CN112324945A - 一种基于超声电机控制的高压流量电液伺服阀及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于超声电机控制的高压流量电液伺服阀，本申请超声电机转子设置在超声电机定子上，超声电机外壳将超声电机定子及超声电机转子压紧，阀芯后端与超声电机转子前端相连，阀芯设置在阀体的高压腔内，阀芯内部有阀芯内通道，阀芯后端有高压腔孔，芯前端有低压孔和高压孔，阀芯前端上还有阀芯出油孔，阀体前端内壁有感受通道，感受通道与阀体前端的敏感腔相连，阀芯中部有阀芯进油孔，阀体一侧有阀体回油孔一、阀体进油孔和阀体回油孔二，阀体另一侧有阀体出油孔一和阀体出油孔二。本发明可以实现在高压下高精度地调节液体流量，具有响应速度快、断电自锁、低速大扭矩、结构简单等优点。

Description

一种基于超声电机控制的高压流量电液伺服阀及控制方法

技术领域

本发明涉及高压液体的流量控制技术领域，尤其是基于超声电机控制的高精度、快响应的流量调节方法和相应阀的结构，特别是涉及到一种基于超声电机控制的高压流量电液伺服阀及控制方法。

背景技术

目前的压力较高的液体流量控制，大多采用的先导阀结构的控制方式，通过电磁电机调节低压比例流量阀，从而控制高压的流量阀，这种方式大大增加了阀体结构的复杂性和重量，降低了阀的响应速度；二维流量阀另辟蹊径，设计了阻力半桥控制方式，能够以电机较小的扭矩转动阀芯，通过阻力半桥改变流量阀敏感腔的压力，实现阀芯在高压力下的横向运动，从而调节流量，但由于阻力半桥的高低压孔的半径很小，对阀芯的转动精度较高，电磁电机不能很好的满足所需要求；超声电机具有控制精度高，响应速度快，断电自锁等特性，取代电磁电机作为流量阀的驱动器，能够进一步提高阀的工作特性。

发明内容

为了解决上述存在问题。本发明提供一种基于超声电机控制的高压流量电液伺服阀及控制方法，可以实现在高压下高精度地调节液体流量，具有响应速度快、断电自锁、低速大扭矩、结构简单等优点，通过超声电机的毫秒级启动、纳米级位移分辨率和快速制动，达到数倍于电磁电机的调节时间和精度，不需要额外的装置就能通过断电自锁特性约束阀芯的转动，从而大大降低高压流量阀的结构复杂性。

本发明提供一种基于超声电机控制的高压流量电液伺服阀，包含超声电机、阀体和阀芯，所述超声电机设置在阀体顶部，所述超声电机包括通过压电陶瓷产生机械振动的超声电机定子、由超声电机定子驱动转动的超声电机转子和超声电机外壳，所述超声电机转子设置在超声电机定子上，所述超声电机外壳将超声电机定子及超声电机转子压紧，所述阀芯后端与超声电机转子前端相连且与阀芯同轴，所述阀芯设置在阀体的高压腔内，所述阀芯内部有阀芯内通道，所述阀芯后端有高压腔孔，所述阀芯前端有低压孔和高压孔，所述阀芯前端上还有阀芯出油孔与低压孔相连，所述阀体前端内壁有感受通道，所述感受通道与阀芯的低压孔和高压孔形成阻力半桥并与阀体前端的敏感腔相连，所述敏感腔的面积为高压腔面积的一半，所述阀芯中部有阀芯进油孔，所述阀体一侧有阀体回油孔一、阀体进油孔和阀体回油孔二，所述阀体进油孔在阀体回油孔一和阀体回油孔二之间，所述阀体另一侧有阀体出油孔一和阀体出油孔二，所述阀体进油孔供油液进入，并从阀体出油孔一和阀体出油孔二流出或从阀体回油孔一和阀体回油孔二流回油箱。

作为本发明结构进一步改进，所述高压流量电液伺服阀配套控制系统包括控制器，驱动电源和超声电机驱动器，所述控制器发出调节流量的指令，使超声电机驱动器输出脉冲信号，在超声电机定子上激励出行波或驻波，产生椭圆形的机械振动，驱动超声电机转子响应并实现纳米级精度的转动。

作为本发明结构进一步改进，所述超声电机转子前端有一圈固定滚轮，所述阀芯后端有直线凹槽，所述固定滚轮通过直线凹槽进行约束。

作为本发明结构进一步改进，所述阀体与阀芯后端相连处设置有密封圈。

本发明提供一种基于超声电机控制的高压流量电液伺服阀的控制方法，具体步骤如下：

第一步：

阀芯后端的高压腔孔和前端的高压孔和通过阀芯内部通道和阀芯进油孔相连，压力为系统压力，阀体前端敏感腔的压力由阀芯前端台肩上的高低压孔与阀体上的感受通道相交形成的两个弓形面积相等的阻力半桥控制，低压孔和阀芯出油孔相连，敏感腔的面积为高压腔的两倍，静态时，油液在敏感腔的压力为高压腔的一半，使阀芯处于平衡状态；

第二步：

控制器发出调节流量的指令，使超声电机驱动器输出脉冲信号，在超声电机定子上激励出行波或驻波，产生机械振动，驱动转子迅速响应并实现纳米级精度的转动，通过转子上的直线凹槽和阀芯上的固定滑轮的配合，带动阀芯实现高精度的转动，改变高低压孔和感受通道相交的弓形面积，实现敏感腔压力的升高或降低，打破阀芯的平衡，阀芯通过固定滑轮沿转子上的直线凹槽左右移动，改变阀芯和阀体之间的阀门开度，直到高低压孔和感受通道相交的弓形面积再次相等，使阀芯再次平衡，从而实现高压流量的调节；

第三步：

达到所要求的流量时，控制器发出停止指令，超声电机驱动器停止输出脉冲信号，由于定子和转子之间的摩擦力，转子迅速停止转动并实现自锁，防止阀芯由于液压力的波动发生转动，维持高压油液流量的稳定。

本发明公开了一种基于超声电机对高压液体流量进行高精度控制的流量电液伺服阀。二维流量阀是一种新型的流量阀，电机只需很小的力矩就能旋转阀芯，改变阀芯两侧的压力，驱动阀芯移动，实现阀门的开度控制。但以往的二维流量阀都通过电磁电机进行驱动，但电磁电机由于响应速度慢，精度低和不能断电自锁，制约二维流量阀的流量控制精度不能进一步提升。超声电机具有控制精度高，响应速度快，断电自锁等特性，取代电磁电机作为流量阀的驱动器，能够进一步提高阀的工作特性，因此，本发明采用超声电机取代电磁电机对已有的二维流量阀进行驱动。二维流量阀后端高压腔通过阀芯内部通道和进油口相连，压力为系统压力，阀右腔的压力由阀芯前端台肩上的高低压孔与阀体上的感受通道相交形成的两个弓形面积相等的阻力半桥控制，右腔的面积为左腔的两倍，静态时，右腔的压力为左腔的一半，阀芯处于平衡状态，当控制器发出指令后，超声电机驱动器发出的输出脉冲信号，传递给超声电机定子，激励出行波或驻波，产生机械振动，通过定子和转子的摩擦力，驱动转子带动阀芯旋转一定的角度，阻力半桥的两个弓形面积不再相等，低压腔的压力发生变化，阀芯失去平衡，发生横向移动，改变阀芯台肩和阀体腔的直到两个弓形面积再次相等，阀芯再次平衡，从而对高压液体流量进行高精度调节。

附图说明

图1为基于超声电机控制的高压流量伺服阀的结构示意图一；

图2为基于超声电机控制的高压流量伺服阀的结构示意图二；

图3为超声电机的控制系统和结构示意图；

图4为阀芯的结构示意图；

图5为阀体上的感受通道示意图；

图示说明：

1、超声电机外壳；2、超声电机转子；3、超声电机定子；4、阀体；5、阀芯；6、密封圈；7、高压腔；8、阀芯内通道；9、阀体出油孔一；10、阀体出油孔二；11、敏感腔；12、阀体回油孔一；13、阀体进油孔；14、阀体回油孔二；15、固定滚轮；16、感受通道；17、低压孔；18、高压孔；19、阀芯出油孔；20、阀芯进油孔；21、高压腔孔；22、直线凹槽。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种基于超声电机控制的高压流量电液伺服阀，可以实现在高压下高精度地调节液体流量，具有响应速度快、断电自锁、低速大扭矩、结构简单等优点，通过超声电机的毫秒级启动、纳米级位移分辨率和快速制动，达到数倍于电磁电机的调节时间和精度，不需要额外的装置就能通过断电自锁特性约束阀芯的转动，从而大大降低高压流量阀的结构复杂性。

如图1和图2所示，一种基于超声电机控制的高压流量伺服阀的结构，包含了超声电机外壳1、超声电机转子2、超声电机定子3、阀体4、阀芯5、密封圈6、高压腔7、阀芯内通道8、阀体出油孔一9、阀体出油孔二10、敏感腔11、阀体回油孔一12、阀体进油孔13、阀体回油孔14、固定滚轮15、感受通道16、高压孔18、阀芯进油孔20、高压腔孔21；电液伺服阀的工作方式是：当油液从进油孔13进入后，通过控制阀芯的位移，从而控制油液从阀体出油孔一9或者阀体出油孔二10流出的流量；对阀芯位移的控制是通过，阀体进油孔13流入的油液从阀芯进油孔20流进阀芯内通道8，继而流向前端的高压孔18和后端的高压腔孔21，；阀芯5前端的敏感腔11的压力，是由阀芯5前端台肩上的高低压孔与阀体4上的感受通道16相交形成的两个弓形面积相等的阻力半桥控制，低压孔17和阀芯出油孔19相连，敏感腔11的面积为高压腔7的两倍，静态时，油液在敏感腔11的压力为高压腔7的一半，使阀芯5处于平衡状态；通过在超声电机定子3上激励出行波或驻波，产生机械振动，驱动超声电机转子2迅速响应并实现纳米级精度的转动，通过转子2上的直线凹槽22和阀芯5上的固定滑轮15的约束配合，带动阀芯5实现高精度的转动，改变高低压孔和感受通道16相交的弓形面积，实现敏感腔11压力的升高或降低，打破阀芯5的平衡，阀芯5通过固定滑轮15沿转子2上的直线凹槽22前后移动，改变阀芯5和阀体出油孔一9、阀体出油孔二10之间的阀门开度，直到高低压孔和感受通道16相交的弓形面积再次相等，使阀芯5再次平衡，从而实现高压流量的调节。

图3所示的为超声电机的控制系统和结构，控制系统包含了控制器、驱动电源和超声电机驱动器；控制器发出调节流量的指令，使超声电机驱动器输出脉冲信号，在超声电机定子3上激励出行波或驻波，产生椭圆形的机械振动，驱动超声电机转子2迅速响应并实现纳米级精度的转动；在超声电机驱动器停止输出脉冲信号后，由于定子3和转子2之间的摩擦力，转子2能以比启动更短的时间停止转动。

图4所示的为阀芯和超声电机转子的结构，油液从阀芯5的阀芯进油孔20进入阀芯内通道8，流向高压孔18和高压腔孔21；高压孔18和低压孔17与阀体4上的感受通道16相交形成阻力半桥，低压孔17和阀芯出油孔19相连，使敏感腔16中的油液得以流出；超声电机转子的直线凹槽22用于约束固定滑轮。

图5所示的为阀体上的感受通道16，感受通道16以倾斜姿态与阀芯上的高低压孔相交，使阀芯转动一定角度后，阀芯两端的压力不再相等，受到压力差的推动，横向移动可以达到和初始位置相同的相交面积，使两端的压力再次平衡。

以上所示，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种基于超声电机控制的高压流量电液伺服阀，包含超声电机、阀体（4）和阀芯（5），其特征在于，所述超声电机设置在阀体（4）顶部，所述超声电机包括通过压电陶瓷产生机械振动的超声电机定子（3）、由超声电机定子（3）驱动转动的超声电机转子（2）和超声电机外壳（1），所述超声电机转子（2）设置在超声电机定子（3）上，所述超声电机外壳（1）将超声电机定子（3）及超声电机转子（2）压紧，所述阀芯（5）后端与超声电机转子（2）前端相连且与阀芯（5）同轴，所述阀芯（5）设置在阀体（4）的高压腔（7）内，所述阀芯（5）内部有阀芯内通道（8），所述阀芯（5）后端有高压腔孔（21），所述阀芯（5）前端有低压孔（17）和高压孔（18），所述阀芯（5）前端上还有阀芯出油孔（19）与低压孔（17）相连，所述阀体（4）前端内壁有感受通道（16），所述感受通道（16）与阀芯（5）的低压孔（17）和高压孔（18）形成阻力半桥并与阀体（4）前端的敏感腔（11）相连，所述敏感腔（11）的面积为高压腔（7）面积的一半，所述阀芯（5）中部有阀芯进油孔（20），所述阀体（4）一侧有阀体回油孔一（12）、阀体进油孔（13）和阀体回油孔二（14），所述阀体进油孔（13）在阀体回油孔一（12）和阀体回油孔二（14）之间，所述阀体（4）另一侧有阀体出油孔一（9）和阀体出油孔二（10），所述阀体进油孔（13）供油液进入，并从阀体出油孔一（9）和阀体出油孔二（10）流出或从阀体回油孔一（12）和阀体回油孔二（14）流回油箱。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声电机控制的高压流量电液伺服阀，其特征在于：所述高压流量电液伺服阀配套控制系统包括控制器，驱动电源和超声电机驱动器，所述控制器发出调节流量的指令，使超声电机驱动器输出脉冲信号，在超声电机定子（3）上激励出行波或驻波，产生椭圆形的机械振动，驱动超声电机转子（2）响应并实现纳米级精度的转动。

3.根据权利要求1所述的一种基于超声电机控制的高压流量电液伺服阀，其特征在于：所述超声电机转子（2）前端有一圈固定滚轮（15），所述阀芯（5）后端有直线凹槽（17），所述固定滚轮（15）通过直线凹槽（17）进行约束。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声电机控制的高压流量电液伺服阀，其特征在于：所述阀体（4）与阀芯（5）后端相连处设置有密封圈（6）。

5.一种基于超声电机控制的高压流量电液伺服阀的控制方法，具体步骤如下，其特征在于：

第一步：

阀芯后端的高压腔孔和前端的高压孔和通过阀芯内部通道和阀芯进油孔相连，压力为系统压力，阀体前端敏感腔的压力由阀芯前端台肩上的高低压孔与阀体上的感受通道相交形成的两个弓形面积相等的阻力半桥控制，低压孔和阀芯出油孔相连，敏感腔的面积为高压腔的两倍，静态时，油液在敏感腔的压力为高压腔的一半，使阀芯处于平衡状态；

第二步：

控制器发出调节流量的指令，使超声电机驱动器输出脉冲信号，在超声电机定子上激励出行波或驻波，产生机械振动，驱动转子迅速响应并实现纳米级精度的转动，通过转子上的直线凹槽和阀芯上的固定滑轮的配合，带动阀芯实现高精度的转动，改变高低压孔和感受通道相交的弓形面积，实现敏感腔压力的升高或降低，打破阀芯的平衡，阀芯通过固定滑轮沿转子上的直线凹槽左右移动，改变阀芯和阀体之间的阀门开度，直到高低压孔和感受通道相交的弓形面积再次相等，使阀芯再次平衡，从而实现高压流量的调节；

第三步：

达到所要求的流量时，控制器发出停止指令，超声电机驱动器停止输出脉冲信号，由于定子和转子之间的摩擦力，转子迅速停止转动并实现自锁，防止阀芯由于液压力的波动发生转动，维持高压油液流量的稳定。

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