摘要：為解決開關式壓電陶瓷驅(qū)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(qū)動器。主電路拓撲上采用多路半橋并聯(lián)結(jié)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(jié)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(nèi)，驅(qū)動器能以良好的動態(tài)性能實現(xiàn)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(qū)動器;移相控制;諧波;LCL

　　0引言

　　壓電陶瓷是一種能夠?qū)�機械能和電能互相轉(zhuǎn)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(yī)療、聲納系統(tǒng)、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(fā)展，基于單層壓電陶瓷的產(chǎn)品已經(jīng)不能在諸多的應用領域中滿足要求，于是能產(chǎn)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(jié)構(gòu)進行封裝，即對壓電陶瓷起到保護作用，又使得其動態(tài)性能更好，這同時也對壓電陶瓷驅(qū)動器有了更高的要求，需要更高的驅(qū)動電壓、電流及低紋波[2]。

　　壓電陶瓷驅(qū)動器一般分為開關式和直流放大式，直流放大式驅(qū)動器輸出紋波小，但效率和輸出功率較低;而開關式驅(qū)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(qū)動器的性能更適合驅(qū)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(qū)動器輸出紋波大的問題，設計采用移相控制的并聯(lián)式主電路，增加驅(qū)動電流的等效開關頻率結(jié)合LCL濾波器，實現(xiàn)低紋波失真、高壓和大功率的驅(qū)動。

　　1電路設計

　　1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　驅(qū)動器將輸入的交流市電進行整流濾波變成直流，然后經(jīng)過DC-DC隔離電路進行隔離調(diào)壓，輸出可調(diào)直 流電壓給并聯(lián)式主電路提供直流電源。控制系統(tǒng)以TI公司的數(shù)字信號處理(DSP)芯片TMS320F28335為控制核心，對輸入信號進行采集，調(diào)節(jié)輸出脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號的占空比，PWM信號經(jīng)過隔離驅(qū)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(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。

　　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(lián)式主電路，使其輸出按輸入小信號變化的高壓信號以驅(qū)動壓電陶瓷。反饋電路包括采樣網(wǎng)絡和A/D芯片，采樣網(wǎng)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(wǎng)絡輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出給DSP。DSP將采集的數(shù)字信號與預設值做差后結(jié)合比例-積分-微分(PID)控制進一步調(diào)整輸出的PWM信號來對DC-DC隔離電路和并聯(lián)式主電路來實現(xiàn)閉環(huán)控制，以使放大增益閉環(huán)和提供驅(qū)動器的動態(tài)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(cè)半橋上下兩個交替導通，將整流濾波電路輸出的電壓Vin轉(zhuǎn)換成同幅值的交流電壓，加在變壓器T的一次側(cè)。改變驅(qū)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(lián)式主電路

　　它是由4路單相半橋電路并聯(lián)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(tǒng)的DSP通過修改移相寄存器產(chǎn)生4對8路正弦脈寬調(diào)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(qū)時間。每路輸出分別經(jīng)過電感L1、L2、L3和L4濾波，在E點相互疊加。再經(jīng)過電容C1和電感Lo構(gòu)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(xiàn)增益100倍的閉環(huán)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(wǎng)絡分壓，將高壓輸出信號轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)精度、1MHz采樣率的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片中。DSP通過串行外設接口與數(shù)模轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)。為防止高頻時驅(qū)動器輸出電流過大損壞驅(qū)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(zhuǎn)換為電壓信號。經(jīng)過隔離運放隔離放大后通過數(shù)模轉(zhuǎn)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(lián)式主電路的移相控制及仿真

　　并聯(lián)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(diào)制。最終產(chǎn)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(jīng)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(lián)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(jīng)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(jù)以上設計方案和仿真參數(shù)，設計了一臺基于移相控制的壓電陶瓷驅(qū)動器的實物。為對驅(qū)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(jù)溫度進行調(diào)速。測試采用的壓電陶瓷等效電容為5µF，最大驅(qū)動電壓為1000V。

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　　4結(jié)語

　　針對開關式壓電陶瓷驅(qū)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(qū)動器。主電路采用半橋電路并聯(lián)的結(jié)構(gòu)結(jié)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(jié)果表明基于該電路結(jié)構(gòu)和控制方法的開關式壓電陶瓷驅(qū)動器工作穩(wěn)定，輸出電流失真較小，具有良好的動態(tài)性能和快速的響應能力。

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　　作者：劉桃，桑朝春，朱玉玉，武麗