电液伺服阀具有很多优点,例如它具有动态响应迅速和耐用性强等优点。基于这些优点,电液伺服阀广泛应用于航空航天以及军工领域。在伺服阀工作时,控制器的可靠性直接影响着伺服阀的可靠性。工业伺服阀相比军用伺服阀,其简化了机械结构,适当的降低其性能,制造成本也相对较低。因此本文研究并设计了工业型二维(2D)伺服阀及其双冗余控制器,以及一定程度增加了控制器以及阀的可靠性。本文的控制对象为工业型的二维(2D)伺服阀。该伺服阀的抗污染的性能加大,频率响应迅速并且成本较低。伺服阀的电—机械转换器为两相混合式步进电机,为解决电机响应的速度和电机的分辨率之间的矛盾,提出了电机转子角位移闭环控制算法能够让转子停留在固定位置;为了提高伺服阀的精度,在电机转子位移闭环算法的基础上提出了伺服阀阀芯位置闭环控制算法。设计了具有双冗余功能的控制器来控制电机,再通过拨杆拨叉机构来控制伺服阀。并对电—机械转换器和伺服阀在相应的控制闭环下进行仿真。最后对电机和伺服阀进行实验。具体的设计成果如下:(1)针对两相的混合式步进电机的结构以及其原理进行研究。提出了电机转子位移同步的跟踪控制算法,并基于这一算法对电机进行数学建模和仿真。通过仿真数据得到步进电机的静态特性和频率响应特性良好,可以得出电机稳定性好,响应速度快,频宽约为155 Hz,动态阶跃的响应的上升时间可以达到大约4.6 ms。(2)对工业型二维(2D)伺服阀原理进行分析并对伺服阀的伺服螺旋机构进行建模仿真,可得出其频宽为48 Hz,动态阶跃的响应的上升时间可以达到大约4.0 ms,说明阀的响应速度快,动态特性好,并提出伺服阀的基于转子位移同步跟踪控制算法的阀芯位移闭环控制算法,并采用提出的控制算法下,对伺服阀的动静态特性进行仿真研究,可得出其频宽为45 Hz,动态阶跃的响应的上升时间可以达到大约6.7 ms。(3)对工业型二维(2D)伺服阀的双冗余控制器进行设计。电源板供电的稳定性直接影响到整个电路的工作情况,为了保证电源板的可靠性,电源板采用双冗余设计,当电源板在一路输入保护模块故障时能自动切换至另一路输入保护模块,其中输入保护模块具有防反接等报警和保护功能。主控板也采用双冗余功能设计,主控板采用STM32F407为主芯片,设计两个最小系统模块,当一路主控模块故障时,利用光继电器切断该路的电源输入,然后切换至另一路备用主控模块,一定程度保证主控程序能正常执行。由于伺服阀相对比控制器更重要,驱动模块的稳定能降低伺服阀受到破坏,因此驱动模块是主控板的核心,所以驱动模块也采用双冗余设计,保证在主驱动模块故障时,能利用光继电器自动切换至备用驱动模块。驱动芯片采用DRV8873S,为了进一步掌握驱动模块的工况,驱动模块具有过压、欠压、过温、过流等报警和保护功能。可通过主控板的外接接口接入LCD模块,显示相关信息,方便调试,同时若驱动模块发生故障,可以通过外接LCD显示其故障信息。并设计了满足控制器性能的程序,搭建实验平台,验证了电源板的双冗余切换实验和主控板驱动模块报警功能调试实验,实验结果表明电源板能实现双冗余无缝切换;主控板驱动模块在发生故障时,外接LCD能准确检测出其故障原因。(4)搭建实验平台,对工业型二维(2D)伺服阀以及电—机械转换器的静态和动态特性进行实验研究。通过对电机的实验数据,可得步进电机的频宽为120 Hz;阶跃响应上升响应时间5.4 ms。并对二维伺服阀的静动态特性进行实验测试,实验可得伺服阀的滞环为2.1%,非线性度为1.4%,7 MPa下的泄漏量为2.3 L/min,频宽约为41 Hz,动态阶跃的响应的上升时间可以达到大约10 ms。本文将双冗余控制器和伺服阀集成于一体,将转子位移同步跟踪控制算法以及阀芯位移闭环控制算法用于控制系统中,整个控制器的设计在保证完成控制算法的基础上,使得电源板和主控板具有双冗余自动切换以及报警等功能,提高整控制器和阀的可靠性和稳定性。