基于FPGA的大功率壓電陶瓷數字驅動電源設計
2022年電子技術應用第4期
康玉寬1，鄭翰琳2，黃 巧2，申 偉2
1.西南科技大學 城市學院，四川 綿陽621000；2.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽621000
摘要： 目前疊堆型壓電陶瓷最高能夠產生70 kN的推力，且具有納米級的精密定位。為提高壓電陶瓷驅動電源的輸出性能和精確度，提出了一種基于FPGA的大功率高精度壓電陶瓷數字驅動電源的設計，具有100倍固定輸出增益。該驅動電源以FPGA作為控制核心，采用半橋逆變的電路拓撲，同時引入閉環控制調節輸出電壓。在等效電容為5 μF的壓電陶瓷負載下，該驅動電源的輸入帶寬為10 Hz~800 Hz，輸出功率可達1 kW，電壓紋波小于30 mV，輸出精度高達99.3%。實驗結果表明，該驅動電源可應用于振動臺、六足控制平臺等疊堆型壓電陶瓷應用領域中，具有良好的驅動性能。
中圖分類號： TN86；TN384
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212146
中文引用格式： 康玉寬，鄭翰琳，黃巧，等. 基于FPGA的大功率壓電陶瓷數字驅動電源設計[J].電子技術應用，2022，48(4)：39-43.
英文引用格式： Kang Yukuang，Zheng Hanlin，Huang Qiao，et al. Design of high power piezoelectric ceramic digital drive power based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(4)：39-43.
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212146
中文引用格式： 康玉寬，鄭翰琳，黃巧，等. 基于FPGA的大功率壓電陶瓷數字驅動電源設計[J].電子技術應用，2022，48(4)：39-43.
英文引用格式： Kang Yukuang，Zheng Hanlin，Huang Qiao，et al. Design of high power piezoelectric ceramic digital drive power based on FPGA[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(4)：39-43.
Design of high power piezoelectric ceramic digital drive power based on FPGA
Kang Yukuang1，Zheng Hanlin2，Huang Qiao2，Shen Wei2
1.City College，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China； 2.School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621000，China
Abstract： At present, the stacked piezoelectric ceramics can generate a thrust of up to 70 kN, and have nanometer-level precision positioning. In order to improve the output performance and accuracy of piezoelectric ceramic drive power, a design of high-power and high-precision piezoelectric ceramic digital drive power based on FPGA is proposed, which has a fixed output gain of 100 times. The driving power supply uses FPGA as the control core, adopts a half-bridge inverter circuit topology, and introduces closed-loop control to adjust the output voltage. Under a piezoelectric ceramic load with an equivalent capacitance of 5 μF, the input bandwidth of the drive power supply is 10 Hz~800 Hz, the output power can reach 1 kW, the voltage ripple is less than 30 mV, and the output accuracy is as high as 99.3%. The experimental results show that the driving power supply can be used in the application fields of stacked piezoelectric ceramics such as vibrating table and hexapod control platform, and has good driving performance.
Key words : piezoelectric ceramics；driving power supply；FPGA；high power；high precision
0 引言
隨著國內科技的迅速發展，國內大部分領域對大推力、高精度的位移裝置產生了迫切的需求。壓電陶瓷具有逆壓電效應的特性，而壓電陶瓷疊堆由多片壓電陶瓷組成，它們在機械上串聯，在電路上并聯，總推力相當于所有陶瓷片推力的總和[1]。疊堆型壓電陶瓷具有體積小、響應速度快、推力大、精度高等優點，在國內外已經得到了廣泛的應用[2]。
壓電陶瓷的使用離不開驅動電源，而壓電陶瓷的工作性能大部分由驅動電源的性能好壞決定，因此對壓電陶瓷驅動電源有了更高的要求。目前壓電陶瓷驅動電源主要分為電荷驅動型和電壓驅動型兩類[3]，電荷型的驅動方式存在低頻穩定性差，靜態工作下具有電荷泄露大、非線性、零點漂移嚴重的缺點；電壓型的驅動方式結構電路簡單、可靠性高、紋波小，在靜態、低頻應用中得到普遍的應用[4]。
因此本文在電壓型半橋逆變拓撲[5]的基礎上，基于FPGA設計了一款數字控制的大功率、高精度、低紋波的壓電陶瓷驅動電源。
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作者信息：
康玉寬1，鄭翰琳2，黃 巧2，申 偉2
(1.西南科技大學 城市學院，四川 綿陽621000；2.西南科技大學 信息工程學院，四川 綿陽621000)
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