（机械电子工程专业论文）可编程压电式电气比例阀的研究.pdf

浙珏，学硕士学位论文 全文摘要 气动技术很羹要的个发展方向是：节能、低功耗、小型化、精密化、高 速纯及长寿命。电气比恻润是电气比稠蓐l 控鞠系统中静核心器箨，它的链熊 直接影响甚至决定整个系统的好坏。随着电气比例伺服控制技术及压电技术的 发鹱进步，开发逶应气动技术发展方囱黪瑟型静电气 e 蜒阀，e 经成为一个缀鬟 爱的课越。本论文主要研究压电式电气比例阀及其可编程控制，全文分为六个章 节： 第一章首先通过从电气比饲伺服控制系统、流体压电驱动与控制和f 赶气比 例阀的分类等几个方面进行阐述，介绍了压电式电气比例阀的研究背景：其次介 绍了电气比恻勰的研究现状，分析了嚣前跣鞍先进鞠己投入生产使用的电气比侧 闷优势，并由此设想了电气比例阀的发展趋势：摄后提出了本论文的研究意义和 研究内容。 第一章首先介绍了喷嘴挡板阀的工作原理，进而研究了压电式喷嘴挡板阀 的气路黪性移工馋鼹理，在此基础上蜒鹾了压电式彀气毙倒瓣黪 二作腰理。 第三章对压电式电气比例阀进行了数学建模研究。分别通过定性分析和定 量分析两个角度，建立了压电式电气比例阀的线性和非线性数学模型。避过定一陇 与定量分析两种方法的互相辅助利捌，获得对压电阔更加清楚的认识。同时利用 建立的非线性数学模型进行了仿真研究。 第溷章赍绍了自行设诗酶可翁程单片枫控制系毓。控制系统莳棱心元俘是 单片机a d u c s l 2 ，文中对该芯片的主要功能及其特色进行了介绍。本牵从硬件 和软箨两个方恧别控裁系统的设谤进行了详镶奔缨。 第五章利用自行设计的可编程单片机控制系统对压电式电气比例阀进行了 睦能测试实验。控制实验色括输入输出特性、阶跃响应、正弦鼹踪响应。在开琢 阶跃测试中，发现该阀的滞后时间根长，因此本课题设计了史密斯预估器进行滞 后幸 偿，通过史密斯预估补偿+ p i d 控制器的控制策略，获得了很好的控制效果。 实验最镧，宜行设计的单片机控裁系统具有良好的控制性能。最后针对仿真曲线 与实验曲线进行了比较分析。 第六章总结了全文豹二 俸，并对迸一步的磅究敲了震鋈。 关键诵：压电式l 毯气跪镶阉；气动系统数学建摸；可缡程；单j 争祝控裁 史密斯预估器；p i d 控制 塑垩奎堂竺主兰堡丝苎 a b s t r a c t s o m eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v e l o p m e n tt r e n d si np n e u m a t i ct e c h n o l o g ya r el o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，c o m p a c ts i z e ，h i g h - p r e c i s i o n ，h i g h - s p e e da n dl o n gs e r v i c el i f e e l e e t r o - p n e u r n a t i cp r o p o r t i o n a lv a l v ea st h ec e n t r a le l e m e n ti ne l e c t r o - p n e u m a t i c p r o p o r t i o n a l & s e r v oc o n t r o ls y s t e m ，t a k e su pa ni m p o r t a n tp o s i t i o ni np n e u m a t i c t e c h n o l o g y i t sp e r f o r m a n c ec a r la f f e c tc a p a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e md i r e c t l y w i t h t h er a p i dd e v e l o p m e n to fp r o p o r t i o n a l & s e r v oc o n t r o lt e c h n o l o g ya n dp i e z o e l e c t r i c c e r a m i c ，d e v e l o p i n gn e w - t y p ee l e c t r o - p n e u m a t i cv a l v e st h a ts u i tw i t ht h et r e n d so f p n e u m a t i ct e c h n o l o g yh a sb e c o m eav e r yi m p o r t a n tt a s k 1 1 1 et h e s i sm a i n l yp u tt h e e m p h a s e so nt h ep e r f o r m a n c eo fp n e u m a t i cp r o p o r t i o n a lp i e z o e l e c t r i cv a l v ea n d p r o g r a m m a b l ec o n t r o lo ni t a n d , t h et h e s i sc o n s i s t so fs i xp a r t sw h o s ed e t a i l sa r e d e s c r i b e da sf o l l o w s ： c h a p t e r1 f i r s td e s c r i b e st h eb a c k g r o u n do fr e s e a r c ho nt h ep n e u m a t i cp r o p o r t i o n a l p i e z o e l e c t r i cv a l v e ，w h i c h i s e x p a t i a t e d o ns e v e r a l a s p e c t si n c l u d i n gt h e e l e c t r o p n e u m a t i cp r o p o r t i o n a l & s e l v oc o n t r o ls y s t e m ，f l u i dp i e z o e l e c t r i cd r i v e & c o n t r o l ，e l e c t r o p n e u m a t i cp r o p o r t i o n a lv a l v e sv a r i e t i e sa n ds oo n t h e ni ti n t r o d u c e s t h er e s e a r c hs i t u a t i o no fe l e c t r o p n e u m a t i cp r o p o r t i o n a lv a l v e ，a n a l y s e st h em e r i t so f t h i sk i n do fv a l v e st h a th a sb e e nu s e di n p r o d u c t i o np r e s e n t l y , a n dp r e d i c t st h e d e v e l o p i n gt r e n d so ft h i sk i n do fv a l v e si nt h ef u t u r e i nt h ee n d ，t h i sc h a p t e rp o i n t s o u tt h es i g n i f i c a n c ea n dm a i nc o n t e n to f t h er e s e a r c hw o r k c h a p t e r2f i r s ts t a t e st h ej e t - a n d - b a f f l ep r i n c i p l e t h e nt h ec h a p t e ra n a l y z e st h e p i e z o e l e c t r i cj e t a n d - b a f f l e v a l v e s p n e u m a t i c c h a r a c t e r i s t i c sa n d w o r k i n g p r i n c i p l e t h ep i e z ov a l v em a k e su s eo ft h ep i e z oe f f e o r ：t h ep i e z o c e r a m i ce l e m e n t b e n d so nw h e nav o l t a g ei s a p p l i e dt oi t a tl a s t ，i td i s c u s s e st h ev a l v e s w o r k i n g p r i n c i p l e c h a p t e r3a n a l y z e st h em a t h e m a t i cm o d e l i n go fah o e r b i g e r t y p ep s l l l 9 3 - b p n e u m a t i cp r o p o r t i o n a lp i e z o e l e c t r i cv a l v e o nt h eo n eh a n d ，b a s e do nas e to f n o n l i n e a rd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s ，t r a n s f e rf u n c t i o no ft h ev a l v ei sd e d v e db ym e a n so f r e p l a c i n g - v a r i a b l ea n dl i n e a r i z a t i o nm e t h o d s a c c o r d i n gt ot h et r a n s f e rf u n c t i o n ，w e c a i lf i n dt h es y s t e mi sac o m p l e x4 t h - o r d e rs y s t e m o nt h eo t h e rh a n d , an o n l i n e a r d y n a m i cm o d e lo ft h ev a l v ei sf o r m u l a t e db ym o d e l i n gt h ev a l v e sm a i ni n t e m a l m e c h a t r o n i ed e v i c e s u s i n gm a t l a b w ee s t a b l i s ht h em o d e la n ds i m u l a t et h ev a l v et o o b m i nt h eb e s tp a r a m e t e r sf o rc o n 仃0 1 浙江大学硕士学位论文 c h a p t e r4i n t r o d u c e st h ep r o g r a m m a b l em i c r o p r o c e s s o rc o n t r o ls y s t e mt h a tw a s d e s i g n e do nm yo w n t h ec o n t r o ls y s t e m sc e n t r a ld e m e n ti st h em i c r o p r o c e s s o r a d u c 8 1 2 i t sm a i np e r f o r m a n c ea n df e a t u r ea r ed e s c r i b e db r i e f l yi nt h i sc h a p t e r a n d t h ed e s i g n i n gp r o j e e tf o rt h em i c r o p r o c e s s o rc o n g o ls y s t e mi s p r e s e n t e a p a r t i c u l a r l yf r o mt w oa s p e c t s - h a r d w a r ed e s i g n i n g a n ds o f t w a r ed e s i g n i n g c h a p t e r5r e s e a r c h e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ep n e u m a t i cp r o p o r t i o n a lp i e z o e l e c t r i c v a l v eu n d e rt h ec o n t r o lo f t h ep r o g r a m m a b l em i c r o p r o c e s s o rc o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n g t h ei n o u tr e s p o n s e ，s t e pr e s p o n s e ，s i n es i g n a lt r a c k i n gr e s p o n s e t h r o u g ht h eo p e n - l o o p e x p e r i m e n to ft h ep i e z ov a l v e , w ef o u n dt h ev a l v eh a dag r e a tl a gb e t w e e nt h ei n p u t s i g n a la n dt h er e s p o n s es i g n a l t os o l v et h i sp r o b l e m ，w er i s et h es pt oc o m p e n s a t et h e l a g ，a n dw ea c h i e v eav e r yg o o dc o n t r o lr e s u l t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o g r a m m a b l em i c r o p r o c e s s o rc o n t r o ls y s t e mh a sg o o dc o n t r o lp e r f o r m a n c e a f t e r t h a t ，w ec o m p a r e dt h er e s u l t eo f t h ee x p e r i m e n tw i t ht h es i m u l a t i n gr e s u l t c h a p t e r6s u m m a r i z e st h ep a p e ra n dp r e s e n t st h ep r o s p e c ta n dn e x ts t e p s k e yw o r d s ：p n e u m a t i cp r o p o r t i o n a lp i e z o e l e c t r i cv a l v e ，m a t h e m a t i cm o d e lo f p n e u m a t i cs y s m m ，p r o g r a m m a b l e ，m i c r o p r o c e s s o rc o n t r o l ，s p ，p i dc o n t r o l - n i - 符号说明 尸一气体压力 r 一气体温度 p 一气体密度 胄一气体常数 一气源压力 只一外界大气压 乓，乓一出气腔和阀芯上腔气体的相对压力 瓯一质量流量 g ，瓯，g 一进气口、阀芯上腔入口和泄漏口的质量流量 m 。m ：一上下阀芯体质量 g 一重力加速度 矿一容腔容积 ，一阀芯上腔、出气腔的容腔容积 v 一气体比容 一气体比焓 “一单位质量气体内能 p 一单位质量气体总能量 q 一热量 盯一气体进入容腔的流动功 呒一阀芯运动时容腔气体对外界做功 e 一容腔内气体具有总能量 q 一气体定压比热 e 一气体定容比热 塑兰查兰堡主堂垡丝奎 r 一气体比热容比 e 一临界压力比 4 ，4 一上阀芯的上下有效面积 一阀t a _ l = 游压力 乞一阀口下游压力 u 。一输入电压信号 x , x ，z 一上阀芯位移、速度、加速度 y ，y ，y 一下阀芯位移、速度、加速度 届：一上下阀芯之间的阻尼系数 墨：一上下阀芯之间的刚度系数 ，儿上阀芯、下阀芯的粘性阻尼系数 一弹簧刚度系数 巧一流量增益系数 k 一流量一压力系数 k p 一比例系数 乃一积分时间常数 乃一微分时间常数 蜀一积分系数 一微分系数 学号2 0 4 0 8 1 1 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谫f 的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，电不包含为获得逝姿盘茎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的况明并表示谢意。 学位论文作者签名：高军霞 签字目期：伽6 年6 月厉目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鋈盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝垄盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：高军傻 签字日期：删e 年 6 月z g 日 学位论文作者毕业后去向：詹止i 工作单位： 惫山学1 阮 通讯地址： 导师躲确份良 签字吼训年细形日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 气动控制系统与液压控制系统相比，最大的不同点在于空气与油液的压缩性 和粘性的不同。空气的压缩性大、粘性小，有利于构成柔软型驱动机构和实现高 速运动；但是同时，压缩性大也会带来压力响应的滞后；粘性小意味着系统阻尼 小或衰减不足，易引起系统响应的振动。此外，由于阻尼小，系统的增益系数不 可能高，系统的稳定性易受外部干扰和系统参数变化的影响，难于实现高精度控 制，所以过去人们一直认为气动控制系统只能用于气缸行程两端的开关控制，难 于满足对位置或力连续可调的高精度控制要求。因此，在设计伺服控制系统时， 除了一些特殊的应用场合，很少选择气动伺服控制系统1 1 4 j 。但是随着新型的气 动比例伺服控制阀的开发和现代控制理论的导入，各种新型的控制方式，如开 关控制、p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制、p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 得以发展应用，再加上气动系统因其节能、无污染、结构简单、价格低廉、高速、 高效、工作可靠、寿命长、适应温度范围广、工作介质具有防燃、防爆、防电磁 干扰等一系列的优点，气动应用领域得到迅速发展。 随着微型计算机的发展，数字控制技术已经渗透到工业的各个领域，特别是 现代控制理论和智能控制技术的不断发展和完善，数字控制技术在气动伺服系统 的应用越来越普遍。现如今气动技术已突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展。 在与计算机、电气、传感、通讯等技术相结合的基础上产生了智能气动这一概念 ( 气动比例与伺服、智能阀岛、模块化机械手) 。现代气动的发展趋势是微型化、 集成化、模块化、智能化i “j 。 研究和发展气动技术具有非常重要的理论价值和实际意义。气动技术在美 国、法国、日本、德国等主要工业国家的发展研究非常迅速，我国于七十年代初 期才开始重视和组织气动技术的研究i l 。从研究的总体水平来看，我国与世界 主要工业国家相比十分落后，气压比例阀的研究和设计更是少之又少。为提高我 国的气动技术水平，发展我国的气动行业，缩短与国际的差距，开展和加强气动 技术的研究是很必要的。 1 1 1 电气比例伺服控制系统 电气比例伺服控制系统在自动化设备中的基本功能是按预定的设计要求， 浙江大学硕士学位论文 输出驱动或控制物理量。常见的比例伺服系统输出驱动的物理量为直线气缸( 摆 动马达) 的位置( 摆角) 、运动速度、作用力等：常见的比例伺服系统的输出 控制物理量为气体的压力或流量。这些输出量可分为断续式和连续式两大类。电 气比例伺服控制技术旨在实现连续式的驱动和控制输出。利用电气比例伺服控 制技术实现的连续式驱动或控制系统，其输出的驱动物理量，可以在设备的运行 中根据设定量和当前量不断地进行调整，达到无级、连续可控目的。 比较早期的气动比例伺服系统，大都采用机械控制方式。通过将最终输出 量转换为机械弹簧位移或气压信号，然后反馈至无级调节气阀，从而实现对输出 量的连续控制州。随着现代电子工业的迅速发展，曾经比较广泛应用的纯气动， 纯机械控制系统逐渐减少，而由数字电路、模拟电路实现控制，利用气动执行元 件输出驱动物理量的电气一体化设备，因为占有更大的优势被越来越广泛地采 用。 在电气比例伺服控制系统中，其核心元件是电气比例阀。在应用中电气比 例阀的主要作用是用于连接系统的电气一机械部分，将输入的小功率电信号通过 放大转换为控制阀运动的电压或电流信号，而通过阀的运动又可以控制流向气压 执行机构的流量与压力，最终实现对执行机构的控制。因此，以比例伺服控制 阀为核心组成的气动比例伺服控制系统可实现压力、流量连续变化的高精度控 制，满足自动化设备的柔性生产要求。因此开发各种形式的比例控制阀和电气比 例伺服系统成为气动技术发展的一个重大课题。 1 1 2 压电物理基础 压电驱动器作为压电式电气比例阀的电气一机械转换器件，是电气比例阀的 关键器件，它的性能直接影响着整个阀的性能。为了能够更好的理解压电式电气 比例阀的工作原理，下面将介绍一些压电基础理论。 1 1 2 1 压电效应 1 8 8 0 年，居里兄弟( j a c q u e sa n d p i r r ec u r i e ) 首先在石英晶体上发 现压电效应，即某些各向异性的晶 体，在机械应力的作用下，成比例地 产生电荷，这种现象称之为正压电效 应；而某些各向异性的晶体在外电场 的作用下，成比例地产生几何形交， ( 1 ) 极化前( 2 ) 极化中( 3 ) 极化后 图1 - 1 晶畴中的电偶极子 r。，r。囊 l。)，”nh。 t 缸p 髅鬟 一n=：n一 硝组，斜甜。4褥乱。 濒江大学硕士学位论文 这种现象称为逆压电效应【盯】。电介质在电场的作用下，有两种效应：压电效应 和电致伸缩效应。两种效应统称为机电耦合效应。电介质在外加电场作用下应变 与电场之间存在关系为：j = d e + m e 2 。 式中：d e 一逆压电效应； m e 2 一电致伸缩效应； 卜压电系数( m v ) 5 m 一电致伸缩系数； e 一电场( v m ) ： s 应变( m ) 。 没有经过极化处理的压电陶瓷，其内部的晶体结构可以看作是无规则取向的 微晶群，由于这种无规则的取向和微晶中的畴结构，烧结后陶瓷体是各向同性的。 当在压电陶瓷材料上施加直流强电场进行极化处理时，则陶瓷的各个晶粒的自发 极化方向将平均地取向于电场方向，整个晶体显示为一个电偶极子，如图1 - 1 所 示。如果该晶体受到应力时，晶格就会畸变，而且该应力将使一些电畴( 自发 极化偶极子方向一致的小区域) 减小，另一些电畴增大，两者使晶体的总偶极矩 发生变化。在一定的应力变化范围内，偶极子随应力的变化呈线性，而且是可逆 的，这就是压电陶瓷材料中压电性的基础。 巨二匝二营 ( c i ) ( e ) ( f ) 图1 2 晶体的压电效应 图卜2 说明了压电陶瓷圆柱体的压电效应。图卜2 ( a ) 表示在空载条件 下的圆柱体。由于没有外载，压电体无电压输出。如果加上一个外力使材料产生 压缩应变时，产生的形变就引起偶极矩变化，结果在电极之间出现电压，方向如 图卜2 ( b ) 所示；当外加的机械力反向( 如图卜2 ( c ) ) 使材料伸长时，电极上的 浙江大学硕士学位论文 电压也将反向。这种由机械变形产生电信号的现象，即为正压电效应。 如果将与极化电压极性相同的电压加到电极上，圆柱体就会缩短( 见图 卜2 ( d ) ) 。若外加电压的极性与极化电压的极性相反，圆柱体就将伸长( 见图 卜2 ( e ) ) 。当加上交流电压时，圆柱体就将交替地伸长和缩短( 见图1 - 2 ( f ) ) 。 这种通过外加电信号，使压电陶瓷产生机械变形的现象，称为逆压电效应。在压 电式电气比例阀中，将压电陶瓷作为电气一机械转换器，即是利用压电陶瓷的逆 压电效应。 1 1 2 2 压电材料 压电学直到上个世纪四十年代，一直是晶体物理学的一个分支，压电材料局 限于石英和电气石等一些单晶材料。1 9 4 7 年美国的r o b e r t s 发现了钛酸钡 (bario)的压电性，使得多晶材料得到发展，并迅速得到应用。其获得压电， 性所需的极性可以通过暂时施加电场的方法，从一块各项同性的多晶陶瓷得到。 钛酸钡陶瓷的发现是压电材料发展的一个飞跃，至此，压电材料形成了两大类； 压电单晶材料及压电陶瓷材料。1 9 5 4 年p z t 压电陶瓷( 即p b ( z r ，1 7 ) 0 3 压电陶瓷) 在美国获得了专利权，p z t 压电陶瓷具有勘n q 压电陶瓷不可媲美的压电性， 它的出现，大大地扩展了压电陶瓷的应用领域。1 9 6 5 年，日本松下电气公司的 科研人员在二元系p z t 组成e p ) j 1 ) k p b ( m g l ，3 嘎f 3 ) q 后，试制成了三元系压电陶 瓷，命名p c m ( 松下电器公司商品名称) 。p c 则透明压电陶瓷，其性能可以与p z t 相媲美，它的出现使新型压电陶瓷的研究十分活跃。我国关于压电陶瓷的研究几 乎和日本同步，1 9 6 6 年至1 9 6 9 年期间，我国压电与声光技术研究所张福学、 刘一声等在二元系p z t 的基础上，研制成了三元系压电陶瓷p m s 。p s 压电陶 瓷的出现，扩大了我国压电陶瓷的应用领域，先后用它研制成功了压电愤性器件 等多种压电器件。后来，以不同化合物为第三成分及第四成分的三元系、四元系 压电陶瓷材料陆续出现p ”。 在压电陶瓷的应用领域中，最常用的压电材料就是用锆、钛、铅的氧化物配 制后烧结制成的压电陶瓷片( p z t ) 州。目前压电性能优良的p z t 已广泛应用子 制造换能器、变压器、滤波器，引燃引爆装置和超声延迟线等压电器件。以此压 电材料设计的驱动器因其响应快、承载力高、低能耗和价格低廉等特点备受各国 学者的关注1 8 ”。 浙江大学硕士学位论文 1 1 2 3 压电双晶片结构及变形机理 压电陶瓷在外电场作用下，会引起材料的机械变形，根据压电陶瓷的横向和 纵向效应，压电执行器主要有叠堆和双晶片两种结构。和叠堆结构相比，双晶片 具有单位电压变形大的突出优点。双晶片是由两片形状相同的压电片对称粘贴在 弹性梁的两侧，或直接粘贴在一起，对于由一片压电片与固定悬臂梁组成的情况， 称为双晶片一种特例根据压电片的形状不同，双晶片通常有悬臂梁和复合圆盘 两种结构。以双晶片悬臂梁结构为例，有四种形式，如图i - 3 所示。复合圆盘 和悬臂梁结构相比较，只是形状上的差别，两种结构的工作原理相同，即在外电 压作用下，两片的差动作用形成弯矩，使双晶片发生弯曲夺形。 a ) 型双晶片由极化方向相背的两片压电片组成，中间无电极，驱动电压通过 上面和下面的两个电极旌加，每一片的电场强度e = u 2 t 。所以这种结构的双晶 片叫做串联型双晶片。 b ) 型双晶片由极化方向同向的两片压电晶片组成，两片中间是厚度可以忽略 的内电极，引出导线接到驱动电源的一极：上表面和下表面的两个电极接到一起， 共同接到电源的另一极。每一片压电片内的电场强度e = u t 。这种结构的双晶 片叫做并联型双晶片。 c ) 型双晶片是由压电元件两个表面被覆电极与非压电元件完全接合组成的。 非压电元件通常是金属，如铜、钢和铝，可以直接充当一个电极：也可以是介质 材料，如玻漓和砖。 d ) 型双晶片是在c ) 型的基础上为了加大变形量，在非压电元件( 一般为金属) 的另一侧再贴一片压电片。d ) 型与b ) 型结构类似，只是相当于增加了b ) 型的电 极厚度。与b ) 型相比，d ) 型的结构刚度加强，但变形量减小：与c ) 型相比，d ) 型的变形量加大。 浙江大学硕士学位论文 巨 簿哥 瞬畸 劬 图1 _ 3 压电双晶片的结构类型 根据对压电双晶片的静态特性试验分析可知啪】，压电双晶片存在一定的滞 环和蠕变特性，但是可以通过闭环控制加以改善。 1 1 3 流体压电驱动与控制技术国内外研究现状 自2 0 世纪8 0 年代初日本学者首先开发成功超声波电动机以来，压电驱动与 控制技术获得了迅猛发展，现已形成专门的研究领域，成为近年国内外热门研究 领域之一1 5 j 。将压电体逆效应直接作用于流体即可形成流体驱动与控制机构。早 期的流体驱动与控制主要用于功能单一的开关阀中，特别是在高速、精密的气体 控制中获得了良好的应用，并己在美国、日本等国申请了专利口”“。 日本名古屋大学利用p z t 双晶片型压电驱动器，研制了一种响应频率较高、 流量较大的高速开关阀i ，如图卜4 所示。该阀通过控制一块双晶片型压电驱动 器来关闭或打开不同的喷嘴以驱动锥阀运动。该阀响应频率可达2 0 0 h z ，在 2 0 i i p a 系统压力时输出流量达9 2 4 l m i n 。 日本的横田真一等人利用两组压电叠堆推动一个锥阀阀芯，构成了二位三通 数字，如图卜5 所示。对一个无负载叠堆施加1 0 0 v 电压时，可产生1 5 | l m 位 移，推动力为8 5 0 n 。在0 1 0 0 v 电压驱动下，阀的开关时间不超过7 0i is ，可 跟踪2 k h z 的方波信号。 压电驱动型电液伺服阀最早出现于二十世纪八十年代的日本1 2 6 l 。其结构如 图卜6 所示，这是以p z t 双晶片代替双喷嘴挡板式电液伺服阀动圈马达的挡板 结构p ”。1 9 9 2 年后出现了以压电叠堆为驱动力源的单级直动式伺服阀( 日本1 “， 浙江大学硕士学位论文 如图卜7 所示。由压电叠堆直接驱动阀芯，并通过磁阻式位移传感器对阀芯位移 进行检测，完成闭环控制。 匐鞣 图1 - 4 高速开关阀图1 - 5 压电数字阀 芷i u k 堰 晨峨堆0 图1 - 6 双压电晶片喷嘴挡板阀图卜7 单级直动式伺服阀 图1 8 为德国亚琛工业大学流体传动及控制研究所( i f a s ) 研究开发的压电 伺服阀【“。该伺服阀采用压电叠堆串联驱动，其位移输出达1 0 1 i n t o 的数量级， 经过一个位移放大倍数为3 0 倍的液压放大机构对压电叠堆的输出位移进行放 大，阀芯的行程达到l m m 以上，在阀的全行程的9 0 。频响大于2 0 0 h z 。2 0 0 2 年，美国加利福尼亚州c s a 机构的j a s o ne l i n d l e r 和e r i ch a n d e r s o n 研 制出压电直接驱动式的伺服阀【”j ，图1 - 9 为该压电伺服阀的机构图，压电叠堆的 位移经过杠杆式位移放大机构进行放大，进而推动阀芯做往复运动。 图l - 8 直动式压电伺服阀( 德)图1 - 9 直动式压电伺服阀( 美) 贺尔碧格公司是目前全球唯一一家把压电技术成功应用到气动阀，并大批量 生产的公司【。应用压电技术制造的气动阀有着传统气动阀无可比拟的优点。图 卜1 0 为德国贺尔碧格公司生产的p s l l l l o - b 型号的压电式电气比例阀。其主要 勰 浙江大学硕士学位论文 特点是【l l i ： 1 ) 其功耗仅为0 4 w ，可以由