压电双晶片直接驱动式伺服阀的研究

　　0 前言

　　电液伺服阀是液压控制系统中常用的关键元件,电液伺服阀能将电信号转换成液压信号,是电液伺服控制系统的核心部件,它具有响应速度快、可控制性好、输出功率大、容易检测、结构紧凑、能适应模拟量和数字量调制等诸多优点,所以在各种伺服控制系统中得到了广泛的应用,并受到国内外专家的重视。电液伺服阀用于连接系统的电气与液压部分,将输入的小功率信号转变为阀的运动,实现电、液信号的转换和放大,以及对液压执行机构的控制。其性能的好坏直接影响到整个伺服系统的性能。近年来,对高速精密电液伺服阀的研究主要是研制高精度、高频响的前置级驱动器,以替代传统的电磁式电-机械转换器^[1]。

　　压电驱动器作为一种新型的换能器,在生产上应用得越来越广泛,它将压电体的振动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。

　　本文研究的压电伺服阀即是用PZT材料的逆压电器件代替力矩马达成为新的电液伺服元件,经柔性铰链放大机构进行位移放大后,驱动阀芯运动,从而实现对系统流量与压力的控制。为自动控制、机器人、航空航天等领域提供快速、精密、可靠的控制器件。

　　1 直接驱动式电液伺服阀(图1)的工作原理

　　把需要的与阀芯位移成正比的电信号输入阀内放大电路,此电信号将使力马达产生推力带动阀芯运动产生一定的位移,同时阀芯左端的位移传感器产生一个与阀芯实际位移成正比的电信号,解调后的阀芯位移信号与输入指令信号进行比较,然后将偏差信号转变为输入至力马达的电流大小,直到阀芯位移达到所需值,阀芯位移偏差信号为零^[2-3]。

　　当力马达不通电时,电磁力和弹簧力将使阀芯处于中位;当有电流后,内部磁场一部分通过磁场叠加得到增强,另一部分则因为磁场相抵而减弱,于是内部磁场将失去平衡状态,这种不平衡将驱动衔铁向磁场增强的部分移动;反之当通入电流的极性发生变化时,衔铁又会向另一个方向移动。力马达可以产生左右2个方向的驱动力,推动阀芯产生2个方向的位移。阀芯在复位过程中,对中弹簧力加上力马达的输出力一起推动阀芯回复到零位,使得阀芯对油液污染的敏感程度降低。通过阀芯的移动改变进出阀口的开度,从而改变输出油口的流量和压力的大小。

　　2 压电双晶片直接驱动式伺服阀的结构特点与工作原理

　　2.1 压电双晶片直接驱动式伺服阀(图2)的结构特点

　　压电双晶片直接驱动式压电伺服阀主要由以下几部分组成,即压电双晶片驱动器、阀芯接杆、调整螺钉、位移传感器、液压阀及伺服放大器,其核心部分是压电双晶片驱动器。压电双晶片驱动器是由两片相同的压电陶瓷片1和压电陶瓷片2粘合胶固结在柔性基板上,如图3所示,将驱动器安装到伺服阀阀体的一端,通过阀芯接杆将双压电驱动器与阀芯连接起来,这个驱动器压紧在阀体上,通过调整螺母来微调阀芯的初始位置。工作时,控制压电双晶片的输入电压,使其发生伸长或缩短变形,从而使阀芯改变位置,实现对系统的流量与压力的有效控制。