plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

plik Adobe PDF / Get full paper - Adobe PDF file

KOMISJA BUDOWY MASZYN PAN – ODDZIAŁ W POZNANIU
Vol. 27 nr 2
Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji
2007
DARIUSZ SĘDZIAK *
POPRAWA HISTEREZY
W SERWOZAWORZE Z PIEZOELEMENTEM BELKOWYM
W STOPNIU STERUJĄCYM ∗∗
W artykule przedstawiono wyniki badań doświadczalnych nad zastosowaniem piezoelektrycznego elementu belkowego jako elementu sterującego pracą zaworu. Piezoelement umieszczony
jest w stopniu sterującym i pracuje w zaworze jako przysłona dysz. Porównano charakterystyki
piezoelementu zasilanego za pomocą wzmacniacza napięciowego i wzmacniacza ładunku oraz
odpowiedzi serwonapędu dla tych przypadków sterowania elementu piezo.
Słowa kluczowe: serwozawór, piezoelementy belkowe, układy zasilania
1. WSTĘP
W stopniach wejściowych serwozaworów stosowane są silniki momentowe,
które dzięki małym gabarytom części ruchomej pozwalają uzyskiwać duże częstotliwości pracy stopnia sterującego. Istotą opracowanej koncepcji jest zastąpienie w
stopniu sterującym badanego serwozaworu silnika momentowego piezoelektrycznym elementem belkowym (rys. 1). Element ten w stopniu sterującym pełni funkcję przysłony dysz. Rozwiązanie takie upraszcza konstrukcję stopnia sterującego i
pozwala na praktyczne wykorzystanie elementów istniejących stopni sterujących,
takich jak np. korpusy i dysze. Przy typowo barometrycznym lub elektrycznym
sprzężeniu zwrotnym w serwozaworze możliwe jest zastosowanie piezoelementu
utwierdzonego jednostronnie (rys. 1a). Wykorzystanie sprzężenia mechanicznego
wymaga dołączenia sprężyny do elementu piezo (rys. 1b). Tego typu piezoelementy nie są obecnie oferowane przez żadnego z producentów, ale wielu z nich
oferuje możliwość wykonania specjalnego. Parametry oferowanych w handlu
piezoelementów belkowych (takie jak gabaryty, siły, przemieszczenia i częstotliwość pracy) przemawiają za ich potencjalnym wykorzystaniem w stopniach steru*
∗∗
Dr inż. – Instytut Technologii Mechanicznej Politechniki Poznańskiej.
Praca naukowa finansowana ze środków budżetowych na naukę w latach 2005-2007 jako
projekt badawczy nr 4T07C06628.
138
D. Sędziak
jących serwozaworów [3, 4]. Stosunkowo niska cena piezoelementów jest również
czynnikiem sprzyjającym wprowadzeniu ich do komercyjnych zastosowań.
b)
a)
piezobeam
with spring
piezobeam
p
p
pA
electrical feedback
p
p
pA
pB
pB
barometrical feedback
Rys. 1. Piezoelement jako przysłona dysz: a) dla sprzężenia barometrycznego lub elektrycznego, b) dla
sprzężenia mechanicznego
Fig. 1. Piezo bender as servovalve flapper plate: a) for electrical or barometrical feedback, b) for
mechanical feedback
2. OPIS STOPNIA STERUJĄCEGO
W badaniach doświadczalnych wykorzystano serwozawór typu WP3-10 produkcji PZL-Hydral z Wrocławia. Fabryczny stopień sterujący tego serwozaworu z
obrotowym silnikiem momentowym zastąpiono konstrukcją własną z piezoelementem belkowym jako przysłoną dysz (rys. 2). Wykonany stopień sterujący
składa się z pokrywki 1 z wklejonym elementem piezo 2, kompletu dysz sterujących 3 oraz z korpusu stopnia 4. W stopniu sterującym zastosowano piezoelement
1
2
3
4
Rys. 2. Przekrój stopnia sterującego i widok
serwozaworu z tym stopniem (opis w tekście)
Fig. 2. Section of control stage and picture of
servovalve with this stage (description of
numbers is in the text)
Poprawa histerezy w serwozaworze z piezoelementem...
139
belkowy typu PL 112.11 firmy PI-Ceramics [4]. Wymiary przyłączeniowe stopnia
dostosowano do otworów stopnia głównego zastosowanego serwozaworu. Sprzężenie zwrotne w tym zaworze jest typu barometrycznego.
3. BADANIA DOŚWIADCZALNE PIEZOELEMENTU
Jedną z ważniejszych nieliniowości piezoelementów jest histereza, która będzie miała istotny wpływ na charakter pracy serwozaworu [2]. Z uwagi na pojemnościowy charakter elementu piezo jednym ze sposobów minimalizacji histerezy
jest zastosowanie układu zasilającego ze stopniem wyjściowym pracującym jako
wzmacniacz ładunku [1].
Do wyznaczenia odpowiedzi piezoelementu na zadany sygnał wejściowy zastosowano dwa rodzaje wzmacniaczy elektronicznych różniących się stopniami
końcowymi (rys. 3): wzmacniacz napięciowy i wzmacniacz ładunku. Wzmacniacz
napięciowy (rys. 3a) pracował przy napięciach wyjściowych na elemencie piezo
do ± 30 V i zasilał obie jego okładki. Z uwagi na ograniczenia elektroniczne zbudowanego układu wzmacniacza w badaniach wstępnych wzmacniacz ładunku
(rys. 3b) zasilał tylko jedną warstwę piezoelementu napięciem do 38 V. Wiąże się
to z ograniczeniem nominalnej amplitudy przemieszczeń i zmniejszeniem obciążalności piezoelementu. Wyjścia drugiej okładki elementu zwarto, dzięki czemu
ładunek gromadzony podczas odkształcania pierwszej okładki nie wpływał na
właściwości piezoelementu.
a)
b)
+Uref
+Uref
+Ucontr
+Ucontr
Cpiezo
Cpiezo
-Uref
Cref
-Uref
Rys. 3. Schematy wzmacniaczy zasilających piezoelement: a) wzmacniacz napięciowy, b) wzmacniacz ładunku
Fig. 3. Schemes of piezoelement power circuits: a) voltage amplifier, b) charge amplifier
Źródłem sygnału zadanego dla obu wzmacniaczy był generator przebiegów sinusoidalnych. Do wyznaczenia przemieszczenia elementu piezo wykorzystywano
laserowy przetwornik przemieszczeń typu D21 firmy Philtec oraz czujnik przemieszczeń typu HBM-WET o zakresie 1 mm.
140
D. Sędziak
Zarejestrowane wartości histerezy sygnału przemieszczenia końcówki elementu piezo, zasilanego wzmacniaczem napięciowym, w funkcji amplitudy napięcia
zasilającego pokazano na rys. 4. Z przedstawionych wykresów wynika, że piezoelement zasilany za pomocą wzmacniacza napięciowego (rys. 4a i 4b) ma stosunkowo dużą histerezę, o wysokości i szerokości proporcjonalnej do amplitudy sygnału wymuszenia. Na rysunku 4c przedstawiono wykresy odpowiedzi piezoelementu zasilanego przez wzmacniacz ładunku. Uzyskano wyraźne zmniejszenie
szerokości histerezy w porównaniu z odpowiedzią uzyskaną z podobnej „przemieszczeniowo” odpowiedzi dla zasilania wzmacniaczem napięciowym (rys. 4d).
b)
a)
40
40
8V
y [µm]
8V
4V
6V
35
30
10V
20
30
6V
10
10V
4V
25
U [V]
20
0
-12
-8
-4
2V
0
4
8
12
15
-10
1V
10
-20
5
U [V]
-30
-40
0
y [μm]
0
c)
4
d)
y [μm]
15
2
8
10
12
15
wzm. nap.
(4V)
5V
10
6
10
3V
5
5
1,5V
U [V]
U [V]
0
-6
-4
-2
0
0
-5
2
4
6
-6
-4
wzm.ładunku
(5V)
-2
0
2
4
6
-5
-10
-10
-15
-15
y [μm]
Rys. 4. Histereza piezoelementu: a) pełne cykle dla wybranych amplitud w przypadku zasilania
wzmacniaczem napięciowym, b) powiększenie części dodatniej wykresu dla wzmacniacza napięciowego, c) przemieszczenie piezoelementu zasilanego wzmacniaczem ładunku, d) porównanie
przykładowych odpowiedzi
Fig. 4. Piezoelement hysteresis: a) full cycles for chosen amplitudes for voltage amplifier, b) magnification of positive part of the chart for voltage amplifier, c) piezo response for charge amplifier,
d) comparison for chosen responses
Poprawa histerezy w serwozaworze z piezoelementem...
141
4. BADANIA DOŚWIADCZALNE SERWONAPĘDU
Przykładowe odpowiedzi serwonapędu z zaworem, w którym piezoelement był
zasilany wzmacniaczem napięciowym i wzmacniaczem ładunku, przedstawiono
na rys. 5. Wyznaczono je, podając na wejście wzmacniaczy piezoelementu sygnał
sinusoidalny o częstotliwości 0,4 Hz. Badania wykonano przy ciśnieniu znamionowym 12 i 24 MPa, na siłowniku o skoku 400 mm i średnicach tłoka i tłoczyska
odpowiednio 100 mm i 60 mm.
Z przedstawionych wykresów wynika, że serwozawór z piezoelementem zasilanym wzmacniaczem napięciowym (rys. 5a) ma stosunkowo dużą histerezę. Jej
zmniejszenie można uzyskać dzięki zastosowaniu wzmacniacza ładunku (rys. 5b).
a)
v [mm/s]
100
b)
v [mm/s]
25
24 MPa
24 MPa
80
20
60
15
12 MPa
12 MPa
40
10
20
5
U [V]
U [V]
0
-12
-9
-6
-3
0
0
3
6
9
12
-4
-3
-2
-1
0
-20
-5
-40
-10
-60
-15
1
2
3
4
Rys. 5. Odpowiedzi serwojednostki z badanymi układami zasilania elementu piezo w serwozaworze:
a) zasilanie ze wzmacniacza napięciowego, b) zasilanie ze wzmacniacza ładunku
Fig. 5. Servodrive responses for researched power supplies of servovalve piezo element: a) voltage
amplifier supply, b) charge amplifier supply
5. WNIOSKI
Przedstawione wyniki badań pozwalają wstępnie stwierdzić, że zastosowanie
wzmacniacza ładunku do sterowania piezoelementem pozwala na znaczne ograniczenie histerezy piezoelementu i serwozaworu. Konieczne są jednak dalsze
prace rozwojowe nad opracowaniem bardziej wydajnego układu zasilania, pozwalającego na pracę obu warstw piezoelementu, co powinno spowodować
142
D. Sędziak
większe wychylenie i obciążalność piezoelementu, a tym samym większe odpowiedzi serwozaworu.
LITERATURA
[1] Koops K. R., Scholte P. M. L. O., Koning W. A., Observation of zero creep in piezoelectric
actuators, Applied Physics, 1999, A 68.
[2] Milecki A., Sędziak D., Badania teoretyczne i doświadczalne serwozaworu z piezoelektrycznym elementem belkowym w stopniu sterującym, in: CYLINDER 2007 „Badanie, konstrukcja, wytwarzanie i eksploatacja układów hydraulicznych”, Zakopane, 26–28.09.2006.
[3] www.noliac.com.
[4] www.piceramic.de.
Praca wpłynęła do Redakcji 30.03.2007
Recenzent: prof. dr hab. inż. Edward Palczak
HISTERESIS IMPROVEMENT OF SERVOVALVE WITH PIEZO-BENDER
ELEMENT IN CONTROL STAGE
S u m m a r y
In the paper electrohydraulic servovalve controlled by single piezo-bender element was presented and investigated. The control stage design concept and experimental construction was
described and shown. Results of hysteresis experimental investigation for voltage and charge
control method for piezo bender was shown and discussed. Some comparison of experimental
results of response hysteresis of servodrive with piezovalve was presented. As shown, charge
control for piezoelement can reduce response hysteresis of piezo bender and servodrive. Experimental results shown that piezo-bender can be used with good success as control element for
servovalves.
Key words: servovalves, piezo-benders, power control