DE2511752A1 - Signal transducer for electrically controlled valves - has strip shaped piezo crystal controlling regulating unit with negative feedback loop - Google Patents

Signal transducer for electrically controlled valves - has strip shaped piezo crystal controlling regulating unit with negative feedback loop

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Abstract

The servo valve is for hydraulic and/or pneumatic control systems, with improved dynamic characteristics. The control element in the transducer is based on a piezo crystal (10) that operates a regulating unit (16) on the valve. It acts as a current dependent control device (13). The piezo crystal is designed in strip form and deflects in its centre zone under the effect of two nozzles (14, 15). A hollow strip can be used. The deflection of the strip causes a pressure difference (DELTAp) at the regulating unit (18). This also includes a measuring device with a negative feedback loop to the amplifier (11).

Description

Signalwandlerstufe-Die Erfindung bezieht sich auf eine Signalwandlerstufe für elektrisch ansteuerbare Ventile, insbesondere Servoventile für hydraulische und/oder pneumatische Steuerungen. Signal converter stage-The invention relates to a signal converter stage for electrically controllable valves, especially servo valves for hydraulic ones and / or pneumatic controls.

Elektrisch steuerbare Ventile sind in der Regel zweistufig, d.h., dem eigentlichen Ventil als zweite Stufe ist ein elektrisch steuerbares Stellorgan als erste Stufe oder Signalwandler elektrisch hydraulisch bzw. elektrisch pneumatisch vorgeschaltet. Die Signalwandler bestehen dabei häufig aus einem elektromagnetischen Motor, welcher den fiir die Verschiebung der beweglichen Ventilteile otwendigen Antrieb darstellt. Auf diese Weise ist es durch elektrische Ansteuerung möglich, sowohl schaltende als auch durchflußverändernde Ventile aufzubauen.Electrically controllable valves are usually two-stage, i.e., the actual valve as the second stage is an electrically controllable actuator as the first stage or signal converter, electrically hydraulic or electrically pneumatic upstream. The signal converters often consist of an electromagnetic one Motor, which is necessary for moving the moving valve parts Represents drive. In this way it is possible through electrical control, to build both switching and flow-changing valves.

Als Kriterien für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit elektrisch ansteuerbarer Ventile gelten die jeweiligen dynamischen @ig @@chaf@en, insbesondere Schaltzeiten, Schalthäufigkeit und Frequenzgang, sowie die Genauigkeit der Signalwandlung und der Leistungsbedarf. Die drei letzten Beurteilungskriterien gelten vornehmlich für Servo ventile elektrohydraulischer und elektropneumatischer Steuerungen, weil diese fast ausnahmslos im Bereich eines niedrigen Steuer leistungsniveaus arbeiten.As criteria for assessing electrical performance controllable valves apply the respective dynamic @ig @@ chaf @ en, in particular Switching times, switching frequency and frequency response, as well as the precision the signal conversion and the power requirement. The last three assessment criteria apply primarily to electro-hydraulic and electro-pneumatic servo valves Controls, because almost all of them are in the area of a low tax performance level work.

Bei Verwendung der bisher eingesetzten Signalwandlerstufen in Servoventilen lassen sich in der Regel die allgemeinen Forderungen der Beurteilungskriterien erfüllen, aber diese Forderungen sind mit Rücksicht auf die Leistungsfähigkeit der bekannten Signalwardlerstufen nicht sehr hochgesteckt. Fiir bestimmte Anwendungen, zr.When using the previously used signal converter stages in servo valves can the general requirements of the assessment criteria be met as a rule, but these demands are with regard to the efficiency of the known Signalwardler levels not very high. For certain applications, e.g.

für Flugzeugsteuerungen, gelten jedoch wesentlich höhere Forderungen, so daß die zweistufigen Servoventile IDit den bekannten Signalwandlerstufen nicht so ohne weiteres eingesetzt werden können. F.s wäre daher notwendig, auf dreistufige Servoventile überzugehen oder aufwendige Präzisionswandlerstufen dafür einzusetzen.for aircraft controls, however, significantly higher requirements apply, so that the two-stage servo valves IDit do not match the known signal converter stages can be used without further ado. F.s would therefore be necessary on three-stage Pass over servo valves or use complex precision converter stages for it.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine relativ einfache und funktionssichere Signalwandlerstufe für elektrisch ansteuerbare Ventile, insbesondere Servoventile, vorzusehen und die dynamischen Eigenschaften derartiger Ventile wesentlich zu verbessern. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Stellelement der Signalwandlerstufe aus einem Piezo-Kristallkörper besteht, dessen durch Ansteuerung mit einer Gleichspannung entstehende Fori-iänderung auf ein Stellorgan der Ventilstufe einwirkt.The invention is therefore based on the object of a relatively simple and functionally reliable signal converter stage for electrically controllable valves, in particular Servovalves to provide and the dynamic properties of such valves are essential to improve. According to the invention, this object is achieved in that the adjusting element the signal converter stage consists of a piezo crystal body, the control of which With a DC voltage resulting change in shape on an actuator of the valve stage acts.

Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, eine besonders einfachc und damit funktionssiche-re Signalwandlerstufe mit hervorragenden dynamischen Eigenschaften aufzubauen. Hierbei. ist es zweckmäßig, den Hezo-Kristallkörper in einer strömungsabhängigen Steuervorrichtung einzusetzen, so daß dieser bei seiner Ansteuerung ein Drucksignal für das Stellorgan der Ventilstufe erzeugt.With the help of the invention it is possible to create a particularly simple and thus functionally reliable signal converter stage with excellent dynamic properties build up. Here. it is expedient to use the Hezo crystal body in a flow-dependent manner Use control device, so that this a pressure signal when it is controlled generated for the actuator of the valve stage.

Dci einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Piezo-Kristallkörper als Janggest-reckter, an beiden Enden eingespannter biegekörper ausgebildet, dessen bei der Ansteuerung entstehende Durchbiegung zwei Düsen einer Prallplattenanordnung entsprechend beeinflußt. Der hierbei mit der Prallplattenanordnung erzeugbare Differenzdruck kann dann einem Steuerschieber der Ventilstufe Zu seiner Verstellung aufgeschaltet werden. In einer weiteren vortei3-haften Ausgestaltung der Erfindung ist der Piezo-Kristallkörper als langgestreckter hohler Biegekörper ausgebildet und einseitig eingespannt, so daß der mit seinem freien Ende einer Düsenanordnung gegcn.iiberliegend angeordnete Biegekörper ein durch die Ansteuerung auslenkbares Strahlrohr bildet. Auch hier kann der mit dieser Strahlrohranordnung erzeugbare Differenzdruck einem Steuerschieber der Ventilstufe zu seiner Verstellung zugeführt werden.The piezo crystal body is an advantageous embodiment of the invention designed as a stretched bending body clamped at both ends, its Two nozzles of a baffle plate arrangement caused deflection during activation influenced accordingly. The differential pressure that can be generated with the baffle plate arrangement can then be connected to a control spool of the valve stage for its adjustment will. In a further advantageous embodiment of the invention, the piezo crystal body is designed as an elongated hollow flexible body and clamped on one side, see above that the one arranged with its free end opposite a nozzle arrangement Bending body forms a deflectable jet pipe by the control. Here too the differential pressure that can be generated with this jet pipe arrangement can be transmitted to a control slide the valve stage are fed to its adjustment.

Anhand der in der Zeichnung dargestelltcn Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Prallplattenanordnung mit einem Piezo-Kristallkörper als Stellelement u n d Figur 2 eine Strahlrohranordnung mit einem Piezo-Kristallkörper als Stellelement.On the basis of the exemplary embodiments shown in the drawing the invention explained in more detail. Shown are: FIG. 1 with a baffle plate arrangement a piezo crystal body as an adjusting element and FIG. 2 a jet pipe arrangement with a piezo crystal body as an adjusting element.

Beim ersten Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist eine Prinzipdarstellung einer Signalwandlerstufe mit einem langgestreckten Piezo-Kristallkörper 10 als Stellelement zu sehen. Der Piezo-Kristallkörper 10 ist an seinen beiden Enden fest eingespannt und wird durch das elektrische Ausgangssignal eines Verstärkers ii angeteuert. Zu diesem Zweck sind entsprechende Signalverbindungen 12 vom Ausgang des Verstärkers 11 zu den Elektroden des Piezo-Kristailkörpers 10 geführt. Im Mittelbereich des Piezo-Kristallkörpers 10 ist eine Prallplattenanordnung 13 vorgesehen, welche aus zwei gegen überliegend angeordneten, durch den Piezo-Kristallkörper getrennten Regeldüsen 14, 15 besteht. Diese Regeldüsen sind über je eineDrossel 16, 17 mit dem Systemdruck P einer hydraulischen oder pneumatischen Anlage verbunden.In the first exemplary embodiment according to FIG. 1, there is a schematic diagram a signal converter stage with an elongated piezo crystal body 10 as an adjusting element to see. The piezo crystal body 10 is firmly clamped at both ends and is driven by the electrical output signal of an amplifier ii. to for this purpose there are corresponding signal connections 12 from the output of the amplifier 11 led to the electrodes of the piezo crystal body 10. In the middle of the Piezo crystal body 10, a baffle plate arrangement 13 is provided, which from two against superimposed by the piezo crystal body separate control nozzles 14, 15 exists. These control nozzles are each via a throttle 16, 17 connected to the system pressure P of a hydraulic or pneumatic system.

Bei einer Ansteuerung des Piezo-Kristallkörpers 10 mit der Ausgangsspannung (Gleichspannung) des Yerstärkers ll, welcher seinerseits durch eine Steuerspannung angesteuert wird, erfährt der Piezo-Kristallkörper eine Durchbiegung, z.B. in der angedeuteten Richtung x. Hierbei wird der sonst bei Piezo»Kristallen übliche Effekt, und zwar Spannungserzeugung durch Aufbringung eines Druckes umgekehrt, so daß zwischen den Regeldüsen 14, l5 aufgrund der Drosseln 16, 17 ein Differenzdruck 42 entsteht. Dieser Differenzdruck A5 p wird einem Steuerschieber 18 der das eigentliche Ventil darstellenden zweiten Ventilstufe zur Erzielung der entsprechenden Verstellung zugeführt. Am Steuerschieber 18 ist dabei eine nicht näher dargestellte elektrische Meßvorrichtung vorgesehen, von der über eine Signalverbindung 19 ein Rückführsignal zum Verstärker 11 geleitet ist. Der in diesem Ausführungsbeispiel eingesetzte Piezo-Kristallkörper ist ein handelsübliches Biegeelement und besteht aus zwei umgekehrt polarisierten piezoelektrischen Schichten (+ PE / - PE) mit einer elastschen Zwischenschicht. Durch Anlegen einer positiven bzw. negativen Gleichspannung kann man bei einem derartigen Element eine Verlängerung bzw. Verkürzung der Piezoelektrischen Schichten und damit eine für die Ventilsteuerung verwendbare steuerbare Durchbiegung erzielen.When the piezo crystal body 10 is controlled with the output voltage (DC voltage) of the amplifier ll, which in turn by a control voltage is controlled, the piezo crystal body experiences a deflection, e.g. in the indicated direction x. Here the usual effect of piezo »crystals is used, namely voltage generation by applying a pressure reversed, so that between the control nozzles 14, 15 due to the throttles 16, 17 a differential pressure 42 arises. This differential pressure A5 p is a control slide 18 of the actual valve representing the second valve stage supplied to achieve the corresponding adjustment. On the control slide 18 is an electrical measuring device, not shown in detail provided, from which a feedback signal to the amplifier via a signal connection 19 11 is directed. The piezo crystal body used in this exemplary embodiment is a commercially available bending element and consists of two reversed polarized elements piezoelectric layers (+ PE / - PE) with an elastic intermediate layer. By applying a positive or negative DC voltage one can with such a Element is an extension or shortening of the piezoelectric layers and thus achieve a controllable deflection that can be used for valve control.

Beim zweiten Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist ebenfalls ein langgestreckter Piezo-Kristallkörper 25 vorgesehen, der aber im Gegensatz zu der nach Figur 1 hohl ausgebildet und nur einseitig eingespannt ist. Dem freien Ende dieses Piezo-Kristallkörpers 25 ist eine Düsenanordnung 26 mit zwei Düsen 27, 28 gegenüberliegend angeordnet, deren Anschlüsse zum Steuerschieber 18 der eigentlichen Ventilstufe führen. Der Piezo-Kristallkörper 25 wirkt als Strahlrohr einer Strahlrohranordnung 24 und ist zu diesem Zweck an seinem eingespannten Ende mit über eine Drossel29 geleiteten Systemdruck P einer hydraulischen oder pneumatischen Anlage versorgt.In the second embodiment of Figure 2 is also an elongated Piezo crystal body 25 is provided, but in contrast to that according to FIG. 1, it is hollow is formed and clamped only on one side. The free end of this piezo crystal body 25 is a nozzle arrangement 26 with two nozzles 27, 28 arranged opposite one another, whose connections lead to the control slide 18 of the actual valve stage. Of the Piezo crystal body 25 acts as a beam pipe a jet pipe arrangement 24 and is for this purpose at its clamped end with a throttle29 supplied system pressure P of a hydraulic or pneumatic system.

Die Ansteuerung erfolgt wieder über den Verstärker 11, dessen Ausgang über eine Signalverbindung 12 mit den Elektroden des Piezo-Kristallkörpers verbunden ist. Vom Steuersehieber 18 wird dem Verstärker 11 ebenfalls, wie beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1, ein Rückführsignal von einer nicht näher dargestellten elektrischen Meßvorrichtung über eine Signalverbindung 19 zugeführt.The control takes place again via the amplifier 11, its output connected via a signal connection 12 to the electrodes of the piezo crystal body is. From the control slide 18 the amplifier 11 is also, as in the embodiment according to Figure 1, a feedback signal from an electrical, not shown in detail Measuring device supplied via a signal connection 19.

Bei Ansteuerung des Verstärkers 11 mit einer entsprechenden Steuerspannung gibt dieser eine,Ausgangsgleichspannung ab, welche den Piezo-Kristallkörper 25 und damit das Strahlrohr auslenkt. Somit ergibt sich bei einer von der Mittelstellung abweichenden Stellung des Strahlrohres ein Differenzdruck A P, welcher auf den Stcuerschieber 18 der Ventilstufe entsprechend einwirkt. Der Piezo-Kristallkörper 25 ist ebenfalls, wie beim Ausfübrungsbeispiel nach Figur 1, aus zwei entgegengesetzt polarisierten Schichten (+PE / -PE) aufgebaut, so daß durch die Polarität der Verstärkerausgangsspannung die Richtung der Strahirohrauslenkung steuerbar ist. Auch für dieses Ausführungsbeispiel kann ein handelsüblicher Piezo-Kristallkörper mit entsprechend polarisierten Außenschichten und einer elastischen Zwischenschicht verwendet werden.When driving the amplifier 11 with a corresponding control voltage is this one, output DC voltage, which the piezo crystal body 25 and so that the nozzle deflects. This results in one of the middle position deviating position of the jet pipe a differential pressure A P, which on the control slide 18 acts accordingly to the valve stage. The piezo crystal body 25 is also, as in the exemplary embodiment according to FIG. 1, from two oppositely polarized Layers (+ PE / -PE) built up so that by the polarity of the amplifier output voltage the direction of the deflection of the jet tube can be controlled. Also for this embodiment can be a commercially available piezo crystal body with appropriately polarized outer layers and an elastic intermediate layer can be used.

Die erfindungsgemäße Signalwandlerstufe zeichnet sich durch einen geringen Leistungsbedarf, sehr geringe Schaltzeiten und einen ausgezeichneten Frequenzgang aus. Auch die Genauigkeit der Signalwand lung sowie die Schalthäufigkeit sind hervorragend, so daß der erfindungsgemäße Signalwandler auch für Servoventile in Flugzeugsteuerungen verwendet werden kann. Die Einspannung der Piezo-Biege körper kann dabei auch durch eine gelenkige Lagerung oder durch eine drehbare Lagerung ersetzt werden.The signal converter stage according to the invention is characterized by a low power requirement, very short switching times and an excellent frequency response the end. The accuracy of the signal conversion and the switching frequency are also excellent, so that the signal converter according to the invention also for servo valves in aircraft controls can be used. The clamping of the piezo bending body can also be done an articulated mounting or can be replaced by a rotatable mounting.

- Pat-entansprüche - - Patent claims -

Claims (6)

P a t e n t a n s p r ü c h e 1.) Signalwandlerstufe für elektrisch ansteuerbare Ventile, insbesondere Servoventile für hydraulische und/oder pneumatische Steuerungen,dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß das Stellelement der Signaiwandlerstufe aus einem Piezo-Kristailkörper (10, 25) besteht, dessen durch Ansteuerung mit einer Gleichspannung entstehende Formänderung auf ein Stellorgan (18) der Ventilstufe einwirkt. P a t e n t a n s p r ü c h e 1.) Signal converter stage for electrical controllable valves, in particular servo valves for hydraulic and / or pneumatic ones Controls, characterized in that the control element of the signal converter stage consists of a Piezo-Kristailkörper (10, 25), which is controlled by a Change in shape produced by direct voltage on an actuator (18) of the valve stage acts. 2.) Signalwandlerstufe nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Piezo-Kristallkörper (10, 25) in einer strömungsabhängigen Steuervorrichtung (13, 24) eingesetzt ist, die bei Ansteuerung ein auf das Stellorgan (18) der Ventilstufe einwirkendes Drucksignal erzeugt. 2.) Signal converter stage according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the piezo crystal body (10, 25) is in a flow-dependent manner Control device (13, 24) is used, which when activated on the actuator (18) generated pressure signal acting on the valve stage. 3.) Signalwandlerstufe nach Anspruch . oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Piezo-Kristallkörper (10) als langgestreckter, an beiden Enden eingespannter Biegekörper ausgebildet ist, dessen bei der Ansteuerung im Mittelbreich entstehende Durchbiegung zwei Düsen (14, 15) einer Prallplattenanordnung (13) entsprechend beeinflußt. 3.) Signal converter stage according to claim. or 2, thereby g e -k e n It is not indicated that the piezo-crystal body (10) as elongated, on both Ends of clamped bending body is formed, the control in the middle range resulting deflection two nozzles (14, 15) of a baffle plate arrangement (13) accordingly influenced. 4.) Signalwandlerstufe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Piezo-Kristallkörper (25) als langgestreckter hohler Biegekörper ausgebildet und einseitig eingespannt ist und daß der mit seinem freien Ende einer Düsenanordnung (26) gegenüberliegend angeordnete Piezo-Kristallkörper (25) eine durch Ansteuerung auslenkbare Strahlrohranordnung (24) bildet. 4.) signal converter stage according to claim 1 or 2, characterized g e -k e n It is not indicated that the piezo-crystal body (25) is an elongated hollow one Bending body is formed and clamped on one side and that the with its free Piezo crystal bodies arranged opposite the end of a nozzle arrangement (26) (25) forms a jet pipe arrangement (24) which can be deflected by actuation. 5.) Signalwandlerstufe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t t daß der durch die Auslenkung des Piezo-Kristallkörpers (10, 25) entstehende Differenzdruck ( A p) einem Steuerschieber (18) der zweiten Ventilstufe zu seiner Einstellung zugeführt ist.5.) Signal converter stage according to one of claims 1 to 4, characterized in that g e k e n n n e i c h n e t t t that caused by the deflection of the piezo crystal body (10, 25) resulting differential pressure (A p) a control slide (18) of the second Valve stage is supplied to its adjustment. 6.) Signalwandlerstufe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Stellorgan (18) der zweiten Ventilstufe eine bei ihrer Verstellung beeinflußbare elektrische Meßvorrichtung aufweist, von der eine Signalverbindung (19) zur Übertragung eines Rüclführsignals zu einem den Piezo-Kristallkörper (10, 25) ansteuernden Verstärker (11) besteht.6.) Signal converter stage according to one of the preceding claims, characterized it is shown that the actuator (18) of the second valve stage is a has in their adjustment can be influenced electrical measuring device of the a signal connection (19) for transmitting a return signal to one of the piezo crystal bodies (10, 25) driving amplifier (11) consists. L e e r s e i t eL e r s e i t e
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