【摘 要】
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压电陶瓷叠堆是由多个压电陶瓷片组成,具有体积小、出力大、响应快等特点,在航空航天、军事研究等领域得到了广泛的应用,因此本课题针对叠堆型压电陶瓷在模型震动抑制系统中的应用,研究设计一款大功率压电陶瓷叠堆数字驱动电源。论文对叠堆型压电陶瓷进行研究和分析,列出了叠堆型压电陶瓷的相关特性,分析了叠堆型压电陶瓷的等效电路模型,通过对比国内外市场上叠堆型压电陶瓷驱动电源,并根据叠堆型压电陶瓷的驱动方式,针对此
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压电陶瓷叠堆是由多个压电陶瓷片组成,具有体积小、出力大、响应快等特点,在航空航天、军事研究等领域得到了广泛的应用,因此本课题针对叠堆型压电陶瓷在模型震动抑制系统中的应用,研究设计一款大功率压电陶瓷叠堆数字驱动电源。论文对叠堆型压电陶瓷进行研究和分析,列出了叠堆型压电陶瓷的相关特性,分析了叠堆型压电陶瓷的等效电路模型,通过对比国内外市场上叠堆型压电陶瓷驱动电源,并根据叠堆型压电陶瓷的驱动方式,针对此次课题的设计指标需求确定了设计方案并对该驱动电源的各项技术指标需求进行实验验证,主要内容有如下几个方面:一、对叠堆型压电陶瓷驱动电源的硬件主电路进行了分析与设计,包括:多路半桥移相并联电路、软开关驱动分析与实现、低通滤波器设计、硬件PCB设计。主电路采用多路半桥移相并联的驱动方式,大大的增加了驱动电源的功率输出能力,并采用负压驱动的方式,提高SIC FET工作时的安全性和稳定性;软开关驱动的设计完成了半桥电路中上半桥SIC FET与下半桥SIC FET的零电压开通和关断,降低了SIC FET的开关损耗以及输出电压、电流的变化率,提高了开关管的使用寿命;低通滤波器的设计有效的降低了SPWM信号中的高次谐波,减少纹波噪声的输出;最后针对减少大功率驱动电源中电磁空间辐射的干扰,对硬件电路的PCB进行合理的设计。二、对叠堆型压电陶瓷驱动电源的控制系统硬件进行设计,包括:核心处理器电路和反馈采样电路。该控制系统的硬件主要以ZYNQ核心处理器为主,通过ZYNQ的PL端实现A/D芯片对反馈采样电路中的电压信号和电流信号进行高速、高精度模数转换,实现输入与输出的闭环控制系统,同时在ZYNQ的PS端完成了以太网的通讯接口设计,用于实现与外部的通讯功能。三、对叠堆型压电陶瓷驱动电源的软件进行设计,包括了下位机控制程序和上位机界面。在下位机控制程序中,通过ZYNQ的PL端的A/D驱动实现输入与输出的数字信号采样,并以载波频率进行单周期的PI算法计算来调节数字SPWM的输出占空比,PS端完成了Linux系统的移植以及Modbus-TCP通讯代码的实现,然后在上位机界面中完成了对压电陶瓷驱动电源的远程监控,并基于Modbus-TCP协议实现了对8台驱动电源的组网设计。通过实验验证,本课题中叠堆型压电陶瓷驱动电源在等效电容为5的压电陶瓷负载下,输入信号频率为10Hz～2000Hz,驱动电源输出的电压幅值最高为1000V,输出电流幅值最高为20A,输出电压的增益最高可达到100倍,具有很好的线性度输出、纹波输出、稳定性输出,各输出指标均满足设计要求。
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