压电晶体是一种电能与机械能可逆转换的陶瓷功能材料:受力挤压时表面产生与压力成比例的电荷(传感器应用);施加电场时外形尺寸发生微小变化(电致伸缩)。由于压电晶体内阻极大、几乎不消耗能量,它非常适合制造小型化、低功耗的气路元件——压电阀正是由此成为智能阀门定位器的核心气动部件。本文以 HOERBIGER-ORIGA 的先导压电阀 P9、压电开关阀 P20 为例,讲清压电阀的工作原理、三态气路结构、PWM 控制模式与五大优点。
图 1:P9 工作原理示意图(原文插图)
P9 通过压电薄片工作:极薄弹性金属片两面粘结压电晶体,在压电片两个工作面上真空镀膜形成两个电极。不通电时,压缩空气输入孔 1 封闭,输出孔 2 与大气孔 3 相通,输出气压为 0;通电时,上层晶体收缩、下层晶体伸长,产生杠杆效应,机械变形可扩大到几十微米——大气孔 3 封闭,压缩空气由孔 1 流向孔 2,产生输出气压信号。压电片弯曲程度随输入电压大小变化,因此 P9 可作开关阀或比例阀使用;压力-电压输出曲线见图 2,先导压电阀响应时间小于 2ms。
图 2:P9 压力-电压曲线(原文插图)
P20 由先导压电阀片 P9、开关功率放大器、微型减压阀和 30μm 过滤器组成二位三通阀。官方参数如下:
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 工作电压 | 24VDC |
| 工作电流 | <10μA |
| 维持电流 | 0μA |
| 响应时间 | <20ms(达到 10% 或 90% 压力) |
| 电容 | <100nF |
| 工作气压 | 1.2~8.0bar |
| 流量 | 130L/min(6→5bar) |
| 工作温度 | -30~+60℃ |
图 3:P20 工作原理示意图(原文插图)
压电智能定位器气路上采用两个 P20 压电阀(PV1、PV2)和两个单向阀(RV1、RV2),组成非常简单的控制气路(图 4)。气路共三种逻辑状态:
| PV1 | PV2 | RV1 | RV2 | 调节阀 |
|---|---|---|---|---|
| ON | ON | 打开 | 关闭 | 进气 |
| OFF | ON | 关闭 | 关闭 | 保持 |
| OFF | OFF | 关闭 | 打开 | 排气 |
图 4:气路结构示意图(原文插图)
当执行机构有少量泄漏,或阀门管道压力突变引起阀位波动时,智能定位器马上由"保持"切换到"脉冲"工作状态——由于 P20 响应时间可达 20ms,进气或排气量可以被控制到最小(近似为 0),阀位扰动控制在 1% 误差范围内。
压电智能定位器采用脉宽调制 PWM 方式驱动压电阀:控制偏差很大时输出连续信号;偏差不大时输出脉冲信号;偏差很小时输出更疏的脉冲;偏差进入阀门控制精度范围后无指令输出,保持定位。
核心气动元件为压电材料结构:可动部件少、体积小、极低功耗,输出气流量可从 0 到 130L/min 连续变化。由此带来:
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