壓電執(zhí)行器及其在液壓閥中的應(yīng)用

華順明，張 宇，彭 宇，劉立君，許少鋒

(1.浙大寧波理工學(xué)院 機(jī)電與能源工程學(xué)院，浙江 寧波315100；2.浙江大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州310027；3. 寧波市博爾法液壓有限公司，浙江 寧波315502)

0 引言

隨著工業(yè)智能化水平的不斷提升，液壓傳動(dòng)技術(shù)與電子控制技術(shù)、精密驅(qū)動(dòng)技術(shù)及傳感器技術(shù)等的聯(lián)系越來(lái)越緊，在學(xué)科相互交融的大背景下，將智能材料(如磁致伸縮材料、壓電材料、磁流變液及形狀記憶合金等)作為執(zhí)行器應(yīng)用到液壓元件特別是液壓閥中，已是液壓技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向和研究熱點(diǎn)，多年來(lái)一直受國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重視，也取得了一系列的研究成果[1]。

智能材料具有高頻響、高能量密度及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，通過合理的設(shè)計(jì)利用，可有效提高液壓閥的性能，以滿足實(shí)際工況的多樣化需求。與其他智能材料相比，壓電材料具有輸出力大，抗電磁干擾能力強(qiáng)，價(jià)格和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用更廣。如對(duì)于分辨率和響應(yīng)速度有要求的高精度連續(xù)控制場(chǎng)合，開發(fā)了壓電伺服閥[2]；對(duì)于壓力、流量、方向等要求連續(xù)快速控制的場(chǎng)合，則有壓電高速開關(guān)閥[3]；以及大量介于普通開關(guān)控制和精密伺服控制間的各種壓電比例控制閥(或先導(dǎo)閥)，既能滿足流量壓力的連續(xù)控制，又不會(huì)因控制精度過高而造成浪費(fèi)[4]。

在上述一系列的壓電液壓閥中，壓電執(zhí)行器作為核心元件，其材料成本、機(jī)電耦合特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制方法等都對(duì)液壓閥的實(shí)用性和產(chǎn)業(yè)化推廣起決定性作用。

1 閥用壓電執(zhí)行器

已有壓電液壓閥中所用執(zhí)行器根據(jù)原理主要有直接推動(dòng)(直推)式和步進(jìn)運(yùn)動(dòng)(步進(jìn))式兩種。直推式結(jié)構(gòu)利用壓電元件和柔性鉸鏈組合實(shí)現(xiàn)預(yù)緊和推力輸出，常見的有壓電疊堆執(zhí)行器和單/雙晶片執(zhí)行器，其理論上位移分辨率可無(wú)限小，但工作行程卻只有幾微米至十幾微米，一旦增加放大機(jī)構(gòu)，則體積變大，頻響降低；步進(jìn)式結(jié)構(gòu)比直推式復(fù)雜，但無(wú)需專門的放大機(jī)構(gòu)，常見的有諧振位移型和尺蠖型兩種，一般均可雙向輸出推力，理論上工作行程無(wú)限[5]。

1.1 直推式壓電執(zhí)行器

壓電疊堆為若干壓電片堆疊粘合而成，機(jī)械串聯(lián)累加位移，電學(xué)并聯(lián)便于引線。空載時(shí)，疊堆輸出總位移[6]為

n·d33·Up

(1)

式中：H為疊堆高度；S為單片位移；n為壓電片層數(shù)；d33為壓電常數(shù)；Up為輸入電壓。顯然，適當(dāng)增加n，可增大S總。

當(dāng)對(duì)壓電疊堆施加外載荷Fs時(shí)，輸出位移為

(2)

壓電疊堆能夠產(chǎn)生較大的力，響應(yīng)速度快，能量損耗小，超精密驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓低和穩(wěn)定性好。但其材料參數(shù)分散性較大，且價(jià)格高，尚未有可大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的堆疊型壓電材料問世。

1931年，Baldwin Sawyer首次發(fā)明壓電單/雙晶片。目前被廣泛應(yīng)用于聲學(xué)檢測(cè)、自動(dòng)傳感器檢測(cè)系統(tǒng)(USMS)、激光束偏轉(zhuǎn)器、濾波器、加速度計(jì)、光學(xué)斬波器、電液伺服閥等領(lǐng)域。圖1為4種常用的單/雙晶片結(jié)構(gòu)。圖中，p為極化。圖1(a)、(b)中，2個(gè)相同的壓電陶瓷片相互粘合，且極化方向相反，外接電源的電極布置在雙晶片兩側(cè)，因此，這兩種結(jié)構(gòu)被稱為反平行型壓電雙晶片或串型壓電雙晶片。圖1(c)中雙晶片在2個(gè)極板間有1個(gè)額外的電極，2個(gè)極板沿驅(qū)動(dòng)電壓的方向極化，因此，被稱為并型壓電雙晶片。圖1(d)為單晶片，由基板(非壓電)和涂有電極的壓電振子組成。

圖1 壓電單/雙晶片的常用結(jié)構(gòu)

對(duì)于圖1(a)～(c)的雙晶片結(jié)構(gòu)，當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，其中一個(gè)振子伸展，另一個(gè)振子收縮，所以雙晶片發(fā)生彎曲變形，且圖1(c) 變形量是圖1(a)、(b)的2倍(工作電壓是前者的2倍)；對(duì)于圖1(d)的單晶片結(jié)構(gòu)，工作原理類似，但其運(yùn)動(dòng)和輸出可通過改變壓電振子和基板間的厚度比或改變基板材料的彈性模量來(lái)調(diào)節(jié)[7-8]。

串型壓電雙晶片的位移為

(3)

并型壓電雙晶片的位移為

(4)

式中L，B分別為壓電雙晶片長(zhǎng)度和厚度。

1.2 步進(jìn)式壓電執(zhí)行器

諧振位移型壓電執(zhí)行器利用壓電材料的諧振原理(大都在超聲頻段)放大微位移，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓頻率和系統(tǒng)固有頻率相等時(shí)，執(zhí)行器將產(chǎn)生諧振現(xiàn)象(見圖2)。壓電超聲馬達(dá)是典型且發(fā)展成熟的步進(jìn)式執(zhí)行器，在液壓閥/氣壓閥中亦有應(yīng)用。

圖2 諧振位移型壓電執(zhí)行器

諧振位移執(zhí)行器雖然有無(wú)電磁干擾、無(wú)噪聲及高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，但其穩(wěn)定性與連續(xù)工作時(shí)間和溫度波動(dòng)密切相關(guān)。從設(shè)計(jì)到使用，要從以下方面注意對(duì)壓電陶瓷的保護(hù)：

1) 時(shí)效穩(wěn)定性。壓電陶瓷的穩(wěn)定性會(huì)隨著時(shí)間的推移而產(chǎn)生波動(dòng)。

2) 熱去極化。如果連續(xù)工作時(shí)間太長(zhǎng)，導(dǎo)致溫度過高，偶極子會(huì)逐漸無(wú)序化，陶瓷性能隨之降低。

3) 通電去極化。若在電極上施加過強(qiáng)電場(chǎng)，就會(huì)發(fā)生去極化。

4) 機(jī)械極化。過大的機(jī)械應(yīng)力也會(huì)破壞壓電陶瓷中的偶極子，導(dǎo)致陶瓷性能下降[8]。

2012年，郭向東[9]提出采用一種貼片式彎曲振動(dòng)模態(tài)超聲電機(jī)作為噴嘴擋板式先導(dǎo)型電氣比例壓力閥的驅(qū)動(dòng)器，以求提高現(xiàn)有電氣比例壓力閥的穩(wěn)態(tài)精度和分辨率。閥的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中ps為氣源壓力，pc為控制腔壓力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，樣機(jī)的線性度為±0.40%，穩(wěn)態(tài)精度為0.33%，遲滯±0.40%，0.2 MPa階躍響應(yīng)時(shí)間為0.40 s。與同類別的ITV3050電氣比例閥相比，該閥的穩(wěn)態(tài)精度提高了約75%，分辨率提高了約28%。

圖3 電氣比例閥的結(jié)構(gòu)示意圖

尺蠖型壓電執(zhí)行器是模仿自然界生物的尺蠖運(yùn)動(dòng)原理形成連續(xù)精密步進(jìn)輸出，能產(chǎn)生比諧振位移壓電執(zhí)行器更大的輸出力或力矩。圖4為一種線性尺蠖型壓電執(zhí)行器原理圖[10-11]，其中T為執(zhí)行器的1個(gè)運(yùn)行周期。

圖4 尺蠖型步進(jìn)執(zhí)行器原理圖

方波控制信號(hào)和鋸齒波控制信號(hào)的時(shí)序同步，分別控制垂直執(zhí)行器(VA)和橫向執(zhí)行器(LA)。

1) 第1時(shí)段。VA為方波高電平，始終頂緊動(dòng)子；LA為鋸齒波緩慢上升段，逐漸伸長(zhǎng)而推動(dòng)“動(dòng)子+VA”右移一大步。

2) 第2時(shí)段。VA為低電平，松開動(dòng)子；LA為鋸齒波快速下降段，在預(yù)緊力作用下連同VA一起快速?gòu)?fù)位，動(dòng)子受慣性和摩擦力綜合作用向左回退一小步，完成一個(gè)工作循環(huán)。

顯然，第2時(shí)段動(dòng)子處于短時(shí)自由狀態(tài)，如用于推動(dòng)主閥芯或先導(dǎo)閥芯運(yùn)動(dòng)，此時(shí)段需增加一路鎖緊信號(hào)，方可平衡閥芯另一端的回復(fù)力。

2014年，李亞坤[12]利用尺蠖原理(見圖5)提出一種新型的氣動(dòng)節(jié)流閥壓力調(diào)節(jié)孔開度微調(diào)系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間為0.5 ms，進(jìn)給分辨率為1 μm，通過使用柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，保證了1 mm以上的位移輸出。

圖5 尺蠖型促動(dòng)器基本結(jié)構(gòu)

目前，閥用壓電執(zhí)行器以直推式執(zhí)行器為主，因結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計(jì)靈活，發(fā)展充分，最接近于實(shí)用化，特別適合高速高精度等應(yīng)用場(chǎng)合；與直推式執(zhí)行器相比，步進(jìn)式壓電執(zhí)行器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，驅(qū)/測(cè)/控要求均較高，與液壓閥的集成還處在實(shí)驗(yàn)室探索階段。

2 壓電液壓閥

經(jīng)過多年探索和發(fā)展，壓電液壓閥的種類日趨多樣化。根據(jù)執(zhí)行器的使用位置和結(jié)構(gòu)特征，目前壓電液壓閥的研究主要為以下4種類型。

2.1 先導(dǎo)型

2017年，楊慶俊等[13]提出一種先導(dǎo)式比例減壓閥(見圖6(a))，該閥采用壓電執(zhí)行器控制先導(dǎo)閥閥口開度(見圖6(b))。執(zhí)行器采用棱形差動(dòng)放大結(jié)構(gòu)，固定安裝于閥體端面支架上，其輸出端通過連接螺栓與導(dǎo)閥芯相連，導(dǎo)閥芯與導(dǎo)閥座配合，形成節(jié)流閥口。先導(dǎo)閥口開度由壓電執(zhí)行器控制，與先導(dǎo)供油器的固定節(jié)流孔形成分壓作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)先導(dǎo)壓力的控制。仿真結(jié)果顯示，主閥芯直徑、開度等主要由靜態(tài)特性決定，三臺(tái)肩閥芯結(jié)構(gòu)在不顯著減少流量的前提下液動(dòng)力減小，特別是負(fù)開口條件下改善更明顯；影響動(dòng)特性的參數(shù)有先導(dǎo)供油器節(jié)流孔徑、先導(dǎo)閥座孔直徑、阻尼器阻尼孔徑及負(fù)載等效節(jié)流孔徑，其中反饋?zhàn)枘峥资怯绊懴到y(tǒng)動(dòng)特性的最重要因素，而其他參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)特性影響較小。

圖6 先導(dǎo)式比例減壓閥

2019年，胡良謀等[14]將壓電疊堆作為先導(dǎo)級(jí)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用到射流管伺服閥中，提出了一種新型壓電疊堆驅(qū)動(dòng)式射流管伺服閥(見圖7)，壓電疊堆通過橋式放大機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)連桿控制射流管的偏轉(zhuǎn)。通過正交因素分析的方法，對(duì)預(yù)壓力剛度系數(shù)K0、橋式放大機(jī)構(gòu)及射流管放大倍數(shù)K2、位移傳感器的反饋系數(shù)K進(jìn)行優(yōu)化，通過分析可知，K0取值對(duì)穩(wěn)定值影響很小，降低K0能夠提升頻響，K及K2對(duì)整閥影響較大，綜合優(yōu)化后,K0= 5 N/μm，K2= 14，K= 2. 35×105，對(duì)比優(yōu)化前、后的時(shí)域與頻域特性圖知，優(yōu)化后的伺服閥動(dòng)態(tài)性能得到提升。

圖7 射流管伺服閥

2011年，DhineshK.Sangiah[15]設(shè)計(jì)了一種多層壓電雙晶片驅(qū)動(dòng)的射流導(dǎo)向先導(dǎo)級(jí)伺服閥(見圖8)，以機(jī)械反饋替代電氣反饋，簡(jiǎn)化了控制單元，推導(dǎo)了先導(dǎo)伺服閥數(shù)學(xué)模型用于閥門性能模擬，并用有限元法對(duì)執(zhí)行器裝配剛度進(jìn)行了校核。試驗(yàn)表明，14 MPa壓力下，閥門-90°相位帶寬約為70 Hz，與非線性仿真結(jié)果吻合較好。將非線性模型進(jìn)行線性化處理后，可通過改變雙晶片和反饋組件的幾何構(gòu)型來(lái)調(diào)節(jié)輸出，簡(jiǎn)化了影響閥門性能的調(diào)整參數(shù)。該簡(jiǎn)化模型，還能以合理的精度預(yù)測(cè)伺服閥性能，實(shí)用性較好。

圖8 先導(dǎo)級(jí)伺服閥結(jié)構(gòu)圖

2.2 直動(dòng)型

2013年，俞軍濤等[16]提出了一種基于液壓微位移放大結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷直接驅(qū)動(dòng)伺服閥(見圖9)。壓電陶瓷疊堆推動(dòng)液壓放大部分右端的柔性鉸鏈膜片(大面積活塞)，產(chǎn)生輸入位移，改變放大部分密閉容腔中油液的形態(tài)，在左端小面積活塞上產(chǎn)生與右端輸入位移對(duì)應(yīng)的放大的位移輸出，推動(dòng)功率滑閥的閥芯向左端運(yùn)動(dòng)。仿真結(jié)果表明，液壓位移放大倍數(shù)為9倍，閥芯位置控制誤差小于1%，頻寬大于550 Hz。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，7 MPa壓力下，控制流量達(dá)到17 L/min。

圖9 壓電陶瓷直驅(qū)伺服閥

2017年，Chulhee Han等[17]設(shè)計(jì)了一種帶有杠桿放大機(jī)構(gòu)的疊堆直驅(qū)滑閥(PDDV)(見圖10)。通過經(jīng)典比例積分微分(PID)控制器，并結(jié)合模糊算法，實(shí)現(xiàn)了PID增益隨輸入頻率和工作溫度的變化而自動(dòng)調(diào)整，以滿足目標(biāo)頻率和位移的要求。在最高溫度150 ℃和最大頻率200 Hz條件下，對(duì)閥芯位移跟蹤性能進(jìn)行了實(shí)測(cè)，結(jié)果表明，該閥系統(tǒng)在30 ℃和150 ℃下均表現(xiàn)出良好的跟蹤控制性能，但由于回位彈簧剛度較低，時(shí)滯出現(xiàn)在與工作溫度無(wú)關(guān)的50 Hz頻率上。試驗(yàn)同時(shí)表明，在150 ℃下操作壓電驅(qū)動(dòng)伺服閥系統(tǒng)時(shí)，需要考慮隔熱因素。

圖10 壓電疊堆直接驅(qū)動(dòng)閥

2.3 噴嘴擋板型

2012年，ZHOU Miaolei等[18]設(shè)計(jì)了一種雙噴嘴擋板電液伺服閥(見圖11(a)，pc1，pc2為負(fù)載壓力,xd0為噴嘴間隙)，其中，噴嘴擋板換能器采用壓電雙晶片和鈹青銅材料制作(見圖11(b))。由圖可看出，這種噴嘴擋板放大器可實(shí)現(xiàn)壓力和流量的穩(wěn)定輸出，具有良好的靜態(tài)特性。壓力特點(diǎn)是放大倍數(shù)大，輸出壓力大，輸出壓力為-10～10 MPa。流量特性具有較大的線性范圍和較大的流量，其輸出流量為-20～20 L/min。

圖11 雙噴嘴擋板式電液伺服閥

2014年，彭暢[19]提出了一種噴嘴擋板式壓電伺服閥(見圖12)。將壓電疊堆置于閥體外，通過杠桿與擋板相連，利用杠桿的放大作用，克服了擋板開度不夠的問題。仿真結(jié)果表明，該閥響應(yīng)時(shí)間為1 ms，頻寬大于400 Hz，21 MPa系統(tǒng)壓力下，驅(qū)動(dòng)電壓為90 V時(shí)，控制流量為12 L/min。

圖12 噴嘴擋板壓電伺服閥

2.4 開關(guān)型

2018年，宋敏等[20]設(shè)計(jì)了一種壓電高速開關(guān)錐閥(見圖13)。通過壓電疊堆的輸出力和彈簧的恢復(fù)力，控制閥芯快速移動(dòng)，進(jìn)而控制開關(guān)閥快速開關(guān)。仿真結(jié)果表明，高速開關(guān)閥所產(chǎn)生的渦流面積及負(fù)壓區(qū)遠(yuǎn)小于同一開度下的靜態(tài)錐閥，同時(shí)在高速開關(guān)錐閥尾部加上尾錐可消除開口處的渦旋，減小負(fù)壓區(qū)面積。

圖13 壓電高速開關(guān)錐閥

2008年，歐陽(yáng)小平等[21]提出一種壓電高速開關(guān)閥結(jié)構(gòu)(見圖14)。該閥采用3個(gè)壓電執(zhí)行器，利用壓電晶體高頻響、高輸出力特性，通過直接撞擊閥芯，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥的快速啟閉控制，并針對(duì)壓電晶體的溫度效應(yīng)問題進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。仿真結(jié)果表明，壓電執(zhí)行器能高頻響地控制油液的切換，適于高壓大流量場(chǎng)合。該閥最大輸出壓力為20 MPa，最大流量為10 L/min，最高響應(yīng)頻率為200 Hz。

圖14 壓電高速開關(guān)閥

3 關(guān)鍵技術(shù)

與傳統(tǒng)液壓閥相比，壓電驅(qū)動(dòng)式液壓閥優(yōu)點(diǎn)較多，特別是在高速、高精度、微流量、抗電磁干擾等場(chǎng)合。為更好地發(fā)揮壓電液壓閥的特點(diǎn)，還有若干關(guān)鍵技術(shù)(如微位移放大、遲滯控制等)需進(jìn)一步研究。

1) 微位移放大。受壓電材料自身特性限制，直推式執(zhí)行器通常需要利用放大機(jī)構(gòu)增大其輸出位移。常見的放大方式有柔性鉸鏈放大、壓曲放大、液壓放大及組合放大等，增益約10倍。放大近100倍、輸出位移達(dá)毫米級(jí)的緊湊型放大機(jī)構(gòu)還未見報(bào)道。由于執(zhí)行器輸出端位移遠(yuǎn)低于比例電磁鐵，所以已成為制約其實(shí)際應(yīng)用的瓶頸問題之一。另外，某些工況(如高壓大流量)下，放大機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還要兼顧位移增大帶來(lái)的閥芯推力減小問題。

2) 遲滯補(bǔ)償及控制方法。目前控制法常用的有前饋、反饋和前饋-反饋3類[22-23]。其中，前饋控制利用Duhem模型、Preisach模型、Prandtl-Ishlinskii(PI)模型和Bouc-Wen模型等的逆運(yùn)算級(jí)聯(lián)構(gòu)成前饋控制器，以消除遲滯效應(yīng)。反饋控制法將滯后非線性視為有界非線性，基于PID、自適應(yīng)和滑模控制等策略設(shè)計(jì)控制器以抑制擾動(dòng)。前饋-反饋控制法兼具二者優(yōu)點(diǎn)，通過前饋控制減輕遲滯非線性，反饋控制補(bǔ)償遲滯模型的不精確性和未知干擾。但不同滯后模型和反饋法在跟蹤低頻參考信號(hào)時(shí)，跟蹤誤差一般大于20 nm。對(duì)于精度要求極高的操作，將模型預(yù)測(cè)控制和滯環(huán)補(bǔ)償進(jìn)行復(fù)合控制是一種思路。

3) 驅(qū)動(dòng)電源。壓電執(zhí)行器的電氣負(fù)載特性為容性或電阻電容串聯(lián)，因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)電源要求較高，為電壓或電荷控制。一般應(yīng)滿足以下要求[24]：輸出電壓穩(wěn)定，紋波低、線性度高；輸出功率大，負(fù)載能力強(qiáng)；可編程控制電源輸出；可提高壓電陶瓷輸出位移的線性度。因此，研制適合PZT動(dòng)態(tài)控制的直流放大驅(qū)動(dòng)電源很重要，將反饋算法與相位補(bǔ)償相結(jié)合，同運(yùn)放補(bǔ)償元件一起加入到驅(qū)動(dòng)電源中，是目前的一個(gè)研究方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的智能化發(fā)展趨勢(shì)，液壓這一傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域也在不斷推陳出新，朝著精細(xì)化、精密化、智能化方向發(fā)展，以滿足更多樣、更嚴(yán)苛的應(yīng)用需求。壓電執(zhí)行器以其獨(dú)特的性能特點(diǎn)，給關(guān)鍵液壓元件研發(fā)提供了新思路。同時(shí)，壓電材料自身成本高及遲滯大等因素，使其在液壓閥及相關(guān)領(lǐng)域的研究大多仍處于試驗(yàn)和探索階段。因此，壓電液壓閥的發(fā)展空間還很大，其關(guān)鍵技術(shù)仍值得深入探討和突破。