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。
中图分类号：TN86；TN384
文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212146
中文引用格式：康玉宽，郑翰琳，黄巧，等. 基于FPGA的大功率压电陶瓷数字驱动电源设计[J].电子技术应用，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.
文献标识码：A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.212146
中文引用格式：康玉宽，郑翰琳，黄巧，等. 基于FPGA的大功率压电陶瓷数字驱动电源设计[J].电子技术应用，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
随着国内科技的迅速发展，国内大部分领域对大推力、高精度的位移装置产生了迫切的需求。压电陶瓷具有逆压电效应的特性，而压电陶瓷叠堆由多片压电陶瓷组成，它们在机械上串联，在电路上并联，总推力相当于所有陶瓷片推力的总和[1]。叠堆型压电陶瓷具有体积小、响应速度快、推力大、精度高等优点，在国内外已经得到了广泛的应用[2]。
压电陶瓷的使用离不开驱动电源，而压电陶瓷的工作性能大部分由驱动电源的性能好坏决定，因此对压电陶瓷驱动电源有了更高的要求。目前压电陶瓷驱动电源主要分为电荷驱动型和电压驱动型两类[3]，电荷型的驱动方式存在低频稳定性差，静态工作下具有电荷泄露大、非线性、零点漂移严重的缺点；电压型的驱动方式结构电路简单、可靠性高、纹波小，在静态、低频应用中得到普遍的应用[4]。
因此本文在电压型半桥逆变拓扑[5]的基础上，基于FPGA设计了一款数字控制的大功率、高精度、低纹波的压电陶瓷驱动电源。
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作者信息：
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)
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