微小型主动阀压电泵的试验控制系统的研究

何丽鹏 李慧茹 赵达 李威 黄勇

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722094

摘要：为了配合微小型压电泵的振动变形的需要，本文以单片机为核心部件，在硬件电路基础上，以VS C#语言为编程工具，对其关键的模块和用户界面进行了设计，设计了一套适合于微小型主动阀压电泵的试验控制系统，主要功能是使调节的电压、频率以及交变信号的相位差更加方便更加灵活，系统主要利用了上位机系统对压电振子的微小变化进行实时监控，并且能根据传感器的信号反馈使电信号的频率自动调整，最后测试了该系统的性能。经过实验和使用证明该控制系统的各项指标可以满足精度要求较高的输送流量的场合。为未来主动阀压电泵的控制系统的研究提供了一种崭新的方法。

关键词：控制系统；频率；电压；反馈

中图分类号：TH38文献标识码：A

压电泵是压电驱动技术的一个十分重要分支，在微小型机电液系统中（MEMS）有十分广泛的应用。近些年，压电泵的研究领域中阀的研究逐渐升温，由此，国际上也展开了大量的对主动阀的压电泵的研究[18]。其中最具代表性的是，日本Seiko Instruments 公司的Jun Shinohara和 Masayuki Suda等人在2000年成功研制了基于压电片的常闭主动阀压电泵，2005年，蠕动式主动阀压电泵被德国的M. Richter和Y. Congar等人设计制造，以及在2005年，压电叠堆驱动式主动阀压电泵被东京科技大学的Yosida等人成功研制。本文主要研究了一种基于圆形压电双晶片的主动阀压电泵的试验控制系统，并对其中的设置的参数进行重复试验，并且对比、分析和验证实验系统的效果。

1 系统主程序界面设计

图1为压电振动控制系统的工作界面。其主界面分为：分为串口设置区，初始参数设置区域，工作参数设置区域四大部分。

2 测试内容和测试装置

图2为主动阀压电泵实验测试控制系统的组成，其系统主要由信号发生器、功率放大器、数模转换器、高精度数字万用表、示波器以及天秤测量等几部分组成。

2.1 测试原理

在对微小型主动阀压电泵进行控制实验时，制作了一个单腔体压电泵，以压电振子作为实验对象，并且在泵膜外侧粘贴了一些应变片作为感知传感器，用来探测其振动的变形，并把该信号通过电荷放大器进行整流、放大，使之变成一个电压低于5V的直流电压信号经过A/D转换传达给计算机。从而达到主动控制振动的目的。如图3所示，双振子压电泵控制原理。

在实验中，通过手动设置和改变压电泵输出电压的振幅值项，然后用高精度数字万用表来测量其输出电压的有效值，经公式换算得到电压得振幅值，表1为电压幅值的对比结果。

由上表的数据可以得，设定值与实际的电压幅值存在一定的误差，出现此现象主要是由于此系统的输出信号的电压幅值是通过调节总阻值为2K的数字电位器的阻值来调节的，又因为串口传输字节的限制，每次调节组织至少要20，所以在理论上输出电压的幅值只能达到1.8V的分辨率，输出电压也是因为这个原因导致的误差；另外，此系统的输出电压产生影响的原因还有对带通滤波电路中心频率的选择。

2.2 输出信号频率

在控制系统的界面上，根据一些前面实验的经验值，手工设定一些输出信号的经验频率，再把这些输出信号的经验频率值用信号发生器来检测，得到结果如表2所示。从以上数据可知，频率的实际值与设计值也存在着一定的误差。分析这些误差主要原因可得：本文为了使串口通讯的参数设置更加简单、方便，系统采用12.06MHz时钟。当输出信号频率为f时，T0时刻初值X的计算公式为

由于在计算中大部分数据是都是精确到小数部分的百分位或千分位，在十六进制数的转换过程中，本文采用四舍五入，因此导致了最后不同于理论计算输出的频率，但是从该实验结果来看，其误差是很小的。

2.3 输出信号相位差

在控制系统的界面上，根据一些前面实验的经验值，手工设定一些输出信号的相位差，然后用示波器对其輸出信号的波形进行观察和探测，得到实际相位差的结果如表3所示。

从以上表中的数据可知，相位差的实际值也与设计值也存在着一定的误差。分析主要误差原因是由于功率放大器本身存在相位偏移，导致每个分路功放的相相位偏差不一致。

3 总结

为了配合微小型压电泵的振动变形的需要，设计了包括上位机（即PC机）程序和下位机（即单片机）程序的驱动控制系统的软件部分对其关键的用户界面和模块进行了优化设计。该系统的功能主要有：实现了对输出信号频率、相位差、电压幅值的手动调节；实现了对当前工作状态的实时监控与显示；也实现了在线检测对压电振子的变形。最后测试了该系统的性能。经过实验和使用证明该控制系统的各项指标可以满足精度要求较高的输送流量的场合。

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