基于液压微位移放大结构的新型压电陶瓷直接驱动阀设计及仿真

Design and Simulation Study on New Servo Valve Direct Driven byPiezoelectric Actuator Using Hydraulic AmplificationYU Juntao JIAO Zongxia WU Shuai(School ofAutomation Science and Electrical Engineering，Beihang University，Beijing 1 00 1 9 1)Abstract： A servo valve direct driven by piezoelectric actuator using hydraulic amplifcation is researched.It takes advantage ofthehigher ban dwidth and larger flow rate.A new hydraulic displacement am plifier structure is proposed to aim at the smalerdisplacement output and larger force output of piezoelectric(PZT).The structure is composed of input piston with larger area，outputpiston with smaler area an d hermetic cham ber.The larger stroke multilayer piezoelectric actuator is served as the drive element thatdrives the input piston witl1 larger area of the hydraulic amplifcation.The change of pressure and volume drives the output pistondirectly connected to the spool to produce amplified displacement，which drive the spool to move.To satisfy the demand of sealingand low load，a diaphragm with flexure hinge structure is used for the piston with larger area.The structure and parameter isoptimized by finite element method.Piezoelectric direct drive servo valve prototype is trial-manufactured an d tested.The simulationresults show that the displacement magnification times is 9，the governing error of valve spool is less than 1%，the bandwidth is up to550 Hz.The flow curve obtained by experiment show the flow rate Can reach to 17 L/min at pressure of7 MPa。

Key words： Piezoelectric ceram ic Hydraulic am plifcation Direct drive servo-valve Flexure hinge Finite element method0 前言电液伺服系统在航空、航天、工业应用等方面有着举足轻重的地位和不可替代的作用。电液伺服·国家杰出青年科学基金资助项目(50825502)。20120627收到初稿20121118收到修改稿阀作为电液伺服系统中的核心控制元件，其性能及可靠性对整个伺服系统有较大影响。传统的电液伺服阀采用先导级和功率滑阀组成二级伺服阀，先导级的性能及结构形式，制约了伺服阀整体的动态性能和抗污染能力。直接驱动伺服阀采用驱动元件直接驱动功率滑阀阀芯，通过阀芯位移传感器反馈阀芯位置，闭环控制阀芯开口，保证伺服阀频响和控152 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 2期制精度的同时改善了伺服阀的抗污染性能，使其可靠性大大提高。直接驱动伺服阀已成为电液伺服阀的发展方向之-L1 J。

新型功能材料的研制及应用为直接驱动伺服阀的发展提供了基淳jJ。压电陶瓷(Piezoelectric，PZT)、形状记忆合金、超磁致伸缩等新材料直接驱动的伺服阀得到了广泛研究4 J。其中压电陶瓷材料以其动态响应快速、控制精度高、能量密度大、结构紧凑的优点，成为近年来研究的热点L7 J。压电陶瓷直接驱动伺服阀是采用压电陶瓷积层式驱动器(压电陶瓷叠堆)作为驱动元件，直接驱动功率滑阀阀芯运动。压电陶瓷驱动器的特点是输出位移很孝输出力大，若直接采用压电陶瓷驱动阀芯则位移很小，导致输出流量很校如文献8中的压电陶瓷直接驱动阀样机，设计输出位移 60 larn，受加工误差及结构形式的影响，其有效阀芯位移输出只有40 prn，流量不足 2 L/min。远远不能满足实际的应用要求。

针对压电陶瓷驱动器输出位移小的缺点，有文献提出了杠杆式、桥式等机械式位移放大机构9 们。

这些放大机构-般都采用柔性铰链结构，普遍存在承受载荷孝抗冲击能力差，对材料刚度及加工精度要求高的问题。液压传动具有结构紧凑、承载能力大的特点～液压传动应用于位移放大机构，除了可以克服机械式放大结构的缺点外，还具有多输入多输出、余度配置灵活的优点。本文在文献[8工作的基础上，提出-种新型的基于液压微位移放大结构的压电陶瓷直接驱动阀。设计了液压微位移放大机构，使输出位移增大9倍。同时为降低压电陶瓷驱动器的负载并提高密封性能，设计了柔性铰链膜片式大活塞，对其刚度进行了理论计算。采用有限元方法对膜片结构和各参数进行优化设计，并对最终的结构进行了刚度和强度分析。基于试制原理样机的参数，联合仿真分析表明其位移放大倍数 9倍，频宽超过 550 Hz，试验测得 7 MPa压力下，流量为 17 L/min，具有很高的实用价值。

1 压电叠堆结构特点及性能分析压电陶瓷材料能量密度高，单位体积和质量的输出功率大，结构紧凑，动态响应快。然而单片压电陶瓷的输出位移很小，压电陶瓷叠堆是由多片压电陶瓷机械上串联、电气上并联组成。每片陶瓷的工作电压相同，叠堆的位移输出为所有压电陶瓷片的位移量总和≌载下，其形变关系为 A1nab"d33 ， (1)式中 △ --单片压电陶瓷的位移n--压电陶瓷叠堆内的压电陶瓷片数△f--压电陶瓷叠堆总变形量3--压电常数邑--电场强度- 压电叠堆长度由式(1)可以看出，压电陶瓷叠堆的总变形量由其长度和电场强度决定。电场强度的增强，会引起陶瓷内部 90。的铁电畴旋转，导致压电陶瓷叠堆的滞后现象严重。所以加在压电陶瓷片两端的电压不能过高。为了得到较大的位移，必须采取多片较薄陶瓷片叠堆的方式，即压电陶瓷叠堆结构，降低驱动电压的要求，大大提高驱动器的位移输出。但压电叠堆结构的缺点是拉伸刚度以及切向刚度很差，受拉伸力及切向力时，容易损坏。在外部负载的情况下，压电陶瓷形变关系为l2U 1dz-Iki2F/ (2)式中 --压电陶瓷两端电压k--压电陶瓷介电常数k12--压电陶瓷弹性系数- - 压电陶瓷形变F--压电陶瓷所受外负载力由于压电常数 3很小(低于 10 。m )，所以压电陶瓷的应变量只有 0.1%，即使采用叠堆式的结构，压电陶瓷驱动器的输出位移仍较校要满足通常滑阀应用所需要的位移输出0.5 mm，压电叠堆的尺寸会超过 0.5 m。尺寸过长会带来体积大、刚度差和易损坏等缺点。而由于弹性系数 k12很大，压电陶瓷具有很大的轴向压缩刚度，最大能输出 l kN的推力，远远超过驱动滑阀所需的力。实际应用中，应根据其输出力大、输出位移小的特点，设计合理的位移放大机构。

2 液压位移放大式 PZT直驱阀的设计2.1 工作原理本文提出的基于液压微位移放大结构的压电陶瓷直接驱动阀结构如图 1所示。主要由压电陶瓷及其固定、调节装置，液压位移放大装置，功率滑阀，碟形弹簧及位移传感器等组成。压电陶瓷叠堆推动液压放大部分右端的柔性铰链膜片(大面积活塞)，产生输入位移，改变放大部分密闭容腔中油液的形态，在左端小面积活塞上产生与右端输入位移对应的放大的位移输出，推动功率滑阀的阀芯向左端运动，同时压缩碟形弹簧。当压电陶瓷的输入减小时，受压缩的碟形弹簧提供回复力，推动阀芯向l56 机 械 工 程 学 报 第 49卷第 2期特性。为了进行系统联合仿真，真实地反映压电陶瓷叠堆的性能，采用理想压电陶瓷模型加质量阻尼弹簧系统模拟压电陶瓷环节的输出特性。通过选取合适的参数，仿真测得其Bode图如图7中 仿真”曲线，幅频-3db时频率为 752 Hz，相频 90。时频率为 788 Hz。

O-50霎-100- l50l频翠 /Hz图7 模拟压电陶瓷环节 Bode图由图7的 试验”和 仿真”两条曲线对比，可以看出所搭建的环节 Bode图与压电陶瓷试验测得的 Bode图基本吻合，可以用来模拟真实的压电陶瓷特性进行仿真研究。

3.2 液压微位移放大结构的仿真利用AMESim自带的液压元件库，建立液压位移放大部分和滑阀部分的精确模型。由于液压放大环节的特性与其外负载情况有很大关系，仿真时将滑阀部分的模型，作为液压放大部分的负载，对其进行联合仿真，输入为大活塞位移，输出痊阀阀芯位移。系统闭环 Bode图如图8所示。

昌 理罂频率 /Hz图8 液压(位移放大滑阀)环节的开环 Bode图由图8可以看出，液压微位移放大结构带功率滑阀阀芯环节的幅频-3db为 l 500 Hz，相频 90。为2 100 Hz，频宽超过压电陶瓷，不会成为制约系统整体频宽的瓶颈。

3.3 系统整体性能仿真输入幅值为O.26 111、频率为100 Hz的指令信号，监测大、蓄塞的位移及指令和跟踪情况，系统整体仿真框图如图9所示。由于液压放大环节具有-定的相位滞后特性，采用前馈PID的闭环控制方法系统的跟踪特性如图lO所示。

] - 厂 1/G(s)I蛳 - 广 y] 广 y - [， l～ m - !。I撺制青津L 。 垒 广] 工巾 广] 厶 广.2压电陶瓷 I 大活塞 l 密闭容腔 I 蓄塞和滑阀图9 系统整体仿真框图- 摩擦因数 - 瞬态液动力系数 岛厂 稳态液动力系数 k- 弹簧弹性系数 r 微分算子△：oo/10时间/s图l0 大、蓄塞位移指令、跟踪曲线由图 1O可知，大活塞位移 28 lam时，蓄塞可获得 260 gm 的位移输出，液压位移放大倍数接近9倍。在260 gm的指令跟踪下，跟踪效果良好，如图9所示，误差接近2.5 grn，小于1%。

对设计的直驱阀进行动态 0～2 kHz的扫频测试，监测输入指令及反馈跟踪，得系统 Bode图如图 l1所示。

由系统 Bode图，可看出系统整体的幅频-3db为 560 Hz，相频 90。为 730 Hz，具有很高的动态频宽。

O 5 O p/曝馨O 0 0 O O O 加 m m 加E 覃J2013年 1月 俞军涛等：基于液压微位移放大结构的新型压电陶瓷直接驱动阀设计及仿真 157j翌 lO擘 01 -l0黑-20咖 -3010-100- 200- 300l为 30 L/min。试验测得 7 MPa下 ，其流量接近17 L/min。在振动试验台、消扰试验台及其他需要1 o3 高动态响应的液压流体控制系统中具有很高的实用价值。