孟照魁,耿曉珂,李慧鵬
(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京100191)
在保偏光纖對(duì)軸過程中,偏振軸的檢測(cè)、光纖三維定位以及高精度旋轉(zhuǎn)都會(huì)影響保偏光纖的對(duì)軸精度。其中,光纖的三維精確定位需要高精度的微位移機(jī)構(gòu)。傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)常常采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)精密絲杠的方式實(shí)現(xiàn),因?yàn)槟Σ梁烷g隙的存在會(huì)降低系統(tǒng)的性能和精度,系統(tǒng)的穩(wěn)定性也會(huì)降低,而且體積較大。故本文采用基于壓電馬達(dá)的高精度微位移結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的光纖調(diào)整結(jié)構(gòu),提升保偏光纖對(duì)軸平臺(tái)的精度。
壓電馬達(dá)(PZM)是一種新型的驅(qū)動(dòng)電機(jī),它的工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng),通過激發(fā)定子在超聲頻段內(nèi)的微觀振動(dòng),利用摩擦傳動(dòng)的原理,將其轉(zhuǎn)換成動(dòng)子的直線運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比,壓電馬達(dá)具有體積小、質(zhì)量輕、功率密度大、低速大扭矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用在家庭辦公、醫(yī)療、智能機(jī)器人、航空航天、精密微動(dòng)機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域[1-4]。
由于壓電馬達(dá)特殊的工作原理,其外加的驅(qū)動(dòng)信號(hào)也有特定的要求,壓電馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)電壓一般在300V(峰峰值)以上,驅(qū)動(dòng)頻率在20kHz~100kHz之間。不同的壓電馬達(dá)具有不同的電壓工作范圍和最佳工作頻率,因而,壓電馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)電路不僅要能夠輸出高頻高壓信號(hào),而且其頻率、幅值都應(yīng)該是可調(diào)的。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路多是利用變壓器來實(shí)現(xiàn)電壓升壓,但這種設(shè)計(jì)通用性差,并且變壓器的體積阻礙了驅(qū)動(dòng)電路的小型化。本文通過對(duì)壓電馬達(dá)等效電路的分析,利用LC諧振升壓原理設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路,省去體積龐大的變壓器,減小驅(qū)動(dòng)電路的面積,從而實(shí)現(xiàn)光纖對(duì)軸系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)[5-8]。
壓電馬達(dá)是一種利用彎縱振動(dòng)模態(tài)的單驅(qū)動(dòng)超聲電機(jī),通過把激勵(lì)信號(hào)加載到不同電極的兩端實(shí)現(xiàn)壓電馬達(dá)正反向運(yùn)動(dòng)[9]。壓電馬達(dá)一般工作在諧振頻率附近,可以用圖1的等效電路來代替。其中,Cd是壓電陶瓷介電性能引起的夾持電容,Lm是定子質(zhì)量效應(yīng)的等效電感,Cm是定子彈性效應(yīng)的等效電容,Rm是定子內(nèi)機(jī)械損耗的等效電阻。在不改變外特性的前提下,可將壓電馬達(dá)的等效電路簡(jiǎn)化為RC并聯(lián)電路。其各參數(shù)間的關(guān)系如下:
從壓電馬達(dá)等效電路的模型中可以得出壓電馬達(dá)的定子對(duì)外呈現(xiàn)容性,而輸入到定子上的電壓信號(hào)一般都含有高次諧波,這些高次諧波會(huì)對(duì)壓電馬達(dá)的運(yùn)行特性產(chǎn)生不利影響,因此要在定子前加入阻抗匹配電路,使定子對(duì)外呈現(xiàn)阻性或者低感性。本文通過把壓電馬達(dá)并聯(lián)在LC串聯(lián)電路的電容兩端,使壓電馬達(dá)定子和匹配電路組成諧振電路,此時(shí)電路諧振頻率與壓電馬達(dá)的諧振點(diǎn)相同,匹配電路如圖2所示。
壓電馬達(dá)定子和匹配電路組成的電路的阻抗為:
系統(tǒng)呈純阻性的條件是:
其中,ωr=ωs。
電感電容匹配電路的品質(zhì)因數(shù)為:
在諧振電路中品質(zhì)因數(shù)Q越大,濾波效果越好,升壓效果越明顯。通過改變匹配電路中L與C的值,用較低電壓的輸入電源諧振產(chǎn)生較高電壓驅(qū)動(dòng)壓電馬達(dá),同時(shí)也可以改善電路的的濾波性能。
硬件電路的總體方案如圖3所示,系統(tǒng)以TMS320F28035為控制核心,TMS320F28035是TI公司C2000系列的DSP,它是專門面向電機(jī)控制、數(shù)字電源、白色家電設(shè)備、混合動(dòng)力汽車電池和LED照明等成本敏感型應(yīng)用的數(shù)字信號(hào)處理器;采用單電源供電,只要3.3V就可以穩(wěn)定工作;具有3個(gè)32位通用CPU定時(shí)器;包含高達(dá)7個(gè)增強(qiáng)型PWM模塊(ePWM),可以提供高分辨率(低至65ps)的占空比、周期以及相位控制;具有高達(dá)16路模擬輸入通道以及高達(dá)12.5MSPS的12位ADC采樣。
在驅(qū)動(dòng)電路中,通過DSP的PWM模塊產(chǎn)生一定頻率的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)全橋逆變實(shí)現(xiàn)功率放大,再經(jīng)過LC諧振升壓產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào),通過GPIO模塊控制繼電器的開關(guān)把驅(qū)動(dòng)信號(hào)接通到壓電馬達(dá)的電極兩端,實(shí)現(xiàn)壓電馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方向控制。DSP的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都加入了光耦隔離模塊實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱電以及驅(qū)動(dòng)控制電路間的隔離保護(hù),同時(shí),采樣電路對(duì)壓電馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣反饋到DSP,實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)[10-11]。
壓電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)是DSP產(chǎn)生的PWM波,經(jīng)過全橋逆變實(shí)現(xiàn)功率放大,產(chǎn)生頻率和幅值一定的方波信號(hào),然后利用LC諧振升壓原理把方波轉(zhuǎn)變成驅(qū)動(dòng)壓電馬達(dá)的高壓正弦信號(hào)。全橋逆變電路如圖4所示,全橋電路中的4個(gè)MOSFET由IR2110S來驅(qū)動(dòng)。IR2110S驅(qū)動(dòng)電路輸出級(jí)工作電源是一懸浮電源,通過自舉原理由固定的電源提供,圖中D1和D6為充電二極管;C2和C5為自舉電容;R1、R3、R5和R7為柵極驅(qū)動(dòng)電阻,以緩解器件開通過程中的過沖現(xiàn)象;D2、D4、D7和D9為反轉(zhuǎn)的二極管,目的是加快MOSFET的關(guān)斷;L和C是匹配電感和電容。驅(qū)動(dòng)電路是整個(gè)電路模塊的核心。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,利用Multisim仿真軟件對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行仿真分析,壓電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路仿真示意圖如圖5所示。圖5中,L1為匹配電感,C1為匹配電容,S1、S2、S3、S4為MOSFET組成全橋逆變電路,Cd、Cm、Lm和Rm為壓電馬達(dá)等效電路。
對(duì)驅(qū)動(dòng)電路仿真分析,通過固定匹配電路中電容值,改變電感來觀測(cè)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在匹配電容為0.8mH~1.4mH時(shí),最高電壓能滿足要求,在L=1mH時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的電壓幅值最大。此時(shí),MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率為50kHz,占空比為50%,C=9.4nF。通過仿真發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)壓電馬達(dá)的要求,仿真驅(qū)動(dòng)波形如圖6所示。
當(dāng)匹配電路中的電感電容選定后,電路的諧振頻率保持不變,因此可以通過改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率和占空比對(duì)壓電馬達(dá)進(jìn)行控制。而壓電馬達(dá)的位移量與施加在其兩端的交流電壓大小成正比,本文通過調(diào)節(jié)輸入方波信號(hào)的占空比可以實(shí)現(xiàn)壓電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅值的調(diào)節(jié),故通過調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的占空比改變壓電馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度。
本文采用TMS320F28035 DSP芯片,通過編程提供驅(qū)動(dòng)全橋電路的4路PWM波信號(hào),PWM信號(hào)如圖7所示。由DSP產(chǎn)生的4路PWM波經(jīng)過IR2110S驅(qū)動(dòng)芯片,驅(qū)動(dòng)MOSFET以上下互反,對(duì)角相同的驅(qū)動(dòng)方式工作,達(dá)到驅(qū)動(dòng)壓電馬達(dá)的目的。
壓電馬達(dá)的諧振頻率為47.5kHz,匹配電感為L(zhǎng)=0.91mH,匹配電容為C=9.4nF,PWM 信號(hào)的頻率為47.5kHz,實(shí)驗(yàn)輸出的波形如圖8所示。在實(shí)際測(cè)試中,當(dāng)輸入PWM波的占空比為18%時(shí),諧振驅(qū)動(dòng)輸出的峰峰值電壓為300V以上,能驅(qū)動(dòng)壓電馬達(dá)良好運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)證明,本文設(shè)計(jì)的壓電馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制電路性能良好,運(yùn)行穩(wěn)定。
本文設(shè)計(jì)了一種基于壓電馬達(dá)的精密微位移機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電路,系統(tǒng)以DSP TMS320F28035為控制核心,驅(qū)動(dòng)電路采用全橋逆變電路實(shí)現(xiàn)功率放大和LC諧振生成高頻高壓正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)。利用Multisim軟件對(duì)匹配電路仿真分析,通過調(diào)節(jié)電路中電感和電容,實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)壓電馬達(dá)的要求。壓電馬達(dá)的速度控制是通過調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)證明驅(qū)動(dòng)電路能夠滿足驅(qū)動(dòng)壓電馬達(dá)的要求,在此基礎(chǔ)上提高保偏光纖對(duì)軸中的定位精度,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)軸系統(tǒng)的小型化。