CN114294290B - 一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀，其特征在于，包括骨架、若干压电叠堆、输出杆和液压阀；骨架内设有沉孔，若干压电叠堆由下至上依次设置于沉孔内；液压阀包括液压阀体、阀座、球阀、预紧弹簧和弹簧底座，输出杆的底端与位于最顶端的压电叠堆抵接，输出杆的顶端伸入至液压阀体内，液压阀体与骨架的顶端连接；若干压电叠堆的轴向尺寸呈二进制排列；本发明通过将压电叠堆在轴向长度上进行二进制离散化，从而形成二进制编码阵列压电叠堆，并通过PCM编码信号来控制阵列压电叠堆的输出位移和高速开关阀的输出流量，具有动态特性高、振动小、噪声低以及使用寿命长等优势。

Description

一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀及其控制方法
技术领域
本发明涉及液压系统领域，尤其涉及一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀及其控制方法。
背景技术
高速开关阀作为数字液压系统中的核心控制元件，一般采用脉冲宽度调制(PWM，Pulse width modulation)信号驱动，通过调节PWM信号的占空比来控制输出流量。高速开关阀的开关动态性能直接影响系统流量的控制精度。传统电磁式高速开关阀由于受到线圈电感的制约，其开启和关闭时间一般难以达到3ms以下，而压电叠堆驱动式高速开关阀可以将开启和关闭时间降至1ms左右，但其缺点在于输出位移小，仅为其长度的千分之一。为了增加输出位移，增加压电叠堆的长度是最为直接有效的方法，但随着压电叠堆长度的增加，其运动质量和惯性均显著增加，导致压电叠堆的动态特性降低，从而使得高速开关阀的开启和关闭时间增加。此外，压电叠堆在PWM控制信号下存在强振动与噪声等问题，这会严重降低其使用寿命和控制性能。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀，通过将压电叠堆在轴向长度上进行二进制离散化，从而形成二进制编码阵列压电叠堆，并通过PCM编码信号来控制阵列压电叠堆的输出位移和高速开关阀的输出流量，具有动态特性高、振动小、噪声低以及使用寿命长等优势。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀，其特征在于，包括骨架、若干压电叠堆、输出杆和液压阀；
所述骨架内设有沉孔，若干所述压电叠堆由下至上依次设置于所述沉孔内；
所述液压阀包括液压阀体、阀座、球阀、预紧弹簧和弹簧底座，所述液压阀体上沿轴线方向设有依次连通的第一内孔、第二内孔、第三内孔，所述液压阀体上还设有若干P孔和若干A孔，且所述P孔和所述A孔均与第三内孔连通；所述输出杆的底端与位于最顶端的压电叠堆抵接，所述输出杆的顶端伸入至液压阀体内，所述液压阀体与所述骨架的顶端连接；
若干所述压电叠堆的轴向尺寸呈二进制排列，通过控制每个压电叠堆的指令信号为0或者1，来实现压电叠堆位移的组合，最顶端的所述压电叠堆推动所述输出杆和所述球阀向上运动，此时所述P孔高压油液经所述球阀和所述阀座流入所述A孔，流入流量与所述压电叠堆输出位移呈正比。
优选的，所述输出杆上依次设有轴段、第一台阶轴、第二台阶轴和第三台阶轴；
所述第一台阶轴与所述第一内孔过渡配合，所述第二台阶轴与所述第二内孔过渡配合。
优选的，所述阀座与所述液压阀体的第三内孔过盈连接；所述球阀与所述输出杆的第三台阶轴过盈连接；所述预紧弹簧的底端与所述球阀抵接，所述预紧弹簧的顶端套在所述弹簧底座的中心凸台上；所述弹簧底座与所述第三内孔过盈连接。
优选的，若干所述P孔和若干所述A孔分别沿所述液压阀的周向分布，所述P孔和所述A孔均沿所述液压阀体的径向方向设置。
优选的，所述压电叠堆的个数为五，沿由下至上的方向，五个所述压电叠堆的轴向尺寸之比16:8:4:2:1。
一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀的控制方法，包括如下步骤：
步骤1，通过压力传感器实时采集高速开关阀的P孔压力p1和A孔压力p2，并计算仅在第五压电叠堆驱动下的阀口流量增益kv5，即最小位移对应的流量增益kv5，最终得到高速开关阀的估计流量矩阵Qes：
Figure BDA0003463039150000021
nint＝[0,21-1,21...25-2,25-1]T
步骤2，将指令信号Qhd分别与估计流量矩阵中的每一个流量Qes(i)作差，其中差值最小的开度组合即为最优开度组合：
J＝min|Qes(i)-Qhd|,i∈[0,2N-1]；
步骤3，根据计算得到的最优开度组合得到PCM编码数字信号，即u1、u2、u3、u4和u5，根据PCM编码数字信号分别控制第一压电叠堆伸长L1、第二压电叠堆伸长L2、第三压电叠堆伸长L3、第四压电叠堆伸长L4以及第五压电叠堆伸长L5，而阀口的最终开度则为五个所述压电叠堆伸长量的叠加，即L1u1+L2u2+L3u3+L4u4+L5u5。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)若干压电叠堆仅在输出最大位移时全部工作，而在其他工况下，可以启用数量最少的压电叠堆，因此使用寿命高；
(2)由于将单根压电叠堆在轴向尺寸上离散化，运动质量和惯性均会降低，这会提高高速开关阀的动态特性；
(3)与采用PWM信号控制压电叠堆驱动式高速开关阀的方法相比，本发明采用PCM编码信号来控制五个压电叠堆的工作状态，因此压电叠堆和高速开关阀无需高频切换，振动和噪声均显著降低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀的二维剖视图；
图2为本发明实施例提供的输出杆二维剖视图；
图3为本发明实施例提供的液压阀体二维剖视图；
图4为本发明实施例提供一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀的控制方法示意图；
图5为本发明实施例提供的高速开关阀输出流量的阶跃跟踪曲线图；
图6为本发明实施例提供的高速开关阀输出流量的正弦跟踪曲线图；
图7为本发明实施例提供的高速开关阀输出流量的正弦跟踪误差曲线图。
其中：1、骨架；2、第一压电叠堆；3、第二压电叠堆；4、第三压电叠堆；5、第四压电叠堆；6、第五压电叠堆；7、输出杆；7.1、第一台阶；7.2、第二台阶；7.3、第三台阶；8、螺栓；9、液压阀体；9.1、第一内孔；9.2、第二内孔；9.3、第三内孔；9.4、第四内孔；10、阀座；11、球阀；12、预紧弹簧；13、弹簧底座。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀。
请参阅图1至图3，根据本发明实施例的一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀，包括骨架1、若干压电叠堆、输出杆7、螺栓8和液压阀。本实施例中的压电叠堆的数量为五，分别是第一压电叠堆2、第二压电叠堆3、第三压电叠堆4、第四压电叠堆5和第五压电叠堆6。
所述骨架的中心设有沉孔，第一压电叠堆2放置在所述沉孔的底部；所述第二压电叠堆3放置在所述第一压电叠堆2的上方；所述第三压电叠堆4放置在所述第二压电叠堆3的上方；所述第四压电叠堆5放置在所述第三压电叠堆4的上方；所述第五压电叠堆6放置在所述第四压电叠堆5的上方。
所述输出杆7上依次设有轴段、第一台阶轴7.1、第二台阶轴7.2和第三台阶轴7.3，轴段、第一台阶轴7.1、第二台阶轴7.2和第三台阶轴7.3的直径依次减小。
液压阀包括液压阀体9、阀座10、球阀11、预紧弹簧12和弹簧底座13，所述液压阀体9与所述骨架1通过所述螺栓8连接。所述液压阀体上沿轴线方向设有依次连通的第一内孔9.1、第二内孔9.2和第三内孔9.3，所述液压阀体上还设有若干P孔和若干A孔，且所述P孔和所述A孔均与第三内孔9.3连通；所述输出杆7的轴段的底端与第五压电叠堆6抵接，所述第一台阶轴7.1与所述第一内孔9.1、所述第二台阶轴7.2与所述第二内孔9.2分别对应过渡配合，起轴向导向作用。
阀座10与第三内孔9.3过盈连接；所述球阀11与第三台阶轴7.3过盈连接；所述预紧弹簧12的底端与所述球阀接触，顶端套在所述弹簧底座13的中心凸台上；所述弹簧底座13与第三内孔9.3过盈连接。
在本实施例中，所述第一压电叠堆2的轴向尺寸：所述第二压电叠堆3的轴向尺寸：所述第三压电叠堆4的轴向尺寸：所述第四压电叠堆5的轴向尺寸：所述第五压电叠堆6的轴向尺寸＝16:8:4:2:1。
工作时，由于五个压电叠堆的长度呈二进制排列，在相同电压激励下，这五个压电叠堆的输出位移呈二进制排列，而阀口开度是五个压电叠堆输出位移的总和，因此阀口开度的组合uint共有32种：
Figure BDA0003463039150000041
因此可以通过控制每个压电叠堆的指令信号，0或者1，来实现位移的组合，组合数量为32，此时第五压电叠堆推动输出杆和球阀向上运动，此时P孔高压油液经所述球阀和所述阀座流入A孔，流入流量与压电叠堆的输出位移呈正比。
根据本发明实施例的一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀的控制方法可按以下步骤进行：
步骤1，通过压力传感器实时采集高速开关阀的P孔压力p1和A孔压力p2，并计算仅在第五压电叠堆6驱动下的阀口流量增益kv5，即最小位移对应的流量增益kv5，最终得到高速开关阀的估计流量矩阵Qes，即32种开度组合对应的输出流量矩阵：
Figure BDA0003463039150000051
nint＝[0,21-1,21...25-2,25-1]T
步骤2，将指令信号Qhd分别与估计流量矩阵中的每一个流量Qes(i)作差，其中差值最小的开度组合即为最优开度组合。
J＝min|Qes(i)-Qhd|,i∈[0,2N-1]
步骤3，根据计算得到的最优开度组合得到PCM编码数字信号，即u1、u2、u3、u4和u5，这五个信号分别控制第一压电叠堆2伸长L1、第二压电叠堆3伸长L2、第三压电叠堆4伸长L3、第四压电叠堆5伸长L4以及第五压电叠堆6伸长L5，而阀口最终开度为五个压电叠堆伸长量的总和，即L1u1+L2u2+L3u3+L4u4+L5u5。
下面结合具体的实例在仿真环境中进行试验：
在仿真中取如下参数对系统进行建模，控制系统的采样时间为2ms，具体参数：第一压电叠堆2、第二压电叠堆3、第三压电叠堆4、第四压电叠堆5和第五压电叠堆6的输出位移分别为32mm、16mm、8mm、4mm以及2mm，五个压电叠堆的开启延迟、开启运动、关闭延迟以及关闭运动时间分别为1ms、0.5ms、1ms以及0.5ms，第五压电叠堆6驱动下的高速开关阀阀口流量增益为
Figure BDA0003463039150000052
高速开关阀P孔压力p1为4MPa，A孔压力p2为0。
控制效果如下：
图5为本发明实施例的高速开关阀输出流量的阶跃跟踪曲线图，由图5可知，相对于指令信号，跟踪信号的延迟时间仅为3ms，这主要是由控制器的采样时间2ms和压电叠堆的延迟时间1ms组成；跟踪信号的上升时间为0.5ms，这是由压电叠堆的上升时间0.5ms所决定的。其次，跟踪流量曲线不存在超调，稳态误差仅为0.015L/min，仅占指令信号的1.9％。
图6和图7为本发明实施例的高速开关阀输出流量的正弦跟踪曲线和正弦跟踪误差曲线图，由图6和图7可知，本发明所提出的控制方法通过实时检测高速开关阀前端和后端压力来计算所需流量的方法可以实现流量的闭环跟踪，且跟踪信号呈阶梯式变化，这是由于不同编码组合切换所引起的；此外，最大跟踪误差、平均误差以及误差的标准差分别为0.049L/min，0.018L/min与0.022L/min。
由上述结果可知，本发明所提出的控制方法可以实现轴向尺寸二进制编码的阵列压电叠堆驱动式高速开关阀输出流量的高精度控制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (5)

1.一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀，其特征在于，包括骨架、五个压电叠堆、输出杆和液压阀；
所述骨架内设有沉孔，若干所述压电叠堆由下至上依次设置于所述沉孔内；
所述液压阀包括液压阀体、阀座、球阀、预紧弹簧和弹簧底座，所述液压阀体上沿轴线方向设有依次连通的第一内孔、第二内孔、第三内孔，所述液压阀体上还设有若干P孔和若干A孔，且所述P孔和所述A孔均与第三内孔连通；所述输出杆的底端与位于最顶端的压电叠堆抵接，所述输出杆的顶端伸入至液压阀体内，所述液压阀体与所述骨架的顶端连接；
五个所述压电叠堆的轴向尺寸呈二进制排列，通过控制每个压电叠堆的指令信号为0或者1，来实现压电叠堆位移的组合，最顶端的所述压电叠堆推动所述输出杆和所述球阀向上运动，此时所述P孔高压油液经所述球阀和所述阀座流入所述A孔，流入流量与所述压电叠堆输出位移呈正比；
所述高速开关阀的控制方法包括：
步骤1，通过压力传感器实时采集高速开关阀的P孔压力p1和A孔压力p2，并计算仅在第五压电叠堆驱动下的阀口流量增益kv5，即最小位移对应的流量增益kv5，最终得到高速开关阀的估计流量矩阵Qes：
Figure FDA0004227780020000011
nint＝[0,21-1,21...25-2,25-1]T
步骤2，将指令信号Qhd分别与估计流量矩阵中的每一个流量Qes(i)作差，其中差值最小的开度组合即为最优开度组合：
J＝min|Qes(i)-Qhd|,i∈[0,2N-1]；
步骤3，根据计算得到的最优开度组合得到PCM编码数字信号，即u1、u2、u3、u4和u5，根据PCM编码数字信号分别控制第一压电叠堆伸长L1、第二压电叠堆伸长L2、第三压电叠堆伸长L3、第四压电叠堆伸长L4以及第五压电叠堆伸长L5，而阀口的最终开度则为五个所述压电叠堆伸长量的叠加，即L1u1+L2u2+L3u3+L4u4+L5u5。
2.根据权利要求1所述的阵列压电叠堆驱动式高速开关阀，其特征在于，所述输出杆上依次设有轴段、第一台阶轴、第二台阶轴和第三台阶轴；
所述第一台阶轴与所述第一内孔过渡配合，所述第二台阶轴与所述第二内孔过渡配合。
3.根据权利要求2所述的阵列压电叠堆驱动式高速开关阀，其特征在于，所述阀座与所述液压阀体的第三内孔过盈连接，所述球阀与所述输出杆的第三台阶轴过盈连接，所述预紧弹簧的底端与所述球阀抵接，所述预紧弹簧的顶端套在所述弹簧底座的中心凸台上，所述弹簧底座与所述第三内孔过盈连接。
4.根据权利要求1所述的阵列压电叠堆驱动式高速开关阀，其特征在于，若干所述P孔和若干所述A孔分别沿所述液压阀的周向分布，所述P孔和所述A孔均沿所述液压阀体的径向方向设置。
5.根据权利要求1所述的一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀，其特征在于，沿由下至上的方向，五个所述压电叠堆的轴向尺寸之比16:8:4:2:1。
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Patentee before: JIANGSU University