微小型主動(dòng)閥壓電泵的試驗(yàn)控制系統(tǒng)的研究

何麗鵬 李慧茹 趙達(dá) 李威 黃勇

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201722094

摘要：為了配合微小型壓電泵的振動(dòng)變形的需要，本文以單片機(jī)為核心部件，在硬件電路基礎(chǔ)上，以VS C#語(yǔ)言為編程工具，對(duì)其關(guān)鍵的模塊和用戶(hù)界面進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一套適合于微小型主動(dòng)閥壓電泵的試驗(yàn)控制系統(tǒng)，主要功能是使調(diào)節(jié)的電壓、頻率以及交變信號(hào)的相位差更加方便更加靈活，系統(tǒng)主要利用了上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)壓電振子的微小變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且能根據(jù)傳感器的信號(hào)反饋使電信號(hào)的頻率自動(dòng)調(diào)整，最后測(cè)試了該系統(tǒng)的性能。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和使用證明該控制系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)可以滿(mǎn)足精度要求較高的輸送流量的場(chǎng)合。為未來(lái)主動(dòng)閥壓電泵的控制系統(tǒng)的研究提供了一種嶄新的方法。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；頻率；電壓；反饋

中圖分類(lèi)號(hào)：TH38文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

壓電泵是壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)的一個(gè)十分重要分支，在微小型機(jī)電液系統(tǒng)中（MEMS）有十分廣泛的應(yīng)用。近些年，壓電泵的研究領(lǐng)域中閥的研究逐漸升溫，由此，國(guó)際上也展開(kāi)了大量的對(duì)主動(dòng)閥的壓電泵的研究[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年成功研制了基于壓電片的常閉主動(dòng)閥壓電泵，2005年，蠕動(dòng)式主動(dòng)閥壓電泵被德國(guó)的M. Richter和Y. Congar等人設(shè)計(jì)制造，以及在2005年，壓電疊堆驅(qū)動(dòng)式主動(dòng)閥壓電泵被東京科技大學(xué)的Yosida等人成功研制。本文主要研究了一種基于圓形壓電雙晶片的主動(dòng)閥壓電泵的試驗(yàn)控制系統(tǒng)，并對(duì)其中的設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，并且對(duì)比、分析和驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的效果。

1 系統(tǒng)主程序界面設(shè)計(jì)

圖1為壓電振動(dòng)控制系統(tǒng)的工作界面。其主界面分為：分為串口設(shè)置區(qū)，初始參數(shù)設(shè)置區(qū)域，工作參數(shù)設(shè)置區(qū)域四大部分。

2 測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試裝置

圖2為主動(dòng)閥壓電泵實(shí)驗(yàn)測(cè)試控制系統(tǒng)的組成，其系統(tǒng)主要由信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、高精度數(shù)字萬(wàn)用表、示波器以及天秤測(cè)量等幾部分組成。

2.1 測(cè)試原理

在對(duì)微小型主動(dòng)閥壓電泵進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，制作了一個(gè)單腔體壓電泵，以壓電振子作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，并且在泵膜外側(cè)粘貼了一些應(yīng)變片作為感知傳感器，用來(lái)探測(cè)其振動(dòng)的變形，并把該信號(hào)通過(guò)電荷放大器進(jìn)行整流、放大，使之變成一個(gè)電壓低于5V的直流電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換傳達(dá)給計(jì)算機(jī)。從而達(dá)到主動(dòng)控制振動(dòng)的目的。如圖3所示，雙振子壓電泵控制原理。

在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)手動(dòng)設(shè)置和改變壓電泵輸出電壓的振幅值項(xiàng)，然后用高精度數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量其輸出電壓的有效值，經(jīng)公式換算得到電壓得振幅值，表1為電壓幅值的對(duì)比結(jié)果。

由上表的數(shù)據(jù)可以得，設(shè)定值與實(shí)際的電壓幅值存在一定的誤差，出現(xiàn)此現(xiàn)象主要是由于此系統(tǒng)的輸出信號(hào)的電壓幅值是通過(guò)調(diào)節(jié)總阻值為2K的數(shù)字電位器的阻值來(lái)調(diào)節(jié)的，又因?yàn)榇趥鬏斪止?jié)的限制，每次調(diào)節(jié)組織至少要20，所以在理論上輸出電壓的幅值只能達(dá)到1.8V的分辨率，輸出電壓也是因?yàn)檫@個(gè)原因?qū)е碌恼`差；另外，此系統(tǒng)的輸出電壓產(chǎn)生影響的原因還有對(duì)帶通濾波電路中心頻率的選擇。

2.2 輸出信號(hào)頻率

在控制系統(tǒng)的界面上，根據(jù)一些前面實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)值，手工設(shè)定一些輸出信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)頻率，再把這些輸出信號(hào)的經(jīng)驗(yàn)頻率值用信號(hào)發(fā)生器來(lái)檢測(cè)，得到結(jié)果如表2所示。從以上數(shù)據(jù)可知，頻率的實(shí)際值與設(shè)計(jì)值也存在著一定的誤差。分析這些誤差主要原因可得：本文為了使串口通訊的參數(shù)設(shè)置更加簡(jiǎn)單、方便，系統(tǒng)采用12.06MHz時(shí)鐘。當(dāng)輸出信號(hào)頻率為f時(shí)，T0時(shí)刻初值X的計(jì)算公式為

由于在計(jì)算中大部分?jǐn)?shù)據(jù)是都是精確到小數(shù)部分的百分位或千分位，在十六進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，本文采用四舍五入，因此導(dǎo)致了最后不同于理論計(jì)算輸出的頻率，但是從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，其誤差是很小的。

2.3 輸出信號(hào)相位差

在控制系統(tǒng)的界面上，根據(jù)一些前面實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)值，手工設(shè)定一些輸出信號(hào)的相位差，然后用示波器對(duì)其輸出信號(hào)的波形進(jìn)行觀察和探測(cè)，得到實(shí)際相位差的結(jié)果如表3所示。

從以上表中的數(shù)據(jù)可知，相位差的實(shí)際值也與設(shè)計(jì)值也存在著一定的誤差。分析主要誤差原因是由于功率放大器本身存在相位偏移，導(dǎo)致每個(gè)分路功放的相相位偏差不一致。

3 總結(jié)

為了配合微小型壓電泵的振動(dòng)變形的需要，設(shè)計(jì)了包括上位機(jī)（即PC機(jī)）程序和下位機(jī)（即單片機(jī)）程序的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件部分對(duì)其關(guān)鍵的用戶(hù)界面和模塊進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的功能主要有：實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸出信號(hào)頻率、相位差、電壓幅值的手動(dòng)調(diào)節(jié)；實(shí)現(xiàn)了對(duì)當(dāng)前工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示；也實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)檢測(cè)對(duì)壓電振子的變形。最后測(cè)試了該系統(tǒng)的性能。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和使用證明該控制系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)可以滿(mǎn)足精度要求較高的輸送流量的場(chǎng)合。

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