一种自感知力和位移的压电阀及位移控制方法与流程

本发明属于流体测控技术领域，涉及汽车变速箱中电控压电阀技术，特别是采用解耦算法从压电执行器获得阀芯位移和输出力信号，在无附加传感器的情况下实现闭环位移控制的方法。

背景技术：

电磁阀是变速箱中的关键部件，通常电磁阀仅能实现二位控制，不能连续调节，因此需要多个电磁阀开闭动作共同控制档位变换。随着智能阀门技术的发展，压电阀成为电磁阀的理想替代产品。压电阀具有精度高、响应快、功耗小、寿命长、结构紧凑、环保节能等优点。通过改变驱动电压，压电阀阀芯位置能够连续变化，所需的压电阀数量较电磁阀大大减少。

压电阀阀芯在工作过程中需要精确定位其位置，以实现多位控制；同时也需要感知腔内压力，将压力数据传递给车辆电子控制器(ecu)。通常位移和压力需要由额外的传感器测量，专利cn1434217a公开了一种压电驱动的伺服阀，其中位置信号需要由外部位移传感器测量。专利cn101319688a公开了一种智能压电型电液伺服阀，通过闭环压电陶瓷驱动器中自带的位移传感器测量阀芯位移。专利cn103032296a公开了一种基于蝶形传感器阀的压电泵，在压电叠堆泵送液体的同时通过蝶形传感器测量阀的输出压力和流量。但上述压电阀需安装独立传感器，增加了阀的体积和复杂度。

本发明引入压电自感知方法，压电阀作为执行器的同时也作为传感器工作，无需外部传感器，具有节省变速箱空间，降低成本，降低安装与维护难度的优点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种压电阀中阀芯位移和力自感知测量方法及位移控制方法，还提供一种新型位移-力自感知压电阀。利用压电阀电学端口的电压和电荷估测机械端口的力和位移，不需要使用额外的传感器实现闭环位移控制。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种自感知力和位移的压电阀，所述的压电阀1包括移动端2，预紧用碟簧垫片3，上盖4，内外螺纹5，预紧螺钉6，底座7，正八边形垫块8，压电叠堆执行器9。

所述的压电叠堆执行器9为驱动元件，由于压电陶瓷的抗拉强度很低，因此需要在使用过程中施加约750n的预紧力。

所述的上盖4和底座7通过内外螺纹5连接，上盖4为圆柱筒状结构。

所述的压电叠堆执行器9为驱动元件，设于上盖4内部，压电叠堆执行器9的上端设有移动端2，移动端2在电压驱动下对外输出位移和力，压电叠堆执行器9的下端垫有正八边形垫块8，正八边形垫块8上有方形凹槽，用于保持压电叠堆9稳固。

所述的移动端2为t形结构，其大头端部与压电叠堆执行器9接触，小头端部伸出上盖4，移动端2中部与上盖4之间安装金属碟簧垫片3，用于提供所需的预紧力，同时不会过分阻碍移动端2的运动。

所述的正八边形垫块8下方安装有预紧螺钉6，预紧螺钉6设于底座7内，旋转预紧螺钉6能够将正八边形垫块8顶起，配合碟簧垫片3可以调整预紧力大小，正八边形垫块8在预紧过程中不能旋转，避免压电叠堆9受到剪切力。

一种自感知力和位移的压电阀的位移控制方法，包括以下步骤。

第一步：组装压电阀的位移控制系统。所述的压电阀的位移控制系统包括控制器10、压电阀1、采样电阻11、软件积分器12、位移自感知计算器13和力自感知计算器14。

所述的控制器10的作用是为设定位移输出电压信号以驱动压电阀1并准确控制其位移。

所述的采样电阻11为精密电阻，与压电阀1串联，将压电阀1的电流信号转换为电压信号。

所述的积分器12与采样电阻11相连，采集并积分采样电阻11上的电压信号，进而得到压电电荷。

所述的位移自感知计算器13从积分器12处获得压电电荷，并从控制器10处获得驱动电压，从而计算出压电阀1的自感知位移信号，并作为反馈输入控制器10中，构成闭环位移控制。

所述的力自感知计算器14同样从积分器12处获得压电电荷，从控制器10处获得驱动电压，从而计算出压电阀1的自感知输出力信号，用于实时监测。

第二步：根据自感知测量方法计算压电阀的位移和输出力。所述的自感知测量方法能够利用压电叠堆执行器9的驱动电压和表面电荷估算阀芯的位移和输出力，本发明中阀芯指移动端2。所述的自感知测量方法包括：

(2.1)根据驱动电压u和负载外力fs求多层压电叠堆的轴向位移y。

压电叠堆9在电压驱动下做长度伸缩运动，其应变s、应力t、电位移d与电场强度e之间符合第一类压电方程，如公式(1)和公式(2)所示：

式中，d3和t3分别为压电材料的电位移和应力，s3和e3分别为应变和电场强度，和d33分别是压电材料的介电系数、弹性柔顺系数和压电常数。

将式(1)和(2)应用到压电叠堆9中，并将抽象的力学和电学量转换为直观的位移y、力f、驱动电压u和电荷q。

压电叠堆9由多层压电陶瓷(pzt)组成，对于单层pzt其位移yn为：

式中，as为压电叠堆的横截面积，tn为单层pzt的厚度，u为外加电压，fs为总外力。

对于由n层pzt组成的压电叠堆9，轴向总位移y为：

式中，总外力fs由两部分组成，变速器放大腔初始压力f0，以及叠堆运动过程中对液压腔产生的有效输出力feff。

(2.2)建立阀芯位移yeff、输出力feff、压电叠堆执行器9的压电电荷q和驱动电压u之间的关系模型。

以阀芯的初始位置为起点，阀芯的位移变化量定义为有效位移yeff，如公式(5)所示：

n层pzt产生的压电电荷为q，如公式(6)所示：

q＝-nd33feff+cpu(6)

式中，cp为压电电容，具体表达式为

进而可由式(6)得到有效输出力feff与压电电荷q和压电执行器驱动电压u之间的关系模型，如公式(7)所示：

将式(7)带入式(5)，最终得到阀芯位移yeff、压电电荷q和压电执行器驱动电压u之间的关系模型，如公式(8)所示：

从式(7)和(8)可知，由驱动电压u和压电电荷q即可得到压电阀1的位移yeff和输出力feff。

第三步：根据步骤二求得压电阀1的自感知位移和输出力，应用于步骤一的自感知计算器13、14中，实现压电阀的位移控制和输出力监测。

本发明的效果和益处是：采用压电自感知使算法使压电执行器兼作驱动器和传感器，无需额外的传感器即可同时检测阀芯的位移和输出力，节省成本和安装空间；在控制器中增加迟滞补偿模型，提高控制精度和控制速度；采用软件电流积分法获得压电电荷，能够灵活调整参数来补偿压电漏电阻。

附图说明

图1是位移-力自感知压电阀的结构图。图(a)为压电阀的轴测图；图(b)为压电阀的剖面图。

图2是位移-力自感知压电阀控制系统示意图。

图3是位移-力自感知压电阀的位移控制实验装置示意图。

图4是一个实施例中压电阀闭环位移控制下位移自感知结果示意图。横坐标为时间，单位为秒(s)；纵坐标为位移，单位为微米(μm)。设定位移的幅度7μm，频率1hz。图(a)是设定位移为正弦信号时，设定位移、传感器实测位移与自感知位移之间的比较；图(b)是设定位移为三角信号时，设定位移、传感器实测位移与自感知位移之间的比较。

图5是一个实施例中压电阀闭环位移控制下力自感知结果示意图。横坐标为时间，单位为秒；纵坐标为力，单位为牛顿(n)。输出力的最大幅度85n，频率1hz。图(a)是设定位移为正弦信号时，传感器实测力与自感知力之间的比较；图(b)是设定位移为三角信号时，传感器实测力与自感知力之间的比较。

图中：1压电阀；2移动端；3预紧用碟簧垫片；4上盖；5内外螺纹；6预紧螺钉；7底座；8正八边形垫块；9压电叠堆执行器；10控制器；11采样电阻；12积分器；13位移自感知计算器；14力自感知计算器；15控制算法；16迟滞补偿模型；17涡流位移传感器；18顶板；19光学接杆；20光学实验台；21力传感器；22负载用碟簧垫片。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图，详细叙述本发明的具体实施方式。

第一方面，提供一种自感知力和位移的压电阀，所述的压电阀1包括移动端2，预紧用碟簧垫片3，上盖4，内外螺纹5，预紧螺钉6，底座7，正八边形垫块8，压电叠堆执行器9。

所述的压电叠堆执行器9为驱动元件，由于压电陶瓷的抗拉强度很低，因此需要在使用过程中施加约750n的预紧力。

所述的上盖4和底座7通过内外螺纹5连接，螺距为1mm，上盖4为圆柱筒状结构。

所述的压电叠堆执行器9为驱动元件，设于上盖4内部，压电叠堆执行器9的上端设有移动端2，移动端2在电压驱动下对外输出位移和力，压电叠堆执行器9的下端垫有正八边形垫块8，正八边形垫块8上有方形凹槽，用于保持压电叠堆9稳固。

所述的移动端2为t形结构，其大头端部与压电叠堆执行器9接触，小头端部伸出上盖4，移动端2中部与上盖4之间安装金属碟簧垫片3，用于提供所需的预紧力，同时不会过分阻碍移动端2的运动。

所述的正八边形垫块8下方安装有预紧螺钉6，预紧螺钉6设于底座7内，旋转预紧螺钉6能够将正八边形垫块8顶起，配合碟簧垫片3可以调整预紧力大小，正八边形垫块8在预紧过程中不能旋转，避免压电叠堆9受到剪切力。

第二方面，提供一种自感知力和位移的压电阀的位移控制方法，包括以下步骤。

第一步：组装压电阀的位移控制系统。所述的压电阀的位移控制系统包括控制器10、压电阀1、采样电阻11、软件积分器12、位移自感知计算器13和力自感知计算器14。

测试实验装置如附图3所示。所述的压电阀1安装在光学实验台20上，夹持在顶板18下，两根光学接杆19作为支撑。

所述的压电阀移动端2上装有力传感器21用于标定力，涡流位移计17用于测量并标定位移，碟簧垫片22作为弹性负载。

所述的控制器10、积分器12、位移自感知计算器13和力自感知计算器14都由计算机配合labview程序完成；所有设定的位移控制信号、位移计测量的位置信号、力传感器测量的输出力信号都由ni采集卡输出或采集。所述的控制器10的作用为设定所需位移信号，输出的电压信号经过驱动电源放大后施加于压电阀1两端。

所述的控制器10中，具体为控制算法15和迟滞补偿算法16组成的前馈pid算法。其中所述的控制算法15为传统pid算法；所述的迟滞补偿算法16采用prandtl–ishlinskii(pi)模型，实验前对模型参数进行最小二乘法离线辨识，进而建立对应的pi逆模型作为迟滞补偿算法。pi迟滞补偿算法的输出作为前馈，同时以传统pid对其做修正，不仅能够提高控制精度，加快响应速度，而且减小了压电阀迟滞。

所述的采样电阻11为75ω精密电阻，与压电阀1串联，将压电阀1的电流信号转换为电压信号。

所述的积分器12与采样电阻11相连，由ni数据采集卡采集电阻11上电压，将电压除以电阻值得到压电电流，在积分器12内对压电电流进行逐点积分得到压电电荷。压电材料本身存在漏电阻，在长期运行时会由于漏电流的作用使积分电荷产生漂移。不同于传统的硬件积分电路，本发明中的积分器采用软件积分，在运行过程中可以灵活调整积分参数，消除漏电流的影响。

所述的位移自感知计算器13从积分器12处获得压电电荷，并从控制器10处获得驱动电压，从而计算出压电阀1的自感知位移信号，并作为反馈输入控制器10中，构成闭环位移控制。

所述的力自感知计算器14同样从积分器12处获得压电电荷，从控制器10处获得驱动电压，从而计算出压电阀1的自感知输出力信号，用于实时监测。

第二步：根据自感知测量方法计算压电阀的位移和输出力。所述的自感知测量方法能够利用压电叠堆执行器9的驱动电压和表面电荷估算阀芯的位移和输出力，本发明中阀芯指移动端2。所述的自感知测量方法包括：

(2.1)根据驱动电压u和负载外力fs求多层压电叠堆的轴向位移y。

压电叠堆9在电压驱动下做长度伸缩运动，其应变s、应力t、电位移d与电场强度e之间符合第一类压电方程，如公式(1)和公式(2)所示：

式中，d3和t3分别为压电材料的电位移和应力，s3和e3分别为应变和电场强度，和d33分别是压电材料的介电系数、弹性柔顺系数和压电常数。

将式(1)和(2)应用到压电叠堆9中，并将抽象的力学和电学量转换为直观的位移y、力f、驱动电压u和电荷q。

压电叠堆9由多层压电陶瓷(pzt)组成，对于单层pzt其位移yn为：

式中，as为压电叠堆的横截面积，tn为单层pzt的厚度，u为外加电压，fs为总外力。

对于由n层pzt组成的压电叠堆9，轴向总位移y为：

式中，总外力fs由两部分组成，变速器放大腔初始压力f0，以及叠堆运动过程中对液压腔产生的有效输出力feff。

(2.2)建立阀芯位移yeff、输出力feff、压电叠堆执行器9的压电电荷q和驱动电压u之间的关系模型。

以阀芯的初始位置为起点，阀芯的位移变化量定义为有效位移yeff，如公式(5)所示：

n层pzt产生的压电电荷为q，如公式(6)所示：

q＝-nd33feff+cpu(6)

式中，cp为压电电容，具体表达式为

进而可由式(6)得到有效输出力feff与压电电荷q和压电执行器驱动电压u之间的关系模型，如公式(7)所示：

将式(7)带入式(5)，最终得到阀芯位移yeff、压电电荷q和压电执行器驱动电压u之间的关系模型，如公式(8)所示：

从式(7)和(8)可知，由驱动电压u和压电电荷q即可得到压电阀1的位移yeff和输出力feff。

第三步：根据步骤二求得压电阀1的自感知位移和输出力，应用于步骤一的自感知计算器13、14中，实现压电阀的位移控制和输出力监测。

一个具体实施例中，控制器10中设定位移为幅度7μm，频率1hz的正弦信号和三角信号，在驱动电压下，压电阀叠堆9伸长，推动移动端2并压缩负载碟簧22，此处负载碟簧22用于模拟放大腔内的液压。自感知位移信号作为反馈输入控制器10中，同时记录涡流位移计17和力传感器21测得的数据，与自感知估测出的位移和力作对比。在电压驱动下，移动端2按照设定位移运动，同时也产生相应的输出力。当设定位移为正弦信号时，移动端2的实测位移与自感知位移的曲线如图4(a)所示，实测力与自感知力的曲线如图5(a)所示；当设定位移为三角信号时，移动端2的实测位移与自感知位移的曲线如图4(b)所示，实测力与自感知力的曲线如图5(b)所示。从图4中可知，在两种控制信号下，自感知位移曲线均能够稳定跟随设定位移曲线，实测位移曲线与自感知位移曲线几乎重合，两者的均方根误差(rmse)约为最大位移的2.03％，证明自感知位移足够准确，且位移控制方法有效。从图5中可知,在0～7μm的位移范围内输出力为0～85n，实测力与自感知力的rmse仅为最大输出力的1.80％，证明自感知力准确。此外，通过测量压电执行器的迟滞曲线可知，其最大迟滞从37％降低至3.75％，迟滞补偿的效果显著。无需外部传感器，压电阀通过自感知阀芯位移实现高精度、稳定运行，同时能够实时监测输出力，表明本发明的位移-力自感知压电阀具有切实的工程应用价值。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。