壓電式提花經編機自升壓節能控制電路設計

任 雯，賴森財

（1.三明學院裝備智能控制福建省高校重點實驗室，福建三明365004；2.三明學院機電工程學院，福建三明365004）

目前，傳統電機和電磁驅動器已無法滿足高端裝備精密運動的驅動要求［1］。以壓電陶瓷驅動器、超磁致伸縮驅動器和形狀記憶合金驅動器為代表的新一代智能驅動器［2-4］不僅廣泛應用于航空航天、生物工程等領域的納米級智能精密制造裝備，也逐步應用于傳統工業自動化控制領域的紡織裝備等［5］。目前，應用壓電賈卡針（piezo Jacquard needle，PJN）的賈卡經編機［6-9］異軍突起，成為新一代高速智能經編機。

對于壓電陶瓷在高精度運動和定位控制中應用的研究，主要包括根據壓電陶瓷的固有非線性遲滯和蠕變特性建立的非線性模型及其補償機制，以及微動柔性機構的設計等［10-12］；對于壓電陶瓷在電子信息領域應用的研究，主要包括壓電振動控制與能量收集，以及新型壓電傳感器、驅動電源等的設計［13-15］。在驅動微位移機構時，壓電陶瓷驅動器可被看成一個電容［16］，其本身消耗的能量較小，但在驅動負載時，會在驅動電路中產生較大的電流，存在功耗大、效率低的問題。另外，傳統壓電控制系統需要根據被控對象的特征額外配備不同規格的專用驅動高壓電源，導致系統體積較大、集成度低以及復雜性和成本較高。

為此，筆者提出了一種應用PJN的新型驅動電路（以下簡稱為PJN驅動電路）。該電路采用金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）形成驅動電橋，基于脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）控制技術，利用從低壓電源中吸收的能量將PJN驅動電路的工作電源自適應升壓至工作所需的高壓；在PJN微動工作過程（逆壓電效應）中，采用儲能電感器代替限流電阻器來優化電路，以限制PJN的正向充電電流，同時回收反向充電過程（壓電效應）中的能量，以有效降低功耗。

1 PJN換能模型

1.1 PJN工作原理

提花經編機的PJN一般由壓電陶瓷雙晶片（pi-ezoceramic double chip，PDC）、固定架、導紗針和針套等組成，其中PDC由2片壓電陶瓷晶片和1塊玻璃纖維陶瓷基板組成［17］。壓電陶瓷晶片選用鋯鈦酸鉛（Pb-based lanthanum-doped zirconate titanates，PZT）材料。

PJN工作原理如圖1所示。

圖1 PJN工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of working principle of PJN

根據逆壓電效應，在電壓U作用下，PDC在垂直方向產生與電場強度成比例、方向垂直的撓度變形（上晶片收縮，下晶片伸長），以驅動導紗針左右偏移，實現提花工藝。

鑒于PDC的結構特點及其使用環境符合壓電振子的第一類邊界條件，如圖1所示，以PDC的長度方向為x向，可得PDC的壓電方程為：

式中：B3為z方向的電位移；S1為x方向的應變；T1為x方向的應力；E3為z方向的電場強度；d31為壓電應變常數；為恒電場下的柔性常數；為恒應力下的介電常數。

如圖1（a）所示，壓電陶瓷晶片的長、寬、高分別為l、w、hp，玻璃纖維陶瓷基板的長、寬、高分別為l、w、hb，PDC的總高度h=2hp+hb。在電壓U作用下，PDC在長度方向x處的偏移位移為［18］：

式中：Ep和Eb分別為PDC和基板的彈性模量。

PJN中導紗針的偏轉角度θ為：

壓電陶瓷晶片、針套和導紗針的總長度為l0，則x=l0處導紗針末端的偏移位移δ0為：

由式（4）可知，導紗針末端的偏移位移取決于壓電陶瓷晶片和基板的長度、高度、材料參數，針套和導紗針的長度以及外部施加電壓的大小。

1.2 PJN驅動電路模型

如圖2所示，PJN驅動電路模型包括6個MOS-FET（以下簡稱為 MOS）（T0，T1，…，T5）、9個二極管（D0，D1，…，D8）、1個儲能電感器L和1個PJN，其中T2，…，T5和PJN構成雙臂橋電路。Vd為低壓供電電源，Vp為高壓工作電源。為了表述方便，約定MOS的輸入控制信號Vi=1（i=0，…，5）時，對應的MOS導通，當Vi=0時對應的MOS管關斷，-Vi為Vi的非運算。MOS的導通與關斷通過高頻PWM信號控制。

圖2 PJN驅動電路模型Fig.2 PJN drive circuit model

2 PJN驅動電路工作模態分析

1）PJN驅動電路初始升壓過程。

在PJN驅動電路開始工作前，通過控制脈沖信號使MOS關斷，低壓供電電源Vd通過二極管D8向高壓工作電源Vp充電，直至Up=Ud-UDD，其中：Up、Ud分別為電源Vp、Vd的電壓，UDD為二極管D8的正向導通電壓降。

2）PJN驅動電路高頻升壓過程。

通過低壓供電電源Vd和儲能電感器L向高壓工作電源Vp充電，直至高壓工作電源電壓Up達到工作所需的額定高電壓Up*。在升壓過程中實時檢測Up，如果Up≥Up*，則充電升壓過程結束。PJN驅動電路升壓的具體步驟為：

①通過控制脈沖令V0=V2=V4=1，V1=V3=V5=0，T0、T2和T4導通并與Vd、D0、L和PJN形成回路，檢測到回路電流IL≥Iref（Iref為參考設定電流）時，進入步驟②。

②通過控制脈沖令V0=1，V1=V2=V3=V4=V5=0，T0導通，L通過T0、D0和D7續流，與Vd共同向Vp充電。檢測到IL=0A時，進入步驟③。

③通過控制脈沖令V0=V3=V5=1，V1=V2=V4=0，T0、T3和T5導通并與Vd、D0、L、PJN形成回路，檢測到IL≥Iref時，進入步驟④。

④通過控制脈沖令V0=1，V1=V2=V3=V4=V5=0，T0導通，L通過T0、D0和D7續流，與Vd共同向Vd充電。檢測到IL=0A時，返回步驟①，則完成一次升壓過程。

循環重復上述步驟①至④，直至Up≥Up*。由于升壓過程是高頻過程，PJN兩端的平均直流電壓基本不變。

3）PJN正向工作過程。

⑤通過控制脈沖令V1=V2=V4=1，V0=V3=V5=0，此時Vp向PJN正向充電（逆壓電效應），直至。

⑥實時檢測IL，若檢測到IL≥Iref且Up≥Up*，關斷T0至T5，L由PJN驅動電路的接地端GND（ground，地線）經D6和D7續流至IL=0A。

⑦實時檢測Up，若檢測到Up＜Up*，進入步驟②進行升壓，以補充PJN正向工作過程中工作電壓的損耗。重復步驟①和②，直至Up≥Up*，返回步驟⑤。

4）PJN反向工作過程。

⑧通過控制脈沖令V1=V2=V4=0，V0=V3=V5=1，此時Vp向PJN反向充電（逆壓電效應），直至。

⑨實時檢測IL和Up，若檢測到IL≥Iref且Up≥Up*，關斷T0至T5，L由GND經D6和D7續流至IL=0A。

⑩實時檢測Up，若檢測到Up＜Up*，返回步驟④進行升壓，以補充PJN反向工作過程中工作電壓的損耗。重復步驟③和④，直至Up≥Up*再返回步驟⑧。

3 PJN驅動電路特性分析

3.1 升壓電路特性分析

在電路升壓過程中（步驟①至步驟④），MOS受高頻斬波信號驅動，且升壓過程中PJN的充、放電能量互補，不改變電路總能量，因此在分析過程中忽略PJN對升壓過程的影響。電路升壓過程（步驟①至步驟②）中充電回路電流IL的工作波形如圖3所示（步驟③至步驟④的原理與步驟①至步驟②的原理相同，僅電流IL的方向相反）。

在升壓過程的步驟①中，T0、T2和T4導通，并與Vd、D0、L、PJN組成回路，電路的電壓方程為：

圖3 電路升壓過程中IL的波形圖Fig.3 Waveform of ILin the boost process of the circuit

由式（5）可得：

式中：IL0為此階段電路的電流初值。

在升壓過程的步驟②中，IL為：

式中：n為充電升壓次數；Up，n為第n次升壓結束后高壓工作電源的電壓。

由圖3和式（5）可知，IL的平均電流-IL可以表示為：

式中：ton為完成步驟①所需的時間；toff，n為第n次升壓過程中完成步驟②所需的時間。

高壓工作電源的電壓變化量ΔUp可以表示為：

式中：Cp為高壓工作電源的等效電容。

經過n次遞增式充電后，Up，n為：

如果忽略電路中的能量損耗，則在ton期間存儲在儲能電感器中的能量可在toff，n期間作為高壓工作電源的充電能量而釋放，因此可得如下能量傳遞關系：

將式（8）和式（10）代入式（11），可得：

高壓工作電源可以看作一個大電容，隨著升壓充電次數的增加，其電壓越來越高。從式（11）和式（12）可以看出，充電時間toff，n隨著Up，n的升高而縮短。

3.2 PJN工作電路特性分析

假定PJN在電路中等效為1個電容CPJN和1個電阻RPJN并聯。若考慮電路能量的損耗，在Vp向PJN進行正向或反向充電（驅動導紗針左右偏移）的過程中，存在以下能量傳遞關系：

根據賈卡花型的工藝要求，賈卡導紗針需根據同步信號偏移不小于1個針距的位移，即其驅動電壓必須滿足，根據式（13）可知的關系為：

在一個充電周期中，為保證電壓UPJN穩定，當檢測到實時工作電壓Up＜Up*時，驅動電路必須由PJN工作狀態切換到高壓工作電源的自升壓狀態，以彌補電路中MOS、二極管消耗的能量，保證有足夠的能量來驅動賈卡導紗針。根據能量傳遞的關系可得：

4 PJN驅動電路仿真分析

為了驗證理論分析結果的準確性，采用MAT-LAB軟件進行仿真分析。仿真時，設Ud=24 V，Cp=10μF，CPJN=1μF，L=20mH，，MOS的正向導通管電壓降為0.3 V，導通電阻為200Ω，驅動信號頻率f≥1kHz，驅動MOS的PWM調制信號采用滯環控制方式。經過初始升壓，將高壓工作電源電壓升至23.3 V后，進入高頻升壓過程。圖4所示為高壓工作電源電壓Up的升壓波形，圖5所示為升壓回路中電感電流L的波形。

從式（4）可以看出，在壓電陶瓷晶片材料參數確定的情況下，工作電壓UPJN理論上與導紗針末端的偏移位移δ0成正比，增大UPJN可顯著增大δ0，但增大了壓電陶瓷晶片被擊穿的可能性。因此，為了保證壓電陶瓷晶片的驅動額定電壓，根據式（13）和式（14）所示的能量傳遞關系，在升壓過程將高壓工作電源充電升壓至額定電壓Up（*為230 V左右）。從圖4可知，高壓工作電源在30 ms內經過49次遞增式升壓后，其電壓達到230 V，且L≤Iref=1A；隨著Up的增大，充電時間逐漸縮短，這與圖3所示的充電規律一致。

圖4 高壓工作電源電壓Up的升壓波形Fig.5 Boost waveform of high-voltage working power sup-ply voltage Up

圖5 升壓回路中電感電流L的波形Fig.5 Waveform of inductor current L in boost loop

在一個提花擺動周期內PJN驅動電路的電壓、電流以及PWM波形如圖6所示。在高壓工作電源的驅動下，PJN從平衡位置開始，完成左偏移、停中（平衡位置）、右偏移、停中（平衡位置），即為一個提花擺動周期。從圖6(a)和圖6(b)可以看出：PJN的提花擺動周期為2 ms左右，滿足高速經編機工藝要求；在一個提花擺動周期內Up從230 V衰減到215 V，表明高壓工作電源驅動PJN完成2次提花擺動動作后，Up≈UPJN≈200 V，PJN驅動電路必須從工作狀態返回升壓充電狀態，將Up升至額定電壓Up*后重新進入工作狀態。

傳統的提花經編機控制電路中沒有儲能電感器，一般采用限流電阻器，電阻值為1 kΩ。假定工作條件不變，傳統PJN驅動電路高壓工作電源與工作電壓波形如圖7所示。從圖7（a）可以看出，由于限流電阻的損耗，在一個提花擺動周期內高壓工作電源電壓就從230 V衰減至200 V；從圖7（b）中可以看出，導紗針右偏移時UPJN≈184V≤200V，已不滿足工藝要求。通過比較圖6（a）和圖7（a）可知，采用本文設計的新型PJN驅動電路能夠節能50%。

圖6 在一個提花擺動周期內PJN驅動電路的電壓、電流以及PWM波形Fig.6 The voltage，current and PWM waveform of the PJN driving circuit in a jacquard oscillation period

圖7 傳統PJN驅動電路電壓波形Fig.7 Voltage waveform of traditional PJN drive circuit

5 結語

1）本文設計的新型PJN驅動電路采用儲能電感器代替傳統驅動電路的限流電阻器，使得該電路具有自升壓功能，無須外接高壓工作電源，僅需低壓供電電源，有效降低了電路的復雜度；而且可以利用電感器的儲能能力進行能量回收，實現了節能和低功耗。

2）通過高頻PWM信號控制PJN驅動電路，能夠實現該電路工作模態和升壓模態的切換，保證了經編提花工藝的實施。

3）將PJN高壓工作電源自升壓電路與PJN工作電路進行一體化設計，提高了電路集成度，為經編機嵌入式微型化控制系統的設計提供了理論依據。