压电直动式气动PWM比例阀试验研究

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气动脉宽调制(PWM)比例阀具有控制精度高 ，可靠性高，重复性好，抗污能力强，且不需 D/A转换便可计算机直接控制等优点口]，在工业中应用广泛。

但 目前传统的气动 PWM 比例阀通常采用高速电磁铁为驱动器，而高速电磁铁的响应速度较慢，且存在抗磁干扰差，易发热，体积较大等缺点L2]，使得这种驱动方式的比例阀存在响应速度较慢，稳态精度较差等缺点，这限制了在需要快速响应或高控制精度等诚的应用。

通过对 PWM 比例阀的工作原理分析可知 ，提高电-机械转换器的响应速度是提高 PWM 比例阀响应速度和控制精度最基本的方法。压电驱动器以响应速度快(-般为微秒级)，工作频率宽，便于控制，抗磁干扰强等优点得到广泛应用L3]，这也为研究新型的高性能压电气动 PWM 比例阀提供了良好的电-机械转换器 ]。因此，本文在前期研究的基础6]上 以压 电叠堆型驱动器为电-机械转换器 ，研究了-种新型的压电直动式气动 PWM 比例压力 阀，研制其实物样机，并进行了相关的试验研究。

1 PWM 比例阀工作原理研究的压电直动式气动 PWM 比例阀工作原理及结构原理如图 1所示 ，其中先导 阀是 由压电驱动器直接驱动先导阀芯高速运动所组成的两位三通高速开关阀，通过其高速通断 ，从而控制主阀的输出压力 ，如图 1(a)所示6]。PWM 控制器主要是输 出等幅值、等周期的PWM脉冲信号，其脉冲宽度与输入值成正比，并经功率放大后直接驱动压电驱动器。

当压电驱动器加上所需 电压后，压电驱动器快速伸长，推动先导阀芯右移，P口与 A 口相通 ，E口关闭，进气压力经 P、A 口给先导腔充气 ，其压力增加 ，使收稿 日期 ：2012-06-30基金项目：江苏省高校 自然科学基金资助项目(12KJB510006)；南京工程学院校级科研基金资助项目(YKJ201108)作者简介：许有熊(1980-)，男，辅晋江人，讲师，博士，主要从事压电驱动与控制、机电气-体化的研究。

388 压 电 与 声 光得主阀芯下移 ，主阀芯开启 ，进气压力给 出 口腔充气 ，出 口腔压力增加 ；反之，当压电驱动器断电后 ，快速收缩，先导阀芯在预紧弹簧的作用下左移，P口关闭 ，A 口与 E口相通 ，先导腔经 A、E口向外排气 ，腔内压力下降 ，主阀芯上移 ，主 阀芯关 闭，带动溢流机构上移 ，出口腔压力经溢流机构向大气排气 ，出口腔压力下降。因此，先导阀芯经压电驱动器在 PWM信号控制下不断高频地开启和闭合，通过控制其 占空比，从而控制主阀输出压力。另-方面，数字控制器实时根据输入压力与输出压力反馈值之间的差值 ，调整其脉冲输出宽度 ，保证阀输 出压力稳定在设定值附近，实现高精度压力输出。

(8工作原理图(b)结构原理图图1 压电直动式气动阀工作原理及结构原理图2 实验研 究在研制压电直动式气动 PWM 比例阀原型样机的基础上，搭建了其试验控制系统6]，进行其静、动态特性试验研究，并将其与同级别传统气动比例阀的主要性能指标进行对比。其中，根据同级别的主要结构尺寸及同级别的输出压力、流量范围等主要原则选择某公司 ITV2050型号的传统气动比例阀作为试验比较对象。

2.1 先导 阀芯动态特性测试及分析图 2[6 为在电压阶跃信号(电压幅值 150 V)下，压电驱动器所驱动的先导阀芯输出位移阶跃响应曲线。由图可见，先导阀芯稳态输出位移约为 14 m，其阶跃上升响应时间约为 1 ms(0～95 稳态值)，阶跃下降响应时间约为 0.8 ms，具有良好的动态响应特性 ，能满足研制的需求 。

- ， U 5 l0 l5 20时间/ms图 2 先导阀芯的阶跃响应 曲线2.2 阀出口压力阶跃响应特性试验及分析图 3为进 口压力 0.4 MPa(相对压力 ，下同)，出口压 力 0.2 MPa，PWM 载 波 幅 值 (设 定 误 差 )1 kPa，载波频率 200 Hz，无出口流量下，阀的出口响应特性曲线。由图可见，所研制压电阀的出口压力阶跃响应时间约为 0.12 s(±5 稳定值内)，其稳态误差约为 1 kPa，且无超调 ，这说 明该阀有较快的响应速度和较高的稳态精度。

O.25∞ o.20室o.15-R0.10幽0.050-0时间/0(a)出口压力阶跃响应曲线Ⅱ妲是鸶藿.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5时间，s(bPWM脉冲信号曲线及出口压力稳态误差图 3 阀出 口压力 阶跃 响应曲线2.3 PWM 载波频率及幅值对阀性能的影响在上述试验条件下，设定误差(即 PWM载波幅值)分别为 5 kPa和 1 kPa，不同PWM 载波频率时，阀出口压力阶跃响应 曲线分别如图 4、5所示 。由图4可见 ，不同 PWM 载波频率时，阀出 口压力阶跃 响应时间基本不变，这说明载波频率不是影响其压力阶跃响应时间的主要因素 。由图 4(b)、(c)可见 ，提高PwM载波频率能有效提高阀出口压力稳态精0o爵室o-R鹾 OOo.1 0 o.1 o.2 o.3 o.4 0.5时间，s(a)阀出口压力阶跃响应曲线第 3期 许有熊等 ：压电直动式气动 PWM 比例阀试验研究 389日0.1曩0.-幽O. 1 0.1幽0.1(b)稳态局部放大(5o IIz) (c)稳态局部放大(100 Hz)时间/s 时间，s(d)稳态局部放大05o Hz) (e)稳态局部放大(2O0 Hz)图 4 PWM 载波周期 对阀性能 的影响 (设 定误 差 5 kPa)(d)稳态局部放大(150 Hz) (e)稳态局部放大(2O0 Hz)图 5 PWM 载波周期对 阀性能的影响(设定误差 1 kPa)度 ，从图 4(b)的约 5 kPa降到图 4(c)的约 4 kPa，降低压力波动，从图 4(b)的约 2 kPa降到图4(c)的约1 kPa；但之后再提高 PWM 载波频率，阀的动态性能基本不变，如图 4(d)、(e)。对 比图 4、5可得 ，当PWM 载波幅值 (即设定误差)越小时 ，PWM 载波频率对 阀动态性能的影响也就越校同理 ，在上述相同试验条件下 ，PwM 载波频率为 200 Hz时，不同设定误差值，阀出口压力阶跃响应曲线如 图 6所示 。由图可见 ，当 PWM 载波幅值设定大于 1 kPa时，阀出口压力稳态误差基本上都在设定误差范围内，如图 6(b)～(d)；但当PwM载波幅值设定小于 1 kPa时 ，阀出口压力稳态误差也基本为 1 kPa，如 图 6(e)所示 。这说 明阀出 口压力稳态误差极限值基本为 l kPa。同时 ，PWM 载波幅值对阀出口压力波动基本无影响，都约为 2 kPa。

囊。o0(d)稳态局鄢放大(1 kPa) (e)稳态局部放大(0.5 ia'a)图 6 PWM 载波幅值对阀性能的影响. (PWM 载波周 期 200 Hz)2.4 比例 P控制系数对 阀性能的影响从上述对 PWM 载波频率和幅值的分析可见，无论是提高 PWM 载波频率或降低载波 幅值 ，阀出口压力稳态误差极限值基本为 1 kPa。因此，为了进-步降低阀出口压力稳态误差，提高其稳态精度，需采取其他的控制方法。根据常规 PID控制放大的特点和阀出口压力阶跃响应特性，采取比例 P控制压力反馈PWM的复合控制方法。在上述相同的试验条件 ，设定误差为 1 kPa、PWM 载波频率为 200 Hz，不 同 P控制 系数下，阀出 口压力阶跃 响应 曲线如图 7所示 。由图可见，添加比例 P控制后 ，并不能提高阀出口压力的响应时间，这是由于其响应时间撒于压电驱动器的性能和阀结构参数；但能进-步降低阀压力稳态误差，由1 kPa左右(见图7(a))降为 0.5 kPa左右(见图7(d)、(e))。

时间，s(a)阀出口压力阶跃响应曲线茹O O 0 O O O dl毒 幽 重 R避39O 压 电 与 声 光： ： 州坍 o.1961 . . .臼基o.1961 . . 。

01.0 1.1 1.2 1.3时间/s(b)稳态局部放大(P1)1.0 1.1 1.2 1.3时间/s(c)稳态局部放大( 1O)(d稳态局部放大(P-5o) (e)稳态局部放大(Pl00)图 7 不 同 P控制 系数对 阀性能 的影 响2.5 与同级别气动比例阀主要性能指标对比为了进-步衡量所研制的压电直动式气动PWM 比例阀(PPV)实物样机的性能，将其与同级别气动比例阀的压力响应时间、稳态精度等主要性能指标进行对 比。试 验条件为进气压力 0.4 MPa，阀出 口压力设定值为 0.2 MPa，阀出 口流量分别为0和 lOO L/rain，试验对 比结果如 图 8所示 ，主要动态性能指标对 比结果如表 1所示。

0.250.200.150.10 担O.O5O- 0旧.25.20. 15. 10.O50o时间Is 时间/s(c)流量为1o0 L/rain (d)稳态局部放大(流量lo0 L/min)图 8 试验对比结果表 1 主要性能参数对比由表 可见 ，所研制的 PPV试验样机的响应时间和稳态精度较 同级别 的气动比例阀都有较大程度的提高，基本实现了预期的研究目标；但同时该阀的稳态压力波动要比同级别的气动比例阀大，特别是当有流量负载时，存在着周期性的压力波动。这是由于同级别比例阀的先导部分采用2个两位两通的电磁开关阀，当阀出口压力达到设定值附近时，2个先导电磁开关 阀可同时断电，达到保压 ，降低压力波动的效果。本文所研制的压电阀的先导部分是-个两位三通的压电开关阀，没有保压的功能，当阀出口压力达到设定值时，也要处于高频的开关工作。

3 结束语针对采用电磁铁 为电-机械转换器的传统气动PWM 比例阀存在着响应时间慢，稳态精度差等缺点，提出了-种采用具有快速响应压 电陶瓷为驱动器的新型压 电直动式气动 PWM 比例 阀，并进行了试验研究 。试验表 明，该先导阀芯具有 良好 的动态特性 。所研制的压电阀具有较快的响应速度和较高的稳态精度。

跟同级别气动比例阀的试验对比表明，所研制PPV试验样机 的响应时间和稳态精度较 同级别气动比例阀都有较大程度的提高，但同时存在着较大的压力波动，特别是当有流量负载时，存在着周期性的压力波动。