任 雯，賴森財(cái)

（1.三明學(xué)院裝備智能控制福建省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建三明365004；2.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建三明365004）

目前，傳統(tǒng)電機(jī)和電磁驅(qū)動器已無法滿足高端裝備精密運(yùn)動的驅(qū)動要求［1］。以壓電陶瓷驅(qū)動器、超磁致伸縮驅(qū)動器和形狀記憶合金驅(qū)動器為代表的新一代智能驅(qū)動器［2-4］不僅廣泛應(yīng)用于航空航天、生物工程等領(lǐng)域的納米級智能精密制造裝備，也逐步應(yīng)用于傳統(tǒng)工業(yè)自動化控制領(lǐng)域的紡織裝備等［5］。目前，應(yīng)用壓電賈卡針（piezo Jacquard needle，PJN）的賈卡經(jīng)編機(jī)［6-9］異軍突起，成為新一代高速智能經(jīng)編機(jī)。

對于壓電陶瓷在高精度運(yùn)動和定位控制中應(yīng)用的研究，主要包括根據(jù)壓電陶瓷的固有非線性遲滯和蠕變特性建立的非線性模型及其補(bǔ)償機(jī)制，以及微動柔性機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等［10-12］；對于壓電陶瓷在電子信息領(lǐng)域應(yīng)用的研究，主要包括壓電振動控制與能量收集，以及新型壓電傳感器、驅(qū)動電源等的設(shè)計(jì)［13-15］。在驅(qū)動微位移機(jī)構(gòu)時，壓電陶瓷驅(qū)動器可被看成一個電容［16］，其本身消耗的能量較小，但在驅(qū)動負(fù)載時，會在驅(qū)動電路中產(chǎn)生較大的電流，存在功耗大、效率低的問題。另外，傳統(tǒng)壓電控制系統(tǒng)需要根據(jù)被控對象的特征額外配備不同規(guī)格的專用驅(qū)動高壓電源，導(dǎo)致系統(tǒng)體積較大、集成度低以及復(fù)雜性和成本較高。

為此，筆者提出了一種應(yīng)用PJN的新型驅(qū)動電路（以下簡稱為PJN驅(qū)動電路）。該電路采用金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）形成驅(qū)動電橋，基于脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）控制技術(shù)，利用從低壓電源中吸收的能量將PJN驅(qū)動電路的工作電源自適應(yīng)升壓至工作所需的高壓；在PJN微動工作過程（逆壓電效應(yīng)）中，采用儲能電感器代替限流電阻器來優(yōu)化電路，以限制PJN的正向充電電流，同時回收反向充電過程（壓電效應(yīng)）中的能量，以有效降低功耗。

1 PJN換能模型

1.1 PJN工作原理

提花經(jīng)編機(jī)的PJN一般由壓電陶瓷雙晶片（pi-ezoceramic double chip，PDC）、固定架、導(dǎo)紗針和針套等組成，其中PDC由2片壓電陶瓷晶片和1塊玻璃纖維陶瓷基板組成［17］。壓電陶瓷晶片選用鋯鈦酸鉛（Pb-based lanthanum-doped zirconate titanates，PZT）材料。

PJN工作原理如圖1所示。

圖1 PJN工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of PJN

根據(jù)逆壓電效應(yīng)，在電壓U作用下，PDC在垂直方向產(chǎn)生與電場強(qiáng)度成比例、方向垂直的撓度變形（上晶片收縮，下晶片伸長），以驅(qū)動導(dǎo)紗針左右偏移，實(shí)現(xiàn)提花工藝。

鑒于PDC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其使用環(huán)境符合壓電振子的第一類邊界條件，如圖1所示，以PDC的長度方向?yàn)閤向，可得PDC的壓電方程為：

式中：B3為z方向的電位移；S1為x方向的應(yīng)變；T1為x方向的應(yīng)力；E3為z方向的電場強(qiáng)度；d31為壓電應(yīng)變常數(shù)；為恒電場下的柔性常數(shù)；為恒應(yīng)力下的介電常數(shù)。

如圖1（a）所示，壓電陶瓷晶片的長、寬、高分別為l、w、hp，玻璃纖維陶瓷基板的長、寬、高分別為l、w、hb，PDC的總高度h=2hp+hb。在電壓U作用下，PDC在長度方向x處的偏移位移為［18］：

式中：Ep和Eb分別為PDC和基板的彈性模量。

PJN中導(dǎo)紗針的偏轉(zhuǎn)角度θ為：

壓電陶瓷晶片、針套和導(dǎo)紗針的總長度為l0，則x=l0處導(dǎo)紗針末端的偏移位移δ0為：

由式（4）可知，導(dǎo)紗針末端的偏移位移取決于壓電陶瓷晶片和基板的長度、高度、材料參數(shù)，針套和導(dǎo)紗針的長度以及外部施加電壓的大小。

1.2 PJN驅(qū)動電路模型

如圖2所示，PJN驅(qū)動電路模型包括6個MOS-FET（以下簡稱為 MOS）（T0，T1，…，T5）、9個二極管（D0，D1，…，D8）、1個儲能電感器L和1個PJN，其中T2，…，T5和PJN構(gòu)成雙臂橋電路。Vd為低壓供電電源，Vp為高壓工作電源。為了表述方便，約定MOS的輸入控制信號Vi=1（i=0，…，5）時，對應(yīng)的MOS導(dǎo)通，當(dāng)Vi=0時對應(yīng)的MOS管關(guān)斷，-Vi為Vi的非運(yùn)算。MOS的導(dǎo)通與關(guān)斷通過高頻PWM信號控制。

圖2 PJN驅(qū)動電路模型Fig.2 PJN drive circuit model

2 PJN驅(qū)動電路工作模態(tài)分析

1）PJN驅(qū)動電路初始升壓過程。

在PJN驅(qū)動電路開始工作前，通過控制脈沖信號使MOS關(guān)斷，低壓供電電源Vd通過二極管D8向高壓工作電源Vp充電，直至Up=Ud-UDD，其中：Up、Ud分別為電源Vp、Vd的電壓，UDD為二極管D8的正向?qū)妷航怠?/p>

2）PJN驅(qū)動電路高頻升壓過程。

通過低壓供電電源Vd和儲能電感器L向高壓工作電源Vp充電，直至高壓工作電源電壓Up達(dá)到工作所需的額定高電壓Up*。在升壓過程中實(shí)時檢測Up，如果Up≥Up*，則充電升壓過程結(jié)束。PJN驅(qū)動電路升壓的具體步驟為：

①通過控制脈沖令V0=V2=V4=1，V1=V3=V5=0，T0、T2和T4導(dǎo)通并與Vd、D0、L和PJN形成回路，檢測到回路電流IL≥Iref（Iref為參考設(shè)定電流）時，進(jìn)入步驟②。

②通過控制脈沖令V0=1，V1=V2=V3=V4=V5=0，T0導(dǎo)通，L通過T0、D0和D7續(xù)流，與Vd共同向Vp充電。檢測到IL=0A時，進(jìn)入步驟③。

③通過控制脈沖令V0=V3=V5=1，V1=V2=V4=0，T0、T3和T5導(dǎo)通并與Vd、D0、L、PJN形成回路，檢測到IL≥Iref時，進(jìn)入步驟④。

④通過控制脈沖令V0=1，V1=V2=V3=V4=V5=0，T0導(dǎo)通，L通過T0、D0和D7續(xù)流，與Vd共同向Vd充電。檢測到IL=0A時，返回步驟①，則完成一次升壓過程。

循環(huán)重復(fù)上述步驟①至④，直至Up≥Up*。由于升壓過程是高頻過程，PJN兩端的平均直流電壓基本不變。

3）PJN正向工作過程。

⑤通過控制脈沖令V1=V2=V4=1，V0=V3=V5=0，此時Vp向PJN正向充電（逆壓電效應(yīng)），直至。

⑥實(shí)時檢測IL，若檢測到IL≥Iref且Up≥Up*，關(guān)斷T0至T5，L由PJN驅(qū)動電路的接地端GND（ground，地線）經(jīng)D6和D7續(xù)流至IL=0A。

⑦實(shí)時檢測Up，若檢測到Up＜Up*，進(jìn)入步驟②進(jìn)行升壓，以補(bǔ)充PJN正向工作過程中工作電壓的損耗。重復(fù)步驟①和②，直至Up≥Up*，返回步驟⑤。

4）PJN反向工作過程。

⑧通過控制脈沖令V1=V2=V4=0，V0=V3=V5=1，此時Vp向PJN反向充電（逆壓電效應(yīng)），直至。

⑨實(shí)時檢測IL和Up，若檢測到IL≥Iref且Up≥Up*，關(guān)斷T0至T5，L由GND經(jīng)D6和D7續(xù)流至IL=0A。

⑩實(shí)時檢測Up，若檢測到Up＜Up*，返回步驟④進(jìn)行升壓，以補(bǔ)充PJN反向工作過程中工作電壓的損耗。重復(fù)步驟③和④，直至Up≥Up*再返回步驟⑧。

3 PJN驅(qū)動電路特性分析

3.1 升壓電路特性分析

在電路升壓過程中（步驟①至步驟④），MOS受高頻斬波信號驅(qū)動，且升壓過程中PJN的充、放電能量互補(bǔ)，不改變電路總能量，因此在分析過程中忽略PJN對升壓過程的影響。電路升壓過程（步驟①至步驟②）中充電回路電流IL的工作波形如圖3所示（步驟③至步驟④的原理與步驟①至步驟②的原理相同，僅電流IL的方向相反）。

在升壓過程的步驟①中，T0、T2和T4導(dǎo)通，并與Vd、D0、L、PJN組成回路，電路的電壓方程為：

圖3 電路升壓過程中IL的波形圖Fig.3 Waveform of ILin the boost process of the circuit

由式（5）可得：

式中：IL0為此階段電路的電流初值。

在升壓過程的步驟②中，IL為：

式中：n為充電升壓次數(shù)；Up，n為第n次升壓結(jié)束后高壓工作電源的電壓。

由圖3和式（5）可知，IL的平均電流-IL可以表示為：

式中：ton為完成步驟①所需的時間；toff，n為第n次升壓過程中完成步驟②所需的時間。

高壓工作電源的電壓變化量ΔUp可以表示為：

式中：Cp為高壓工作電源的等效電容。

經(jīng)過n次遞增式充電后，Up，n為：

如果忽略電路中的能量損耗，則在ton期間存儲在儲能電感器中的能量可在toff，n期間作為高壓工作電源的充電能量而釋放，因此可得如下能量傳遞關(guān)系：

將式（8）和式（10）代入式（11），可得：

高壓工作電源可以看作一個大電容，隨著升壓充電次數(shù)的增加，其電壓越來越高。從式（11）和式（12）可以看出，充電時間toff，n隨著Up，n的升高而縮短。

3.2 PJN工作電路特性分析

假定PJN在電路中等效為1個電容CPJN和1個電阻RPJN并聯(lián)。若考慮電路能量的損耗，在Vp向PJN進(jìn)行正向或反向充電（驅(qū)動導(dǎo)紗針左右偏移）的過程中，存在以下能量傳遞關(guān)系：

根據(jù)賈卡花型的工藝要求，賈卡導(dǎo)紗針需根據(jù)同步信號偏移不小于1個針距的位移，即其驅(qū)動電壓必須滿足，根據(jù)式（13）可知的關(guān)系為：

在一個充電周期中，為保證電壓UPJN穩(wěn)定，當(dāng)檢測到實(shí)時工作電壓Up＜Up*時，驅(qū)動電路必須由PJN工作狀態(tài)切換到高壓工作電源的自升壓狀態(tài)，以彌補(bǔ)電路中MOS、二極管消耗的能量，保證有足夠的能量來驅(qū)動賈卡導(dǎo)紗針。根據(jù)能量傳遞的關(guān)系可得：

4 PJN驅(qū)動電路仿真分析

為了驗(yàn)證理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用MAT-LAB軟件進(jìn)行仿真分析。仿真時，設(shè)Ud=24 V，Cp=10μF，CPJN=1μF，L=20mH，，MOS的正向?qū)ü茈妷航禐?.3 V，導(dǎo)通電阻為200Ω，驅(qū)動信號頻率f≥1kHz，驅(qū)動MOS的PWM調(diào)制信號采用滯環(huán)控制方式。經(jīng)過初始升壓，將高壓工作電源電壓升至23.3 V后，進(jìn)入高頻升壓過程。圖4所示為高壓工作電源電壓Up的升壓波形，圖5所示為升壓回路中電感電流L的波形。

從式（4）可以看出，在壓電陶瓷晶片材料參數(shù)確定的情況下，工作電壓UPJN理論上與導(dǎo)紗針末端的偏移位移δ0成正比，增大UPJN可顯著增大δ0，但增大了壓電陶瓷晶片被擊穿的可能性。因此，為了保證壓電陶瓷晶片的驅(qū)動額定電壓，根據(jù)式（13）和式（14）所示的能量傳遞關(guān)系，在升壓過程將高壓工作電源充電升壓至額定電壓Up（*為230 V左右）。從圖4可知，高壓工作電源在30 ms內(nèi)經(jīng)過49次遞增式升壓后，其電壓達(dá)到230 V，且L≤Iref=1A；隨著Up的增大，充電時間逐漸縮短，這與圖3所示的充電規(guī)律一致。

圖4 高壓工作電源電壓Up的升壓波形Fig.5 Boost waveform of high-voltage working power sup-ply voltage Up

圖5 升壓回路中電感電流L的波形Fig.5 Waveform of inductor current L in boost loop

在一個提花擺動周期內(nèi)PJN驅(qū)動電路的電壓、電流以及PWM波形如圖6所示。在高壓工作電源的驅(qū)動下，PJN從平衡位置開始，完成左偏移、停中（平衡位置）、右偏移、停中（平衡位置），即為一個提花擺動周期。從圖6(a)和圖6(b)可以看出：PJN的提花擺動周期為2 ms左右，滿足高速經(jīng)編機(jī)工藝要求；在一個提花擺動周期內(nèi)Up從230 V衰減到215 V，表明高壓工作電源驅(qū)動PJN完成2次提花擺動動作后，Up≈UPJN≈200 V，PJN驅(qū)動電路必須從工作狀態(tài)返回升壓充電狀態(tài)，將Up升至額定電壓Up*后重新進(jìn)入工作狀態(tài)。

傳統(tǒng)的提花經(jīng)編機(jī)控制電路中沒有儲能電感器，一般采用限流電阻器，電阻值為1 kΩ。假定工作條件不變，傳統(tǒng)PJN驅(qū)動電路高壓工作電源與工作電壓波形如圖7所示。從圖7（a）可以看出，由于限流電阻的損耗，在一個提花擺動周期內(nèi)高壓工作電源電壓就從230 V衰減至200 V；從圖7（b）中可以看出，導(dǎo)紗針右偏移時UPJN≈184V≤200V，已不滿足工藝要求。通過比較圖6（a）和圖7（a）可知，采用本文設(shè)計(jì)的新型PJN驅(qū)動電路能夠節(jié)能50%。

圖6 在一個提花擺動周期內(nèi)PJN驅(qū)動電路的電壓、電流以及PWM波形Fig.6 The voltage，current and PWM waveform of the PJN driving circuit in a jacquard oscillation period

圖7 傳統(tǒng)PJN驅(qū)動電路電壓波形Fig.7 Voltage waveform of traditional PJN drive circuit

5 結(jié)語

1）本文設(shè)計(jì)的新型PJN驅(qū)動電路采用儲能電感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)驅(qū)動電路的限流電阻器，使得該電路具有自升壓功能，無須外接高壓工作電源，僅需低壓供電電源，有效降低了電路的復(fù)雜度；而且可以利用電感器的儲能能力進(jìn)行能量回收，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能和低功耗。

2）通過高頻PWM信號控制PJN驅(qū)動電路，能夠?qū)崿F(xiàn)該電路工作模態(tài)和升壓模態(tài)的切換，保證了經(jīng)編提花工藝的實(shí)施。

3）將PJN高壓工作電源自升壓電路與PJN工作電路進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，提高了電路集成度，為經(jīng)編機(jī)嵌入式微型化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。