基于FPGA的大功率压电陶瓷数字驱动电源设计
2022年电子技术应用第4期
康玉宽1，郑翰琳2，黄 巧2，申 伟2
1.西南科技大学 城市学院，四川 绵阳621000；2.西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳621000
摘要： 目前叠堆型压电陶瓷最高能够产生70 kN的推力，且具有纳米级的精密定位。为提高压电陶瓷驱动电源的输出性能和精确度，提出了一种基于FPGA的大功率高精度压电陶瓷数字驱动电源的设计，具有100倍固定输出增益。该驱动电源以FPGA作为控制核心，采用半桥逆变的电路拓扑，同时引入闭环控制调节输出电压。在等效电容为5 μF的压电陶瓷负载下，该驱动电源的输入带宽为10 Hz~800 Hz，输出功率可达1 kW，电压纹波小于30 mV，输出精度高达99.3%。实验结果表明，该驱动电源可应用于振动台、六足控制平台等叠堆型压电陶瓷应用领域中，具有良好的驱动性能。
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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