[發(fā)明專利]一種自感知力和位移的壓電閥及位移控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010105219.3
• 申請日: 2020-02-20
• 公開（公告）號: CN111188942B
• 公開（公告）日: 2021-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 董維杰;李錚;楊磊
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué);中國北方車輛研究所
• 主分類號: F16K37/00
• 分類號: F16K37/00;F16K31/00
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種自感知力和位移的壓電閥，其特征在于，所述的壓電閥(1)包括移動端(2)，碟簧墊片(3)，上蓋(4)，預(yù)緊螺釘(6)，底座(7)，正八邊形墊塊(8)，壓電疊堆執(zhí)行器(9)；

所述的上蓋(4)為圓柱筒狀結(jié)構(gòu)，與底座(7)通過螺紋連接；

所述的壓電疊堆執(zhí)行器(9)為驅(qū)動元件，設(shè)于上蓋(4)內(nèi)部，壓電疊堆執(zhí)行器(9)的上端設(shè)有移動端(2)，移動端(2)在電壓驅(qū)動下對外輸出位移和力，壓電疊堆執(zhí)行器(9)的下端墊有正八邊形墊塊(8)，正八邊形墊塊(8)上有方形凹槽，用于保持壓電疊堆執(zhí)行器(9)穩(wěn)固；

所述的移動端(2)為T形結(jié)構(gòu)，其大頭端部外側(cè)與壓電疊堆執(zhí)行器(9)接觸，小頭端部穿過上蓋(4)端部中心通孔，伸出上蓋(4)端部，移動端(2)大頭端部內(nèi)側(cè)與上蓋(4)之間安裝金屬碟簧墊片(3)，用于提供所需的預(yù)緊力，同時不會過分阻礙移動端(2)的運動；

所述的正八邊形墊塊(8)下方安裝有預(yù)緊螺釘(6)，預(yù)緊螺釘(6)設(shè)于底座(7)內(nèi)，旋轉(zhuǎn)預(yù)緊螺釘(6)能夠?qū)⒄诉呅螇|塊(8)頂起，配合碟簧墊片(3)可以調(diào)整預(yù)緊力大小，正八邊形墊塊(8)在預(yù)緊過程中不能旋轉(zhuǎn)，避免壓電疊堆執(zhí)行器(9)受到剪切力。

2.一種權(quán)利要求1所述的自感知力和位移的壓電閥的位移控制方法，其特征在于，包括以下步驟；

第一步：組裝壓電閥的位移控制系統(tǒng)，壓電閥的位移控制系統(tǒng)包括控制器(10)、壓電閥(1)、采樣電阻(11)、積分器(12)、位移自感知計算器(13)和力自感知計算器(14)；

所述的控制器(10)用于設(shè)定位移輸出電壓信號以驅(qū)動壓電閥(1)并準(zhǔn)確控制其位移；所述的采樣電阻(11)與壓電閥(1)串聯(lián)，將壓電閥(1)的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；所述的積分器(12)為軟件積分器與采樣電阻(11)相連，采集并積分采樣電阻(11)上的電壓信號，得到壓電電荷；所述的位移自感知計算器(13)與積分器(12)、控制器(10)連接，力自感知計算器(14)與積分器(12)、控制器(10)連接；

第二步：根據(jù)自感知測量方法計算壓電閥的位移和輸出力；所述的自感知測量方法能夠利用壓電疊堆執(zhí)行器(9)的驅(qū)動電壓和表面電荷估算閥芯的位移和輸出力，此處閥芯指移動端(2)，步驟如下：

(2.1)根據(jù)驅(qū)動電壓U和負(fù)載外力F_s求多層壓電疊堆的軸向位移y；

壓電疊堆執(zhí)行器(9)在電壓驅(qū)動下做長度伸縮運動，其應(yīng)變S、應(yīng)力T、電位移D與電場強(qiáng)度E之間符合第一類壓電方程；將第一類壓電方程應(yīng)用到壓電疊堆執(zhí)行器(9)中，并將抽象的力學(xué)和電學(xué)量轉(zhuǎn)換為直觀的位移y、力F、驅(qū)動電壓U和電荷Q；

壓電疊堆執(zhí)行器(9)由多層壓電陶瓷PZT組成，對于單層PZT，其位移y_n為：

式中，A_s為壓電疊堆的橫截面積，t_n為單層PZT的厚度，U為外加電壓，F(xiàn)_s為總外力；

對于由n層PZT組成的壓電疊堆執(zhí)行器(9)，軸向總位移y為：

式中，總外力F_s由兩部分組成，變速器放大腔初始壓力F₀，以及疊堆運動過程中對液壓腔產(chǎn)生的有效輸出力F_eff；

(2.2)建立閥芯位移y_eff、輸出力F_eff、壓電疊堆執(zhí)行器9的壓電電荷Q和驅(qū)動電壓U之間的關(guān)系模型；

以閥芯的初始位置為起點，閥芯的位移變化量定義為有效位移y_eff，如公式(5)所示：

n層PZT產(chǎn)生的壓電電荷為Q，如公式(6)所示：

Q＝-nd₃₃F_ett+C_pU (6)

式中，C_p為壓電電容，具體表達(dá)式為

進(jìn)而可由式(6)得到有效輸出力F_eff與壓電電荷Q和壓電執(zhí)行器驅(qū)動電壓U之間的關(guān)系模型，如公式(7)所示：

將式(7)帶入式(5)，最終得到閥芯位移y_eff、壓電電荷Q和壓電執(zhí)行器驅(qū)動電壓U之間的關(guān)系模型，如公式(8)所示：

從式(7)和(8)可知，由驅(qū)動電壓U和壓電電荷Q即可得到壓電閥1的位移y_eff和輸出力F_eff；

第三步：根據(jù)步驟二求得壓電閥(1)的自感知位移和輸出力，應(yīng)用于步驟一的位移自感知計算器(13)和力自感知計算器(14)中，實現(xiàn)壓電閥(1)的位移控制和輸出力監(jiān)測，具體為：

所述的位移自感知計算器(13)從積分器(12)處獲得壓電電荷，并從控制器(10)處獲得驅(qū)動電壓，最終根據(jù)公式(7)計算出自感知位移信號，并作為反饋輸入控制器(10)中，構(gòu)成閉環(huán)位移控制；

所述的力自感知計算器(14)同樣從積分器(12)處獲得壓電電荷，從控制器(10)處獲得驅(qū)動電壓，最終根據(jù)公式(8)計算出自感知輸出力信號，用于實時監(jiān)測。