CN112594243A - 一种压电式电液伺服阀及其控制方法 - Google Patents

一种压电式电液伺服阀及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种压电式电液伺服阀及其控制方法，通过压电驱动的方案控制伺服阀的前置级压力，进而控制伺服阀主阀芯的位移及输出流量。包括压电驱动装置、控制器、LVDT位移检测装置、固定挡板、节流器及阀芯，LVDT位移检测装置采集阀芯位移信号，发送给控制器；控制器接收伺服阀输入信号与阀芯位移信号，输出控制信号；压电驱动装置接收控制信号，控制电液伺服阀产生可控的前置级压力，产生驱动阀芯的作用力；固定挡板与压电驱动装置形成可变节流孔。本发明通过压电驱动的方案，构成一种全新的电液伺服阀可变节流方案，通过电气闭环完成伺服阀的完整控制策略，具有耐污染、装调方便，性能可靠的优点。

Description

一种压电式电液伺服阀及其控制方法
技术领域
本发明涉及压电伺服驱动领域，具体地，涉及一种压电式电液伺服阀及其控制方法。
背景技术
力矩马达式喷档结构电液伺服阀具有体积小、重量轻、控制精度高、响应速度快等优点，是经典的电液伺服阀结构，其结构形式在过去的数十年里基本没有实质性的变化，但对于力矩马达电液伺服阀仍存在一些问题难以解决：(1)力矩马达伺服阀结构复杂，研制难度大。力矩马达电液伺服阀的零件加工精度要求较高，零件需要精密配合、配对。(2)伺服阀自激振荡问题。力矩马达伺服阀内弹性结构多，在磁弹簧、弹簧管、反馈杆等弹性元件以及油源脉动的综合作用下，力矩马达式电液伺服阀的啸叫问题一直也是电液伺服阀调试和使用中难以根除的问题。(3)力矩马达输出能力瓶颈。为提高伺服阀动态性能，需要提高前置级液压放大级和力矩马达的输出能力。然而，一方面力矩马达受磁滞影响较大，为限制非线性，衔铁的位移有限；另一方面，力矩马达电磁力矩系数增大的同时，磁弹簧刚度亦相应增大，为保证阀的动态性能，需要相应增加弹簧管刚度，从而使伺服机构重要单点故障控制点——弹簧管工作在更恶劣的条件下，降低伺服阀的稳定性和可靠性。
目前，传统力矩马达电液伺服结构复杂、力矩马达输出能力有限，传统电液伺服阀结构形式已延续了几十年，亟需利用现有技术对传统电液伺服阀进行改进和发展。而压电驱动方式灵活，驱动力性能优异，可以借助于压电驱动技术进行伺服阀结构方面改进工作。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种压电式电液伺服阀及其控制方法。
根据本发明提供的一种压电式电液伺服阀，包括压电驱动装置、控制器、LVDT位移检测装置、固定挡板、节流器及阀芯，其中：
LVDT位移检测装置采集阀芯位移信号，发送给控制器；
控制器接收伺服阀输入信号与阀芯位移信号，输出控制信号；
压电驱动装置接收控制信号，控制电液伺服阀产生可控的前置级压力，产生驱动阀芯的作用力；
固定挡板与压电驱动装置形成可变节流孔。
优选地，所述压电驱动装置包括压电执行器和可移动喷嘴，压电执行器和可移动喷嘴紧固连接。
优选地，所述可移动喷嘴和固定挡板之间的间隙形成可变节流孔，压电驱动装置根据接收的控制信号调节可变节流孔的孔径。
优选地，可变节流孔形成的液阻特性与控制信号成比例关系。
优选地，伺服阀的输出流量与控制信号成比例关系。
优选地，还包括复位弹簧，复位弹簧设置在压电驱动装置上，
当压电驱动装置收到控制信号运动时，压缩复位弹簧；
当压电驱动装置无信号输入时，复位弹簧复位压电驱动装置。
优选地，还包括固连结构，所述固连结构一端与压电执行器连接，另一端与可移动喷嘴连接。
优选地，固连结构上设置有对压电执行器复位的复位弹簧。
优选地，所述前置级压力是由压电驱动装置运动产生，进而驱动阀芯位移成比例运动。
根据本发明提供您的一种基于上述的压电式电液伺服阀的控制方法，包括如下步骤：
信号采集步骤：LVDT位移检测装置采集阀芯位移信号，发送给控制器；
控制信号输出步骤：控制器接收伺服阀输入信号与阀芯位移信号，输出控制信号；
驱动步骤：压电驱动装置接收控制信号，控制电液伺服阀前置级压力差，产生驱动阀芯的作用力。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的压电驱动方式结构相对力矩马达结构简单，没有磁性结构，不受电磁干扰，也不产生电磁干扰。
2、本发明的弹性元件少，且刚度易于调节，可有效控制伺服的自激振荡。
3、本发明的高频特性优秀，且具有较大的输出能力。
4、本发明的压电驱动方式灵活，易于实现可变节流口的独立控制，有利于伺服阀故障条件下开展重构工作。
5、本发明利用压电驱动技术对传统伺服阀喷档结构进行改变，利用喷嘴移动代替传统的挡板移动，进而控制伺服阀前置级压力及流量输出，形成了一种全新的伺服阀结构及控制形式，有效解决传统喷嘴挡板式伺服阀存在的制作工艺复杂、自激振荡等缺点和限制。
6、本发明采用压电驱动方式准确控制可动喷嘴与固定挡板的间隙，进而准确控制可变节流孔的液阻特性，实现前置级压力的精确控制，耐污染性强、可靠性高。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中的压电式电液伺服阀的控制方案示意图；
图2为本发明中的压电式电液伺服阀的压电式执行器及可动喷嘴结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1和图2所示，本发明提供了一种压电式电液伺服阀及其控制方法，包括：压电执行器、可动喷嘴装置、控制器、复位弹簧、LVDT位移检测装置、固定挡板。压电执行器、可动喷嘴装置，用于根据控制信号输出位移，控制伺服阀前置级压力差，产生驱动阀芯的作用力；控制器用于接收伺服阀输入信号与阀芯位移信号，输出压电驱动器所需的控制和放大信号；复位弹簧，用于压电执行器在无信号输入时回到初始零位；LVDT位移检测装置，用于检测电液伺服阀阀芯位置，采集阀芯位置信号；固定挡板，用于与压电执行器的位移形成可变节流孔，形成节流控制。可变节流孔的液阻与压电执行器输出位移成比例。
本发明还包括节流器及其它伺服阀结构，节流器及其它伺服阀结构与成熟伺服阀结构类似，节流器作用是形成伺服阀液压桥路的固定节流孔，是构成液压控制桥路及电液伺服阀的必要组成部分。
如图2所示，为压电式电液伺服阀的压电式执行器及可动喷嘴装置，其中1为固定挡板，区别于传统的挡板，该固定挡板结构是固定式的。可动喷嘴2与传统喷嘴类似，流量特性可借鉴传统喷嘴。固连结构3一端与压电执行器5连接，另外一端与可动喷嘴2通过螺纹等连接方式连接，保证可动喷嘴2、固连结构3以及压电执行器5固连在一起不发生松动。复位弹簧4用以该结构无信号输入情况下复位。压电式执行器和可动喷嘴结构进行可变节流的控制，形成前置级压差驱动阀芯位移；通过控制器对比输入信号和位移检测信号，产生压电驱动器的控制信号，对压电式电液伺服阀形成闭环控制。最终实现阀芯位移与输入信号成线性比例关系。
本发明所述的压电式电液伺服阀，具体控制过程如下所述。当控制器接收到LVDT位移检测装置检测的阀芯位移信号以及输入信号，形成控制及放大信号，用以驱动压电执行器，压电执行器通过结构传递到可动喷嘴。喷嘴与固定挡板之间的间隙产生可变节流孔，液阻特性与控制信号成比例关系。在液压桥路中产生可控的前置级压力，用以推动阀芯运动，形成了伺服阀输出流量与控制信号的比例控制。
综上所述，本发明所提供的压电式电液伺服阀及其控制方法，适用于构建压电驱动下的电液伺服阀，将输入信号转换为阀芯位移，进而形成流量的比例控制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种压电式电液伺服阀，其特征在于，包括压电驱动装置、控制器、LVDT位移检测装置、固定挡板、节流器及阀芯，其中：
LVDT位移检测装置采集阀芯位移信号，发送给控制器；
控制器接收伺服阀输入信号与阀芯位移信号，输出控制信号；
压电驱动装置接收控制信号，控制电液伺服阀产生可控的前置级压力，产生驱动阀芯的作用力；
固定挡板与压电驱动装置形成可变节流孔。
2.根据权利要求1所述的压电式电液伺服阀，其特征在于，所述压电驱动装置包括压电执行器和可移动喷嘴，压电执行器和可移动喷嘴紧固连接。
3.根据权利要求2所述的压电式电液伺服阀，其特征在于，所述可移动喷嘴和固定挡板之间的间隙形成可变节流孔，压电驱动装置根据接收的控制信号调节可变节流孔的孔径。
4.根据权利要求3所述的压电式电液伺服阀，其特征在于，可变节流孔形成的液阻特性与控制信号成比例关系。
5.根据权利要求1所述的压电式电液伺服阀，其特征在于，伺服阀的输出流量与控制信号成比例关系。
6.根据权利要求1所述的压电式电液伺服阀，其特征在于，还包括复位弹簧，复位弹簧设置在压电驱动装置上，
当压电驱动装置收到控制信号运动时，压缩复位弹簧；
当压电驱动装置无信号输入时，复位弹簧复位压电驱动装置。
7.根据权利要求2所述的压电式电液伺服阀，其特征在于，还包括固连结构，所述固连结构一端与压电执行器连接，另一端与可移动喷嘴连接。
8.根据权利要求7所述的压电式电液伺服阀，其特征在于，固连结构上设置有对压电执行器复位的复位弹簧。
9.根据权利要求1所述的压电式电液伺服阀，其特征在于，所述前置级压力是由压电驱动装置运动产生，进而驱动阀芯位移成比例运动。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述的压电式电液伺服阀的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
信号采集步骤：LVDT位移检测装置采集阀芯位移信号，发送给控制器；
控制信号输出步骤：控制器接收伺服阀输入信号与阀芯位移信号，输出控制信号；
驱动步骤：压电驱动装置接收控制信号，控制电液伺服阀前置级压力差，产生驱动阀芯的作用力。
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