压电双晶片驱动式气动伺服阀性能的研究.pdf

2 0 1 1 年 4月 第 3 9卷 第 8期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 8 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 8 ． 0 1 6 压电双晶片驱动式气动伺服阀性能的研究 袁锐波，罗碌，张宗成，何敏 ，刘森 ，张鹏 ，巴少男 昆明理工大学流体控制工程研 究所，云南昆明 6 5 0 0 9 3 摘要提出一种压电陶瓷片直接驱动的气动伺服阀，分析该伺服阀的工作原理 ，并采用解析法建立其动力学模型。分 别用 Ma fl a b和 A M E S i m软件对其进行仿真分析。仿真结果表明该伺服阀的频宽为 1 3 4 8 H z ，高于传统电磁式伺服阀的； 响应时间为2 ． 3 ms ，比普通电磁阀快 1 01 5倍 ；其还具有机械结构简单、抗干扰能力强、动态特性好等特点。 关键词压电驱动；气动伺服阀；动态特性 ；仿真 中图分类号T H 1 3 8 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 8 0 6 6 3 St u dy o n Pe r f o r ma nc e o f Pn e u ma t i c S e r v o Va l v e Dr i v e n b y Do ub l e Pi e z o e l e c t r i c W a f e r YUA N Ru i b o ，L UO J i n g，Z HANG Z o n g c h e n g，HE Mi n，L I U S e n，Z HANG P e n g ， B A S h a o n a n K u n mi n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， K u n m i n g Y u n n a n 6 5 0 0 9 3 ，C h i n a Ab s t r a c t A k i n d o f p n e u ma t i c s e r v o v a l v e d r i v e n b y p i e z o e l e c t r i c c e r a mi c wa s p r o p o s e ． T h e d y n a mi c mo d e l o f t h e v alv e wa s b u i l t u s i n g a n a l y t i c al a p p r o a c h a n d t h e w o r k i n g p ri n c i p l e o f t h e s e r v o v alv e w a s a n a l y z e d ．T h e s i mu l a t i o n a n aly s i s w a s c a r r i e d o u t b y Ma t l a b a n d AMES i m s o f t wa r e r e s p e c t i v e l y．S i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t ha t t h e v a l v e h a s h i g h e r b a n dwi d t h a n d s ho r t e r r e s p o ns e t i me t h a n t r a d i t i o n a l e l e c t r o ma g n e t i c s e Y v o v a l v e ． T h e s t e p r e s p o n s e t i me i s 2 ． 3 ms a n d t h e b a n d w i d t h i s 1 3 4 8 Hz ． T h e s e r v o v alv e h a s t h e a d v a n t a g e s o f a s i mp l e me c h a n i c a l s t r u c t u r e ， s t r o n g a n t i i n t e r f e r e n c e a n d b e t t e r d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s a n d S O o n ． Ke y wo r d s P Z T a c t u a t o r ；P n e u ma t i c s e r v o v alv e ；D y n a mi c b e h a v i o r ；S i mu l a t i o n 气动技术是实现工业生产 自动化和半 自动化的方 式之一。由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在 高温 、振 动 、腐蚀 、易燃 、易爆 、强磁 、辐射 等恶劣 环境下工作，所 以气压传动技术的应用 E t 益广泛。传 统的气 动控制阀大量使用 电磁铁作为 电 一 机械转换驱 动器 ，将 控制信号转换为机械位移 ，推动 阀芯 ，实现 通路的控 制 ，但 其存在体积大 、功耗大 、响应速度慢 和易受 电磁 干扰 等缺点 。近年来 ，压 电驱动器作为一 种新 型的转换器 ，在生 产上得到应用 ，其 是利用压 电 晶体的振动转换形成被驱动体所需的运动或动力的一 种装置 ，是一项不 同于传统气 动阀的技术 ” 。 压 电晶体产 生的位 移与输入信号有 良好 的线性关 系 ，控制方便 ，产生 的驱 动力大 ，功耗低 ，响应 快。 将压 电材料 的逆压 电器件取代 力矩 马达作为 电气伺服 元件的前置级放大器，可以实现对输出信号的快速、 可靠、高精度的控制。 1 压电双晶片气动伺服阀的工作原理 压 电双 晶片 气 动伺 服 阀是 由 P Z T材 料 的双 晶 片 作为伺服阀前置级放大器的挡板。如图 1 所示。当伺 服阀输入电信号时，因阀芯 1 来不及运动，故加法器 输出的偏差信号不为零，其将给压电材料一个电压信 号，使压电材料变形从 而向左或 向右偏离 中位 ，此 时 ，滑阀的左右两端就会形成压力差 ，推动 阀芯 1 运 动，并由位移传感器 2检测其位移 而产生反馈电 信号。当阀芯 1 具有一定位移时，输入信号与反馈信 号相等 ，压 电材料 两 端 的 电压信 号 为零 ，消 除 了变 形 ，压 电双晶片又 回到了两个喷嘴 的中间位置 ，而阀 1 则移动了相应的位移 ，使阀输出流量。通过输入 正负电压就能实现滑阀的双向运动控制 。 A B 图 1 压电双晶片气动伺服阀的阀芯运动机构原理图 2 压电双晶片气动伺服 阀数学模型的建立 由图 1可知，基本方程为 1 双 晶片型压电陶瓷的电压与位移方程 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 2 4 作者简介袁锐波 1 9 6 8 一 ，男，副教授，主要从事 电气液比例伺服技术 的研究和教学工作。电话 0 8 7 15 1 0 3 5 4 6 ， E ma i l z o n g c h e ng 8 8 66 1 63 ．c o m。 第 8期 袁锐波 等压电双晶片驱动式气动伺服阀性能的研究 6 7 A ld 1 ／ d “ 1 式 中△ 2 为无负载 时压 电材料 的变形量 ，m； d 为应变耦合系数 ，m ／ V； Z 为 陶瓷 片长度 ，m； d为陶瓷 片厚度 ，m。 2 喷嘴压力与挡板的实 际输 出位移 的关 系 P A k o A l 1 2 式 中 P 为挡板 阀的负载压降 ，P a ； 』4 为喷嘴孔 面积 ，m ； k 为双 晶片的刚度系数 ，N ／ m； ．为双 晶片实 际的位 移 ，m。 3 喷嘴挡板 阀输 给滑阀 阀芯的流量线性方程 Q k l 1 一k 2 p l 3 式 中 Q为输 给滑阀阀芯的流量 ，m ／ s ； k 为喷嘴挡板 阀流量增 益 ，m ／ s ； k ， 为喷嘴挡板阀压力 一 流量系数 ，m ／ P a S 。 4 功率滑阀阀芯运动的流量平衡方程 Q A S X 一C t p PI 4 式 中 为阀芯端面积 ，m ； c 。 为喷嘴挡板 阀的泄漏 系数 ； 为滑阀阀芯的位移 ，13 3 。 5 功率滑 阀阀芯 的力平衡方 程 A P 1m s B s k f x 5 式中 m 为 阀芯质量 ，k g ； 为阀芯运动黏性 阻尼系数 ，N s ／ m； ，为作用于阀芯上的稳态气动力刚度 ，N ／ m。 由上述基本 方程式可得 以电压为输入 、以阀芯位 移为输 出的方块 图 ，如图 2 所示 。 l J I I 申印 匝 苷 圈 图 2 以电压 为输 入的气动伺服 阀方 块图 以电压作为输入量、以阀芯位移作输出量的气动 伺服阀的传递函数为 G o s 6 式 中b 。 k l d 3 1 Z “ 2 k A k 2 k 。一c t p k 。 d ’ a 0 k f。 3 压 电双晶片气动伺服阀的仿真分析 3 ． 1 基 于 Ma t l a b的仿真分析 利用 Ma t l a b软 件 对压 电双 晶片式 气 动 阀阀芯 的 运动机构进行仿 真分 析 ，根据气动伺服 阀的力学模 型 和材料 的特性 ，确定模 型 中的各个参数 为 d 1 ． 51 0 m ／ V ，Z 3 0 m m，d 3 0 m， A ， 2 ． 0 1 0～ m ， 2 i n ／s ， k ， 5． 0 1 0一 。 i n 。 ／ P a S ，A 0 ． 0 2 m m，m 0 ． 0 2 k g ，B 1 5 0 N s ／ m，k 1 ． 51 0 N ／ m。仿真模 型如 图 3所示 。 G aj n2 图3 基于 M a t l a b的气动伺服阀仿真模型图 气动伺服阀系统的阶跃响应仿真曲线如图4所示 ， 系统的阶跃 响应 时 间为 2 ． 3 i n s ，响应不存 在超 调量 ， 阀芯的位移约为 0 ． 6 m m，稳态误差约为 3 ． 01 0 ～。 ∞ 画 馨 0 艘 图4 压电双晶片气动伺服阀的单位阶跃响应 其 伯德 图如 图 5所示 。 图 5 压电双晶片气动伺服阀系统的伯德图 从伯德 图上 ，可 知 系统 的穿 越 频 率 ∞ 5 ． 9 7 6 8 机床与液压 第 3 9卷 1 0 r a d ／ s ，即系统 的响应频率约为 9 5 0 H z ；当幅值 为 一 3 d B的时候 ，系统的频率 0 3 8 ． 4 7 X 1 0 r a d ／ s ，即 系统 的带宽约 为 1 3 4 8 H z 。 3 ． 2 基于软件 A M E S i m 的气动伺服 阀仿真分析 由于基 于 M a t l a b建 立模 型时 ，一 些非 线 性 因素 作 了线性化 ，所 以为 了更好地分析 阀的性能 ，对 于上 述系统，再采用 A M E S i m进行仿真分析。 根据杠杆 式 阀芯运 动 机 构 的动 力 学模 型 ，利 用 A M E S i m中的气压元件设计库 P n e u m a t i c C o m p o n e n t D e s i g n搭建 压电双晶片气动伺服阀的模型 图 6 。 ⑩ 图6 压电双晶片气动伺服阀的 A ME S i m模型 a 应 曲线如 图 7 所 示。 阀的单位阶跃响应 其伯德图如 图 8所示。 4 0 3 0 鲁 2 0 10 0 ．1 0 2 0 20 一6O 墨． 1 0 0 ． 1 40 频 率／ Hz 图8 压电双晶片气动伺服阀的伯德图 从图中可 以看出 阀芯的位移约 为 0 ． 6 m m；压电 气动伺服阀的响应时间约为 2 ． 3 n 1 s ，频响约为 9 5 0 H z 。 现实工业 中一般 电磁 阀 的响应时 间为 2 0～ 3 0 m s ，频 响为一百多赫兹 。从这个数据 明显看 出 ，压 电气动伺 服 阀的频 响远大 于电磁 阀的频 响 ，响应 时间比电磁 阀 快 了 1 0～ l 5 倍 。 由压电双晶片气动伺服阀的传递函数可知 ，系统 是 0型系统，正弦信号跟踪的动态仿真模型如图 9所 刁 受受 口 图9 基于 A M E S i m的气动伺服阀信号跟踪模型 正 弦信号 的频率 为 1 0 0 H z ，幅值 为 1 。输入 的正 弦信号 和对其进行 跟踪的信号如图 1 0 、1 1 所示 。 x0． 00 2 53 yl l 0 翟o ． 0 ．1 甚 0 簿 时 间， s 图 1 0 输入的正弦信号 0 0 ．0 l 0 ．0 2 0 ． O 3 0 ． 0 4 0 ． 0 5 时 间， s 图 1 1 正弦信号的跟踪信号 从 图中可知 时间延迟约为 0 ． 8 m s ；系统能够很 好地对正弦输人信号进行快速、准确的跟踪。气动伺 服阀的这种对输入信号成线性定 比的跟踪性能 ，对现 代精确的控制来说，有着很重要的现实意义。 4结论 1 压电材料产生的位移与输入电压信号呈较 好的线性关系，并且响应快 ，控制方便 ，因此可以实 现对输 出信号快速 、可靠 、高精度 的控制 。 2 根据 实 际情况对 伺 服 阀模 型的简 洁 性和精 确性进行了折衷的考虑，忽略了一些次要 因素，建立 下转第 7 2页 7 2 机床与液压 第 3 9卷 况 ，确定输入点为 1 1 点 ，输出点数为 2 2 。 4 ． 2 P L C的确 定 根据输入输出点数 ，选定满足要求的 P L C型号 ， 由于输 出点数较 多 ，还需要确定扩展模块 。在该 系统 中使用 S I E ME N S s 7 _ 2 0 0系列 C P U 2 2 6 D C ／ D C ／ D C型 号 的 P L C。 4 ． 3 P L C扩展模 块 的确 定 在该控制系统 中，有 4个模 拟量输入还有较多数 字量输 出，所 以需 要 扩展模 拟 量 I ／ O模 块 和数 字 量 VO模块 。 模拟量模块 E M 2 3 5 6 E S 7 2 3 5 _ D 2 2 Ⅺ ，四输 入一输 出，电压输出为 一1 0 V一十1 0 V，电流 输 出为 0～ 2 0 m A，数据字格式电压 一 3 2 0 0 0～ 3 2 0 0 0 ，电流 0～ 3 2 0 0 0。 数字量 模 块 E M 2 2 2 模 块 描述 ，E M 2 2 2 D O 8 2 4 V D C，8输 出。 4 ． 4控制 系统 设计 旋压液压机是 机电液一体化产品 ，控制系统是液 压机 中十分 重要 的部 分 ，它主 要 的任务 是 将液 压 系 统、机械 系统 与 P L C控制 联 系起来 ，进 行 P L C与人 机界 面的通 讯 ，完 成设计 的各项 动作要求 。 5结论 该设计 把现代设计技 术和和传统的机械系统设计 理论相结合 ，完成了旋压液压机液压系统和控制系统 的设计 。该旋压机具有 以下优点 。 1 克服了以往带轮加工采用铸造毛坯经切削 加工或金属钣材制作 的缺点 ，采用液压旋压成形机床 完成槽皮带轮 的加工 ，其性能优越 ，材料节省 ，生产 效率高 ，产品精度高。 2 旋压带轮需较大的轴向力和径 向力，为增 加主机 的刚度 ，采用 了类 似 液压 机 的三梁 四柱式 结 构。主轴旋转由变频器马达控制，考虑到做各种旋压 轮的速度不一样 ，由变频控制 ，能无级调速 ，还能做 到刹车停止 、瞬间起动 。 3 液压与气压系统部分设计方案合理，采用 C A D技术设计 了集成式 液压 系统 ，调试 、操作方便 。 4 控制 系统采 用 P L C控 制 ，控制 面板 上配 有 触摸屏 ，P L C和触摸屏 的使用不仅方便使用者 的操 作 ，使调模人员能根据要求选择不同槽型的带轮，修 改旋压加工的参数 ，而且提高了控制精度，加强了稳 定性和抗干扰能力，延长了使用寿命。 参考文献 【 1 】 廖常初． 西 门子人机界面 触摸屏 组态与应用技术 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 ． 1 0 ． 【 2 】 吴中俊 ， 黄永红． 可编程序控制器原理及应用 [ M] ． 北 京 机械工业出版社， 2 0 0 8 ． 4 ． 【 3 】王成和， 刘克璋． 旋压技术[ M ] ． 北京 机械工业出版社， 2 O O 6． 9． 【 4 】 F a v r e P a t ri c k ， C a n d o l fi c e c h i c ， S c h n e i d e r M a r k u s ， e t a1 ． C o m - mO B mo d e c u r r e n t a n d r a d i a t i o il sme c h a n i s msi n P L C n e t w o r k s [ J ] ． J o u r n a l o f E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 7 ， 4 3 4 8 9 4 6 4 8 ． 上接第 6 8页 了既 能反 映系统 内在本质 特性 、又能简 化分析 和计算 工作的压电双晶片气动伺服阀的数学模型。 3 M a t l a b和 A ME S i m软件仿真分析结果表明 压电气动伺服阀的频率为 9 5 0 H z ，频宽达到 1 3 4 8 H z ，响应时间为 2 ． 3 m s ，并且能对输入信号进行快 速 、精确 的跟踪 。 4 压电双 晶 片气动 伺服 阀 比压 电陶 瓷叠堆 驱 动 的直动式压 电气动伺服 阀的响应速度更快 、频带更 宽、阀芯的移动位移更大 ，并且能很好地和现场总线 配合 ，这对实现 控制系统 的集成化 、高速化和更好地 适用性有着重要 的意义 。 参考文献 【 1 】左键民． 液压与气压传动[ M] ． 2版． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 5 ． 【 2 】陶湘厅 ， 袁锐波， 罗 ． 气动机械手的应用现状及发展前 景 [ J ] ． 机床 与液 压 ， 2 0 0 7， 3 5 8 2 2 6 2 2 8 ． 【 3 】章宏甲， 王积伟 ， 黄谊． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械 工、 i 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 4 】L I N D L E R J E， A N D E R S O N E H ． P i e z o e l e c t r i c D i r e c t D r i v e S e r v o V a v l e [ C ] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f S P I E t h e I n t e r n a t i o n a l S o c i e t y f o r Op t i c al E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 2 4 8 84 9 6 ． 【 5 】崔玉国． 压电陶瓷 自感知执行器及其驱动微动工作台控 制方法的研究[ D] ． 大连 大连理工大学， 2 0 0 3 ． 【 6 】Y O K O T A S ， S O M A D A H， Y A MA G U C 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