一種多路壓電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研制及實(shí)驗(yàn)研究

何加橋，朱 麗，卜雄洙，章維一，楊 眉

(南京理工大學(xué)微系統(tǒng)研究室，江蘇南京210094)

一種多路壓電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研制及實(shí)驗(yàn)研究

何加橋，朱 麗，卜雄洙，章維一，楊 眉

(南京理工大學(xué)微系統(tǒng)研究室，江蘇南京210094)

針對粉體微輸送的基本要求，提出一種基于DDS技術(shù)的多路壓電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)包括了波形存儲模塊、基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生模塊、基準(zhǔn)電壓設(shè)置模塊以及D/A輸出模塊等。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多路信號的獨(dú)立控制和輸出，電壓范圍為0～100 V，頻率范圍為0～256 Hz，最后以羥基磷灰石和鈦粉為例，進(jìn)行了多路粉體微輸送實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完全滿足多種粉體微輸送的要求，并且具有非常高的穩(wěn)定性和可靠性。

壓電作動(dòng)器;任意波形發(fā)生器;DDS

粉體微輸送可應(yīng)用于激光熔覆、材料篩選等領(lǐng)域中[1-2],而目前粉體微輸送研究的較多的是氣力輸送。粉體氣力輸送技術(shù)分為稀相輸送和濃相輸送，稀相輸送時(shí)容易造成粉體散開，濃相輸送則容易使粉體堵塞流道，影響粉體輸送的穩(wěn)定性。所以無論濃相還是稀相都存在粉體輸送量分辨率不高，輸送過程可控性不高的問題[3]。

南京理工大學(xué)提出以脈沖為微流動(dòng)基本形態(tài)、以脈沖當(dāng)?shù)貞T性力為主動(dòng)力，對粉體進(jìn)行微輸送，分辨率達(dá)到飛升級。其實(shí)現(xiàn)的主要原理為：使用壓電作動(dòng)器產(chǎn)生脈沖慣性力，通過改變壓電作動(dòng)器兩端的電壓、頻率以及波形等驅(qū)動(dòng)參數(shù)來使得微管道內(nèi)的粉體獲得足夠大的加速度，從而克服摩擦力或者粘性力完成粉體微輸送的過程。

目前對于壓電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要有德國PI公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)系列，國內(nèi)主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了相關(guān)的研究。以德國PI公司生產(chǎn)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)為例，其最大的輸出電壓范圍為0～150 V，但是其輸出功率非常小，只適用于精密定位，并且輸出的波形僅限正弦波、方波等常見波形，在實(shí)際中無法滿足對于粉體微輸送的研究需求。南京理工大學(xué)微系統(tǒng)研究室針對粉體微輸送的特點(diǎn)，對壓電控制系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究工作，并且取得了一系列的成果。但原有開發(fā)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)仍然存在著一些問題，如依賴于工控機(jī)的控制、穩(wěn)定性較低、成本較高等問題，同時(shí)，在對發(fā)光材料、梯度材料的制備過程中，需要同時(shí)對多種粉體進(jìn)行微輸送，而原有系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)多路粉體微輸送獨(dú)立控制[4-5]。本文為解決這些問題，提出了一種基于DDS（Direct digital synthesizer）技術(shù)的多路壓電控制系統(tǒng)解決方案，并研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，為粉體微輸送在梯度材料、復(fù)合材料的制備以及材料篩選中打下基礎(chǔ)。

1 多路壓電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)

多路壓電控制系統(tǒng)包括任意波形發(fā)生模塊和功率放大兩個(gè)模塊，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。具體的工作流程為上位機(jī)通過串口向下位機(jī)發(fā)送控制字，單片機(jī)接收到控制字后辨別是否為這一路的控制信號，辨別信號后就開始進(jìn)行電壓設(shè)置、頻率設(shè)置、波形寫入、開始和停止等操作，在設(shè)置好每一路的波形、頻率和電壓等參數(shù)后，點(diǎn)擊開始，信號源就開始輸出一個(gè)0到10 V的電壓，這個(gè)信號經(jīng)過功率放大電路放大之后就可以用來驅(qū)動(dòng)壓電作動(dòng)器。特別需要說明的是，對于多路可編程任意波形驅(qū)動(dòng)控制器的通信問題仍然采用的是串口通信，但為了能夠有效地對四路信號進(jìn)行分別控制而不產(chǎn)生干擾，在程序設(shè)計(jì)中采用地址編碼的方法，即將每一路的通信控制字都設(shè)置成不同的值，即第一路寫入數(shù)據(jù)時(shí)的控制字和第二路的寫入數(shù)據(jù)控制字是不相同的，保證上位機(jī)PC和下位機(jī)控制字一致。

圖1 系統(tǒng)總體模塊框圖

1.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。PC和ATmega8535L通過RS232進(jìn)行通信，將上位機(jī)設(shè)置的波形、驅(qū)動(dòng)電壓、頻率等數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。

圖2 硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

本設(shè)計(jì)中使用兩片AT28C64來進(jìn)行波形數(shù)據(jù)的存儲，形成一個(gè)16位的波形存儲器，每個(gè)波形由1 000個(gè)點(diǎn)組成。同時(shí)考慮到在D/A轉(zhuǎn)換中采用的是12位D/A轉(zhuǎn)換芯片，因而在存儲上只使用了低12位，以保持和后續(xù)的D/A轉(zhuǎn)換位數(shù)一致，方便設(shè)計(jì)。圖3為AT28C64存儲模塊。

圖3 AT28C64存儲模塊

基準(zhǔn)頻率產(chǎn)主電路的功能是根據(jù)上位機(jī)控制界面中設(shè)定的輸出頻率來產(chǎn)生相應(yīng)的地址計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘。由于有1 000個(gè)數(shù)據(jù)樣點(diǎn)，因此驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率應(yīng)是輸出頻率的1 000倍。如圖4所示為基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生電路。在HCF4060的第2個(gè)引腳輸出標(biāo)準(zhǔn)的1 kHz的方波，通過控制單片機(jī)I/O口的輸出就可以實(shí)現(xiàn)對基準(zhǔn)頻率進(jìn)行倍頻，在74HC4046的第4引腳可以輸出1 kHz的整數(shù)倍信號，其輸出頻率最大為256 kHz。

圖4 基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生模塊

基準(zhǔn)電壓是在I/O口設(shè)置對應(yīng)值然后通過MAX507來進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置的電壓作為D/A轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓。AD565是一款12位的高速D/A轉(zhuǎn)換芯片，AD565接收從存儲器傳輸?shù)牟ㄐ螖?shù)據(jù)來進(jìn)行轉(zhuǎn)換和輸出。圖5為基準(zhǔn)電壓設(shè)置和D/A輸出。

圖5 基準(zhǔn)電壓設(shè)置和D/A輸出

功率放大模塊是多路壓電控制系統(tǒng)中的重要組成部分，任意波形發(fā)生模塊產(chǎn)生需要的波形，功率放大模塊則將產(chǎn)生的波形信號進(jìn)行功率放大，功率放大模塊如圖6所示。針對粉體微輸送的要求，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中將放大倍數(shù)設(shè)置為10倍，即實(shí)際輸出電壓為0～100 V，其實(shí)現(xiàn)原理為：通過改變RP1的阻值，使得(R7+RP1)/R8=10，即可達(dá)到將電壓放大10倍的目的。在電流放大部分，采用兩對2SC5200和2SA1943對管來實(shí)現(xiàn)。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)程序設(shè)計(jì)和下位機(jī)程序設(shè)計(jì)。本文使用C語言來進(jìn)行上位機(jī)程序的開發(fā)，采用傳統(tǒng)的SDK程序設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)的程序窗口如圖7所示。

下位機(jī)采用消息喚醒機(jī)制，當(dāng)收到串口發(fā)送的控制字時(shí)，單片機(jī)進(jìn)行波形寫入、電壓頻率設(shè)置、開始、停止等操作，以單路為例來說明下位機(jī)的工作過程。

圖6 功率放大模塊電路圖

圖7 上位機(jī)程序窗口

2 系統(tǒng)測試及實(shí)驗(yàn)

2.1 系統(tǒng)測試

圖8為試制的多路壓電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)樣機(jī)。系統(tǒng)的輸出電壓范圍為0～100 V，最小分辨率為0.1 V，頻率輸出范圍為0～256 Hz，分辨率為1 Hz，能夠?qū)崿F(xiàn)四路信號波形、驅(qū)動(dòng)電壓、頻率獨(dú)立控制。圖9為按照圖6所設(shè)置的波形、驅(qū)動(dòng)電壓和頻率的波形輸出測試圖。

圖8 多路壓電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)物圖

圖9 多路輸出波形實(shí)際效果圖

2.2 多路粉體微輸送實(shí)驗(yàn)

多路粉體微輸送實(shí)驗(yàn)示意圖如圖10所示。系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、多路壓電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、二維工作臺及其控制系統(tǒng)、微噴嘴、數(shù)碼顯微鏡等組成。實(shí)驗(yàn)中采用HA(羥基磷灰石)粉和Ti(鈦)粉，HA粉和Ti粉按照一定的比例進(jìn)行輸送、混合、燒結(jié)后可以獲得梯度材料，該梯度材料可作為生物醫(yī)用植入材料。使用不同的驅(qū)動(dòng)電壓、頻率進(jìn)行兩路粉體微輸送實(shí)驗(yàn)。圖10為最終得到的粉線圖，圖11(a)為HA粉，(b)為Ti粉，HA粉的線寬為2 mm，Ti粉的線寬為0.5 mm。

3 結(jié)束語

圖10 多路粉體微輸送實(shí)驗(yàn)示意圖

圖11 多路粉體微輸送效果圖

粉體微輸送在激光熔覆、材料篩選等領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用，因而對于粉體微輸送及其相關(guān)控制技術(shù)的研究具有非常重要的意義。本文針對粉體微輸送的基本要求，提出一種基于DDS技術(shù)的多路壓電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多路信號的獨(dú)立控制和輸出，電壓范圍為0～100 V，頻率范圍為0～256 Hz，最后以HA粉和Ti粉為例，進(jìn)行了多路粉體微輸送實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完全滿足粉體微輸送的要求，并且具有非常高的穩(wěn)定性和可靠性。

[1]侯麗雅,王振琪,章維一,等.金屬微粉體脈沖輸送的微特性實(shí)驗(yàn)[J].光學(xué)精密工程,2011(5):1030-1038.

[2]王懿,侯麗雅,章維一.微納米干粉體脈沖噴射燃燒法制備Y2O3∶Eu3+發(fā)光材料芯片[J].功能材料,2010(11)：2022-2025,2033.

[3]LIANG C,CHEN X P,ZHAO C S,et al.Flow characteristics and dynamic behavior of dense-phase pneumatic conveying of pulverized coal with variable moisture content at high pressure[J].Korean Journal of Chemical Engineering,2009,26(3):867-873.

[4]楊眉，侯麗雅，章維一,等.一種新型壓電驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)研制及實(shí)驗(yàn)研究[J].電源技術(shù),2014,38(11):2119-2121.

[5]顧小明.一種微流體數(shù)字化技術(shù)用任意波形發(fā)生器的研制[D].南京:南京理工大學(xué)，2008.

Design and experiment of multiplex piezoelectric drive-control system

HE Jia-qiao,ZHU Li,BU Xiong-zhu,ZHANG Wei-yi,YANG Mei
（Micro-system Lab,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210094,China)

According to the basic requirement of micro powder conveying, a multiple piezoelectric control system based on DDS technology was proposed,including the waveform storage module,the reference frequency module,a reference voltage setting module and D/A output module,etc.The system can realize the independent control and multi-channel signal output with voltage range of 0-100 V and frequency range of 0-256 Hz. Taking the hydroxyapatite and zirconium oxide powder for example,the multiplex micro powder conveying experiment was has carried out. The results show that the designed system can completely satisfy the requirements of micro powder conveying and has very high stability and reliability.

piezoelectric actuator;arbitrary waveform generator;DDS

TM 921.5

A

1002-087 X(2017)07-1060-04

2016-12-23

國家自然科學(xué)基金(51175268，11102090);江蘇省三維打印裝備與制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(L2014071302)

何加橋(1987—)，男，安徽省人，博士研究生，主要研究方向?yàn)榉垠w微輸送及功能梯度材料的制備方法。