壓電執行器及其在液壓閥中的應用

華順明，張 宇，彭 宇，劉立君，許少鋒

(1.浙大寧波理工學院 機電與能源工程學院，浙江 寧波315100；2.浙江大學 機械工程學院，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

隨著工業智能化水平的不斷提升，液壓傳動技術與電子控制技術、精密驅動技術及傳感器技術等的聯系越來越緊，在學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)作為執行器應用到液壓元件特別是液壓閥中，已是液壓技術發展的一個重要方向和研究熱點，多年來一直受國內外學者的重視，也取得了一系列的研究成果[1]。

智能材料具有高頻響、高能量密度及結構緊湊等優點，通過合理的設計利用，可有效提高液壓閥的性能，以滿足實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，價格和功耗低等優點，因此應用更廣。如對于分辨率和響應速度有要求的高精度連續控制場合，開發了壓電伺服閥[2]；對于壓力、流量、方向等要求連續快速控制的場合，則有壓電高速開關閥[3]；以及大量介于普通開關控制和精密伺服控制間的各種壓電比例控制閥(或先導閥)，既能滿足流量壓力的連續控制，又不會因控制精度過高而造成浪費[4]。

在上述一系列的壓電液壓閥中，壓電執行器作為核心元件，其材料成本、機電耦合特性、結構設計及控制方法等都對液壓閥的實用性和產業化推廣起決定性作用。

1 閥用壓電執行器

已有壓電液壓閥中所用執行器根據原理主要有直接推動(直推)式和步進運動(步進)式兩種。直推式結構利用壓電元件和柔性鉸鏈組合實現預緊和推力輸出，常見的有壓電疊堆執行器和單/雙晶片執行器，其理論上位移分辨率可無限小，但工作行程卻只有幾微米至十幾微米，一旦增加放大機構，則體積變大，頻響降低；步進式結構比直推式復雜，但無需專門的放大機構，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，理論上工作行程無限[5]。

1.1 直推式壓電執行器

壓電疊堆為若干壓電片堆疊粘合而成，機械串聯累加位移，電學并聯便于引線。空載時，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；d33為壓電常數；Up為輸入電壓。顯然，適當增加n，可增大S總。

當對壓電疊堆施加外載荷Fs時，輸出位移為

(2)

壓電疊堆能夠產生較大的力，響應速度快，能量損耗小，超精密驅動，驅動電壓低和穩定性好。但其材料參數分散性較大，且價格高，尚未有可大規模工業應用的堆疊型壓電材料問世。

1931年，Baldwin Sawyer首次發明壓電單/雙晶片。目前被廣泛應用于聲學檢測、自動傳感器檢測系統(USMS)、激光束偏轉器、濾波器、加速度計、光學斬波器、電液伺服閥等領域。圖1為4種常用的單/雙晶片結構。圖中，p為極化。圖1(a)、(b)中，2個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，因此，這兩種結構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個極板間有1個額外的電極，2個極板沿驅動電壓的方向極化，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/雙晶片的常用結構

對于圖1(a)～(c)的雙晶片結構，當外加電場時，由于逆壓電效應，其中一個振子伸展，另一個振子收縮，所以雙晶片發生彎曲變形，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)；對于圖1(d)的單晶片結構，工作原理類似，但其運動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調節[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度和厚度。

1.2 步進式壓電執行器

諧振位移型壓電執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，當驅動電壓頻率和系統固有頻率相等時，執行器將產生諧振現象(見圖2)。壓電超聲馬達是典型且發展成熟的步進式執行器，在液壓閥/氣壓閥中亦有應用。

圖2 諧振位移型壓電執行器

諧振位移執行器雖然有無電磁干擾、無噪聲及高能量密度等優點，但其穩定性與連續工作時間和溫度波動密切相關。從設計到使用，要從以下方面注意對壓電陶瓷的保護：

1) 時效穩定性。壓電陶瓷的穩定性會隨著時間的推移而產生波動。

2) 熱去極化。如果連續工作時間太長，導致溫度過高，偶極子會逐漸無序化，陶瓷性能隨之降低。

3) 通電去極化。若在電極上施加過強電場，就會發生去極化。

4) 機械極化。過大的機械應力也會破壞壓電陶瓷中的偶極子，導致陶瓷性能下降[8]。

2012年，郭向東[9]提出采用一種貼片式彎曲振動模態超聲電機作為噴嘴擋板式先導型電氣比例壓力閥的驅動器，以求提高現有電氣比例壓力閥的穩態精度和分辨率。閥的整體結構如圖3所示，圖中ps為氣源壓力，pc為控制腔壓力。實驗結果表明，樣機的線性度為±0.40%，穩態精度為0.33%，遲滯±0.40%，0.2 MPa階躍響應時間為0.40 s。與同類別的ITV3050電氣比例閥相比，該閥的穩態精度提高了約75%，分辨率提高了約28%。

圖3 電氣比例閥的結構示意圖

尺蠖型壓電執行器是模仿自然界生物的尺蠖運動原理形成連續精密步進輸出，能產生比諧振位移壓電執行器更大的輸出力或力矩。圖4為一種線性尺蠖型壓電執行器原理圖[10-11]，其中T為執行器的1個運行周期。

圖4 尺蠖型步進執行器原理圖

方波控制信號和鋸齒波控制信號的時序同步，分別控制垂直執行器(VA)和橫向執行器(LA)。

1) 第1時段。VA為方波高電平，始終頂緊動子；LA為鋸齒波緩慢上升段，逐漸伸長而推動“動子+VA”右移一大步。

2) 第2時段。VA為低電平，松開動子；LA為鋸齒波快速下降段，在預緊力作用下連同VA一起快速復位，動子受慣性和摩擦力綜合作用向左回退一小步，完成一個工作循環。

顯然，第2時段動子處于短時自由狀態，如用于推動主閥芯或先導閥芯運動，此時段需增加一路鎖緊信號，方可平衡閥芯另一端的回復力。

2014年，李亞坤[12]利用尺蠖原理(見圖5)提出一種新型的氣動節流閥壓力調節孔開度微調系統，仿真結果表明，該系統的響應時間為0.5 ms，進給分辨率為1 μm，通過使用柔性鉸鏈結構，保證了1 mm以上的位移輸出。

圖5 尺蠖型促動器基本結構

目前，閥用壓電執行器以直推式執行器為主，因結構緊湊設計靈活，發展充分，最接近于實用化，特別適合高速高精度等應用場合；與直推式執行器相比，步進式壓電執行器結構較復雜，驅/測/控要求均較高，與液壓閥的集成還處在實驗室探索階段。

2 壓電液壓閥

經過多年探索和發展，壓電液壓閥的種類日趨多樣化。根據執行器的使用位置和結構特征，目前壓電液壓閥的研究主要為以下4種類型。

2.1 先導型

2017年，楊慶俊等[13]提出一種先導式比例減壓閥(見圖6(a))，該閥采用壓電執行器控制先導閥閥口開度(見圖6(b))。執行器采用棱形差動放大結構，固定安裝于閥體端面支架上，其輸出端通過連接螺栓與導閥芯相連，導閥芯與導閥座配合，形成節流閥口。先導閥口開度由壓電執行器控制，與先導供油器的固定節流孔形成分壓作用，從而實現對先導壓力的控制。仿真結果顯示，主閥芯直徑、開度等主要由靜態特性決定，三臺肩閥芯結構在不顯著減少流量的前提下液動力減小，特別是負開口條件下改善更明顯；影響動特性的參數有先導供油器節流孔徑、先導閥座孔直徑、阻尼器阻尼孔徑及負載等效節流孔徑，其中反饋阻尼孔是影響系統動特性的最重要因素，而其他參數對系統動特性影響較小。

圖6 先導式比例減壓閥

2019年，胡良謀等[14]將壓電疊堆作為先導級驅動器應用到射流管伺服閥中，提出了一種新型壓電疊堆驅動式射流管伺服閥(見圖7)，壓電疊堆通過橋式放大機構驅動連桿控制射流管的偏轉。通過正交因素分析的方法，對預壓力剛度系數K0、橋式放大機構及射流管放大倍數K2、位移傳感器的反饋系數K進行優化，通過分析可知，K0取值對穩定值影響很小，降低K0能夠提升頻響，K及K2對整閥影響較大，綜合優化后,K0= 5 N/μm，K2= 14，K= 2. 35×105，對比優化前、后的時域與頻域特性圖知，優化后的伺服閥動態性能得到提升。

圖7 射流管伺服閥

2011年，DhineshK.Sangiah[15]設計了一種多層壓電雙晶片驅動的射流導向先導級伺服閥(見圖8)，以機械反饋替代電氣反饋，簡化了控制單元，推導了先導伺服閥數學模型用于閥門性能模擬，并用有限元法對執行器裝配剛度進行了校核。試驗表明，14 MPa壓力下，閥門-90°相位帶寬約為70 Hz，與非線性仿真結果吻合較好。將非線性模型進行線性化處理后，可通過改變雙晶片和反饋組件的幾何構型來調節輸出，簡化了影響閥門性能的調整參數。該簡化模型，還能以合理的精度預測伺服閥性能，實用性較好。

圖8 先導級伺服閥結構圖

2.2 直動型

2013年，俞軍濤等[16]提出了一種基于液壓微位移放大結構的壓電陶瓷直接驅動伺服閥(見圖9)。壓電陶瓷疊堆推動液壓放大部分右端的柔性鉸鏈膜片(大面積活塞)，產生輸入位移，改變放大部分密閉容腔中油液的形態，在左端小面積活塞上產生與右端輸入位移對應的放大的位移輸出，推動功率滑閥的閥芯向左端運動。仿真結果表明，液壓位移放大倍數為9倍，閥芯位置控制誤差小于1%，頻寬大于550 Hz。實驗測得，7 MPa壓力下，控制流量達到17 L/min。

圖9 壓電陶瓷直驅伺服閥

2017年，Chulhee Han等[17]設計了一種帶有杠桿放大機構的疊堆直驅滑閥(PDDV)(見圖10)。通過經典比例積分微分(PID)控制器，并結合模糊算法，實現了PID增益隨輸入頻率和工作溫度的變化而自動調整，以滿足目標頻率和位移的要求。在最高溫度150 ℃和最大頻率200 Hz條件下，對閥芯位移跟蹤性能進行了實測，結果表明，該閥系統在30 ℃和150 ℃下均表現出良好的跟蹤控制性能，但由于回位彈簧剛度較低，時滯出現在與工作溫度無關的50 Hz頻率上。試驗同時表明，在150 ℃下操作壓電驅動伺服閥系統時，需要考慮隔熱因素。

圖10 壓電疊堆直接驅動閥

2.3 噴嘴擋板型

2012年，ZHOU Miaolei等[18]設計了一種雙噴嘴擋板電液伺服閥(見圖11(a)，pc1，pc2為負載壓力,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現壓力和流量的穩定輸出，具有良好的靜態特性。壓力特點是放大倍數大，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。仿真結果表明，該閥響應時間為1 ms，頻寬大于400 Hz，21 MPa系統壓力下，驅動電壓為90 V時，控制流量為12 L/min。

圖12 噴嘴擋板壓電伺服閥

2.4 開關型

2018年，宋敏等[20]設計了一種壓電高速開關錐閥(見圖13)。通過壓電疊堆的輸出力和彈簧的恢復力，控制閥芯快速移動，進而控制開關閥快速開關。仿真結果表明，高速開關閥所產生的渦流面積及負壓區遠小于同一開度下的靜態錐閥，同時在高速開關錐閥尾部加上尾錐可消除開口處的渦旋，減小負壓區面積。

圖13 壓電高速開關錐閥

2008年，歐陽小平等[21]提出一種壓電高速開關閥結構(見圖14)。該閥采用3個壓電執行器，利用壓電晶體高頻響、高輸出力特性，通過直接撞擊閥芯，實現對閥的快速啟閉控制，并針對壓電晶體的溫度效應問題進行了溫度補償。仿真結果表明，壓電執行器能高頻響地控制油液的切換，適于高壓大流量場合。該閥最大輸出壓力為20 MPa，最大流量為10 L/min，最高響應頻率為200 Hz。

圖14 壓電高速開關閥

3 關鍵技術

與傳統液壓閥相比，壓電驅動式液壓閥優點較多，特別是在高速、高精度、微流量、抗電磁干擾等場合。為更好地發揮壓電液壓閥的特點，還有若干關鍵技術(如微位移放大、遲滯控制等)需進一步研究。

1) 微位移放大。受壓電材料自身特性限制，直推式執行器通常需要利用放大機構增大其輸出位移。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、輸出位移達毫米級的緊湊型放大機構還未見報道。由于執行器輸出端位移遠低于比例電磁鐵，所以已成為制約其實際應用的瓶頸問題之一。另外，某些工況(如高壓大流量)下，放大機構設計時還要兼顧位移增大帶來的閥芯推力減小問題。

2) 遲滯補償及控制方法。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模型等的逆運算級聯構成前饋控制器，以消除遲滯效應。反饋控制法將滯后非線性視為有界非線性，基于PID、自適應和滑模控制等策略設計控制器以抑制擾動。前饋-反饋控制法兼具二者優點，通過前饋控制減輕遲滯非線性，反饋控制補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時，跟蹤誤差一般大于20 nm。對于精度要求極高的操作，將模型預測控制和滯環補償進行復合控制是一種思路。

3) 驅動電源。壓電執行器的電氣負載特性為容性或電阻電容串聯，因此，對驅動電源要求較高，為電壓或電荷控制。一般應滿足以下要求[24]：輸出電壓穩定，紋波低、線性度高；輸出功率大，負載能力強；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動態控制的直流放大驅動電源很重要，將反饋算法與相位補償相結合，同運放補償元件一起加入到驅動電源中，是目前的一個研究方向。

4 結束語

隨著現代制造業的智能化發展趨勢，液壓這一傳統工業領域也在不斷推陳出新，朝著精細化、精密化、智能化方向發展，以滿足更多樣、更嚴苛的應用需求。壓電執行器以其獨特的性能特點，給關鍵液壓元件研發提供了新思路。同時，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領域的研究大多仍處于試驗和探索階段。因此，壓電液壓閥的發展空間還很大，其關鍵技術仍值得深入探討和突破。