CN102878139B - 压电液致动弹性膜位置电反馈式两级伺服阀及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
压电液致动弹性膜位置电反馈式两级伺服阀及其控制方法，属于微流体控制领域。它解决现有的小、微流量控伺服阀可靠性差的问题。压电液致动弹性膜位置电反馈式两级伺服阀，包括主阀体、固定阻尼孔、平衡弹簧、阀芯、导阀体、两个可变节流口、压电液制动弹性膜组件、伺服阀控器、位移传感器、五个流道和滑阀腔体；其方法是：通过控制压电液制动弹性膜组件的压电片输入电流的大小和正负，控制压电片形变的大小和方向，使得压电液致动弹性膜组件发生微小位移，左可变节流口和右可变节流口的等效液阻将发生变化，从而在阀芯的两端形成压差，推动阀芯运动，直至阀芯的位移反馈信号与给定输入信号相等。本发明适用于小流量及微流体控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电液致动弹性膜位置电反馈式两级伺服阀及其控制方法，属于微流体控制领域。
背景技术
小流量控制应用以及微流体控制领域的伺服阀是一种重要的小、微流量调控元件，其性能是决定流体高精度控制应用的关键。现有的小、微流量控伺服阀多采用喷嘴挡板式伺服阀，虽然该伺服阀具有精度高、响应速度较快等优点，但喷嘴加工精度高、成本贵，而且实际工作中可能存在高频啸叫，进而使得弹簧管组件失效，进而可靠性差。实际上，小、微流量调控领域应用的伺服阀动态特性要求适中而稳定性要求突出，所以开发出一种综合性能较好、成本低、新型的伺服阀具有重要的研究意义和广泛的应用价值，为此本发明提出一种压电液致动弹性膜位置电反馈式两级伺服阀。
发明内容
本发明是为了解决现有的小、微流量控伺服阀可靠性差的问题，从而提供一种压电液致动弹性膜位置电反馈式两级伺服阀及其控制方法。
压电液致动弹性膜位置电反馈式两级伺服阀，它包括主阀体、导阀体和伺服阀控器；
所述主阀体内设置有一号固定阻尼孔、位移传感器、二号固定阻尼孔、滑阀腔体和五号流道；
导阀体内设置有一号可变节流口、二号可变节流口、压电液致动弹性膜组件、一号流道、二号流道、三号流道和四号流道；
滑阀腔体内置有一号平衡弹簧、滑阀和二号平衡弹簧；滑阀腔体侧壁上设置有出液口、一号进出液口、二号进出液口和进液口；
滑阀是由第一阀芯、第二阀芯、第三阀芯和一根位于阀芯中心的连接杆构成，所述第一阀芯、第二阀芯、第三阀芯通过一根位于阀芯中心的连接杆连接；滑阀的第一阀芯、第二阀芯和第三阀芯将滑阀腔体分成四个互不连通的区域，分别为区域一、区域二、区域三和区域四，其中，区域一是滑阀腔体的内壁和第一阀芯之间的区域，区域二是第一阀芯和第二阀芯之间的区域，区域三是第二阀芯和第三阀芯之间的区域，区域四是第三阀芯和滑阀腔体的内壁之间的区域；所述滑阀能够在滑阀腔体内做直线往复运动；
一号平衡弹簧位于区域一内，其两端分别压在滑阀腔体的内壁和第一阀芯的侧壁上；二号平衡弹簧位于区域四内，其两端分别压在第三阀芯的侧壁和滑阀腔体的内壁上；
在一号平衡弹簧与二号平衡弹簧正常状态下，滑阀的第一阀芯覆盖在一号进出液口，滑阀的第二阀芯覆盖在出液口，滑阀的第三阀芯覆盖在进液口；
滑阀腔体的区域一通过一号流道与一号可变节流口连通，一号可变节流口通过四号流道与二号进出液口连通；
滑阀腔体的区域四通过二号流道与二号可变节流口连通，二号可变节流口通过三号流道与进液口连通；
滑阀腔体的区域四通过二号固定阻尼孔分别与五号流道和进液口连通；
滑阀腔体的区域一通过一号固定阻尼孔与五号流道连通；
压电液致动弹性膜组件位于一号可变节流口和二号可变节流口之间，用于控制一号可变节流口和二号可变节流口内液体阻力的变化，所述压电液致动弹性膜组件内设置有压电片，该压电片通过导线与伺服阀控器连接；
位移传感器位于二号平衡弹簧中心杆的外侧，二号平衡弹簧中心杆与伺服阀控器之间，用于采集滑阀阀芯的位移信号，并将所获得的位移信号发送给伺服阀控器，伺服阀控器输出控制信号给压电液致动弹性膜组件内的压电片；
主阀体与导阀体固接为一体，导阀体中的压电液致动弹性膜组件通过控制信号线与伺服阀控器连接。
压电液致动弹性膜位置电反馈式两级伺服阀的控制方法，该方法的实现过程为：
由外部输入设备输入滑阀的阀芯位移信号给伺服阀控器，伺服阀控器根据该位移信号产生电流激励信号给压电液致动弹性膜组件的压电片，压电片发生形变，其形变程度与激励电流大小近似成正比；
当输入激励电流为正电流时，压电片将产生向一号弹性膜所在方向的变形，使得压电液致动弹性膜组件产生向一号弹性膜所在方向的位移；
当输入激励电流为负电流时，压电片将产生向二号弹性膜所在方向的变形，使得压电液致动弹性膜组件产生向二号弹性膜所在方向的位移；
位移传感器实时采集滑阀的阀芯的实际位移信号，并将该位移信号发送至伺服阀控器，伺服阀控器将该位移信号与由外部输入设备输入滑阀的阀芯位移信号相比较得出偏差信号，伺服阀控器根据所述偏差信号输出激励电流至压电液致动弹性膜组件的压电片，调整滑阀阀芯的位置，直到所述偏差信号趋近于零。
工作原理：当压电液致动弹性膜组件无电流激励信号时，即给定输入信号为零，左可变节流口和右可变节流口的等效液阻相同，功率级滑阀阀芯两端的控制压力相等，阀芯在两端平衡弹簧（左平衡弹簧和右平衡弹簧）的作用下处于零位，伺服阀无负载流量输出。若有一给定输入信号时，伺服阀控制器将对给定输入信号与阀芯的位移传感器反馈的信号相比较，得出的偏差信号输出到压电液致动弹性膜组件的压电片，在压电液致动弹性膜组件的微小位移控制下，左可变节流口和右可变节流口的等效液阻将发生变化，一侧节流口变小、恢复压力升高，而另一侧节流口变大、恢复压力降低，从而在阀芯的两端形成压差，推动阀芯运动，直至阀芯的位移反馈信号与给定输入信号相等，即偏差信号为零时，阀芯停止运动，则阀芯的位移实现了跟随给定输入信号的变化。
有益效果：
1、基于压电液致动弹性膜组件的前置级具有液压放大、微小位移运动放大双重功能，具有微米级放大及运动精度，能够实现微精调整；
2、基于压电液致动弹性膜组件的前置级结构紧凑，为封闭组件，可靠性高。
3、基于压电液致动弹性膜组件的位置电反馈式两级伺服阀相应快速，具有一定的阻尼稳定性好、控制无死区、无啸叫、噪音低。
4、伺服阀适用于液体或气体工作介质，能够实现小、微流量的高精度调节，结构简单、成本低，在小、微流体控制领域具有广泛前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是压电液致动弹性膜组件的结构示意图；
图3是伺服阀控制系统框图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，压电液致动弹性膜位置电反馈式两级伺服阀，它包括主阀体1、导阀体5和伺服阀控器10；
所述主阀体1内设置有一号固定阻尼孔2、位移传感器11、二号固定阻尼孔12、滑阀腔体14和五号流道f；
导阀体5内设置有一号可变节流口6、二号可变节流口8、压电液致动弹性膜组件7、一号流道a、二号流道b、三号流道c和四号流道d；
滑阀腔体14内置有一号平衡弹簧3、滑阀4和二号平衡弹簧9；滑阀腔体14侧壁上设置有出液口18、一号进出液口19、二号进出液口20和进液口21；
滑阀4是由第一阀芯4-1、第二阀芯4-2、第三阀芯4-3和一根位于阀芯中心的连接杆构成，所述第一阀芯4-1、第二阀芯4-2、第三阀芯4-3通过一根位于阀芯中心的连接杆连接；滑阀4的第一阀芯4-1、第二阀芯4-2和第三阀芯4-3将滑阀腔体14分成四个互不连通的区域，分别为区域一22、区域二23、区域三24和区域四25，其中，区域一22是滑阀腔体14的内壁和第一阀芯4-1之间的区域，区域二23是第一阀芯4-1和第二阀芯4-2之间的区域，区域三24是第二阀芯4-2和第三阀芯4-3之间的区域，区域四25是第三阀芯4-3和滑阀腔体14的内壁之间的区域；所述滑阀4能够在滑阀腔体14内做直线往复运动；
一号平衡弹簧3位于区域一22内，其两端分别压在滑阀腔体14的内壁和第一阀芯4-1的侧壁上；二号平衡弹簧9位于区域四25内，其两端分别压在第三阀芯4-2的侧壁和滑阀腔体14的内壁上；
在一号平衡弹簧3与二号平衡弹簧9正常状态下，滑阀4的第一阀芯4-1覆盖在一号进出液口19，滑阀4的第二阀芯4-2覆盖在出液口18，滑阀4的第三阀芯4-3覆盖在进液口21；
滑阀腔体14的区域一22通过一号流道a与一号可变节流口6连通，一号可变节流口6通过四号流道d与二号进出液口20连通；
滑阀腔体14的区域四25通过二号流道b与二号可变节流口8连通，二号可变节流口8通过三号流道c与进液口21连通；
滑阀腔体14的区域四25通过二号固定阻尼孔12分别与五号流道f和进液口21连通；
滑阀腔体14的区域一22通过一号固定阻尼孔2与五号流道f连通；
压电液致动弹性膜组件7位于一号可变节流口6和二号可变节流口8之间，用于控制一号可变节流口6和二号可变节流口8内液体阻力的变化，所述压电液致动弹性膜组件7内设置有压电片7-6，该压电片7-6通过导线7-7与伺服阀控器10连接；
位移传感器11位于二号平衡弹簧9中心杆的外侧，二号平衡弹簧9中心杆与伺服阀控器10之间，用于采集滑阀4阀芯的位移信号，并将所获得的位移信号发送给伺服阀控器10，伺服阀控器10输出控制信号给压电液致动弹性膜组件7内的压电片7-6；
主阀体1与导阀体5固接为一体，导阀体5中的压电液致动弹性膜组件7通过控制信号线与伺服阀控器10连接。
控制压电片7-6的形变，进而控制压电液致动弹性膜组件7的形变，最终达到控制滑阀4的三个阀芯位移的目的。
具体实施方式二、结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述的所述压电液致动弹性膜组件7包括一号弹性膜7-1、一号弹性膜固定架7-2、一号波纹管7-3、第一封闭腔7-4、一号固定套7-5、压电片7-6、二号固定套7-8、第二封闭腔7-9、二号波纹管7-10、二号弹性膜固定架7-11和二号弹性膜7-12；
一号弹性膜7-1、一号波纹管7-3一号固定套7-5和压电片7-6围成第一封闭腔7-4；一号弹性膜7-1覆盖在一号波纹管7-3的一端，并通过一号弹性膜固定架7-2与一号波纹管7-3连接，一号波纹管7-3的另一端通过一号固定套7-5与压电片7-6固定连接；
压电片7-6、二号固定套7-8、二号波纹管7-10和二号弹性膜7-12围成第二封闭腔7-9；压电片7-6通过二号固定套7-8与二号波纹管7-10的一端连接，二号弹性膜7-12覆盖在二号波纹管7-10的另一端，并通过二号弹性膜固定架7-11与二号波纹管7-10固定连接。
具体实施方式三、结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的压电液致动弹性膜位置电反馈式两级伺服阀的控制方法，该方法的实现过程为：
由外部输入设备输入滑阀的阀芯位移信号给伺服阀控器10，伺服阀控器10根据该位移信号产生电流激励信号给压电液致动弹性膜组件7的压电片7-6，压电片7-6发生形变，其形变程度与激励电流大小近似成正比；
当输入激励电流为正电流时，压电片7-6将产生向一号弹性膜7-1所在方向的变形，使得压电液致动弹性膜组件7产生向一号弹性膜7-1所在方向的位移；
当输入激励电流为负电流时，压电片7-6将产生向二号弹性膜7-12所在方向的变形，使得压电液致动弹性膜组件7产生向二号弹性膜7-12所在方向的位移；
位移传感器11实时采集滑阀的阀芯的实际位移信号，并将该位移信号发送至伺服阀控器10，伺服阀控器10将该位移信号与由外部输入设备输入滑阀的阀芯位移信号相比较得出偏差信号，伺服阀控器10根据所述偏差信号输出激励电流至压电液致动弹性膜组件7的压电片7-6，调整滑阀4阀芯的位置，直到所述偏差信号趋近于零。
Claims (4)
1.压电液致动弹性膜位置电反馈式两级伺服阀，其特征是：它包括主阀体（1）、导阀体（5）和伺服阀控器（10）；
所述主阀体（1）内设置有一号固定阻尼孔（2）、位移传感器（11）、二号固定阻尼孔（12）、滑阀腔体（14）和五号流道（f）；
导阀体（5）内设置有一号可变节流口（6）、二号可变节流口（8）、压电液致动弹性膜组件（7）、一号流道（a）、二号流道（b）、三号流道（c）和四号流道（d）；
滑阀腔体（14）内置有一号平衡弹簧（3）、滑阀（4）和二号平衡弹簧（9）；滑阀腔体（14）侧壁上设置有出液口（18）、一号进出液口（19）、二号进出液口（20）和进液口（21）；
滑阀（4）是由第一阀芯（4-1）、第二阀芯（4-2）、第三阀芯（4-3）和一根位于阀芯中心的连接杆构成，所述第一阀芯（4-1）、第二阀芯（4-2）、第三阀芯（4-3）通过一根位于阀芯中心的连接杆连接；滑阀（4）的第一阀芯（4-1）、第二阀芯（4-2）和第三阀芯（4-3）将滑阀腔体（14）分成四个互不连通的区域，分别为区域一（22）、区域二（23）、区域三（24）和区域四（25），其中，区域一（22）是滑阀腔体（14）的内壁和第一阀芯（4-1）之间的区域，区域二（23）是第一阀芯（4-1）和第二阀芯（4-2）之间的区域，区域三（24）是第二阀芯（4-2）和第三阀芯（4-3）之间的区域，区域四（25）是第三阀芯（4-3）和滑阀腔体（14）的内壁之间的区域；所述滑阀（4）能够在滑阀腔体（14）内做直线往复运动；
一号平衡弹簧（3）位于区域一（22）内，其两端分别压在滑阀腔体（14）的内壁和第一阀芯（4-1）的侧壁上；二号平衡弹簧（9）位于区域四（25）内，其两端分别压在第三阀芯（4-3）的侧壁和滑阀腔体（14）的内壁上；
在一号平衡弹簧（3）与二号平衡弹簧（9）正常状态下，滑阀（4）的第一阀芯（4-1）覆盖在一号进出液口（19），滑阀（4）的第二阀芯（4-2）覆盖在出液口（18），滑阀（4）的第三阀芯（4-3）覆盖在进液口（21）；
滑阀腔体（14）的区域一（22）通过一号流道（a）与一号可变节流口（6）连通，一号可变节流口（6）通过四号流道（d）与二号进出液口（20）连通；
滑阀腔体（14）的区域四（25）通过二号流道（b）与二号可变节流口（8）连通，二号可变节流口（8）通过三号流道（c）与进液口（21）连通；
滑阀腔体（14）的区域四（25）通过二号固定阻尼孔（12）分别与五号流道（f）和进液口（21）连通；
滑阀腔体（14）的区域一（22）通过一号固定阻尼孔（2）与五号流道（f）连通；
压电液致动弹性膜组件（7）位于一号可变节流口（6）和二号可变节流口（8）之间，用于控制一号可变节流口（6）和二号可变节流口（8）内液体阻力的变化，所述压电液致动弹性膜组件（7）内设置有压电片（7-6），该压电片（7-6）通过导线（7-7）与伺服阀控器（10）连接；
位移传感器（11）位于二号平衡弹簧（9）中心杆的外侧，二号平衡弹簧（9）中心杆与伺服阀控器（10）之间，用于采集滑阀（4）阀芯的位移信号，并将所获得的位移信号发送给伺服阀控器（10），伺服阀控器（10）输出控制信号给压电液致动弹性膜组件（7）内的压电片（7-6）；
主阀体（1）与导阀体（5）固接为一体，导阀体（5）中的压电液致动弹性膜组件（7）通过控制信号线与伺服阀控器（10）连接。
2.根据权利要求1所述的压电液致动弹性膜位置电反馈式两级伺服阀，其特征是：所述压电液致动弹性膜组件（7）包括一号弹性膜（7-1）、一号弹性膜固定架（7-2）、一号波纹管（7-3）、第一封闭腔（7-4）、一号固定套（7-5）、压电片（7-6）、二号固定套（7-8）、第二封闭腔（7-9）、二号波纹管（7-10）、二号弹性膜固定架（7-11）和二号弹性膜（7-12）；
一号弹性膜（7-1）、一号波纹管（7-3）一号固定套（7-5）和压电片（7-6）围成第一封闭腔（7-4）；一号弹性膜（7-1）覆盖在一号波纹管（7-3）的一端，并通过一号弹性膜固定架（7-2）与一号波纹管（7-3）连接，一号波纹管（7-3）的另一端通过一号固定套（7-5）与压电片（7-6）固定连接；
压电片（7-6）、二号固定套（7-8）、二号波纹管（7-10）和二号弹性膜（7-12）围成第二封闭腔（7-9）；压电片（7-6）通过二号固定套（7-8）与二号波纹管（7-10）的一端连接，二号弹性膜（7-12）覆盖在二号波纹管（7-10）的另一端，并通过二号弹性膜固定架（7-11）与二号波纹管（7-10）固定连接。
3.根据权利要求1所述的压电液致动弹性膜位置电反馈式两级伺服阀，其特征是：所述滑阀（4）为零开口四边滑阀。
4.应用权利要求1所述的压电液致动弹性膜位置电反馈式两级伺服阀的控制方法，其特征是：该控制方法的实现过程为：
由外部输入设备输入滑阀的阀芯位移信号给伺服阀控器（10），伺服阀控器（10）根据该位移信号产生电流激励信号给压电液致动弹性膜组件（7）的压电片（7-6），压电片（7-6）发生形变，其形变程度与激励电流大小近似成正比；
当输入激励电流为正电流时，压电片（7-6）将产生向一号弹性膜（7-1）所在方向的变形，使得压电液致动弹性膜组件（7）产生向一号弹性膜（7-1）所在方向的位移；
当输入激励电流为负电流时，压电片（7-6）将产生向二号弹性膜（7-12）所在方向的变形，使得压电液致动弹性膜组件（7）产生向二号弹性膜（7-12）所在方向的位移；
位移传感器（11）实时采集滑阀的阀芯的实际位移信号，并将该位移信号发送至伺服阀控器（10），伺服阀控器（10）将该位移信号与由外部输入设备输入滑阀的阀芯位移信号相比较得出偏差信号，伺服阀控器（10）根据所述偏差信号输出激励电流至压电液致动弹性膜组件（7）的压电片（7-6），调整滑阀（4）阀芯的位置，直到所述偏差信号趋近于零。
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