一种多路压电驱动控制系统的研制及实验研究

何加桥，朱 丽，卜雄洙，章维一，杨 眉

(南京理工大学微系统研究室，江苏南京210094)

一种多路压电驱动控制系统的研制及实验研究

何加桥，朱 丽，卜雄洙，章维一，杨 眉

(南京理工大学微系统研究室，江苏南京210094)

针对粉体微输送的基本要求，提出一种基于DDS技术的多路压电控制系统的设计方案，系统包括了波形存储模块、基准频率产生模块、基准电压设置模块以及D/A输出模块等。系统可以实现多路信号的独立控制和输出，电压范围为0～100 V，频率范围为0～256 Hz，最后以羟基磷灰石和钛粉为例，进行了多路粉体微输送实验，结果表明所设计的系统完全满足多种粉体微输送的要求，并且具有非常高的稳定性和可靠性。

压电作动器;任意波形发生器;DDS

粉体微输送可应用于激光熔覆、材料筛选等领域中[1-2],而目前粉体微输送研究的较多的是气力输送。粉体气力输送技术分为稀相输送和浓相输送，稀相输送时容易造成粉体散开，浓相输送则容易使粉体堵塞流道，影响粉体输送的稳定性。所以无论浓相还是稀相都存在粉体输送量分辨率不高，输送过程可控性不高的问题[3]。

南京理工大学提出以脉冲为微流动基本形态、以脉冲当地惯性力为主动力，对粉体进行微输送，分辨率达到飞升级。其实现的主要原理为：使用压电作动器产生脉冲惯性力，通过改变压电作动器两端的电压、频率以及波形等驱动参数来使得微管道内的粉体获得足够大的加速度，从而克服摩擦力或者粘性力完成粉体微输送的过程。

目前对于压电驱动控制系统主要有德国PI公司生产的驱动控制系统系列，国内主要有哈尔滨工业大学进行了相关的研究。以德国PI公司生产的驱动控制系统为例，其最大的输出电压范围为0～150 V，但是其输出功率非常小，只适用于精密定位，并且输出的波形仅限正弦波、方波等常见波形，在实际中无法满足对于粉体微输送的研究需求。南京理工大学微系统研究室针对粉体微输送的特点，对压电控制系统进行了广泛的研究工作，并且取得了一系列的成果。但原有开发的驱动控制系统仍然存在着一些问题，如依赖于工控机的控制、稳定性较低、成本较高等问题，同时，在对发光材料、梯度材料的制备过程中，需要同时对多种粉体进行微输送，而原有系统无法实现多路粉体微输送独立控制[4-5]。本文为解决这些问题，提出了一种基于DDS（Direct digital synthesizer）技术的多路压电控制系统解决方案，并研制了实验样机，为粉体微输送在梯度材料、复合材料的制备以及材料筛选中打下基础。

1 多路压电控制系统设计

1.1 整体设计

多路压电控制系统包括任意波形发生模块和功率放大两个模块，其整体结构框图如图1所示。具体的工作流程为上位机通过串口向下位机发送控制字，单片机接收到控制字后辨别是否为这一路的控制信号，辨别信号后就开始进行电压设置、频率设置、波形写入、开始和停止等操作，在设置好每一路的波形、频率和电压等参数后，点击开始，信号源就开始输出一个0到10 V的电压，这个信号经过功率放大电路放大之后就可以用来驱动压电作动器。特别需要说明的是，对于多路可编程任意波形驱动控制器的通信问题仍然采用的是串口通信，但为了能够有效地对四路信号进行分别控制而不产生干扰，在程序设计中采用地址编码的方法，即将每一路的通信控制字都设置成不同的值，即第一路写入数据时的控制字和第二路的写入数据控制字是不相同的，保证上位机PC和下位机控制字一致。

图1 系统总体模块框图

1.2 硬件设计

硬件的总体结构框图如图2所示。PC和ATmega8535L通过RS232进行通信，将上位机设置的波形、驱动电压、频率等数据发送给单片机。

图2 硬件总体结构框图

本设计中使用两片AT28C64来进行波形数据的存储，形成一个16位的波形存储器，每个波形由1 000个点组成。同时考虑到在D/A转换中采用的是12位D/A转换芯片，因而在存储上只使用了低12位，以保持和后续的D/A转换位数一致，方便设计。图3为AT28C64存储模块。

图3 AT28C64存储模块

基准频率产主电路的功能是根据上位机控制界面中设定的输出频率来产生相应的地址计数器驱动时钟。由于有1 000个数据样点，因此驱动时钟频率应是输出频率的1 000倍。如图4所示为基准频率产生电路。在HCF4060的第2个引脚输出标准的1 kHz的方波，通过控制单片机I/O口的输出就可以实现对基准频率进行倍频，在74HC4046的第4引脚可以输出1 kHz的整数倍信号，其输出频率最大为256 kHz。

图4 基准频率产生模块

基准电压是在I/O口设置对应值然后通过MAX507来进行设置，设置的电压作为D/A转换的基准电压。AD565是一款12位的高速D/A转换芯片，AD565接收从存储器传输的波形数据来进行转换和输出。图5为基准电压设置和D/A输出。

图5 基准电压设置和D/A输出

功率放大模块是多路压电控制系统中的重要组成部分，任意波形发生模块产生需要的波形，功率放大模块则将产生的波形信号进行功率放大，功率放大模块如图6所示。针对粉体微输送的要求，在实际电路设计中将放大倍数设置为10倍，即实际输出电压为0～100 V，其实现原理为：通过改变RP1的阻值，使得(R7+RP1)/R8=10，即可达到将电压放大10倍的目的。在电流放大部分，采用两对2SC5200和2SA1943对管来实现。

1.3 软件设计

软件设计包括上位机程序设计和下位机程序设计。本文使用C语言来进行上位机程序的开发，采用传统的SDK程序设计方法。设计的程序窗口如图7所示。

下位机采用消息唤醒机制，当收到串口发送的控制字时，单片机进行波形写入、电压频率设置、开始、停止等操作，以单路为例来说明下位机的工作过程。

图6 功率放大模块电路图

图7 上位机程序窗口

2 系统测试及实验

2.1 系统测试

图8为试制的多路压电驱动控制系统样机。系统的输出电压范围为0～100 V，最小分辨率为0.1 V，频率输出范围为0～256 Hz，分辨率为1 Hz，能够实现四路信号波形、驱动电压、频率独立控制。图9为按照图6所设置的波形、驱动电压和频率的波形输出测试图。

图8 多路压电驱动控制系统实物图

图9 多路输出波形实际效果图

2.2 多路粉体微输送实验

多路粉体微输送实验示意图如图10所示。系统由计算机、多路压电驱动控制系统、二维工作台及其控制系统、微喷嘴、数码显微镜等组成。实验中采用HA(羟基磷灰石)粉和Ti(钛)粉，HA粉和Ti粉按照一定的比例进行输送、混合、烧结后可以获得梯度材料，该梯度材料可作为生物医用植入材料。使用不同的驱动电压、频率进行两路粉体微输送实验。图10为最终得到的粉线图，图11(a)为HA粉，(b)为Ti粉，HA粉的线宽为2 mm，Ti粉的线宽为0.5 mm。

3 结束语

图10 多路粉体微输送实验示意图

图11 多路粉体微输送效果图

粉体微输送在激光熔覆、材料筛选等领域中均有广泛应用，因而对于粉体微输送及其相关控制技术的研究具有非常重要的意义。本文针对粉体微输送的基本要求，提出一种基于DDS技术的多路压电控制系统的设计方案，系统可以实现多路信号的独立控制和输出，电压范围为0～100 V，频率范围为0～256 Hz，最后以HA粉和Ti粉为例，进行了多路粉体微输送实验，结果表明本文设计的系统完全满足粉体微输送的要求，并且具有非常高的稳定性和可靠性。

[1]侯丽雅,王振琪,章维一,等.金属微粉体脉冲输送的微特性实验[J].光学精密工程,2011(5):1030-1038.

[2]王懿,侯丽雅,章维一.微纳米干粉体脉冲喷射燃烧法制备Y2O3∶Eu3+发光材料芯片[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]杨眉，侯丽雅，章维一,等.一种新型压电驱动控制系统研制及实验研究[J].电源技术,2014,38(11):2119-2121.

[5]顾小明.一种微流体数字化技术用任意波形发生器的研制[D].南京:南京理工大学，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

国家自然科学基金(51175268，11102090);江苏省三维打印装备与制造重点实验室开放基金项目(L2014071302)

何加桥(1987—)，男，安徽省人，博士研究生，主要研究方向为粉体微输送及功能梯度材料的制备方法。