基于AMESim的压电式水压伺服阀的研究

　　0 引言

　　水压传动技术不仅具有液压技术的共性优点,又具有无污染,安全,节省能源,经济性好,动态性能好,系统效率高等突出的特点,符合机械工业进行绿色制造的可持续性发展的方向^[1]。电液私服阀主要有2种,线性伺服阀和喷嘴挡板型伺服阀。对于线性电液伺服阀要首先要在阀的驱动器上保证良好的线性控制,然后通过不断地改进阀的结构来实现良好的性能。目前,由于作为电液伺服阀电-机转换装置的智能材料的问世,智能驱动器以其输出力大、行程大、输出线性好、输出滞环小、体积小和相应频带宽等优点被广泛应用^[2]。新型液压阀智能驱动器主要有压电式驱动器、形状记忆合计驱动器、电磁致伸缩材料驱动器以及超磁致伸缩驱动器等^[3]。

　　在现实中,油压元件和技术比较完善,由于水压技术起步比较晚,以及水的特殊理化特性,导致水压元件还停留在设计开发阶段,还不完善,水压比例阀已经问世,但是水压私服阀研究的比较少,由于比例电磁铁、力矩马达存在较大的输出滞环,这就要求设计一种新型的水压伺服阀。

　　1 压电驱动器的设计

　　油压喷嘴挡板伺服阀结构如图1所示。

　　压电式驱动器作为一种新型的换能器,实物与原理如图2、图3所示,它将压电体的伸长或压缩转换形成被驱动体所需的运动或动力的一种装置,实现电能和机械能之间的转换。本文研究的压电水压伺服阀是以PZT材料的逆压电器件代替电磁铁作为电-机械转换的新电液伺服元件,经放大机构进行位移放大后,驱动阀芯左右运动,从而控制伺服阀阀芯开口的大小,以此来实现对系统流量与压力的控制^[4]。

　　压电驱动器原理如图4所示,其中u0为输入变量,u为输出变量。压电材料可以看成一个电容,于是图3可简化为一个电路模型,得RC电路。

　　根据基尔霍夫定理可得:

　　由式(1)可得:

　　对式(2)进行拉普拉斯变换,即得压电叠堆的传递函数:

　　R为电源内阻,C为压电叠堆的等效电容。

　　又由压电叠堆的伸长量与电压的关系,可得:

　　d₃₃为应变系数,n为压电陶瓷片个数。

　　对式(4)进行拉普拉斯变换:

　　由式(4)、式(5),可以得到整个压电驱动控制器的传递函数:

　　2 压电驱动器的仿真分析

　　利用Matlab/Simulink提供的子模块,来实现驱动器控制框图的构建,在Simulink中建立仿真模型,如图5所示 ^[5]。