壓電陶瓷極化優化算法與裝置

靳子洋， 張 彬， 陸永耕

(上海電機學院 電氣學院， 上海 200240)

壓電陶瓷極化優化算法與裝置

靳子洋， 張 彬， 陸永耕

(上海電機學院 電氣學院， 上海 200240)

根據壓電陶瓷參數優化算法，設計了一種新型壓電陶瓷極化優化裝置。通過單片機檢測極化過程電流變化，自動調節極化過程，實現了壓電陶瓷參數一致性的控制。該裝置具有性能參數控制好、操作方便、安全等特點，壓電陶瓷參數一致性的成品率高。

壓電陶瓷； 極化裝置； 單片機； 電壓發生器

在壓電陶瓷的研制和生產中，經過配方設計、計算、配料、混合、預壓、預燒(一次燒結)、粉碎、細化、造顆粒、成型、排型、燒成、燒后加工、上電極系列工藝過程后，要進行極化操作。由于壓電材料只有經過極化后才具有壓電性能，才能成為壓電元件，故極化對于壓電陶瓷的研制和生產的整個過程來說是一個極為重要的環節。極化工藝是壓電陶瓷所特有的工藝[1-2]。

壓電陶瓷與一般電子陶瓷的制作工藝相類似，但其也具有特殊性。壓電陶瓷工藝中最為重要的是預燒、燒結和極化3個工序，其中，極化工藝是壓電陶瓷材料獲得壓電性能的關鍵工序；極化的優劣很大程度上影響了壓電陶瓷的壓電特性及老化特性。要充分挖掘其壓電性能，必須選定合適的極化電場、極化溫度和極化時間。文獻[3-5]中研究了壓電陶瓷的極化測試方法；文獻[6-7]中研究了各向異性壓電陶瓷制作；文獻[8-11]中則對PZT功率陶瓷的壓電性能提高等進行了相關研究；文獻[12-13]中對有關壓電陶瓷常規電性能測試系統的研究也僅限于總體壓電陶瓷材料性能參數的控制；它們均未涉及壓電陶瓷極化過程優化控制與總體參數一致性的控制。因此，研制一個性能比較好、操作方便的極化裝置對提高高壓電陶瓷性能一致性具有實際應用價值。

本文設計了一種壓電陶瓷極化優化裝置。利用89S52單片機，采用脈寬調制技術(PWM)來控制極化槽溫度，為壓電陶瓷極化提供了可靠的恒溫條件，通過在直流高壓附加小的交流信號的方法，實現了在線壓電陶瓷參數測量，可以提高壓電陶瓷參數一致性的成品率[14-15]。

1 壓電陶瓷參數控制原理

壓電陶瓷模型參數的檢測電路為壓電陶瓷參數辨識算法提供了在線檢測。參數在線檢測算法原理如下： 在壓電陶瓷回路串聯一阻值小的檢測電阻，用以檢測外加激勵信號作用下的壓電陶瓷響應，作為反饋信號與所施加的激勵信號進行相關處理。外加的小激勵交流信號僅為正常工作高壓的0.1%，所施加的激勵信號和其檢測過程通過二極管和電容將極化過程隔離，不影響極化過程。壓電陶瓷模型參數的檢測電路如圖1示。其中，U極化為施加的直流高壓，U測試用于測試小激勵信號，U檢測通過檢測電阻Rc檢測得到反饋電流。

圖1 壓電陶瓷模型參數的檢測電路Fig.1 Detection circuit for PZT parameters

2 系統設計

2.1總體設計

本文采用北京革新儀器公司的8051單片機系統開發系統。該系統具有模數/數模轉換功能；采用芯片AD0809/DAC0832，并行輸入、輸出信號驅動光電隔離8255A，鍵盤輸入KEY及數碼管顯示LED 8279，設置有看門狗電路WDT，能滿足本文應用要求。

采用單片機C語言編寫用戶程序，并在仿真器Explorer/G6E上編譯、調試通過；ICExplorer仿真系統具有編輯、匯編、編譯等集成調試功能。系統程序包括： 系統初始化Init_sys()；主程序Main()；鍵盤輸入ReadKey()與顯示DisPP()；電流采樣AD與PWM數字量輸出控制；頻率過零采樣與時鐘定時Timer0()；看門狗WATCHDOG()等。

本文設計的壓電陶瓷極化裝置的相關內容包括： 溫度與電流檢測方法，輸出控制溫度脈寬調制技術等。采用DS18B20芯片檢測極化槽溫度。

利用變壓器將220V交流信號轉換為5kV的高壓，經整流雙路串聯形成10kV可調的高壓極化直流電源。

該裝置基本參數如下： ① 溫度自動控制范圍為(0～100)℃±1℃；② 時間控制(根據檢測到的參數)為0～30min；③ 直流高壓輸出為0～10kV。

極化系統結構圖如圖2所示。

圖2 極化系統結構圖Fig.2 Structure of PZT polarization

2.2溫度控制

2.2.1 溫度檢測與控制 AT89S52是整個系統的CPU。溫度測量由DSl8B20檢測并直接轉換成數字信號。單片機對該溫度值與被控制值(設定溫度值)進行比較，根據其偏差值的大小，采用比例-積分-微分控制算法計算出相應的控制輸出量，然后通過I/O接口電路(本文采用PWM調功方式，相當于D/A轉換器)控制雙向可調硅在控制周期內的通斷占空比(即控制電加熱器平均功率的大小)，再輸出控制輸出量，以控制加熱器工作，進而達到對溫度進行控制的目的。

為了簡化輸出通道的硬件結構，采用脈沖寬度調制的控制方法(PWM波控制)。脈沖寬度T1與周期T的比值為ρ(占空比)。溫度控制過程中，隨著實際溫度與設定溫度T0的差值減小，ρ也隨之減小。溫控過程中脈沖方波寬度與溫差信號關系如圖3所示。

圖3 PWM溫度控制過程的占空比與溫差隨時間變化的關系圖Fig.3 Variation of temperature error and duty cycle with time

2.2.2 PID控制算法 溫度PID控制原理是先計算出實測溫度與設定溫度的偏差值，然后對偏差值進行PID處理，得到的控制輸出信號用于控制加熱，使溫度控制在設定的范圍內。本文采用增量式PID算法計算得到控制量Δu(k)，其中，k為數字控制量的輸出。

2.2.3 溫度控制程序設計 PWM控制通過軟件定時器實現。定時器以工頻周期為基本計數周期進行加法定時。定時器設置工作方式為“0”，時基定為100ms。本文假定PWM波的周期為10s，將每個周期分成100份，即M=0～100，由PID算法計算得到一個0～100的整數形式的輸出控制量Δu(k)。當一個周期開始時，M=0，P1.1腳輸出高電平，加熱器停止加熱；之后，定時器每過100ms，M增加1，當M≤Δu(k)時，P1.1腳電平翻轉輸出低電平，此時加熱器開始加熱，直到M增加至100，重新開始下一個控制周期。下一周期開始時，P1.1腳電平又被置為高電平，如此反復，便產生溫度控制的PWM波。

2.2.4 PID參數的整定 PID參數的設定決定了升溫速度和系統穩定性。面對不同的控制對象，參數都不盡相同。本文根據參數在整個PID控制過程中的作用和實驗現象，通過反復實驗調試選定理想的參數值。對一定體積硅油(0.02m3)的壓電陶瓷極化溫度控制系統，被控對象的初始滯后時間為120s，通過實驗測量，測得加熱爐絲的溫度相對時間的階躍響應曲線為一階慣性延遲。由階躍響應曲線可以確定時間常數T=240s，比例放大系數K=0.5。

在得到控制對象的數學近似模型后，結合試驗反復調試其控制參數，直至得到滿意的輸出控制曲線為止。本文實驗得到的PID參數KI=4.5，TI=66.7，其動態及穩態特性均滿足精度要求。

3 測試實驗分析

將型號為φ45mm、φ60mm的厚度為 1mm 10個被測壓電陶瓷片按照類型分為2組。將這2組各5片的壓電陶瓷片在給定極化電壓、要求參數的條件下，進行極化優化實驗。極化過程如圖4所示。結果表明，經過優化后的時間差異不大，但是實際檢測得到的壓電陶瓷片參數(電阻R、電感L、電容C)的一致性有了很大提高，特別是其中的電容極差由原來的10%縮小至5%；成對匹配由原來的40%提高至80%，可以滿足匹配要求，有效提高了成品率和人工匹配效率。

圖4 極化過程流程圖Fig.4 Flow chart of PZT polarization

為了簡化操作，檢測過程所施加的小幅值變頻信號(約40kHz)無法由51單片機實現，本文采用人工操作方式，每30s調節信號頻率1次，分別為(40±1) kHz，只是驗證通過變頻檢測R、L、C參數的方法，單片機只是采樣獲取施加小信號的頻率進行相關分析計算。優化極化后的參數測試如表1所示。

表1 極化后的測試參數

由表1可見，優化極化后的電容極差在10%內，與傳統的極化操作相比，可有效提高壓電陶瓷參數在匹配時的一致性。

4 結 語

本文設計了一個基于單片機的壓電陶瓷極化參數控制裝置，實現對極化槽內的溫度測量、電加熱控制、在線測量壓電陶瓷參數等功能。該方法避免了壓電陶瓷極化完成后，進行參數測量、匹配過程繁煩與匹配成功率低的問題，通過在直流高壓附加小幅值變頻信號的方法，實現了在線壓電陶瓷參數測量，可以提高參數一致性的成品率，簡化匹配過程。實驗和計算機模擬表明，該方法簡單、可靠和參數一致性好。

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Optimal Algorithm and Device for Piezoelectric Polarization

JINZiyang,ZHANGBin,LUYonggeng

(School of Electric Enginerring, Shanghai Dianji University, Shanghai 200240, China)

According to the algorithm of parameter optimization for piezoelectric ceramic, a new device for optimizing the piezoelectric ceramics polarization is designed. By detecting the polarization current and automatically adjusting the polarization process, the control parameters of piezoelectric ceramic consistency are obtained. The device has good performance in terms of parameter control, operation safety, piezoelectric ceramic parameter consistency, and high rate of finished products.

piezoelectric ceramic; polarization device; microprocessor; voltage generator

2095-0020(2013)05 -0258-04

TM 282.06

A

2013-10-06

上海市教育委員會科研創新基金重點項目資助(13ZZ144)

靳子洋(1989-)，男，碩士生，主要研究方向為風力發電技術、壓電陶瓷控制與應用，

E-mail: 496691356@qq.com

指導教師： 陸永耕(1963-)，男，教授，博士，主要研究方向為工業自動化、超聲電機控制及數字圖像處理，

E-mail： luyg@sdju.edu.cn