摘要：為解決開關式壓電陶瓷驅器輸出電流失真，紋波大等問題，設計了一套基于移相控制的壓電陶瓷驅動器。主電路拓撲上采用多路半橋并聯結合LCL濾波器電路，并采用移相控制，對拓撲和控制方法進行了仿真，通過了實驗驗證。實驗結果表明：當負載電容為5µF，輸入信號幅值為0～9.5V，頻率在5kHz～2kHz范圍內，驅動器能以良好的動態性能實現固定增益100倍輸出，最大輸出電壓950V，輸出電流總諧波失真小于5%。

　　關鍵詞：壓電陶瓷驅動器;移相控制;諧波;LCL

　　0引言

　　壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料，具有體積小、功率密度大、響應速度快和出力大等特點[1,2]。壓電陶瓷廣泛應用于超聲醫療、聲納系統、微位移輸出裝置、航空航天等研究領域[3～5]。但是，隨著科學技術的飛速發展，基于單層壓電陶瓷的產品已經不能在諸多的應用領域中滿足要求，于是能產生大位移、大推力的機械封裝壓電陶瓷堆疊受到了越來越多的關注。即將單片壓電陶瓷交叉堆疊起來，再用機械結構進行封裝，即對壓電陶瓷起到保護作用，又使得其動態性能更好，這同時也對壓電陶瓷驅動器有了更高的要求，需要更高的驅動電壓、電流及低紋波[2]。

　　壓電陶瓷驅動器一般分為開關式和直流放大式，直流放大式驅動器輸出紋波小，但效率和輸出功率較低;而開關式驅動器輸出效率和功率高，但輸出紋波和失真偏大，顯然開關式驅動器的性能更適合驅動壓電陶瓷堆疊[6]。而紋波電流對壓電陶瓷的使用壽命有著重大影響，同時也會引起機械應力，因為壓電陶瓷的位移與累積的電荷成比例[7,8]。為解決開關式驅動器輸出紋波大的問題，設計采用移相控制的并聯式主電路，增加驅動電流的等效開關頻率結合LCL濾波器，實現低紋波失真、高壓和大功率的驅動。

　　1電路設計

　　1.1系統結構

　　驅動器將輸入的交流市電進行整流濾波變成直流，然后經過DC-DC隔離電路進行隔離調壓，輸出可調直 流電壓給并聯式主電路提供直流電源。控制系統以TI公司的數字信號處理(DSP)芯片TMS320F28335為控制核心，對輸入信號進行采集，調節輸出脈沖寬度調制(PWM)信號的占空比，PWM信號經過隔離驅動隔離放大后控制DC-DC隔離電路中金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)的柵極電壓來實現輸出電壓的調節。

　　DSP在對輸入信號采集的同時輸出按輸入信號變化的PWM信號，控制并聯式主電路，使其輸出按輸入小信號變化的高壓信號以驅動壓電陶瓷。反饋電路包括采樣網絡和A/D芯片，采樣網絡對壓電陶瓷上的電壓和電流進行采集。A/D芯片將采樣網絡輸出的模擬信號轉換為數字信號并輸出給DSP。DSP將采集的數字信號與預設值做差后結合比例-積分-微分(PID)控制進一步調整輸出的PWM信號來對DC-DC隔離電路和并聯式主電路來實現閉環控制，以使放大增益閉環和提供驅動器的動態性能。

　　1.2DC-DC隔離電路

　　DC-DC隔離電路的拓撲，由Q1、Q2、Q3和Q44個MOSFET組成的全橋電路，互為對角的兩個同時導通，而同一側半橋上下兩個交替導通，將整流濾波電路輸出的電壓Vin轉換成同幅值的交流電壓，加在變壓器T的一次側。改變驅動MOSFET的PWM占空比就能改變二極管D1、D2、D3和D4組成整流電路的整流電壓平均值，也就改變了輸出電壓Vdc。

　　1.3并聯式主電路

　　它是由4路單相半橋電路并聯而成(A、B、C、D共4路)，輸入直流電壓Vdc由前級DC-DC隔離電路提供。控制系統的DSP通過修改移相寄存器產生4對8路正弦脈寬調制(SPWM)信號對電路進行控制，每路上下橋臂MOSFET的SPWM控制信號互補，為避免上下橋臂同時導通將電路短路，保留一定的死區時間。每路輸出分別經過電感L1、L2、L3和L4濾波，在E點相互疊加。再經過電容C1和電感Lo構成LCL濾波器濾波輸出到壓電陶瓷疊堆C2上，得到低失真、低紋波的正弦電壓和電流。

　　1.4反饋電路

　　實現增益100倍的閉環控制，需要實時采集輸出電壓的值作為反饋。電壓采集通過精度為0.1%的高精度電阻網絡分壓，將高壓輸出信號轉換為毫伏級信號，再通過隔離運放進行隔離放大后輸出到具有4通道、16位數據精度、1MHz采樣率的數模轉換芯片中。DSP通過串行外設接口與數模轉換芯片通信，讀取反饋瞬時電壓值，進行峰值檢測后與期望增益電壓值做差，進行PID調節。為防止高頻時驅動器輸出電流過大損壞驅動器或壓電陶瓷需要采集輸出電流進行過流保護。電流采集與輸出電壓采集同理，選用毫歐級的高精度采樣電阻，串接到輸出回路當中，將電流信號轉換為電壓信號。經過隔離運放隔離放大后通過數模轉換芯片輸出到DSP芯片中。由于電流信號一般為正弦信號，需要進行有效值計算。

　　2并聯式主電路的移相控制及仿真

　　并聯式主電路采用4重移相SPWM控制策略，4重移相SPWM的工作原理是，4個相位依次相差90°的三角載波信號，由一個同頻同相的正弦信號進行調制。最終產生4路相位依次相差90°的SPWM信號。這4路SPWM信號從上到下分別用于控制圖3中的M1、M2、M3和M4，它們的相位依次是0°、90°、180°和270°。8個MOSFET的SPWM控制信號，基波頻率均為2kHz，載波頻率(開關頻率)均為100kHz。

　　4個橋臂輸出4路幅值同Vdc的高壓SPWM信號頻率也為100kHz，僅相位依次相差90°。這4路高壓SPWM信號經過各自的濾波電感L1、L2、L3和L4的濾波在E點復合疊加后等效出的載波頻率為400kHz。在仿真軟件中進行4重移相并聯電路平臺的搭建并進行仿真。4路橋臂輸出電感中紋波頻率為100kHz的電流和它們經過復合疊加濾波后的輸出電流，該電流平滑無明顯失真且幅值為單路電流幅值的4倍。

　　3實驗驗證

　　根據以上設計方案和仿真參數，設計了一臺基于移相控制的壓電陶瓷驅動器的實物。為對驅動器中功率MOSFET進行良好的散熱，采用了從PCB背面安裝，平貼散熱器的方式，并加裝了風扇根據溫度進行調速。測試采用的壓電陶瓷等效電容為5µF，最大驅動電壓為1000V。

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　　4結語

　　針對開關式壓電陶瓷驅動器輸出電流失真，紋波大等問題，設計了基于移相控制的壓電陶瓷驅動器。主電路采用半橋電路并聯的結構結合移相控制，增加電流等效開關頻率，并采用LCL濾波器控制諧波。實驗結果表明基于該電路結構和控制方法的開關式壓電陶瓷驅動器工作穩定，輸出電流失真較小，具有良好的動態性能和快速的響應能力。

　　參考文獻：

　　[1]程凱,徐中訓.壓電陶瓷微位移機構系統的最少拍控制與計算機仿真[J].制造業自動化,1990(3).

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

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　　[6]殷亞東,楊慧玉,張大治.基于壓電陶瓷的大振幅振動臺研究[J].計測技術,2016,36(1):34-37.

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

　　作者：劉桃，桑朝春，朱玉玉，武麗