一種多路壓電驅動控制系統的研制及實驗研究

何加橋，朱 麗，卜雄洙，章維一，楊 眉

(南京理工大學微系統研究室，江蘇南京210094)

一種多路壓電驅動控制系統的研制及實驗研究

何加橋，朱 麗，卜雄洙，章維一，楊 眉

(南京理工大學微系統研究室，江蘇南京210094)

針對粉體微輸送的基本要求，提出一種基于DDS技術的多路壓電控制系統的設計方案，系統包括了波形存儲模塊、基準頻率產生模塊、基準電壓設置模塊以及D/A輸出模塊等。系統可以實現多路信號的獨立控制和輸出，電壓范圍為0～100 V，頻率范圍為0～256 Hz，最后以羥基磷灰石和鈦粉為例，進行了多路粉體微輸送實驗，結果表明所設計的系統完全滿足多種粉體微輸送的要求，并且具有非常高的穩定性和可靠性。

壓電作動器;任意波形發生器;DDS

粉體微輸送可應用于激光熔覆、材料篩選等領域中[1-2],而目前粉體微輸送研究的較多的是氣力輸送。粉體氣力輸送技術分為稀相輸送和濃相輸送，稀相輸送時容易造成粉體散開，濃相輸送則容易使粉體堵塞流道，影響粉體輸送的穩定性。所以無論濃相還是稀相都存在粉體輸送量分辨率不高，輸送過程可控性不高的問題[3]。

南京理工大學提出以脈沖為微流動基本形態、以脈沖當地慣性力為主動力，對粉體進行微輸送，分辨率達到飛升級。其實現的主要原理為：使用壓電作動器產生脈沖慣性力，通過改變壓電作動器兩端的電壓、頻率以及波形等驅動參數來使得微管道內的粉體獲得足夠大的加速度，從而克服摩擦力或者粘性力完成粉體微輸送的過程。

目前對于壓電驅動控制系統主要有德國PI公司生產的驅動控制系統系列，國內主要有哈爾濱工業大學進行了相關的研究。以德國PI公司生產的驅動控制系統為例，其最大的輸出電壓范圍為0～150 V，但是其輸出功率非常小，只適用于精密定位，并且輸出的波形僅限正弦波、方波等常見波形，在實際中無法滿足對于粉體微輸送的研究需求。南京理工大學微系統研究室針對粉體微輸送的特點，對壓電控制系統進行了廣泛的研究工作，并且取得了一系列的成果。但原有開發的驅動控制系統仍然存在著一些問題，如依賴于工控機的控制、穩定性較低、成本較高等問題，同時，在對發光材料、梯度材料的制備過程中，需要同時對多種粉體進行微輸送，而原有系統無法實現多路粉體微輸送獨立控制[4-5]。本文為解決這些問題，提出了一種基于DDS（Direct digital synthesizer）技術的多路壓電控制系統解決方案，并研制了實驗樣機，為粉體微輸送在梯度材料、復合材料的制備以及材料篩選中打下基礎。

1 多路壓電控制系統設計

1.1 整體設計

多路壓電控制系統包括任意波形發生模塊和功率放大兩個模塊，其整體結構框圖如圖1所示。具體的工作流程為上位機通過串口向下位機發送控制字，單片機接收到控制字后辨別是否為這一路的控制信號，辨別信號后就開始進行電壓設置、頻率設置、波形寫入、開始和停止等操作，在設置好每一路的波形、頻率和電壓等參數后，點擊開始，信號源就開始輸出一個0到10 V的電壓，這個信號經過功率放大電路放大之后就可以用來驅動壓電作動器。特別需要說明的是，對于多路可編程任意波形驅動控制器的通信問題仍然采用的是串口通信，但為了能夠有效地對四路信號進行分別控制而不產生干擾，在程序設計中采用地址編碼的方法，即將每一路的通信控制字都設置成不同的值，即第一路寫入數據時的控制字和第二路的寫入數據控制字是不相同的，保證上位機PC和下位機控制字一致。

圖1 系統總體模塊框圖

1.2 硬件設計

硬件的總體結構框圖如圖2所示。PC和ATmega8535L通過RS232進行通信，將上位機設置的波形、驅動電壓、頻率等數據發送給單片機。

圖2 硬件總體結構框圖

本設計中使用兩片AT28C64來進行波形數據的存儲，形成一個16位的波形存儲器，每個波形由1 000個點組成。同時考慮到在D/A轉換中采用的是12位D/A轉換芯片，因而在存儲上只使用了低12位，以保持和后續的D/A轉換位數一致，方便設計。圖3為AT28C64存儲模塊。

圖3 AT28C64存儲模塊

基準頻率產主電路的功能是根據上位機控制界面中設定的輸出頻率來產生相應的地址計數器驅動時鐘。由于有1 000個數據樣點，因此驅動時鐘頻率應是輸出頻率的1 000倍。如圖4所示為基準頻率產生電路。在HCF4060的第2個引腳輸出標準的1 kHz的方波，通過控制單片機I/O口的輸出就可以實現對基準頻率進行倍頻，在74HC4046的第4引腳可以輸出1 kHz的整數倍信號，其輸出頻率最大為256 kHz。

圖4 基準頻率產生模塊

基準電壓是在I/O口設置對應值然后通過MAX507來進行設置，設置的電壓作為D/A轉換的基準電壓。AD565是一款12位的高速D/A轉換芯片，AD565接收從存儲器傳輸的波形數據來進行轉換和輸出。圖5為基準電壓設置和D/A輸出。

圖5 基準電壓設置和D/A輸出

功率放大模塊是多路壓電控制系統中的重要組成部分，任意波形發生模塊產生需要的波形，功率放大模塊則將產生的波形信號進行功率放大，功率放大模塊如圖6所示。針對粉體微輸送的要求，在實際電路設計中將放大倍數設置為10倍，即實際輸出電壓為0～100 V，其實現原理為：通過改變RP1的阻值，使得(R7+RP1)/R8=10，即可達到將電壓放大10倍的目的。在電流放大部分，采用兩對2SC5200和2SA1943對管來實現。

1.3 軟件設計

軟件設計包括上位機程序設計和下位機程序設計。本文使用C語言來進行上位機程序的開發，采用傳統的SDK程序設計方法。設計的程序窗口如圖7所示。

下位機采用消息喚醒機制，當收到串口發送的控制字時，單片機進行波形寫入、電壓頻率設置、開始、停止等操作，以單路為例來說明下位機的工作過程。

圖6 功率放大模塊電路圖

圖7 上位機程序窗口

2 系統測試及實驗

2.1 系統測試

圖8為試制的多路壓電驅動控制系統樣機。系統的輸出電壓范圍為0～100 V，最小分辨率為0.1 V，頻率輸出范圍為0～256 Hz，分辨率為1 Hz，能夠實現四路信號波形、驅動電壓、頻率獨立控制。圖9為按照圖6所設置的波形、驅動電壓和頻率的波形輸出測試圖。

圖8 多路壓電驅動控制系統實物圖

圖9 多路輸出波形實際效果圖

2.2 多路粉體微輸送實驗

多路粉體微輸送實驗示意圖如圖10所示。系統由計算機、多路壓電驅動控制系統、二維工作臺及其控制系統、微噴嘴、數碼顯微鏡等組成。實驗中采用HA(羥基磷灰石)粉和Ti(鈦)粉，HA粉和Ti粉按照一定的比例進行輸送、混合、燒結后可以獲得梯度材料，該梯度材料可作為生物醫用植入材料。使用不同的驅動電壓、頻率進行兩路粉體微輸送實驗。圖10為最終得到的粉線圖，圖11(a)為HA粉，(b)為Ti粉，HA粉的線寬為2 mm，Ti粉的線寬為0.5 mm。

3 結束語

圖10 多路粉體微輸送實驗示意圖

圖11 多路粉體微輸送效果圖

粉體微輸送在激光熔覆、材料篩選等領域中均有廣泛應用，因而對于粉體微輸送及其相關控制技術的研究具有非常重要的意義。本文針對粉體微輸送的基本要求，提出一種基于DDS技術的多路壓電控制系統的設計方案，系統可以實現多路信號的獨立控制和輸出，電壓范圍為0～100 V，頻率范圍為0～256 Hz，最后以HA粉和Ti粉為例，進行了多路粉體微輸送實驗，結果表明本文設計的系統完全滿足粉體微輸送的要求，并且具有非常高的穩定性和可靠性。

[1]侯麗雅,王振琪,章維一,等.金屬微粉體脈沖輸送的微特性實驗[J].光學精密工程,2011(5):1030-1038.

[2]王懿,侯麗雅,章維一.微納米干粉體脈沖噴射燃燒法制備Y2O3∶Eu3+發光材料芯片[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]楊眉，侯麗雅，章維一,等.一種新型壓電驅動控制系統研制及實驗研究[J].電源技術,2014,38(11):2119-2121.

[5]顧小明.一種微流體數字化技術用任意波形發生器的研制[D].南京:南京理工大學，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

國家自然科學基金(51175268，11102090);江蘇省三維打印裝備與制造重點實驗室開放基金項目(L2014071302)

何加橋(1987—)，男，安徽省人，博士研究生，主要研究方向為粉體微輸送及功能梯度材料的制備方法。