压电型先导阀数学模型及PWM过程控制仿真研究.pdf

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1、第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学会液压与气动学术会议压电型先导阀数学模型及PWM控制仿真研究许有熊，李小宁(南京理工大学机械工程学院南京210094)摘要：分析了一种压电型先导阀的结构及工作原理，建立了先导阀的电、机、气数学模型。在此基础上，利用AMESim仿真软件对先导阀进行了PWM控制仿真研究，分析其静、动态特性；并运用压力反馈、PID控制等复合控制方法，仿真表明该方法能有效提高阀的性能，大大降低稳态误差，也为后续的实际应用奠定理论基础。关键词：压电先导阀PWM中图分类号：TH138作频率宽、便于

2、控制等优点得到越来越广泛的应用，*[6]0前言为研究高频响的开关阀提供良好的驱动器。本文采用压电陶瓷为驱动器，研究一种可用于随着机电一体化和计算机技术的发展及应用，数字型比例阀用的压电型先导阀（即为压电型开关电-气（液）阀的数字化已成为一种必然的发展趋势阀）。[1]。一般较流行的方法是采用传统的模拟式电-气（液）阀，通过D/A接口实现间接数字控制。这是1结构原理及理论分析一种数模混合控制，存在着响应速度较慢，成本较高等缺点。也有由若干个电磁阀串联或并联起来，1.1结构原理并通过脉码调制来控制压力或流量的组合式数字阀的结构原

3、理如图1所示。当给压电驱动器加[2]上一定电压后，压电驱动器伸长，推动阀芯右移，阀，其缺点是有级控制，且体积庞大。直接数字控制阀（简称数字阀）可以直接与计堵住E口，P口与A口连通，A口处充气，压力增算机接口，不需D/A转换器，具有控制精度高、抗加；反之，压电驱动器收缩，阀芯在预紧弹簧的作[3]用下左移，堵住P口，A口与E口连通，A口处排污能力强、重复性好、工作稳定可靠等优点，自上世纪80年代以来，便得到越来越广泛的研究。目气，压力下降。因此在PWM信号控制下，压电驱前研究的数字阀主要两种类型：动器不断伸长和收缩，阀芯不断的

4、开启和闭合，因1）以步进电机作为电－机转换器，采用由脉数此A口处也不断的充气和排气。控制PWM的脉宽调制（PNM）演变而成的增量控制方式的增量式数占空比从而控制A口处的充气和排气，进而控制其[4]压力。字阀。2）以高速开关阀为控制元件，采用脉宽调制压电驱动PWM电源控制器[5]（PWM）控制的开关式数字阀。压电陶瓷阀芯预紧弹簧由于开关式数字阀工作在“开”和“关”两个极限位置，用脉宽占空比来控制压力或流量，因此需要开关阀具有较高的响应速度，即阀用驱动器应具有良好的响应性能。而目前应用较多为高速电磁阀，采用高速电磁铁为驱动器，

5、一般的响应时间为几ms到几十ms之间，且存在易发热、抗磁打扰差、PAE体积较大的缺点，限制了其应用。图1结构原理图压电驱动器以响应速度快（一般为µs级）、工1.2压电驱动器的位移特性压电驱动器本质上是电－机械功率转换器，从*2008？？？？收到初稿，2008？？？？收到修改稿月第五届全国流体传动与控制学术会议暨2008年中国航空学会液压与气动学术会议电路上说，是电容器。在电源的作用下，是个充放1.3压电先导阀热力学方程电的过程。本文所研究的压电先导阀是开关型的，压电先导阀其动态过程是快速的，因此可近似[7]其控制的电信号是

6、脉冲信号。结合压电方程可得其认为其热力学过程是可逆绝热过程（等熵过程）。脉冲响应的充放电过程分别为根据热力学第一定律可得先导阀充气过程和排气过脉冲上升（充电）过程程的热力学方程分别为-t充气过程x=NdU(1-eR1c)(1)330dPkRTQ2inim=(4)dtV脉冲下降（放电）过程2t-Rcì2k+1x=NdUe2(2)KcSPPPP330ïd1(2)k-(2)k2>bïRT1P1P1P1(5)Qin=í其中，N为压电驱动器的片数；d33为压电常数；U0ï0.2588KcdSP1P2£b为外加电压幅值；R1、R2为充

7、电和放电过程中，电ïîRT1P1源等效输出阻抗。由于受压电陶瓷响应过程及阀芯运动延迟等排气过程k-1影响，实际上阀芯的运动过程不可能与脉冲信号的dPkRTQP()2=-2out(20)k(6)变化一致，其变化关系可近似为如图2所示。图中TdtVP22为电压信号的周期，Tp为信号的脉冲宽度，t1、t3为位移上升、下降响应延迟时间，t、t为位移上升、ì2k+124ïKcdSP1(P0)k-(P0)kP0>b下降时间。脉冲宽度Tp和周期T的不同将影响到阀ïRT1P1P1P1(7)Qout=í芯位移的不同。ï0.2588KcdSP

8、1P0£bïRTP1î1x(µm)U(V)脉冲信号其中，k为气体比热比；R为气体常数，对空气R阀芯位移＝287N.m/(kg.K)；cd为流通有效系数；K＝xm2k/(k-1)；P1，P2及P20，P0分别为Ｐ口处压力，Ａ口处压力及Ａ口处排气开始时压力，Ｅ口处压力；S为通流面积，S=pdx；d为通流直径