基于移相控制的压电陶瓷驱动器设计

　　摘要：为解决开关式压电陶瓷驱器输出电流失真，纹波大等问题，设计了一套基于移相控制的压电陶瓷驱动器。主电路拓扑上采用多路半桥并联结合LCL滤波器电路，并采用移相控制，对拓扑和控制方法进行了仿真，通过了实验验证。实验结果表明：当负载电容为5µF，输入信号幅值为0～9.5V，频率在5kHz～2kHz范围内，驱动器能以良好的动态性能实现固定增益100倍输出，最大输出电压950V，输出电流总谐波失真小于5%。

　　关键词：压电陶瓷驱动器;移相控制;谐波;LCL

　　0引言

　　压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，具有体积小、功率密度大、响应速度快和出力大等特点[1,2]。压电陶瓷广泛应用于超声医疗、声纳系统、微位移输出装置、航空航天等研究领域[3～5]。但是，随着科学技术的飞速发展，基于单层压电陶瓷的产品已经不能在诸多的应用领域中满足要求，于是能产生大位移、大推力的机械封装压电陶瓷堆叠受到了越来越多的关注。即将单片压电陶瓷交叉堆叠起来，再用机械结构进行封装，即对压电陶瓷起到保护作用，又使得其动态性能更好，这同时也对压电陶瓷驱动器有了更高的要求，需要更高的驱动电压、电流及低纹波[2]。

　　压电陶瓷驱动器一般分为开关式和直流放大式，直流放大式驱动器输出纹波小，但效率和输出功率较低;而开关式驱动器输出效率和功率高，但输出纹波和失真偏大，显然开关式驱动器的性能更适合驱动压电陶瓷堆叠[6]。而纹波电流对压电陶瓷的使用寿命有着重大影响，同时也会引起机械应力，因为压电陶瓷的位移与累积的电荷成比例[7,8]。为解决开关式驱动器输出纹波大的问题，设计采用移相控制的并联式主电路，增加驱动电流的等效开关频率结合LCL滤波器，实现低纹波失真、高压和大功率的驱动。

　　1电路设计

　　1.1系统结构

　　驱动器将输入的交流市电进行整流滤波变成直流，然后经过DC-DC隔离电路进行隔离调压，输出可调直 流电压给并联式主电路提供直流电源。控制系统以TI公司的数字信号处理(DSP)芯片TMS320F28335为控制核心，对输入信号进行采集，调节输出脉冲宽度调制(PWM)信号的占空比，PWM信号经过隔离驱动隔离放大后控制DC-DC隔离电路中金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的栅极电压来实现输出电压的调节。

　　DSP在对输入信号采集的同时输出按输入信号变化的PWM信号，控制并联式主电路，使其输出按输入小信号变化的高压信号以驱动压电陶瓷。反馈电路包括采样网络和A/D芯片，采样网络对压电陶瓷上的电压和电流进行采集。A/D芯片将采样网络输出的模拟信号转换为数字信号并输出给DSP。DSP将采集的数字信号与预设值做差后结合比例-积分-微分(PID)控制进一步调整输出的PWM信号来对DC-DC隔离电路和并联式主电路来实现闭环控制，以使放大增益闭环和提供驱动器的动态性能。

　　1.2DC-DC隔离电路

　　DC-DC隔离电路的拓扑，由Q1、Q2、Q3和Q44个MOSFET组成的全桥电路，互为对角的两个同时导通，而同一侧半桥上下两个交替导通，将整流滤波电路输出的电压Vin转换成同幅值的交流电压，加在变压器T的一次侧。改变驱动MOSFET的PWM占空比就能改变二极管D1、D2、D3和D4组成整流电路的整流电压平均值，也就改变了输出电压Vdc。

　　1.3并联式主电路

　　它是由4路单相半桥电路并联而成(A、B、C、D共4路)，输入直流电压Vdc由前级DC-DC隔离电路提供。控制系统的DSP通过修改移相寄存器产生4对8路正弦脉宽调制(SPWM)信号对电路进行控制，每路上下桥臂MOSFET的SPWM控制信号互补，为避免上下桥臂同时导通将电路短路，保留一定的死区时间。每路输出分别经过电感L1、L2、L3和L4滤波，在E点相互叠加。再经过电容C1和电感Lo构成LCL滤波器滤波输出到压电陶瓷叠堆C2上，得到低失真、低纹波的正弦电压和电流。

　　1.4反馈电路

　　实现增益100倍的闭环控制，需要实时采集输出电压的值作为反馈。电压采集通过精度为0.1%的高精度电阻网络分压，将高压输出信号转换为毫伏级信号，再通过隔离运放进行隔离放大后输出到具有4通道、16位数据精度、1MHz采样率的数模转换芯片中。DSP通过串行外设接口与数模转换芯片通信，读取反馈瞬时电压值，进行峰值检测后与期望增益电压值做差，进行PID调节。为防止高频时驱动器输出电流过大损坏驱动器或压电陶瓷需要采集输出电流进行过流保护。电流采集与输出电压采集同理，选用毫欧级的高精度采样电阻，串接到输出回路当中，将电流信号转换为电压信号。经过隔离运放隔离放大后通过数模转换芯片输出到DSP芯片中。由于电流信号一般为正弦信号，需要进行有效值计算。

　　2并联式主电路的移相控制及仿真

　　并联式主电路采用4重移相SPWM控制策略，4重移相SPWM的工作原理是，4个相位依次相差90°的三角载波信号，由一个同频同相的正弦信号进行调制。最终产生4路相位依次相差90°的SPWM信号。这4路SPWM信号从上到下分别用于控制图3中的M1、M2、M3和M4，它们的相位依次是0°、90°、180°和270°。8个MOSFET的SPWM控制信号，基波频率均为2kHz，载波频率(开关频率)均为100kHz。

　　4个桥臂输出4路幅值同Vdc的高压SPWM信号频率也为100kHz，仅相位依次相差90°。这4路高压SPWM信号经过各自的滤波电感L1、L2、L3和L4的滤波在E点复合叠加后等效出的载波频率为400kHz。在仿真软件中进行4重移相并联电路平台的搭建并进行仿真。4路桥臂输出电感中纹波频率为100kHz的电流和它们经过复合叠加滤波后的输出电流，该电流平滑无明显失真且幅值为单路电流幅值的4倍。

　　3实验验证

　　根据以上设计方案和仿真参数，设计了一台基于移相控制的压电陶瓷驱动器的实物。为对驱动器中功率MOSFET进行良好的散热，采用了从PCB背面安装，平贴散热器的方式，并加装了风扇根据温度进行调速。测试采用的压电陶瓷等效电容为5µF，最大驱动电压为1000V。

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　　4结语

　　针对开关式压电陶瓷驱动器输出电流失真，纹波大等问题，设计了基于移相控制的压电陶瓷驱动器。主电路采用半桥电路并联的结构结合移相控制，增加电流等效开关频率，并采用LCL滤波器控制谐波。实验结果表明基于该电路结构和控制方法的开关式压电陶瓷驱动器工作稳定，输出电流失真较小，具有良好的动态性能和快速的响应能力。

　　参考文献：

　　[1]程凯,徐中训.压电陶瓷微位移机构系统的最少拍控制与计算机仿真[J].制造业自动化,1990(3).

　　[2]张磊.高压压电陶瓷驱动电源技术研究[D].哈尔滨工业大学,2014.

　　[3]压电陶瓷基本特性研究[J].光学精密工程,1998,6(5):26-32.

　　[4]ZhangX,ZhangG,NakamuraK,etal.Arobotfingerjointdrivenbyhybridmulti-DOFpiezoelectricultrasonicmotor[J].Sensors&ActuatorsAPhysical,2011,169(1):206-210.

　　[5]侯志伟,陈仁文,刘祥建.多方向压电振动能量收集装置及其优化设计[J].振动与冲击,2012,31(16):33-37.

　　[6]殷亚东,杨慧玉,张大治.基于压电陶瓷的大振幅振动台研究[J].计测技术,2016,36(1):34-37.

　　[7]KarpelsonM,WeiGY,WoodRJ.Drivinghighvoltagepiezoelectricactuatorsinmicroroboticapplications[J].SensorsandActuators:APhysical,2012,176(none):78-89.

　　作者：刘桃，桑朝春，朱玉玉，武丽