梁 宇，黃衛(wèi)清，王 寅，李海林

(南京航空航天大學，江蘇南京 210016)

0 引 言

疊層壓電陶瓷具有輸出力大、位移響應快、可重復性好、功耗低、控制方便的優(yōu)點，在精密驅(qū)動、光纖對接、光學穩(wěn)像等領(lǐng)域具有較大的應用前景。其中壓電直線電動機是其重要的應用代表之一。疊層壓電陶瓷由多片壓電陶瓷片膠合在一起，然后采用無磁不銹鋼等材料作為外殼進行封裝;多片陶瓷機械上串聯(lián)、電學上并聯(lián)［1］。

基于疊層壓電陶瓷設計的直線電動機是利用壓電疊堆中壓電陶瓷的逆壓電效應實現(xiàn)電能到機械能的轉(zhuǎn)換，跟傳統(tǒng)的電磁式電機相比具有斷電自鎖、無電磁干擾、定位精度高、實際響應快等特點，在航空航天、機械、生物工程等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。疊層壓電陶瓷通常作為一個容性負載進行驅(qū)動，因此在相應驅(qū)動器的設計過程中，對驅(qū)動器的帶負載能力有較高要求。本文設計了一種雙驅(qū)動足的直線電動機，該直線電動機對正弦信號有著較好的響應，但是這種驅(qū)動方式適合大行程運動，在需要精密定位時則存在一定的問題，與已有的正弦波驅(qū)動電源配合，以實現(xiàn)大行程高定位精度的目標。本文給出了一種基于可編程片上系統(tǒng)的驅(qū)動電源，能夠產(chǎn)生不同電壓區(qū)間內(nèi)不同步距階梯波。在搭建了實際電路后進行了相關(guān)實驗，獲得了良好的實驗效果［2－3］。

1 總體設計

本文研制了一種新型的雙驅(qū)動足非共振壓電直線電動機，其定子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓電直線電動機定子結(jié)構(gòu)圖

定子由驅(qū)動足、疊層壓電陶瓷、螺栓、彈性梁和支架組成。將螺栓旋入驅(qū)動足中，再穿過支架，通過調(diào)節(jié)螺栓進而將疊層壓電陶瓷每兩片一組放在驅(qū)動足與支架之間，在疊層壓電陶瓷獲得激勵信號以后，由于逆壓電效應，將會產(chǎn)生沿垂直于疊層壓電陶瓷的徑向直線運動，這一直線運動通過驅(qū)動足的傳遞，作用于直線導軌之上，推動直線導軌進行直線運動。當加載在疊層壓電陶瓷上的激勵信號為階梯信號時，驅(qū)動信號中的階梯上升沿對應電機驅(qū)動足輸出一個相關(guān)于對應電壓和階梯差的脈沖。這種大小可調(diào)、方向可控的脈沖在由本電機為主要器件的直線導軌系統(tǒng)中時十分必須的。為了實現(xiàn)高精度的定位要求，在正弦波驅(qū)動下進行大行程較高精度驅(qū)動之后，利用本驅(qū)動電源進行更高精度的位置調(diào)整，以達到預定定位目標。

圖2為雙足非共振壓電直線電動機驅(qū)動控制器的原理框圖，由信號產(chǎn)生與控制、程控增益放大級、功率放大、直流升壓四部分組成。

圖2 電源系統(tǒng)總體框圖

其中信號與控制部分主要部件為Cypress公司的第三代嵌入式開發(fā)芯片PSoC3，用以產(chǎn)生電源初始信號與程控運算放大級部分的控制信號;程控增益放大級主要由模擬開關(guān)芯片CD4051和運算放大器構(gòu)成，在信號產(chǎn)生與控制單元的控制下，實現(xiàn) 不同的增益大小，完成步進式調(diào)壓的目標;直流升壓部分作為功率放大模塊的驅(qū)動電源;功率放大模塊用以將程控增益放大級傳遞過來的信號進行功率放大，提高驅(qū)動電源的帶負載能力，并直接實現(xiàn)對直線電動機的驅(qū)動工作。

2 驅(qū)動電源模塊設計

2.1 信號產(chǎn)生與控制模塊

初始波形的產(chǎn)生是一個驅(qū)動電源工作的基礎，而控制信號的產(chǎn)生也是直線電動機驅(qū)動電源的重要組成部分。本電源的初始波形的產(chǎn)生是由可編程片上系統(tǒng)(PSoC3)完成的。PSoC系列單片機是在一個專有的MCU內(nèi)核周圍集成了可配置的PSoC塊，PSoC塊由模擬和數(shù)字外圍器件陣列組成，利用芯片內(nèi)部的可編程互聯(lián)陣列，通過有效地配置芯片上的模擬和數(shù)字塊資源，達到可編程片上系統(tǒng)的目的。采用PSoC能夠節(jié)約設計時間，減小板上面積并降低功耗。信號產(chǎn)生與控制的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 信號產(chǎn)生與控制

利用PSoC3產(chǎn)生階梯波是十分方便的。只需選用芯片內(nèi)配置的時鐘、計時和D/A模塊并通過相應的配置就可實現(xiàn)所需初始信號的生成。

本文中的程控增益放大級的控制信號同樣也是由PSoC3芯片發(fā)出的。當外圍輸入設備、上位機或者后續(xù)開發(fā)的控制程序給出控制信號，由單片機將此信號與已設定的真值表進行對比查詢，并將查詢到的編碼通過PSoC中的Pin(總線輸入輸出)模塊直接輸出給程控增益放大級。

2.2 程控增益放大級

通過對所設計的直線電動機的前期實驗結(jié)果的研究和思考，發(fā)現(xiàn)其對不同起始電壓和不同階距的階梯信號有著近似線性的關(guān)系。為實現(xiàn)步進間距大小可調(diào)，則需根據(jù)實際需要輸出相應的激勵信號作用在電機上。本文所描述的程控增益放大部分的主要器件是模擬開關(guān)和運算放大器。

CD4051是本模塊的核心器件之一。CD4051是單通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，可用于控制幅值為4.5～20 V的數(shù)字信號及可控峰值至20 V的模擬信號。CD4051共有3個二進制控制輸入端A、B、C及一個輸入端口INH，同時還具有導通阻抗和低的截止漏電流的優(yōu)點。本模塊的設計思路是通過單片機控制CD4051的地址端A、B、C，確定某一通道上的電阻作用于主放大器。該接入的反饋電阻則決定了主放大器的放大倍數(shù)。由單通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)和放大電路組成的程控增益放大器原理圖如圖 4 所示［4］。

圖4 程控增益放大電路

2.3 功率放大模塊

功率放大部分是對壓電疊堆作動器電源的一個關(guān)鍵組成部分，決定著整個驅(qū)動電源系統(tǒng)的帶負載能力。本文參考文獻［5］設計并制作了采用基于功率MOSFET線性驅(qū)動電路，該電路分為運算放大和功率放大兩個部分。

運算放大部分能夠提高信號的增益和頻率響應速度，并具有提高精度和使系統(tǒng)穩(wěn)定的作用，因此它對于整個功率放大模塊是不可或缺的。由于本部分的輸入信號是來自程控增益放大級電路，雖然經(jīng)過了增益放大，但輸入信號依然只有很弱的帶負載能力，因此，為了保證輸入信號不失真，本部分必須是高輸入阻抗電路，需選用高輸入阻抗、低噪聲通用運算放大器組成輸入緩沖。這里我們選用LM358通用雙運算放大器。LM358的內(nèi)部包括有兩個獨立的、內(nèi)部頻率補償、高增益的雙運算放大器，滿足本電路的需求。

功率放大部分決定了整個功率放大模塊的性能。功率MOSFET作為一種電壓控制型器件，具有輸入阻抗高、驅(qū)動相對容易、開關(guān)過程損耗少等優(yōu)點。本文所設計的這種直線電動機，實驗計劃是將要在很大的頻率跨度范圍內(nèi)進行實驗，這就對功率放大器件的頻率響應范圍提出了較高的要求，而功率MOSFET是功率半導體器件中頻率響應范圍最大的［6－7］。

3 實驗及數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗

根據(jù)本文給出的壓電直線電動機的驅(qū)動電源的設計方案，制備了相關(guān)器件，并在本研究所的潔凈實驗房內(nèi)進行了相關(guān)的性能驗證性實驗?，F(xiàn)場實驗如圖5所示。

圖5 實驗場景

在驅(qū)動電源范圍設定值0～50 V，步距為2.5V的驅(qū)動信號下得到的位移時間曲線，如圖6所示。

圖6 位移時間曲線

在每個電壓下，讀取壓電陶瓷的位移，我們得到如圖7所示的位移電壓曲線。

從圖中可以看到，這兩條閉合的曲線，是壓電疊堆所固有的磁滯曲線。但是，從階梯波的位移發(fā)現(xiàn)，在電壓比較低時位移比較小，當電壓達到一定值時，位移變大。在10～17.5 V時，最小位移基本穩(wěn)定在12 nm，在37.5～50 V時，最小位移基本穩(wěn)定在50 nm。

圖7 位移電壓曲線

3.2 實驗分析

實驗結(jié)果反映出在不同電壓時，步距存在較大差異，而這種差異的原因主要有以下幾方面:

(1)數(shù)據(jù)的讀取可能存在誤差，測量的過程也可能會產(chǎn)生誤差，從而導致最小位移不一致的現(xiàn)象;

(2)功率放大級在較大功率輸出狀態(tài)時會出現(xiàn)一定的波形失真，這種波形的偏差也導致了輸出結(jié)果的差異性。但是總體來說，這種影響是較小的。

4 結(jié) 語

本文給出了一種基于可編程片上系統(tǒng)(PSoC3)的壓電直線電動機驅(qū)動電源。該電源能夠?qū)崿F(xiàn)階梯信號的步距輸出。實驗結(jié)果證明了其滿足非共振式壓電直線電動機的驅(qū)動要求，有良好的驅(qū)動效果。

［1］趙淳生.超聲電機技術(shù)與應用［M］.北京:科學出版社，2007.

［2］劉巖，鄒文棟.一種高速壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動電源設計［J］.壓電與聲光，2008(1):51 －52，55.

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［5］潘松.新型壓電疊堆驅(qū)動電機及微小型超聲電機的驅(qū)動研究［D］.南京:南京航空航天大學，2011.

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