一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀及其控制方法技术

本发明专利技术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；本发明专利技术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。噪声低以及使用寿命长等优势。噪声低以及使用寿命长等优势。

【技术实现步骤摘要】
一种阵列压电叠堆驱动式高速开关阀及其控制方法


[0001]本专利技术涉及液压系统领域，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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]针对现有技术中存在不足，本专利技术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。
[0004]本专利技术是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
[0005]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；
[0006]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；
[0007]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；
[0008]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。
[0009]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；
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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：
[0015]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k
v5
，即最小位移对应的流量增益k
v5
，最终得到高速开关阀的估计流量矩阵Q
es
：
[0016][0017]n
int
＝[0,21‑
1,21...25‑
2,25‑
1]T
[0018]步骤2，将指令信号Q
hd
分别与估计流量矩阵中的每一个流量Q
es(i)
作差，其中差值最小的开度组合即为最优开度组合：
[0019]J＝min|Q
es(i)
‑
Q
hd
|,i∈[0,2
N
‑
1]；
[0020]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。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0022](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；
[0023](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；
[0024](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，本专利技术采用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
[0025]图1为本专利技术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；
[0026]图2为本专利技术实施例提供的输出杆二维剖视图；
[0027]图3为本专利技术实施例提供的液压阀体二维剖视图；
[0028]图4为本专利技术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；
[0029]图5为本专利技术实施例提供的高速开关阀输出流量的阶跃跟踪曲线图；
[0030]图6为本专利技术实施例提供的高速开关阀输出流量的正弦跟踪曲线图；
[0031]图7为本专利技术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。
[0032]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
[0033]下面详细描述本专利技术的实施例，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，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。
[0034]在本专利技术的描述中，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专利技术和简化描述，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、以特定的方位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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、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。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....

【专利技术属性】
技术研发人员：高强，朱勇，汤胜楠，曹凯，兰波，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：