供理论基础。　　（2）通过分析压电阀前置放大机构的放大原理，得出杠杆位移放大式压电阀和组合位移放大式压电阀应采取两种不同控制方案的结论。　　（3）研制了杠杆位移放大式压电阀驱动控制系统的驱动电路。主控电路模块采用开关控制型电路拓扑结构，对各电路模块和限流电感分别进行了电路设计和仿真分析，最后通过仿真软件Multisim对驱动电路进行集成仿真，仿真结果表明：推挽式直流升压电路可以在2ms内完成DC24V至DC200V的升压过程；设定驱动电压和控制电流分别为DC160V和4.5A时，压电执行器的充放电时间均控制在200μs以内。　　（4）研制了基于高压运算放大器PA92的组合位移放大式压电阀驱动电路。主控电路采用线性复合式放大电路的拓扑结构以提高驱动电路的控制精度。根据运算放大器PA92的控制特点，分别进行了相位补偿、电流设置、保护电路和供电电源的设计。利用仿真软件Multisim对驱动电路进行了线性度和频率特性仿真，仿真结果表明：驱动电路具有良好的线性度和动态特性，当输入正弦信号的频率和幅值分别为30Hz和10V时，输出电压的频率和幅值分别为30Hz和200V。　　（5）利用压电执行器试验台和研制的开关式驱动电路，对单个压电执行器进行了电-热-力场动态性能测试，试验结果表明：当驱动电压和控制电流分别为DC160V和5.2A时，压电执行器的响应时间和输出位移分别为210μs和49μm；该压电执行器的居里温度为110℃且预紧力对输出位移影响较小。对两型压电阀分别进行了驱动试验，结果表明两种驱动电路都具有良好的动态性能和驱动能力，其中杠杆位移放大式压电阀的响应时间、输出力和阀芯位移分别为800μs、280N和200μm，组合位移放大式压电阀的响应时间、输出力和阀芯位移分别为1.8ms、250N和410μm。从驱动电路、响应时间、输出力和成本等角度对比分析了两型压电阀的不同，得出开关式驱动电路和杠杆位移放大式压电阀更适用于船舶低速机燃油喷射系统的结论。
作者：	王菘波
专业：	轮机工程
导师：	贺玉海
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021