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1、南京航空航天大学 硕士学位论文 压电阀设计及其在列车制动系统中的应用研究 姓名：吕弢 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：姚恩涛 2011-01 南京航空航天大学硕士学位论文 I 摘 要 气动技术在城市轨道交通中最典型的应用是列车制动系统中的压力控制，而气动技术的核 心是电-气转换装置，即气动控制阀，它的性能直接关系到气动控制系统的性能。随着压电材料 和压电结构的逐步成熟，气动技术与压电相结合所开发的压电式气动控制阀与电磁阀相比具有 许多更优越的性能。本论文针对压电阀的模型设计和在列车制动系统中的应用技术开展研究。 论文综述了气动技术及列车制动技术发展的现状，分析了现有列车
2、制动技术存在的不足， 研究了将气动技术与新材料技术相结合，应用于列车制动系统中的可行性；论文研究了压电双 晶片工作原理、理论模型、工作方式等，测试了压电双晶片的静态特性和动态特性，对所采用 的压电双晶片的结构形式-并联型结构的电气连接方式进行了实验比较。 论文研究设计了基于压电双晶片的比例阀及驱动控制电路，建立闭环控制模型，研究了不 同负载下压电阀的响应速度、压力控制精度等性能指标。对以压电比例阀为先导的电气压力控 制阀进行了理论气压控制模型分析，并测试了压电阀的响应速度等动态特性参数，用 PID 控制 算法设计了控制系统，验证了压电比例阀替代电磁阀应用于新型列车制动系统中的可行性。 论文应用
3、虚拟仪器Labwindows/CVI 构建了新型制动系统的调试验证平台， 利用模拟电 信号对列车制动系统进行仿真激励，并同时监测制动系统的控制过程参数的变化，为开发的基 于压电阀的 SABC-I 型制动系统的评估和改进提供必要的条件。 关键字：关键字：压电双晶片，压电比例阀，制动系统，可行性研究，Labwindows/CVI，监测平台 压电阀的特性研究及其在列车制动系统中的应用 II Abstract Pneumatic technology is typically used in the braking system for pressure control in the urban ma
4、ss transit. As the core of pneumatic technology, Electrical Conversion Unit, or pneumatic control valve, is directly related to the pneumatic control system performance. With the gradual maturity of piezoelectric materials and structure, the piezoelectric pneumatic control valves which are developed
5、 by the combined pneumatic technology and piezoelectric has better performance compared with electromagnetic valve. The thesis mainly puts the emphases on the design of piezoelectric valve model and the appliance technology in the braking system. The thesis describes the background of the pneumatic
6、technology and train braking technology, analyzes the disadvantages of the braking technology, and studies the feasibility of combined pneumatic technology and new materials to the train braking system. The thesis still studies the piezoelectric bimorph working principle, the theoretical model and t
7、he manner of working; whats more, it tests the static and dynamic characteristics of piezoelectric bimorph, and does some comparison between the connection modes of piezoelectric bimorph. The thesis designs a proportional valve based on piezoelectric bimorph and the drive circuit, and builds closed-
8、loop control model, and then it studies the performance of the response of the piezoelectric valve and the control precision of pressure control. We analysis the theory pressure control model of electrical proportional valve, and test the dynamic parameters of the response, then we design the contro
9、l system using PID algorithm to testify the feasibility of the electrical proportional valve in the braking system. The thesis constructs a debugging verification platform of the newly braking system using virtual instrument-Labwindows/CVI, uses analog signals to simulate the train brake system ince
10、ntives, and monitors the change process parameters during the braking process. Thats the strong support for the development of SABC-I system based on piezoelectric valve. Key words: Piezoelectric bimorph; Piezoelectric valve; braking system; Labwindows/CVI; feasibility study; monitoring platform 压电阀
11、的特性研究及其在列车制动系统中的应用 VI 图表清单 图 1.1 气动控制阀类别.2 图 1.2 电气比例阀类别.2 图 1.3 电磁阀结构 3 图 1.4 几种常见压电阀外观.4 图 2.1 压电效应 7 图 2.2 压电驱动器类型.8 图 2.3 压电叠堆 .9 图 2.4 压电双晶片 9 图 2.5 RAINBOW 驱动器原理结构示意图9 图 2.6 压电双晶片的不同类型.11 图 2.7 串联双晶片 11 图 2.8 并联双晶片 11 图 2.9 压电双晶片实物图.13 图 2.10 静态特性测试系统及实际电路.14 图 2.11 QDTE51-12-0.6-1 静态特性.15 图 2
12、.12 QDTE77-12-0.6-1 静态特性.16 图 2.13 动态测试系统原理图及实际电路.16 图 3.1 压电开关阀原理图19 图 3.2 微型弯曲式比例阀压力-电压曲线图 .19 图 3.3 比例先导式压电阀原理图.20 图 3.4 压电比例阀基本结构图.21 图 3.5 压电式先导腔体结构图22 图 3.6 测试系统图 22 图 3.7 电流型表压传感器工作电路.23 图 3.8 电气转换比例 23 图 3.9 高压放大电路结构框图.24 图 3.10 PA85 器件图.25 图 3.11 PA85 典型电路图.25 图 3.12 PA85 放大电路图.26 南京航空航天大学硕
13、士学位论文 VII 图 3.13 PA85 放大电路实物图.26 图 3.14 实验系统图 27 图 3.15 驱动电源的放大特性.27 图 3.16 正弦信号放大波形.27 图 3.17 压电先导阀内部结构实物图.28 图 3.18 装配好后的压电先导阀.28 图 3.19 压电先导阀静态特性测试.29 图 3.20 压电先导阀线性区间.30 图 3.21 输入交流信号-输出信号.30 图 4.1 比例压电阀结构.33 图 4.2 LABWINDOWS/CVI 工作空间.34 图 4.3 压电阀整体测试系统图35 图 4.4 压电阀测试 35 图 4.5 LABWINDOWS/CVI 压电阀
14、测试面板.36 图 4.6 响应特性 36 图 4.7 压电阀输出 37 图 4.8 电磁阀压力、容积管径比、时间关系图.38 图 4.9 充气状态压力变化.39 图 4.10 排气状态压力变化.39 图 4.11 标准测试曲线图.40 图 4.12 标准曲线测试结果40 图 4.13 直接降压降 100KPA 测试.41 图 4.14 直接降压 200KPA 测试.42 图 4.15 重复升降压测试.42 图 5.1 制动系统发展趋势.43 图 5.2 制动系统架构 44 图 5.3 试验样机 45 图 5.4 模拟监控平台结构原理图.45 图 5.5 信号量归类 47 图 5.6 列车控制
15、器模块面板.48 图 5.6 牵引控制模块面板.49 图 5.7 列车运行模拟模块面板.50 压电阀的特性研究及其在列车制动系统中的应用 VIII 图 5.8 列车监测面板 51 图 5.9 列车运行主程序流程.52 图 5.10 常用制动控制流程.52 图 5.11 制动力分配.53 图 5.12 紧急制动工作流程.53 图 5.13 紧急制动速度曲线.54 图 5.14 试验系统结构原理图.55 图 5.15 系统自检过程.56 图 5.16 系统自检结果.56 图 5.17 常用制动分级测试.57 图 5.18 电空制动联合测试.57 图 5.19 紧急制动面板.58 图 5.20 单轴
16、制动控制试验.58 图 5.21 故障冗余切换制动控制试验.59 表 1. 1 电磁阀与压电阀性能比较.3 表 2.1 几种压电驱动器的主要特性比较.10 表 2.2 本文所用压电双晶片特性参数.13 表 2.3 两型号压电双晶片共振频率比较.17 表 3.2 电流型表压传感器标定.23 表 3.3 PA85 参数指标.25 表 3.4 输入电压与输出电压及气缸压力对应表.29 表 4.1 制动系统压力标准.38 表 5.1 上位机至单片机信号.46 表 5.2 单片机至上位机信号.47 表 5.3 传感器至上位机信号.47 南京航空航天大学硕士学位论文 IX 注释表 缩略词 缩略词 ATC 列车自动控制系统 ATO 列车自动运行装置 CAN 控制器局部总线 CMD 制动指令控制 DRIVER 牵引装置 EB 紧急制动 E_CLOSE 电制动关闭 E_ENABLE 电制动有效 MBCU 微机制动控制单元 PBCU 气制动控制单元 PZT 压电材料 SABC-I 单轴制动控制系统 SB 常用制动 TCMS 列车控制管理系统 TCU 牵引控制单元 承诺书 本人声明所呈交
