超磁致伸縮微振動電驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

莫杭杰，楊斌堂，喻虎，曹逢雨

(上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240)

超磁致伸縮微振動電驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

莫杭杰，楊斌堂，喻虎，曹逢雨

(上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240)

為了實現(xiàn)對超磁致伸縮驅(qū)動器的微振動進(jìn)行實時精密控制，設(shè)計大功率程控電驅(qū)系統(tǒng)，包括恒流驅(qū)動電路和供電電路。首先，對該恒流驅(qū)動電路所采用的連續(xù)調(diào)整型恒流源的原理進(jìn)行研究。接著闡述該電路的具體設(shè)計以及元器件的選型。然后，詳細(xì)介紹該恒流驅(qū)動電路的供電電路所采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及具體設(shè)計。實驗結(jié)果表明：該大功率程控電驅(qū)系統(tǒng)輸入的小電壓信號與輸出大電流信號的線性度為0.105%，時漂為3 mA/h，頻率可達(dá)500 Hz，并且驅(qū)動超磁致伸縮驅(qū)動器實現(xiàn)1 Hz和5 Hz的正弦輸出，基本滿足了驅(qū)動超磁致伸縮微振動的高精度、高穩(wěn)定性、高集成度的要求。

振動與波；微振動；超磁致伸縮驅(qū)動器；驅(qū)動電路；恒流源

磁致伸縮材料(簡稱GMM)是一種新型的智能材料，20世紀(jì)80年代，美國Edge Technologies公司生產(chǎn)的Terfenol-D超磁致伸縮材料引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重視，并開始了廣泛的研究和應(yīng)用。特別是在微振動和精密驅(qū)動領(lǐng)域中，GMM的應(yīng)用前景十分廣闊[1]。它的飽和磁致伸縮應(yīng)變系數(shù)大(λ=0.8×10-3～1.6×10-3)，幾厘米的器件能產(chǎn)生幾十微米的位移；它的能量轉(zhuǎn)換效率高(49%～56%)，可以制造高能量轉(zhuǎn)換效率的機(jī)電產(chǎn)品；它的能量密度大，適用于制造大功率器件；它的響應(yīng)速度極快（達(dá)微秒級），可以制造超高靈敏電磁感應(yīng)器件[2–4]。但是，超磁致伸縮驅(qū)動器的性能，在很大程度上取決于給驅(qū)動器提供電能的電驅(qū)系統(tǒng)的性能。所以超磁致伸縮驅(qū)動器的電驅(qū)系統(tǒng)設(shè)計是目前阻礙超磁致伸縮驅(qū)動器應(yīng)用的技術(shù)難點之一。

近年來，研究超磁致伸縮驅(qū)動器的高校和科研院所都開始研制其電驅(qū)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[5]設(shè)計了基于ARM的恒流驅(qū)動電路，使用互補(bǔ)對稱的功率MOSFET作為后端功率放大器件，由于運(yùn)算放大器輸出電壓限制，使得輸出功率較小。文獻(xiàn)[6]通過在運(yùn)算放大器的供電電源兩端添加三極管，實現(xiàn)浮動供電將驅(qū)動電路的輸出電壓擴(kuò)大了一倍，一定程度上改善了動態(tài)性能。但是這些都只是涉及到驅(qū)動電路部分，并沒有設(shè)計與之相配的供電電路。其集成性和工程應(yīng)用性都不高。

針對目前設(shè)計的恒流驅(qū)動電路輸出功率不高、集成性較差、工程應(yīng)用性不強(qiáng)的問題，通過對電路原理進(jìn)行分析，設(shè)計大功率、高線性度、高動態(tài)響應(yīng)的驅(qū)動電路和與之匹配的供電電路，并用實驗對設(shè)計的電驅(qū)系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)性能指標(biāo)進(jìn)行測試。

1 驅(qū)動電路的原理

考慮到磁致伸縮材料高靈敏度的特性，選用紋波較小的連續(xù)調(diào)整型恒流源作為超磁致伸縮執(zhí)行器的驅(qū)動電路[7]。如圖1所示。

圖1 連續(xù)調(diào)整型電流源

連續(xù)調(diào)整型電流源中，US是控制恒流源輸出電流大小的輸入電壓信號，UIN是運(yùn)算放大器正向與反向輸入端的電壓差，K1是運(yùn)算放大器的增益，K2是功率轉(zhuǎn)換電路的電壓增益，RL是恒流源的外接負(fù)載，RS是采樣電阻。UO是負(fù)載兩端電壓，即輸出電壓，IO是流過負(fù)載的電流，即輸出電流，UD是供電電源提供的電壓[8]。

根據(jù)基本電路原理，由圖1可以得到

由式(1)可以推導(dǎo)出輸出電流表達(dá)式為

式(2)中，因為運(yùn)算放大器的增益K1很大，所以K1K2RS＞＞RS+RL，同理K1K2US＞＞K2UD-UO，則式(2)可近似寫為

由式(1)－式(3)可知，該恒流源電路的輸出電流只與輸入電壓和采樣電阻有關(guān)，與負(fù)載無關(guān)，在確定了采樣電阻的阻值之后，通過控制輸入電壓，便可以控制輸出電流。這就是連續(xù)調(diào)整型恒流源的原理。

2 電路設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 恒流電路設(shè)計

設(shè)計的恒流驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 恒流驅(qū)動電路

其由常用的運(yùn)算放大器OPA27精密運(yùn)算放大器、大功率運(yùn)算放大器PA340CC、功率MOSFET(即Q1和Q2)、高精密無感采樣電阻、保護(hù)二極管以及相應(yīng)的電阻和電容等組成。

其中，OPA27精密運(yùn)算放大器主要作用是增加輸入阻抗，減小輸出阻抗，起到緩沖的作用；大功率運(yùn)算放大器PA340CC是美國APEX公司的高壓運(yùn)放系列產(chǎn)品，可輸出±150 V的電壓擺幅，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常用的運(yùn)算放大器，因此可以驅(qū)動較大功率的磁致伸縮驅(qū)動器。磁致伸縮驅(qū)動器的勵磁線圈就是恒流驅(qū)動電路的負(fù)載，在電路中為R9和L1。由于負(fù)載呈感性，使用了電容C9和電阻R10進(jìn)行相位補(bǔ)償。

該電路是由運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相比例運(yùn)算電路。由運(yùn)算放大器“虛短”和“虛斷”的特性可得如下公式

式中Ua、Ub分別為運(yùn)算放大器的同相輸入端和反相輸入端的電壓；R3、R4是分壓電阻；R15是采樣電阻，選用兩個大功率精密無感軍用電阻(0.5 Ω/20 W)并聯(lián)。

由式(4)可以推導(dǎo)出輸出電流的公式為

式(5)表明，輸出電流Io與輸入電壓Ui成正比，與負(fù)載無關(guān)。通過測試采樣電阻R15兩端電壓，即可得到通過磁致伸縮驅(qū)動器的電流。

2.2 限流電路

功率MOSFET在工作時，可能會因為各種問題造成過大的輸出電流，損壞功率MOSFET，因此有必要設(shè)計其限流電路。圖3為Q1、Q2和電阻構(gòu)成的MOSFET限流電路，其中Q3和Q4是功率MOSFET，三極管Q1、Q2和電阻R3、R4起限流保護(hù)作用。

其工作原理為：假設(shè)電路輸出正向電流，則柵極電壓VG1上升，開啟場效應(yīng)管Q3，電流Io從上往下流經(jīng)電阻R3輸出。隨著Io的增加，電阻R3上的壓降增加，則三極管Q1的基級電壓隨之增加，一旦到達(dá)三極管Q1的開啟電壓，則三極管Q1導(dǎo)通，場效應(yīng)管Q3的柵極電壓VG1下降，輸出電流Io也隨之下降。通過這種方式，電路實現(xiàn)了限流保護(hù)，限制電流的大小為

式中Im為限流后電路輸出電流的最大值；Von為三極管Q1和Q2的開啟電壓；RL為限流電阻。實際設(shè)計中選用0.1 Ω的限流電阻，使得輸出電流控制在7 A以下。

2.3 供電電路設(shè)計

恒流驅(qū)動電路中，OPA27運(yùn)算放大器需要正負(fù)15 V供電電壓，PA340CC功率運(yùn)算放大器需要正負(fù)60 V供電電壓，且正負(fù)60 V輸出電壓還需要有較大的輸出電流，以驅(qū)動超磁致伸縮驅(qū)動器，因此需要設(shè)計其供電電路，保證該恒流驅(qū)動電路正常工作。

在權(quán)衡輸出性能、集成性和實用性后，選擇開關(guān)型設(shè)計恒流源驅(qū)動器的供電電壓。

圖4為采用SPDM控制器的半橋式開環(huán)供電電路。該電路的輸入電壓為工頻市電，經(jīng)整流橋濾波后在變壓器的輸入端達(dá)到約300 V的直流電壓。300 V的直流電壓經(jīng)過半橋式DC-DC轉(zhuǎn)換為正負(fù)60 V直流電壓，此外，電路通過7805、7815、7915三端穩(wěn)壓器輸出正5 V電壓和正負(fù)15 V電壓。正5 V電壓用于給控制器、LED等模塊供電，正負(fù)15 V電壓用于給運(yùn)算放大器OPA27供電。

該開關(guān)型供電電源采用的半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 半橋式開環(huán)供電電源

兩個功率開關(guān)管Q1和Q2在PWM信號作用下，交替地導(dǎo)通與截止。當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時，在輸入電壓Vin作用下，電流經(jīng)Q1、變壓器初級繞組N1、電容C3和電容C2給變壓器初級繞組N1勵磁，經(jīng)次級二極管D3、繞組N2給負(fù)載供電。開關(guān)管Q2導(dǎo)通時情況類似。通過功率開關(guān)管Q1、Q2交替給變壓器初級繞組N1勵磁并為負(fù)載供電。通過改變導(dǎo)通開關(guān)的占空比，可以改變二次側(cè)整流電壓的平均值，從而達(dá)到改變輸出電壓Vo的目的[9]。

圖5 半橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 實驗結(jié)果

根據(jù)實驗室現(xiàn)有的超磁致伸縮驅(qū)動器，搭建如圖6所示的實驗平臺。

圖6實驗測試平臺

圖7是實驗平臺結(jié)構(gòu)框圖。首先是測試電驅(qū)系統(tǒng)的靜態(tài)輸出特性。負(fù)載電感量為10 mH，靜態(tài)電阻為8.4 Ω（實測），采用NF的數(shù)字信號發(fā)生器輸入電壓，測得圖(6)中電阻R15兩端電壓Ub，并換算成電流，獲得實驗數(shù)據(jù)如表1所示。該實驗中R3=R4，則由式(5)可得理論數(shù)值Io=2×Ui。

圖7 實驗測試平臺結(jié)構(gòu)框圖

非線性度是表征該電驅(qū)系統(tǒng)靜態(tài)性能的一個重要參數(shù)，是指該系統(tǒng)的輸出、輸入之間保持線性關(guān)系的一種度量。圖8為表1數(shù)據(jù)所作的定度曲線以及用最小二乘法進(jìn)行回歸得到的擬合曲線，兩者幾乎重合。

圖8定度曲線和擬合曲線

圖9為實際輸出電流與擬合輸出電流差值。

圖9 輸出電流與擬合電流差值

求得的擬合直線方程為

定度曲線和擬合直線的偏差為

將表1實測的21個點值代入，得到如圖所示殘差圖，可求得在輸入電壓為2.5 V、輸出電流為4.774 A時輸出電流與擬合直線間的偏差最大，為那么恒流驅(qū)動電路的非線性度為

然后是測試該電驅(qū)系統(tǒng)的動態(tài)輸出特性。分別輸入幅值為1 V的1 Hz和500 Hz的正弦電壓信號，測量流過驅(qū)動器的電流值，如圖10和圖11所示。

圖10 1 Hz輸出電流

圖11 500 Hz輸出電流

可以發(fā)現(xiàn)在1 Hz的時候輸出的電流波形是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，在500 Hz的時候輸出的電流正弦波在峰值處出現(xiàn)了失真。但是，我們在實際使用時使用的頻率較低，諧波失真很小，不會產(chǎn)生影響。

此外，對該電驅(qū)系統(tǒng)的輸出電流隨時間的變化進(jìn)行了測試，在輸入電壓為1 V時，記錄1小時內(nèi)輸出電流的變化量為3 mA。

表1 電驅(qū)系統(tǒng)靜態(tài)輸入輸出實驗數(shù)據(jù)

最后測試了開環(huán)狀態(tài)下該電驅(qū)系統(tǒng)驅(qū)動超磁致伸縮驅(qū)動器的動態(tài)性能。圖12－圖15分別是輸入電壓幅值為1 V、正向偏置為1 V、頻率分別為1 Hz和5 Hz正弦信號時得到的驅(qū)動器輸出位移曲線和對應(yīng)的幅頻特性曲線。

圖12 1 Hz輸入時輸出位移

圖13 1 Hz輸入時輸出位移的幅頻特性

圖14 5 Hz輸出位移

GMM本身固有的磁滯特性以及環(huán)境的影響導(dǎo)致GMA的輸出位移存在滯回性強(qiáng)、重復(fù)性差和非線性嚴(yán)重等缺陷，開環(huán)情況下的輸出波形肯定存在一定失真。

以上的靜動態(tài)性能測試表明，設(shè)計的電驅(qū)系統(tǒng)具有較大的輸出功率和良好的性能。非線性度和時漂都非常小，分辨率高，動態(tài)響應(yīng)性好，并且能夠驅(qū)動磁致伸縮驅(qū)動器實現(xiàn)微振動。

圖15 5 Hz輸入時輸出位移的幅頻特性

4 結(jié)語

根據(jù)連續(xù)調(diào)整型恒流源原理，設(shè)計了超磁致伸縮驅(qū)動器的電驅(qū)系統(tǒng)，包括恒流驅(qū)動電路和供電電路，連續(xù)可調(diào)輸出電流范圍為-5A～+5A，最大輸出電壓±60 V，不僅能驅(qū)動較大功率的負(fù)載，而且系統(tǒng)的集成性高，極大的提高了超磁致伸縮器在微振動和精密定位領(lǐng)域的工程應(yīng)用前景。實際測試結(jié)果表明：該恒流驅(qū)動電路的線性度高、分辨率高動態(tài)響應(yīng)好，時漂小，并且能夠驅(qū)動超磁致伸縮驅(qū)動器實現(xiàn)微振動的。

[1]LIU J H,JIANG C B,XU H B.Giant magne-tostritive materials[J].Science China Technological Sciences,2012, 55(5):1319-1326.

[2]CLAEYSSENF,LHERMETN,MAILLARDT. Magnetostrictiveactuatorscomparedtopiezoelectric actuators[C]Proc.SPIE conf.Smart Struct.Eng.Technol., 2003,4763:194-200.

[3]BODY C,REYNE G,MEUNIER G,et al.Appli-cation of magnetostrictive thin films for mic-rodevices[J].IEEE Transactions on Magnetics,1997,33(2):2163-2166.

[4]趙寅，楊斌堂，彭志科，等.超磁致伸縮驅(qū)動器自適應(yīng)精密驅(qū)動控制研究[J].噪聲與振動控制，2013，33(6)：1-4.

[5]張國慶，潘仲明.基于ARM的超磁致伸縮微驅(qū)動器的偏置與驅(qū)動電路設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2012(2)：477-479.

[6]葛榮杰，鄔義杰，徐君，等.基于通用運(yùn)放的GMA用大功率恒流驅(qū)動源設(shè)計[J].機(jī)床與液壓，2008，36(2)：5-7.

[7]GUO S,GAO Y,XU Y,et al.Digital PWM controller for high-frequency low-power DC-DC switching mode power supply[C].Powerelectronicsandmotioncontrol conference,2009.IPEMC′09.IEEE 6 th International.IEEE,2009:1340-1346.

[8]胡承志.超磁致伸縮驅(qū)動器電流源的設(shè)計[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[9]張波，焦小芝.基于SG3525A的半橋式開關(guān)電源[J].電子與封裝，2012，12(6)：18-20.

Design and Implementation of the Electric Drive System for Giant Magnetostrictive Micro-vibration Control

MO Hang-jie,YANG Bin-tang,YUHu,CAO Feng-yu
(State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240,China)

To realize the precise control of the micro-vibration of the giant magnetostrictive actuators,a high power program controlled electric driving system,including constant current driving circuit and power supply circuit,is designed. Firstly,the principle and the control structure of the electric driving system used in the circuit are studied.Then,the specific design of the circuit and the selection of components are described in detail.Besides,the topological structure and the specific circuit design of the power supply for the drive circuit are introduced.The experimental result shows that the linearity degree of the input voltage vs.the output current of the high power constant-current driving circuit is 0.105%;the time drift of the output current is 3 mA/h;and the frequency is up to 500 Hz.The 1 Hz and 5 Hz sinusoidal output is realized for the giant magnetostrictive actuator.Thus,the requirements of high precision and stability of the output micro-vibration of the giant magnetostrictive actuators are satisfied.

vibration and wave;micro-vibration;giant magnetostrictive actuator;driving circuit;constant-current source

O32

A

10.3969/j.issn.1006-1355.2017.02.007

1006-1355(2017)02-0033-05

2016-10-28

莫杭杰(1991－)，男，浙江省湖州市人，碩士，主要研究方向為振動控制。E-mail:hangjie_mo@sjtu.edu.cn

楊斌堂，男，博士生導(dǎo)師。E-mail:btyang@sjtu.edu.cn