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        電液伺服閥用壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性研究

        2014-06-04 11:15:26彭暢曹樹平羅小輝
        機(jī)床與液壓 2014年13期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        彭暢,曹樹平,羅小輝

        (華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢 430074)

        壓電陶瓷具有正逆壓電效應(yīng),可實(shí)現(xiàn)機(jī)械學(xué)量與電學(xué)量之間的相互轉(zhuǎn)換,并具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高、易于集成化、能耗低等許多優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于液壓閥驅(qū)動(dòng)、高精度直線驅(qū)動(dòng)器、精密步進(jìn)機(jī)構(gòu)、力學(xué)傳感器等方向,是一種具有廣闊應(yīng)用前景和巨大發(fā)展?jié)摿Φ钠骷?]。

        壓電型電液伺服閥的研究是壓電學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、電子學(xué)以及自動(dòng)控制學(xué)科相結(jié)合的一項(xiàng)工作,是多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域,而壓電驅(qū)動(dòng)器作為壓電型電液伺服閥的電氣—機(jī)械轉(zhuǎn)換器件,是壓電伺服閥的關(guān)鍵器件,其性能直接影響著整個(gè)壓電伺服閥的性能。因此,有必要對壓電驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)理論和特性作系統(tǒng)深入的研究,這將為壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)并優(yōu)化壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器在電液伺服閥中的應(yīng)用。

        盡管相關(guān)文獻(xiàn)[2-4]中的研究結(jié)果對壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用提供了一定的指導(dǎo),但這些研究分析都是在準(zhǔn)靜態(tài)條件下進(jìn)行的。針對系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)對壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)性能的影響,目前還較少有相關(guān)的研究。因此,主要在動(dòng)態(tài)條件下研究系統(tǒng)阻尼系數(shù)、系統(tǒng)等效質(zhì)量、壓電疊堆剛度等不同參數(shù)對電液伺服閥用壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用性能的影響。

        1 壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器

        壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

        假設(shè)壓電陶瓷片沿厚度tn變形均勻,當(dāng)僅在壓電陶瓷片的極化方向 (片厚方向)作用電壓U、外力Fs時(shí),由壓電材料的第一類壓電方程[1]得,壓電陶瓷片的變形量xn為

        式中:為恒定電場情況下壓電陶瓷的彈性柔度陣;

        As為該壓電陶瓷片的橫截面積;

        d33為該壓電材料的壓電應(yīng)變系數(shù)。

        圖1 壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡圖

        文中所用壓電疊堆型號(hào)為:XP 6×6/20。該壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器使用180片厚度為0.1 mm的壓電陶瓷片粘制而成。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為150 V時(shí),設(shè)計(jì)最大輸出位移在自由狀態(tài)下為20 μm。

        則由n片壓電陶瓷片粘合而成的壓電疊堆的軸向輸出位移為

        2 伺服閥用壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)模型

        針對所討論的壓電型電液伺服閥系統(tǒng)中所使用的壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器,建立了如圖2所示的壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)模型。

        圖2 壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)模型

        在圖2中,通過預(yù)壓力施加裝置給壓電疊堆施加預(yù)壓力后,彈簧的預(yù)壓縮量為x1,壓電疊堆的預(yù)壓縮量為x0。因此有

        其中:ks為壓電疊堆的剛度;

        Es為壓電疊堆的彈性模量;

        ls為壓電疊堆的長度。

        對壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)進(jìn)行受力分析,外部負(fù)載主要有慣性力、彈簧力、阻尼力、液體的壓力、液動(dòng)力。因此

        對式 (6)兩邊取Laplace變換,令m'=me+m得到

        式中:me為壓電疊堆的等效質(zhì)量,其大小為壓電疊堆質(zhì)量的1/3;

        m為預(yù)壓力裝置產(chǎn)生的附加質(zhì)量;

        B為系統(tǒng)阻尼系數(shù);

        pc為液體壓力;

        A為液體壓力作用面積;

        FR為因液體流動(dòng)方向和速度的變化造成的液動(dòng)力。因流速變化非常小,其值約為彈簧力的1/100,通??梢院雎?。

        考慮到壓電疊堆的預(yù)壓縮量為x1,外部負(fù)載方向與壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器變形方向相反。將式 (4)、式(5)代入式 (2)并化簡,得到壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

        由式 (7)可知,壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的的輸出位移x為驅(qū)動(dòng)電壓U和液體壓力pc同時(shí)作用時(shí)兩輸出位移的線性疊加。

        U(s)作用下壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

        上式GU(s)也可表達(dá)為

        pc(s)作用下壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

        總輸出位移

        3 壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析

        根據(jù)上一節(jié)所建立的壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,確定模型中的各個(gè)參數(shù),利用 MATLAB對壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。

        該系統(tǒng)的具體參數(shù)如下:壓電疊堆剛度ks=49 N/μm,壓電疊堆的層數(shù)n=180,壓電常數(shù)d33=635×10-12C/N,彈簧剛度k0=7.12 N/μm,系統(tǒng)的阻尼系數(shù)B可根據(jù)阻尼比的定義獲得,系統(tǒng)的等效質(zhì)量m'=0.03 kg。

        3.1 驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的時(shí)域分析

        如圖3和圖4所示分別為GU(s)和Gpc(s)的階躍響應(yīng)曲線。如圖3所示,GU(s)的階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)輸出位移大小為0.1 mm,而如圖4所示,Gpc(s)的階躍響應(yīng)穩(wěn)態(tài)輸出位移大小約為1.1×10-6mm。

        圖3 GU(s)的階躍響應(yīng)

        圖4 Gpc(s)的階躍響應(yīng)

        由圖5可知,Gpc(s)的階躍響應(yīng)值相對于GU(s)的小很多。故下文主要分析傳遞函數(shù)GU(s)的時(shí)間響應(yīng)特性。

        圖6為在不同阻尼比條件下GU(s)的階躍響應(yīng)特性曲線??芍?系統(tǒng)的阻尼比對系統(tǒng)的超調(diào)量、調(diào)整時(shí)間均產(chǎn)生了影響。系統(tǒng)的阻尼比越大,系統(tǒng)的超調(diào)量越小,當(dāng)阻尼比接近或大于0.707時(shí)不再產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象。系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間隨阻尼比的增大而減小。

        圖5 GU(s)和Gpc(s)的階躍響應(yīng)

        圖6 阻尼比對階躍響應(yīng)的影響

        圖7研究了壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的等效質(zhì)量對GU(s)的階躍響應(yīng)特性的影響??梢钥闯?隨著系統(tǒng)等效質(zhì)量的增大,系統(tǒng)峰值建立的時(shí)間也逐步增大,因而減小系統(tǒng)等效質(zhì)量可以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

        圖8為不同壓電疊堆剛度ks條件下GU(s)的階躍響應(yīng)特性曲線??芍?壓電疊堆的剛度越大,系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間越小,響應(yīng)速度越快;隨著壓電疊堆剛度的增加,系統(tǒng)的峰值建立時(shí)間逐漸減小。

        圖7 系統(tǒng)等效質(zhì)量對階躍響應(yīng)的影響

        圖8 壓電疊堆剛度對階躍響應(yīng)的影響

        3.2 驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的頻域分析

        如圖9所示為系統(tǒng)的伯德圖,可知系統(tǒng)的幅頻寬約為1 490 Hz,相頻寬約為1 010 Hz。由幅頻特性曲線可知,在所測的頻段內(nèi),系統(tǒng)的位移輸出出現(xiàn)了諧振現(xiàn)象,該系統(tǒng)的諧振頻率約為130 Hz。

        圖9 系統(tǒng)伯德圖

        壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器的振幅是影響壓電伺服閥輸出流量的主要因素。因此,進(jìn)行壓電疊堆模型的頻域分析顯得尤為重要。下文以輸出的幅值和相位角這兩個(gè)參數(shù)來預(yù)測壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出。

        假設(shè)壓電疊堆的輸入電壓信號(hào)為Usin(ω1t),系統(tǒng)液體壓力信號(hào)為pcsin(ω2t)。

        輸出x01(t)在穩(wěn)態(tài)時(shí)可以描述為[5]

        U為輸入電壓信號(hào)的幅值 (V);

        φU為GU(jω1)的相位角(rad)。

        由式 (8)得到

        所以,Usin(ω1t)作用下壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的幅值和相位角為

        同理,pcsin(ω2t)作用下壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)的幅值和相位角為

        所有參數(shù)中,只有彈簧剛度k0和輸入信號(hào)的頻率ω為可變參數(shù)。分別分析系統(tǒng)的幅值和相位角與彈簧剛度和輸入信號(hào)頻率之間的關(guān)系,作出了振幅隨彈簧剛度的變化曲線如圖10所示,振幅隨信號(hào)頻率的變化曲線如圖11所示,相位角隨彈簧剛度的變化曲線如圖12所示和相位角隨信號(hào)頻率的變化曲線如圖13所示。

        圖10 振幅隨彈簧剛度的變化曲線

        圖11 振幅隨信號(hào)頻率的變化曲線

        圖12 相位角隨彈簧剛度的變化曲線

        圖13 相位角隨信號(hào)頻 率的變化曲線

        分析表明:振幅隨彈簧的剛度增大而減小,所以在選擇彈簧時(shí),在滿足能夠提供足夠的預(yù)緊力的前提下,應(yīng)盡可能減小彈簧的剛度;振幅隨信號(hào)頻率的增大而增大,當(dāng)信號(hào)頻率逐漸接近系統(tǒng)有阻尼固有頻率時(shí),振幅將逐漸增大;相位角隨彈簧剛度增大而減小,隨信號(hào)頻率的增大而增大。

        4 結(jié)論

        對壓電型電液伺服閥的電氣—機(jī)械轉(zhuǎn)換器件——壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性研究。針對文中所討論的壓電型電液伺服閥結(jié)構(gòu),建立了壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。根據(jù)該模型的傳遞函數(shù)對壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了時(shí)域分析,并分析了系統(tǒng)阻尼系數(shù)、系統(tǒng)等效質(zhì)量、壓電疊堆剛度等不同參數(shù)對壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性和輸出位移的影響。仿真結(jié)果表明:增大系統(tǒng)阻尼系數(shù)、減小系統(tǒng)等效質(zhì)量和增大壓電疊堆剛度可提高驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)特性和輸出位移。

        由于壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器的振幅是影響壓電型電液伺服閥輸出流量的主要因素,文中分析了壓電疊堆模型的頻率響應(yīng),并繪制了系統(tǒng)的振幅和相位角與彈簧剛度和輸入信號(hào)頻率之間的關(guān)系曲線。研究結(jié)果為優(yōu)化壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器在電液伺服閥中的應(yīng)用提供了一定的指導(dǎo)。

        [1]GOLDFARB M,CELANOVIC N.A Lumped Parameter E-lectromechanical Model for Describing the Nonlinear Behavior of Piezoelectric Actuators[J].Journal of Dynamic Systems,Measurement,and Control,1997,119(3):478 -485.

        [2]MITROVIC Milan,CARMAN Greg P,STRAUB Friedrich K.Response of Piezoelectric Stack Actuators under Combined Electro-mechanical Loading [J].International Journal of Solids and Structures,2001,38(24/25):4357 -4374.

        [3]CALKINS Frederick T,DAPINO Marcelo J,F(xiàn)LATAU Alison B.Effect of Prestress on the Dynamic Performance of a Terfenol-D Transducer[C]//Proc SPIE 3041,Smart Structures and Materials,1997.

        [4]鄭凱,閻紹澤,溫詩鑄,等.預(yù)壓力對壓電疊層作動(dòng)器性能的影響[J].壓電與聲光,2003,25(5):363 -365.

        [5]楊叔子,楊克沖,吳波,等.機(jī)械工程控制基礎(chǔ)[M].5版.武漢:華中科技大學(xué)出版社,2004.

        [6]DAPINO Marcelo J,F(xiàn)LATAU Alison B,CALKINS Frederick T.Statistical Analysis of Terfenol-D Material Properties[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structures,2006,17:587 -599.

        [7]DAPINO Marcelo J,F(xiàn)LATAU Alison B,CALKINS Frederick T.Blocked Force and Free Displacement Characterization of PMN-32%PT Stacks[C]//Proc SPIE 6526,Behavior and Mechanics of Multifunctional and Composite Materials,2007.

        [8]王秋婧.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器力學(xué)模型理論與試驗(yàn)研究[D].沈陽:沈陽建筑大學(xué),2011.

        [9]LINDLER Jason E,ANDERSON Eric H.Piezoelectric Direct Drive Servo Valve[C]//Proc SPIE 4698,Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies,San Diego,USA,2002:488 -496.

        [10]GUAN Changbin,JIAO Zongxia.A Piezoelectric Directdrive Servo Valve with a Novel Multi-body Contacting Spool-driving Mechanism:Design,Modeling and Experiment[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part C:Journal of Mechanical Engineering Science,2014,228(1):169 -185.

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