压电驱动型电液伺服阀前置级驱动器实验研究

　　电液伺服系统综合了电气和液压两方面的优点,具有响应速度快、信号处理灵活、输出功率大、结构紧凑等特点,在液压控制系统中得到了广泛的应用.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.电-机械转换器是电液伺服阀的关键部件,其性能的好坏直接影响到整个伺服阀的性能.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^[1,2].

　　由于压电材料具有线性好、响应速度快、控制精度高、无电磁干扰以及易于微型化等特点,现已成为电-机械转换元件的首选.本文采用压电叠堆(积层式压电微位移器)作为电-机械的转换元件,通过基于三角形放大原理的柔性铰链放大机构,对压电叠堆的位移进行放大、设计,研制了由压电叠堆与放大机构组成的前置级驱动器,并进行了实验研究.

　　1 压电叠堆及其特性

　　压电叠堆由多片压电陶瓷所组成,在机械上串联,在电路上并联,即每片陶瓷上的电压相同.由于极化方向是沿积层式微位移器的轴线方向,因此微位移器的位移相当于所有陶瓷片位移量的总和.陶瓷片间为绝缘玻璃,外部电极为银-锂合金,内部无胶粘附件,通过固态烧结工艺制作而成.由于内部之间的电极间距大约为100Lm,因此用较低的电压就可以获得一定的驱动效果.

　　压电叠堆与电磁式驱动器相比较,具有的优点为:具有良好的响应特性、较高的定位分辨率、电源功耗低,以及不产生电磁噪声等特点;与双晶片型压电驱动器相比较,压电叠堆的能量转换效率高、电源功耗低、输出力大、响应速度快和输出位移稳定,能够减少蠕变现象;与堆积型压电驱动器相比,压电叠堆的体积小,驱动电压低,应用简便且成本低.压电叠堆具有的这些优点是与其结构分不开的,下面对其进行原理性的说明分析.

　　压电叠堆的伸长量为所有压电陶瓷片伸长量的总和

　　式中:n为压电叠堆中包含压电陶瓷的片数;为单片压电陶瓷的变形量;$l为总变形量;d为每片压电陶瓷的纵向厚度;E为场强;v为陶瓷片所加电压;l为压电叠堆的长度.

　　从上式可见,l/t、n、v或E有很大值,且当t减小时,压电叠堆的位移变化量将增加.由式(3)可知,压电陶瓷的变形量与厚度无关,而与驱动电压成正比.但是,由于压电陶瓷电场强度增强时,会引起90^o的铁电畴旋转,而这种电畴的旋转对外部电场的响应速度较慢,使驱动器的滞后现象愈加明显,因此压电陶瓷片的电压不能太高,而且压电常数d33的大小一般为10^-10 m/V数量级,即使给压电陶瓷片加上很高的电压v3,所得到的变形量也很小.因此,为了得到较大的位移,我们可以选择较小的厚度,采用积层式的结构.这样,一方面结构紧凑,且驱动电压也很低,另一方面可大大提高输出位移.