一种自感知力和位移的压电阀及位移控制方法技术

一种自感知力和位移的压电阀及位移控制方法，建立阀芯位移、输出力、压电执行器的压电电荷和压电执行器驱动电压之间的关系模型，提供根据压电电荷与驱动电压自感知估测阀芯位移和输出力的算法。压电阀包括压电叠堆执行器、上盖、底座、移动端、预紧用碟簧垫片、正八边形垫块，配合使用控制系统中的采样电阻、电流积分器和带有迟滞补偿算法的前馈PID控制器，实现无需传感器的阀芯位移闭环控制和输出力实时测量。本发明专利技术的压电执行器兼作驱动器和传感器，无需额外的传感器即可同时检测阀芯的位移和输出力；控制器中增加迟滞补偿算法，提高控制精度和响应速度；采用电流积分法获得压电电荷，能够灵活调整参数来补偿压电漏电流以长期稳定工作。

A piezoelectric valve with self sensing force and displacement and its displacement control method

【技术实现步骤摘要】
一种自感知力和位移的压电阀及位移控制方法
本专利技术属于流体测控
，涉及汽车变速箱中电控压电阀技术，特别是采用解耦算法从压电执行器获得阀芯位移和输出力信号，在无附加传感器的情况下实现闭环位移控制的方法。
技术介绍
电磁阀是变速箱中的关键部件，通常电磁阀仅能实现二位控制，不能连续调节，因此需要多个电磁阀开闭动作共同控制档位变换。随着智能阀门技术的发展，压电阀成为电磁阀的理想替代产品。压电阀具有精度高、响应快、功耗小、寿命长、结构紧凑、环保节能等优点。通过改变驱动电压，压电阀阀芯位置能够连续变化，所需的压电阀数量较电磁阀大大减少。压电阀阀芯在工作过程中需要精确定位其位置，以实现多位控制；同时也需要感知腔内压力，将压力数据传递给车辆电子控制器(ECU)。通常位移和压力需要由额外的传感器测量，专利CN1434217A公开了一种压电驱动的伺服阀，其中位置信号需要由外部位移传感器测量。专利CN101319688A公开了一种智能压电型电液伺服阀，通过闭环压电陶瓷驱动器中自带的位移传感器测量阀芯位移。专利CN103032296A公开了一种基于蝶形传感器阀的压电泵，在压电叠堆泵送液体的同时通过蝶形传感器测量阀的输出压力和流量。但上述压电阀需安装独立传感器，增加了阀的体积和复杂度。本专利技术引入压电自感知方法，压电阀作为执行器的同时也作为传感器工作，无需外部传感器，具有节省变速箱空间，降低成本，降低安装与维护难度的优点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种压电阀中阀芯位移和力自感知测量方法及位移控制方法，还提供一种新型位移-力自感知压电阀。利用压电阀电学端口的电压和电荷估测机械端口的力和位移，不需要使用额外的传感器实现闭环位移控制。为了达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种自感知力和位移的压电阀，所述的压电阀1包括移动端2，预紧用碟簧垫片3，上盖4，内外螺纹5，预紧螺钉6，底座7，正八边形垫块8，压电叠堆执行器9。所述的压电叠堆执行器9为驱动元件，由于压电陶瓷的抗拉强度很低，因此需要在使用过程中施加约750N的预紧力。所述的上盖4和底座7通过内外螺纹5连接，上盖4为圆柱筒状结构。所述的压电叠堆执行器9为驱动元件，设于上盖4内部，压电叠堆执行器9的上端设有移动端2，移动端2在电压驱动下对外输出位移和力，压电叠堆执行器9的下端垫有正八边形垫块8，正八边形垫块8上有方形凹槽，用于保持压电叠堆9稳固。所述的移动端2为T形结构，其大头端部与压电叠堆执行器9接触，小头端部伸出上盖4，移动端2中部与上盖4之间安装金属碟簧垫片3，用于提供所需的预紧力，同时不会过分阻碍移动端2的运动。所述的正八边形垫块8下方安装有预紧螺钉6，预紧螺钉6设于底座7内，旋转预紧螺钉6能够将正八边形垫块8顶起，配合碟簧垫片3可以调整预紧力大小，正八边形垫块8在预紧过程中不能旋转，避免压电叠堆9受到剪切力。一种自感知力和位移的压电阀的位移控制方法，包括以下步骤。第一步：组装压电阀的位移控制系统。所述的压电阀的位移控制系统包括控制器10、压电阀1、采样电阻11、软件积分器12、位移自感知计算器13和力自感知计算器14。所述的控制器10的作用是为设定位移输出电压信号以驱动压电阀1并准确控制其位移。所述的采样电阻11为精密电阻，与压电阀1串联，将压电阀1的电流信号转换为电压信号。所述的积分器12与采样电阻11相连，采集并积分采样电阻11上的电压信号，进而得到压电电荷。所述的位移自感知计算器13从积分器12处获得压电电荷，并从控制器10处获得驱动电压，从而计算出压电阀1的自感知位移信号，并作为反馈输入控制器10中，构成闭环位移控制。所述的力自感知计算器14同样从积分器12处获得压电电荷，从控制器10处获得驱动电压，从而计算出压电阀1的自感知输出力信号，用于实时监测。第二步：根据自感知测量方法计算压电阀的位移和输出力。所述的自感知测量方法能够利用压电叠堆执行器9的驱动电压和表面电荷估算阀芯的位移和输出力，本专利技术中阀芯指移动端2。所述的自感知测量方法包括：(2.1)根据驱动电压U和负载外力Fs求多层压电叠堆的轴向位移y。压电叠堆9在电压驱动下做长度伸缩运动，其应变S、应力T、电位移D与电场强度E之间符合第一类压电方程，如公式(1)和公式(2)所示：式中，D3和T3分别为压电材料的电位移和应力，S3和E3分别为应变和电场强度，和d33分别是压电材料的介电系数、弹性柔顺系数和压电常数。将式(1)和(2)应用到压电叠堆9中，并将抽象的力学和电学量转换为直观的位移y、力F、驱动电压U和电荷Q。压电叠堆9由多层压电陶瓷(PZT)组成，对于单层PZT其位移yn为：式中，As为压电叠堆的横截面积，tn为单层PZT的厚度，U为外加电压，Fs为总外力。对于由n层PZT组成的压电叠堆9，轴向总位移y为：式中，总外力Fs由两部分组成，变速器放大腔初始压力F0，以及叠堆运动过程中对液压腔产生的有效输出力Feff。(2.2)建立阀芯位移yeff、输出力Feff、压电叠堆执行器9的压电电荷Q和驱动电压U之间的关系模型。以阀芯的初始位置为起点，阀芯的位移变化量定义为有效位移yeff，如公式(5)所示：n层PZT产生的压电电荷为Q，如公式(6)所示：Q＝-nd33Feff+CpU(6)式中，Cp为压电电容，具体表达式为进而可由式(6)得到有效输出力Feff与压电电荷Q和压电执行器驱动电压U之间的关系模型，如公式(7)所示：将式(7)带入式(5)，最终得到阀芯位移yeff、压电电荷Q和压电执行器驱动电压U之间的关系模型，如公式(8)所示：从式(7)和(8)可知，由驱动电压U和压电电荷Q即可得到压电阀1的位移yeff和输出力Feff。第三步：根据步骤二求得压电阀1的自感知位移和输出力，应用于步骤一的自感知计算器13、14中，实现压电阀的位移控制和输出力监测。本专利技术的效果和益处是：采用压电自感知使算法使压电执行器兼作驱动器和传感器，无需额外的传感器即可同时检测阀芯的位移和输出力，节省成本和安装空间；在控制器中增加迟滞补偿模型，提高控制精度和控制速度；采用软件电流积分法获得压电电荷，能够灵活调整参数来补偿压电漏电阻。附图说明图1是位移-力自感知压电阀的结构图。图(a)为压电阀的轴测图；图(b)为压电阀的剖面图。图2是位移-力自感知压电阀控制系统示意图。图3是位移-力自感知压电阀的位移控制实验装置示意图。图4是一个实施例中压电阀闭环位移控制下位移自感知结果示意图。横坐标为时间，单位为秒(s)；纵坐标为位移，单位为微米(μm)。设定位移的幅度7μm，频率1Hz。图(a)是设定位移为正弦信号时，设定位移、传感器实测位移与自感知位移之间的比较；图(b)是设定位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自感知力和位移的压电阀，其特征在于，所述的压电阀(1)包括移动端(2)，碟簧垫片(3)，上盖(4)，预紧螺钉(6)，底座(7)，正八边形垫块(8)，压电叠堆执行器(9)；/n所述的上盖(4)为圆柱筒状结构，与底座(7)通过螺纹连接；/n所述的压电叠堆执行器(9)为驱动元件，设于上盖(4)内部，压电叠堆执行器(9)的上端设有移动端(2)，移动端(2)在电压驱动下对外输出位移和力，压电叠堆执行器(9)的下端垫有正八边形垫块(8)，正八边形垫块(8)上有方形凹槽，用于保持压电叠堆执行器(9)稳固；/n所述的移动端(2)为T形结构，其大头端部外侧与压电叠堆执行器(9)接触，小头端部穿过上盖(4)端部中心通孔，伸出上盖(4)端部，移动端(2)大头端部内侧与上盖(4)之间安装金属碟簧垫片(3)，用于提供所需的预紧力，同时不会过分阻碍移动端(2)的运动；/n所述的正八边形垫块(8)下方安装有预紧螺钉(6)，预紧螺钉(6)设于底座(7)内，旋转预紧螺钉(6)能够将正八边形垫块(8)顶起，配合碟簧垫片(3)可以调整预紧力大小，正八边形垫块(8)在预紧过程中不能旋转，避免压电叠堆执行器(9)受到剪切力。/n...

【技术特征摘要】
1.一种自感知力和位移的压电阀，其特征在于，所述的压电阀(1)包括移动端(2)，碟簧垫片(3)，上盖(4)，预紧螺钉(6)，底座(7)，正八边形垫块(8)，压电叠堆执行器(9)；
所述的上盖(4)为圆柱筒状结构，与底座(7)通过螺纹连接；
所述的压电叠堆执行器(9)为驱动元件，设于上盖(4)内部，压电叠堆执行器(9)的上端设有移动端(2)，移动端(2)在电压驱动下对外输出位移和力，压电叠堆执行器(9)的下端垫有正八边形垫块(8)，正八边形垫块(8)上有方形凹槽，用于保持压电叠堆执行器(9)稳固；
所述的移动端(2)为T形结构，其大头端部外侧与压电叠堆执行器(9)接触，小头端部穿过上盖(4)端部中心通孔，伸出上盖(4)端部，移动端(2)大头端部内侧与上盖(4)之间安装金属碟簧垫片(3)，用于提供所需的预紧力，同时不会过分阻碍移动端(2)的运动；
所述的正八边形垫块(8)下方安装有预紧螺钉(6)，预紧螺钉(6)设于底座(7)内，旋转预紧螺钉(6)能够将正八边形垫块(8)顶起，配合碟簧垫片(3)可以调整预紧力大小，正八边形垫块(8)在预紧过程中不能旋转，避免压电叠堆执行器(9)受到剪切力。


2.一种权利要求1所述的自感知力和位移的压电阀的位移控制方法，其特征在于，包括以下步骤；
第一步：组装压电阀的位移控制系统，压电阀的位移控制系统包括控制器(10)、压电阀(1)、采样电阻(11)、积分器(12)、位移自感知计算器(13)和力自感知计算器(14)；
所述的控制器(10)用于设定位移输出电压信号以驱动压电阀(1)并准确控制其位移；所述的采样电阻(11)与压电阀(1)串联，将压电阀(1)的电流信号转换为电压信号；所述的积分器(12)为软件积分器与采样电阻(11)相连，采集并积分采样电阻(11)上的电压信号，得到压电电荷；所述的位移自感知计算器(13)与积分器(12)、控制器(10)连接，力自感知计算器(14)与积分器(12)、控制器(10)连接；
第二步：根据自感知测量方法计算压电阀的位移和输出力；所述的自感知测量方法能够利用压电叠堆执行器(9)的驱动电压和表面电荷估算阀芯的位移和输出力，此处阀芯指移动端(2)，步骤如下：
(2.1)根据驱动电压U和负载...

【专利技术属性】
技术研发人员：董维杰，李铮，杨磊，
申请(专利权)人：大连理工大学，中国北方车辆研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21