壓電式微滴噴頭電源驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

張 威,肖 淵,張津瑞,李紅英

(西安工程大學(xué) 機電工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

微滴噴射技術(shù)是一項新型的增材制造技術(shù),該技術(shù)以均勻微滴作為沉積單元,根據(jù)制造對象形狀特征逐點、逐層堆積,實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)的快速成形。具有低成本、高效率及非接觸等特點,廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)[1]、微電子封裝[2]、柔性電路成形[3-4]、MEMS制造[4]等領(lǐng)域,是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ牟牧铣尚渭夹g(shù)[5]。

根據(jù)微滴產(chǎn)生的形式可分為連續(xù)式 (continuous-ink-jet,CIJ) 和按需式 (drop-on-demand,DOD)[6-8]。 按需式具有裝置成本低、 噴射精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點,應(yīng)用較為廣泛。由液滴的驅(qū)動方式可將其分為熱泡式、電磁式、壓電式、氣動式等[9-12]。壓電式按需噴射具有高頻率響應(yīng),控制性能好,抗干擾能力強等特點,在微滴噴射系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[13]。 壓電陶瓷 (PZT) 作為壓電式微滴噴射裝置的核心, 在驅(qū)動信號的作用下產(chǎn)生形變擠壓液體,實現(xiàn)液滴噴射。要實現(xiàn)液滴均勻、高頻、 快速響應(yīng)的控制,需要壓電陶瓷驅(qū)動電源輸出的信號頻率、幅值和脈寬在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào), 且輸出電壓的紋波不能過大。 因此， 開發(fā)具有上述性能的壓電陶瓷驅(qū)動電源是壓電式微滴噴射系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)定噴射的關(guān)鍵。

目前常見的壓電陶瓷驅(qū)動電源分為電荷驅(qū)動型和電壓驅(qū)動型,電荷驅(qū)動型需要提供專用的電荷放大器,以電流源代替電壓源,其低頻特性差,存在零點漂移[14]。電壓驅(qū)動型包括基于直流變換原理的開關(guān)式驅(qū)動電源和直流放大式驅(qū)動電源。開關(guān)式驅(qū)動電源效率高,但頻響特性差,輸出紋波偏大,而直流放大式驅(qū)動電源具有輸出紋波小、頻響范圍寬等優(yōu)點[15]。基于此,本文采用直流放大式驅(qū)動電源結(jié)構(gòu),利用STM32微處理器和FPGA產(chǎn)生低壓激勵信號,通過低壓運放OPA627和高壓運放PA85構(gòu)成的放大電路,對其進行線性放大后,驅(qū)動壓電陶瓷產(chǎn)生形變擠壓液體,實現(xiàn)微滴的按需可控噴射。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

為了實現(xiàn)液滴的均勻可控噴射,壓電式微滴噴射驅(qū)動電源應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性,能輸出連續(xù)可調(diào)的脈沖信號,其上升沿時間為0.5～10 μs、電壓幅值為60～270 V、頻率為1～40 kHz。

針對壓電式微滴噴射電源的設(shè)計要求,本文以STM32主控系統(tǒng)、FPGA模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、高壓線性放大模塊等構(gòu)成壓電式微滴噴射驅(qū)動電源系統(tǒng),如圖1所示。該系統(tǒng)工作時,從上位機輸入驅(qū)動信號參數(shù),STM32控制系統(tǒng)接收后傳遞到FPGA模塊,此時FPGA模塊將STM32傳遞的激勵脈沖信息處理后輸出激勵脈沖信號,同時將激勵脈沖波形信息顯示在VGA模塊。然后生成的激勵脈沖信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換及濾波,由線性放大模塊對其進行放大后,輸出高壓激勵信號驅(qū)動壓電陶瓷。

圖 1 驅(qū)動控制系統(tǒng)框圖Fig.1 The block diagram of drive control system

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)控制模塊

系統(tǒng)控制模塊主要用于控制激勵信號參數(shù),是壓電式微滴噴射驅(qū)動電源系統(tǒng)的核心。本文選用ST公司的STM32F103RCT6為壓電式電源驅(qū)動系統(tǒng)的主處理器,控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中,激勵信號參數(shù)由上位機輸入,通過USB轉(zhuǎn)串口芯片(CH340G)實現(xiàn)上位機與STM32之間的串口通信,STM32調(diào)用內(nèi)置通用異步收發(fā)器USART接收信號參數(shù)。激勵信號通過DAC模擬輸出,其電壓幅值通過高速D/A轉(zhuǎn)換芯片(AD9764AR)間接控制。同時,STM32通過ADC外設(shè)電路采集高壓激勵信號電壓幅值后,校正激勵信號的電壓幅值。并且STM32通過串行外圍設(shè)備(SPI)接口將上位機接收的激勵信號參數(shù)信息傳遞到FPGA模塊中,由于本文中SPI通信是單向通信,因此選擇三線(MOSI、SCLK、CS)完成通信。

2.1.1 數(shù)字激勵信號生成模塊 該模塊接收從STM32發(fā)出的激勵信號參數(shù)后,生成頻率、占空比可控,上升沿、下降沿時間可調(diào)的數(shù)字信號。由于FPGA具有良好的時序控制性能,因此本文選用ALTERA公司的FPGA(EP2C5T144C8n)為壓電式微滴噴射驅(qū)動電源驅(qū)動系統(tǒng)的邏輯控制器,其構(gòu)成的數(shù)字激勵信號生成模塊如圖3所示。

圖 2 主控制模塊 圖 3 數(shù)字激勵信號生成模塊Fig.2 The main control module Fig.3 The digital excitation signal generation module

圖3中,FPGA接收從SPI輸入的激勵信號參數(shù)信息后,利用循環(huán)除法及激勵信號生成算法產(chǎn)生頻率、占空比、上升沿及下降沿時間可調(diào)的數(shù)字信號,通過同步FIFO將數(shù)字信號流水輸出到D/A轉(zhuǎn)換電路。同時FPGA硬件系統(tǒng)將通過VGA接口顯示激勵信號參數(shù)信息。

2.1.2 D/A轉(zhuǎn)換模塊 D/A轉(zhuǎn)換模塊用于將激勵數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為激勵模擬信號。本文設(shè)計的D/A轉(zhuǎn)換模塊由高速D/A芯片(AD9764AR)和運算放大器(AD829AR)及外設(shè)電路構(gòu)成,其電路見圖4。

圖4中,FPGA輸出的14位數(shù)字信號通過AD9764的DB0～DB13進行傳輸,且FPGA的PLL鎖相環(huán)時鐘提供外部時鐘參考給D/A轉(zhuǎn)換電路。該電路中AVDD、DVDD、REFLO引腳接+5 V電源。此時,AD9764AR工作在外部參考電壓源輸入模式,參考電壓為STM32微控制器D/A輸出后經(jīng)LM358放大后得到的電壓,由AD9764AR的REFIO引腳接收。

2.1.3 高壓運算放大模塊 高壓運算放大模塊用于將數(shù)模轉(zhuǎn)換后的激勵模擬信號進行線性放大,輸出高壓激勵信號。本文采用低壓運放OPA627與高壓運放PA85構(gòu)成電壓負反饋兩級放大串聯(lián)結(jié)構(gòu),其電路如圖5所示。

圖 4 D/A轉(zhuǎn)換模塊Fig.4 The D/A conversion module

圖 5 復(fù)合運算放大模塊Fig.5 The composite operation amplification module

圖5中,復(fù)合運算放大模塊以O(shè)PA627及外圍電路構(gòu)成第一級運放,PA85及外圍電路為第二級運放,采用功率和誤差兩級放大思想,實現(xiàn)高質(zhì)量的驅(qū)動電壓輸出[16]。為防止供電電源造成運放差分輸入信號震蕩而引起電子元件的過壓損壞,分別在兩級放大電路的輸入級并聯(lián)二極管(1N4148),將輸入信號電壓鉗位在±1.4 V,實現(xiàn)對放大電路中電子元件的保護。同時,為防止交流電源上的瞬態(tài)電壓通過電源電路傳輸?shù)絇A85管腳上[17],采用快恢復(fù)二極管(BYV26C)和瞬態(tài)抑制器(P6KE300(C)A)對PA85進行保護。

2.2 軟件設(shè)計

在硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上,根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能,對STM32控制器軟件部分進行設(shè)計,其程序流程如圖6所示。

圖 6 STM32主控制器程序設(shè)計Fig.6 The programming of STM32 main controller

圖6中,STM32的程序設(shè)計包括以下4部分:上位機LABVIEW界面接收輸入信號參數(shù);通過STM32的D/A外設(shè)電路控制AD9764的參考電壓,實現(xiàn)激勵信號的電壓幅值控制;STM32的A/D外設(shè)電路采集輸出激勵信號的電壓幅值信息,對激勵信號電壓幅值進行矯正;STM32將矯正后的激勵信號參數(shù)信息通過SPI傳遞給FPGA。系統(tǒng)運作時,將對SPI、串口、ADC、DAC等外設(shè)及系統(tǒng)進行初始化,然后設(shè)置系統(tǒng)中斷向量分組。當(dāng)程序運行到串口中斷時,STM32接收上位機傳遞的激勵信號參數(shù)信息并與FPGA進行串行通信,同時STM32的ADC對壓電陶瓷負載端高壓激勵信號進行連續(xù)采集,將最大有效值與參考電壓參數(shù)比較,矯正AD9764的參考電壓幅值。

3 結(jié)果與分析

3.1 低壓激勵信號測試

為測試設(shè)計的壓電式微滴噴射驅(qū)動電源系統(tǒng)性能,在驅(qū)動電源系統(tǒng)軟硬件設(shè)計完成地基礎(chǔ)上,使用DS2101型數(shù)字示波器,對設(shè)計的壓電式微滴噴射驅(qū)動電源進行測試。硬件電路板通過USB數(shù)據(jù)線連接到上位機,在上位機設(shè)置上升沿時間1.8 μs,高電平時間18 μs,幅值2.1 V及頻率5 kHz的信號,在數(shù)字示波器中采集到低壓激勵信號如圖7所示。

由圖7可知,電源系統(tǒng)生成的低壓激勵信號上升沿時間1.25 μs，高電平幅值2.1 V，低電平幅值671 mV。低壓激勵信號的低電平幅值不為零,是因為AD9764的最小輸出差分電流為2 mA,其縮短了上升沿的時間。

3.2 高壓激勵信號測試

在低壓激勵信號滿足輸出要求的基礎(chǔ)上,對高壓運算放大電路進行測試。將低壓激勵信號通過數(shù)據(jù)線接入到高壓運算放大電路中,帶載2.72 nF電容,在上位機中設(shè)置上升沿時間1.5 μs,高電平時間15 μs,幅值1 V,頻率5 kHz的信號,將電阻分壓后的高壓激勵信號用數(shù)字示波器進行測量,得到的波形如圖8所示。

圖 7 低壓激勵脈沖波形Fig.7 The waveform of low voltage excitation pulse

圖 8 高壓激勵脈沖波形Fig.8 The waveform of high voltage excitation pulse

由圖8看出,高壓激勵信號的波形上升沿時間2.35 μs,其高電平電壓幅值偏差為2.3%,滿足壓電式微滴噴射驅(qū)動電源波形的要求.

4 結(jié) 論

以壓電式微滴噴頭驅(qū)動電源為研究對象,采用STM32和FPGA相結(jié)合的驅(qū)動電源控制系統(tǒng),完成了壓電式微滴噴頭驅(qū)動電源軟硬件設(shè)計,實現(xiàn)了壓電式微滴噴頭驅(qū)動電源數(shù)字化控制,對設(shè)計的電源系統(tǒng)進行輸出及帶載測試,結(jié)果表明：

(1) 驅(qū)動電源可產(chǎn)生上升沿時間0.5～10 μs，電壓幅值60～270 V，頻率1～40 kHz的脈沖信號;

(2) 在上升沿時間1.5 μs,電平幅值1 V,頻率5 kHz的低壓激勵信號下,對2.72 nF電容進行驅(qū)動,測得輸出波形上升沿時間2.35 μs,電壓幅值偏差2.3%,電源系統(tǒng)滿足壓電式微滴噴射驅(qū)動波形的要求,為后續(xù)的壓電式微滴噴射打印奠定了基礎(chǔ)。