CN111140688B - 一种压电阀控制电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电阀控制电路及控制方法。包括蓄能单元、逻辑控制单元、降压控制单元、第一开关单元、第二开关单元和保护电路，蓄能单元分别提供电压给逻辑控制单元、降压控制单元，降压控制单元的电压输出端和两个开关单元的输入端相连，降压控制单元、两个开关单元的控制端分别和逻辑控制单元相连，两个开关单元的输出端分别和保护电路相连，保护电路再和压电阀的正、负输入端相连。由逻辑控制单元控制降压控制单元是否开启降压功能，并控制两个开关单元的通断，从而可以控制加载在压电阀两端的电压大小及电压极性。通过降低压电阀的电压，延长压电阀动作持续时间，从而减少压电陶瓷形状畸变造成的影响，使得压电阀不易漏气失效。
Description
技术领域
本发明涉及压电阀的控制技术，尤其涉及一种压电阀控制电路及控制方法。
背景技术
压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，这种能力称为压电效应。当给压电陶瓷加上外电场时，压电陶瓷会有变形；当外加电场撤销后，压电陶瓷恢复原形。压电阀是利用压电陶瓷外加电场时会变形的特点，堵住或放开排气口，实现气路开关的一种阀门。压电陶瓷多次使用后会发生形状畸变，也就是说处于无电场的情况下，其形状不能回复到最初的状态。当压电陶瓷发生形状畸变时，压电阀就会漏气失效，不能正常工作。
目前的压电阀多为利用功能陶瓷片在电压作用下产生弯曲变形原理制成的一种两位式(或比例式)控制阀，即有一个进口、两个出口，目前控制压电阀动作只需提供足够的电压，通过切换正、反电压实现压电阀的两位式切换，即压电阀输入正电场时进口和其中一个出口导通，输入反电场时进口和另一个出口导通。目前的控制方法没有考虑压电陶瓷的形状畸变，从而造成压电阀容易漏气失效，减少了压电阀的使用次数和使用寿命。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题，提供一种压电阀控制电路及控制方法，其考虑到压电陶瓷的形状畸变问题，采用新的控制电路及控制方法控制压电阀的两位式通断，从而减少压电陶瓷形状畸变对压电阀造成的影响，使得压电阀不易漏气失效，延长压电阀的使用寿命。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的压电阀控制电路，包括蓄能单元、逻辑控制单元、降压控制单元、第一开关单元、第二开关单元和保护电路，蓄能单元分别和逻辑控制单元、降压控制单元相连，蓄能单元分别提供电压给逻辑控制单元、降压控制单元，降压控制单元的电压输出端和第一开关单元及第二开关单元的输入端相连，降压控制单元、第一开关单元、第二开关单元的控制端分别和所述的逻辑控制单元相连，第一开关单元、第二开关单元的输出端分别和保护电路的两个输入端相连，保护电路的两个输出端分别和压电阀的正输入端及负输入端相连。正常情况下，压电阀的动作持续时间必须大于一个阈值T1(T1最佳值为10毫秒)。为了减少压电陶瓷形状畸变对压电阀造成的影响，本技术方案通过延长压电阀的动作持续时间来实现。压电阀的动作持续时间要大于一个阈值T2(T2最佳值为5秒)时，加载在压电阀上的电压必须低于持续时间为T1时的控制电压，最佳的两者的差值是持续时间为T1时的控制电压的10％。本技术方案中由逻辑控制单元控制降压控制单元开启降压功能或关闭降压功能，由逻辑控制单元控制第一开关单元及第二开关单元的通断，从而可以控制加载在压电阀两端的电压的大小及电压的极性。保护电路对压电阀起到保护作用。当降压控制单元开启降压功能时，使得加载在压电阀两端的电压低于持续时间为T1时的控制电压，从而延长压电阀的动作持续时间，减少压电陶瓷形状畸变对压电阀造成的影响，使得压电阀不易漏气失效，延长压电阀的使用寿命。
作为优选，所述的降压控制单元包括场效应管Q3，场效应管Q3的栅极和所述的逻辑控制单元相连，场效应管Q3的源极接地，场效应管Q3的漏极和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端既经电阻R3接电压VCC又接电压VCC2，电压VCC由所述的蓄能单元提供，电压VCC2就是降压控制单元输出的电压，电压VCC2和所述的第一开关单元及第二开关单元的输入端相连。由逻辑控制单元控制场效应管Q3的导通或截止。场效应管Q3的栅极为高电平时，场效应管Q3导通，电阻R3和电阻R4进行分压后，使得电压VCC2小于电压VCC，降压控制单元开启降压功能，从而降低压电阀的控制电压，延长压电阀的动作持续时间。场效应管Q3的栅极为低电平时，场效应管Q3截止，电压VCC2等于电压VCC，降压控制单元关闭降压功能，压电阀的动作持续时间不延长。控制方便，使用灵活。
作为优选，所述的第一开关单元包括场效应管Q1和场效应管Q2，场效应管Q1的栅极和所述的逻辑控制单元相连，场效应管Q1的源极接地，场效应管Q1的栅极和源极间连接有电阻R6，场效应管Q1的漏极和电阻R7的一端、二极管D1的负极及场效应管Q2的栅极相连，电阻R7的另一端和场效应管Q2的漏极相连并且和所述的降压控制单元的电压输出端相连，二极管D1的正极和场效应管Q2的源极相连作为第一开关单元的输出端。由逻辑控制单元控制场效应管Q1的导通或截止。场效应管Q1的栅极得低电平时截止，则场效应管Q2导通，电压VCC2输送给压电阀的正输入端。场效应管Q1的栅极得高电平时导通，则场效应管Q2截止，压电阀的正输入端接地。从而可以控制加载在压电阀上的电压是正电压还是反电压，控制压电阀的正向动作或反向动作，实现压电阀的两位式开关控制。
作为优选，所述的第二开关单元包括场效应管Q4和场效应管Q5，场效应管Q4的栅极既和所述的逻辑控制单元相连又经电阻R8接电压V3.3，场效应管Q4的源极接地，场效应管Q4的漏极和电阻R9的一端、二极管D2的负极及场效应管Q5的栅极相连，电阻R9的另一端和场效应管Q5的漏极相连并且和所述的降压控制单元的电压输出端相连，二极管D2的正极和场效应管Q5的源极相连作为第二开关单元的输出端。由逻辑控制单元控制场效应管Q4的导通或截止。场效应管Q4的栅极得低电平时截止，则场效应管Q5导通，电压VCC2输送给压电阀的负输入端。场效应管Q4的栅极得高电平时导通，则场效应管Q5截止，压电阀的负输入端接地。从而可以控制加载在压电阀上的电压是正电压还是反电压，控制压电阀的正向动作或反向动作，实现压电阀的两位式开关控制。
作为优选，所述的保护电路包括电阻R1和电阻R2，电阻R2的一端和电阻R1的一端相连作为保护电路的一个输入端并且和所述的第一开关单元的输出端相连，电阻R2的另一端既作为保护电路的另一个输入端和所述的第二开关单元的输出端相连又作为保护电路的一个输出端和压电阀的负输入端相连，电阻R1的另一端作为保护电路的另一个输出端和压电阀的正输入端相连。电阻R1是限流电阻，电阻R2是放电电阻，保护电路由限流电阻R1和放电电阻R2组成，对压电阀进行保护。
作为优选，所述的蓄能单元采用电容，所述的逻辑控制单元为单片机。采用单片机作为核心控制元件，实现方便，可靠性高。蓄能单元由电容组成，断电时能保证有20毫秒以上的供电维持时间。
本发明的压电阀控制电路的控制方法，包括下列步骤：
步骤①所述的逻辑控制单元分别输出控制信号给所述的降压控制单元、第一开关单元和第二开关单元，使得第一开关单元导通且第二开关单元断开，并且使得降压控制单元关闭降压功能，即降压控制单元直接将所述的蓄能单元输出的电压V1输送给第一开关单元，此时压电阀的正输入端获得电压V1，压电阀的负输入端接地，压电阀正向动作并保持时间T1以上；
步骤②如果压电阀正向动作不需要保持时间T2，T2＞T1，则进入步骤③；如果压电阀正向动作要保持时间T2以上，则所述的逻辑控制单元输出控制信号给降压控制单元，使得降压控制单元开启降压功能输出电压V2，V2＜V1；同时逻辑控制单元分别输出控制信号给第一开关单元和第二开关单元，使得第一开关单元导通且第二开关单元断开，此时压电阀的正输入端获得电压V2，压电阀的负输入端接地，则压电阀正向动作保持时间T2；
步骤③所述的逻辑控制单元分别输出控制信号给第一开关单元和第二开关单元，使得第一开关单元断开且第二开关单元导通，此时压电阀的正输入端接地，压电阀的负输入端获得电压V1，则压电阀反向动作保持时间T1；
步骤④所述的逻辑控制单元输出控制信号给降压控制单元，使得降压控制单元开启降压功能输出电压V2，V2＜V1；同时所述的逻辑控制单元分别输出控制信号给第一开关单元和第二开关单元，使得第一开关单元断开且第二开关单元导通，此时压电阀的正输入端接地，压电阀的负输入端获得电压V2，则压电阀反向动作保持时间T2。
正常情况下，压电阀的动作持续时间必须大于一个阈值T1(T1最佳值为10毫秒)，此时加载在压电阀上的电压为V1。为了减少压电陶瓷形状畸变对压电阀造成的影响，本技术方案通过延长压电阀的动作持续时间来实现。压电阀的动作持续时间要大于一个阈值T2(T2最佳值为5秒)时，加载在压电阀上的电压V2必须低于电压V1，V1-V2最佳为V1的10％。本技术方案中由逻辑控制单元控制降压控制单元开启降压功能或关闭降压功能，由逻辑控制单元控制第一开关单元及第二开关单元的通断，从而可以控制加载在压电阀两端的电压的大小及电压的极性。当降压控制单元开启降压功能时，使得加载在压电阀两端的电压V2低于持续时间为T1时的控制电压V1，从而延长压电阀的动作持续时间，减少压电陶瓷形状畸变对压电阀造成的影响，使得压电阀不易漏气失效，延长压电阀的使用寿命。
作为优选，所述的控制方法包括：如果控制电路断电，所述的蓄能单元开始放电供电给所述的逻辑控制单元，所述的逻辑控制单元检测到断电信号，所述的逻辑控制单元输出控制信号给降压控制单元，使得降压控制单元关闭降压功能，同时逻辑控制单元分别输出控制信号给第一开关单元和第二开关单元，使得第一开关单元断开且第二开关单元导通，此时压电阀的正输入端接地，压电阀的负输入端获得电压V1，则压电阀反向动作保持时间大于T3，T1＜T3＜T2。断电时压电阀由反向电压控制，并保持一个大于T3(T3最佳值为20毫秒)的时间。
本发明的有益效果是：采用新的控制电路及控制方法控制压电阀的两位式通断，从而减少压电陶瓷形状畸变对压电阀造成的影响，使得压电阀不易漏气失效，延长压电阀的使用寿命。
附图说明
图1是本发明的一种电路原理连接结构框图。
图2是本发明的一种电路原理图。
图中1.蓄能单元，2.逻辑控制单元，3.降压控制单元，4.第一开关单元，5.第二开关单元，6.保护电路，7.压电阀。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种压电阀控制电路，如图1所示，包括蓄能单元1、逻辑控制单元2、降压控制单元3、第一开关单元4、第二开关单元5和保护电路6，蓄能单元分别和逻辑控制单元、降压控制单元相连，蓄能单元分别提供电压给逻辑控制单元、降压控制单元，降压控制单元的电压输出端和第一开关单元及第二开关单元的输入端相连，降压控制单元、第一开关单元、第二开关单元的控制端分别和所述的逻辑控制单元相连，第一开关单元、第二开关单元的输出端分别和保护电路的两个输入端相连，保护电路的两个输出端分别和压电阀7的正输入端及负输入端相连。
如图2所示，逻辑控制单元2包括单片机U1，单片机U1采用CH558T单片机，蓄能单元1采用电容。降压控制单元3包括场效应管Q3，场效应管Q3的栅极和单片机U1的20脚相连，场效应管Q3的源极接地，场效应管Q3的漏极和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端既经电阻R3接电压VCC又接电压VCC2，电压VCC由作为蓄能单元的电容提供，电压VCC2就是降压控制单元输出的电压，电压VCC2和第一开关单元及第二开关单元的输入端相连。
第一开关单元4包括场效应管Q1和场效应管Q2，场效应管Q1的栅极和单片机U1的12脚相连，场效应管Q1的源极接地，场效应管Q1的栅极和源极间连接有电阻R6，场效应管Q1的漏极和电阻R7的一端、二极管D1的负极及场效应管Q2的栅极相连，电阻R7的另一端和场效应管Q2的漏极相连并且接电压VCC2，二极管D1的正极和场效应管Q2的源极相连作为第一开关单元的输出端和电阻R2的一端相连。
第二开关单元5包括场效应管Q4和场效应管Q5，场效应管Q4的栅极既和单片机U1的11脚相连又经电阻R8接电压V3.3，场效应管Q4的源极接地，场效应管Q4的漏极和电阻R9的一端、二极管D2的负极及场效应管Q5的栅极相连，电阻R9的另一端和场效应管Q5的漏极相连并且接电压VCC2，二极管D2的正极和场效应管Q5的源极相连作为第二开关单元的输出端和电阻R2的另一端相连。
保护电路6包括电阻R1和电阻R2，电阻R2的一端和电阻R1的一端相连作为保护电路的一个输入端和场效应管Q2的源极相连，电阻R2的另一端既作为保护电路的另一个输入端和场效应管52的源极相连，又作为保护电路的一个输出端和压电阀的负输入端相连，电阻R1的另一端作为保护电路的另一个输出端和压电阀的正输入端相连。
上述压电阀控制电路的控制方法，包括下列步骤：
步骤①单片机U1分别输出控制信号给场效应管Q3、场效应管Q1和场效应管Q4，使得场效应管Q3的栅极得低电平而截止，场效应管Q1的栅极得低电平而截止，场效应管Q2导通，场效应管Q4的栅极得高电平而导通，场效应管Q5截止，此时降压控制单元关闭降压功能，即电压VCC2等于电压VCC，电压VCC就是蓄能单元输出的电压V1，即降压控制单元直接将蓄能单元输出的电压V1输送给第一开关单元，而第一开关单元导通，第二开关单元断开，此时压电阀的正输入端获得电压V1，压电阀的负输入端接地，压电阀正向动作并保持时间T1，T1最佳值为10毫秒；
步骤②如果压电阀正向动作不需要保持时间T2，T2＞T1，则进入步骤③；如果压电阀正向动作要保持时间T2以上，T2最佳值为5秒，则单片机U1输出控制信号给降压控制单元，使得场效应管Q3的栅极得高电平而导通，降压控制单元开启降压功能，电阻R3和电阻R4进行分压后，使得电压VCC2等于电压V2，V2＜V1，V1-V2最佳为V1的10％；而场效应管Q1仍为截止，场效应管Q4仍为导通，第一开关单元仍导通，第二开关单元仍断开，此时压电阀的正输入端获得电压V2，压电阀的负输入端接地，则压电阀正向动作保持时间T2；
步骤③单片机U1分别输出控制信号给场效应管Q1和场效应管Q4，场效应管Q1的栅极得高电平而导通，场效应管Q2截止，场效应管Q4的栅极得低电平而截止，场效应管Q5导通，而场效应管Q3的状态不变仍为截止，此时降压控制单元关闭降压功能，而第一开关单元断开，第二开关单元导通，则压电阀的正输入端接地，压电阀的负输入端获得电压V1，压电阀反向动作保持时间T1；
步骤④单片机U1输出控制信号给降压控制单元，使得场效应管Q3的栅极得高电平而导通，降压控制单元开启降压功能，电阻R3和电阻R4进行分压后，使得电压VCC2等于电压V2，V2＜V1，V1-V2最佳为V1的10％；而场效应管Q1仍为导通，场效应管Q4仍为截止，第一开关单元仍断开，第二开关单元仍导通，此时压电阀的正输入端接地，压电阀的负输入端获得电压V2，则压电阀反向动作保持时间T2，T2最佳值为5秒。
重复步骤①～步骤④，实现压电阀的两位式开关控制。
在开关控制过程中，如果控制电路发生断电，作为蓄能单元的电容开始放电供电给单片机U1，单片机U1检测到断电后，单片机U1输出控制信号给降压控制单元，使得场效应管Q3的栅极得低电平而截止，降压控制单元关闭降压功能，同时单片机U1分别输出控制信号给场效应管Q1和场效应管Q4，使得场效应管Q1的栅极得高电平而导通，场效应管Q2截止，场效应管Q4的栅极得低电平而截止，场效应管Q5导通，第一开关单元断开，第二开关单元导通，此时压电阀的正输入端接地，压电阀的负输入端获得电压V1，则压电阀反向动作保持时间大于T3，T3最佳值为20毫秒。
Claims (6)
1.一种压电阀控制电路，其特征在于包括蓄能单元、逻辑控制单元、降压控制单元、第一开关单元、第二开关单元和保护电路，蓄能单元分别和逻辑控制单元、降压控制单元相连，蓄能单元分别提供电压给逻辑控制单元、降压控制单元，降压控制单元的电压输出端和第一开关单元及第二开关单元的输入端相连，降压控制单元、第一开关单元、第二开关单元的控制端分别和所述的逻辑控制单元相连，第一开关单元、第二开关单元的输出端分别和保护电路的两个输入端相连，保护电路的两个输出端分别和压电阀的正输入端及负输入端相连；
所述的第一开关单元包括场效应管Q1和场效应管Q2，场效应管Q1的栅极和所述的逻辑控制单元相连，场效应管Q1的源极接地，场效应管Q1的栅极和源极间连接有电阻R6，场效应管Q1的漏极和电阻R7的一端、二极管D1的负极及场效应管Q2的栅极相连，电阻R7的另一端和场效应管Q2的漏极相连并且和所述的降压控制单元的电压输出端相连，二极管D1的正极和场效应管Q2的源极相连作为第一开关单元的输出端；
所述的第二开关单元包括场效应管Q4和场效应管Q5，场效应管Q4的栅极既和所述的逻辑控制单元相连又经电阻R8接电压V3.3，场效应管Q4的源极接地，场效应管Q4的漏极和电阻R9的一端、二极管D2的负极及场效应管Q5的栅极相连，电阻R9的另一端和场效应管Q5的漏极相连并且和所述的降压控制单元的电压输出端相连，二极管D2的正极和场效应管Q5的源极相连作为第二开关单元的输出端。
2.根据权利要求1所述的一种压电阀控制电路，其特征在于所述的降压控制单元包括场效应管Q3，场效应管Q3的栅极和所述的逻辑控制单元相连，场效应管Q3的源极接地，场效应管Q3的漏极和电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端既经电阻R3接电压VCC又接电压VCC2，电压VCC由所述的蓄能单元提供，电压VCC2就是降压控制单元输出的电压，电压VCC2和所述的第一开关单元及第二开关单元的输入端相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种压电阀控制电路，其特征在于所述的保护电路包括电阻R1和电阻R2，电阻R2的一端和电阻R1的一端相连作为保护电路的一个输入端并且和所述的第一开关单元的输出端相连，电阻R2的另一端既作为保护电路的另一个输入端和所述的第二开关单元的输出端相连又作为保护电路的一个输出端和压电阀的负输入端相连，电阻R1的另一端作为保护电路的另一个输出端和压电阀的正输入端相连。
4.根据权利要求1或2所述的一种压电阀控制电路，其特征在于所述的蓄能单元采用电容，所述的逻辑控制单元为单片机。
5.一种如权利要求1所述的压电阀控制电路的控制方法，其特征在于包括下列步骤：
步骤① 所述的逻辑控制单元分别输出控制信号给所述的降压控制单元、第一开关单元和第二开关单元，使得第一开关单元导通且第二开关单元断开，并且使得降压控制单元关闭降压功能，即降压控制单元直接将所述的蓄能单元输出的电压V1输送给第一开关单元，此时压电阀的正输入端获得电压V1，压电阀的负输入端接地，压电阀正向动作并保持时间T1；
步骤②如果压电阀正向动作不需要保持时间T2，T2＞T1，则进入步骤③；如果压电阀正向动作要保持时间T2以上，则所述的逻辑控制单元输出控制信号给降压控制单元，使得降压控制单元开启降压功能输出电压V2， V2＜V1；同时逻辑控制单元分别输出控制信号给第一开关单元和第二开关单元，使得第一开关单元导通且第二开关单元断开，此时压电阀的正输入端获得电压V2，压电阀的负输入端接地，则压电阀正向动作保持时间T2；
步骤③所述的逻辑控制单元分别输出控制信号给第一开关单元和第二开关单元，使得第一开关单元断开且第二开关单元导通，此时压电阀的正输入端接地，压电阀的负输入端获得电压V1，则压电阀反向动作保持时间T1；
步骤④所述的逻辑控制单元输出控制信号给降压控制单元，使得降压控制单元开启降压功能输出电压V2， V2＜V1；同时所述的逻辑控制单元分别输出控制信号给第一开关单元和第二开关单元，使得第一开关单元断开且第二开关单元导通，此时压电阀的正输入端接地，压电阀的负输入端获得电压V2，则压电阀反向动作保持时间T2。
6.根据权利要求5所述的压电阀控制电路的控制方法，其特征在于所述的控制方法包括：如果控制电路断电，所述的蓄能单元开始放电供电给所述的逻辑控制单元，所述的逻辑控制单元检测到断电，所述的逻辑控制单元输出控制信号给降压控制单元，使得降压控制单元关闭降压功能，同时逻辑控制单元分别输出控制信号给第一开关单元和第二开关单元，使得第一开关单元断开且第二开关单元导通，此时压电阀的正输入端接地，压电阀的负输入端获得电压V1，则压电阀反向动作保持时间大于T3，T1＜T3＜T2。
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