（文章来历：单片机与嵌入式体系运用，作者：方元坤，潘仲明，杨涛）
导言
压电陶瓷作动器是一种运用压电陶瓷逆压电效应制造的微位移器材。它具有体积小、重量轻、精度和分辨率高级许多长处，但因为其行程较短，因此约束了其在许多范畴的运用。具有Cymbal结构的压电陶瓷作动器能够将压电作动器的径向形变扩大几十倍，并将其累加到轴向变形上，因此使其具有更大的位移输出。因此，具有Cymbal结构的压电陶瓷作动器在比如光学、电子等需求小推力和大行程的范畴，有着广泛的运用远景。
1 Cymbal型复合压电作动器
1.1Cymbal复合压电振子
Cymbal型复合压电振子是由两只薄铙钹形金属薄壳夹持一枚厚度方向极化的压电陶瓷圆片所组成，如图1所示。整个压电作动器是由多个复合压电振子结构上串联粘接而成的。金属薄壳的效果是将压电陶瓷圆片的小径向弹性变换为金属薄壳腔体的曲折变形。因此，在相同电压下，相同片数的具有Cymbal结构的压电陶瓷作动器能够比一般的堆叠式压电陶瓷作动器发生更大的位移输出。
图1Cymbal复合压电振子
金项目：国家自然科学基金、我国工程物理研究院联合基金赞助项目，基金项目编号10376043。
如图1所示，铙钹环形边际与压电振子粘在一同，构成金属陶瓷复合环片。其间h0 ，h1和h2 别离为压电振子、金属薄壳和强力胶的厚度。图1中的压电振子是沿Z轴方向（即纵向）极化的，其半径为R0；铙钹底部呈圆环片形状，其外径为R0，内径为R1，空腔高度为H （H？R1）。
1.2Cymbal结构的扩大效果
从图1能够看出，铙钹结构近似为一平顶锥台。在压电振子发生径向形变时，平顶锥台顶半径R2不变；因为强力胶的效果，铙钹环形边际不变，即在形变时只要铙钹内径R1和空腔高度H发生改变。这儿无妨假定Cymbal薄壳变形前后的表面积持平，则有：
式中ΔH是单个铙钹的轴向改变量；ΔR为金属－陶瓷复合圆片的径向位移。疏忽式中的高次因子ΔR2和ΔH 2，可得：
因为每个压电复合振子有两个铙拔结构，因此上述联系应乘以2。
鉴于国内的实践供货状况，选用厚度方向上极化的PZT5A型压电陶瓷圆片制造Cymbal型复合压电振子。压电振子的参数为：弹性和婉常数sE11=16.4×10 -12（m2/N），泊松比μ0 ≈ 0.35，比重ρ0=7.75×10 3 （kg/m3），半径R0＝10 mm，厚度h0=1 mm。铙钹是用厚度h1为0.3 mm的高弹性铍青铜（QBe1.9）带材冲压成型的，铙钹的有关参数为：弹性模量YE=135 Gpa，密度ρ1=8.29 g/cm3， 泊松比μ1=0.35，铙钹外缘半径R0＝10 mm，内腔的底面半径R1＝7.5 mm，顶面半径R2＝2.5 mm，高度H＝0.5 mm。最终，用AB环氧树脂胶把陶瓷圆片和上、下两铙钹的边际粘接起来，即可制成Cymbal。整个压电陶瓷作动器由20枚复合压电振子在结构上串联粘接而成。将上述参数带入到（2）式，可得实践铙钹式压电作动器关于压电陶瓷片径向变形的扩大倍数K=50。
1.3复合压电振子驱动特性
因为压电振子与铙钹粘在一同，这必定要对压电振子的机电特性发生影响。关于压电陶瓷薄片来讲，外加电场将会影响压电资料内部电偶极子摆放的共同程度，而电偶极子的共同摆放又会在压电资料的内部发生相应的感应电场，而其内部感应电场的强弱又反过来影响压电资料内部电偶极子摆放的共同程度，如此循环往复直到平衡停止。关于Cymbal型复合压电振子来讲，当压电振子发生径向变形时，其必定要遭到铙钹相反方向的约束力，而依据压电方程压电振子的受力又会反过来影响压电振子的形变，即压电振子的形变与其所受的约束力之间相互效果直到平衡停止。因此，复合压电振子的变形与外加电场之间呈现出非常复杂的联系。
图2为压电作动器的实测电压位移特性曲线图。
图2Cymbal型复合压电作动器实测电压位移特性曲线
2 操控体系规划
2.1体系组成
因为Cymbal型复合压电作动器的非线性与磁滞性，规划了如图3所示的闭环操控体系来完成作动器的微进给操控。
图3Cymbal型复合压电作动器操控体系框图
该体系首要由微型计算机、单片机体系、差动变压器式位移传感器、液晶键盘显现模块、I/O通用接口等几部分组成。体系充分运用了C8051F021优胜的运算功能（其峰值运算速度可达25 MIPS），丰厚的片内资源（ADC、DAC、PCA、UART，TIMER等模块）和丰厚的I/O接口，使得体系具有结构简略、功能强大、可扩展性强等特色。
图3中，LJD_IV+为中文液晶键盘显现模块，担任人机交互界面的办理。C8051 通过P2 、P3口完成对液晶或键盘的选通、锁存和数据交换。此外，C8051运用守时捕捉器PCA0发生86.4k的方波信号，为LJD_IV+供给时钟信号。
该体系中，C8051单片机的A/D、D/A参阅电压均取其电源电压3.3 V，因此ADC输入和DAC输出的规模均为0～3.3 V。闭环体系将DAC0的输出经功率扩大器扩大后驱动压电作动器发生形变输出；将位移传感器反应的电压信号经12位A/D转化器ADC0采样后与希望值进行比照，并用偏差值批改DAC0的输出。
2.2功率扩大器规划
功率扩大电路比较复杂。在本体系中，为了将0～3.3 V的D/A输出线性扩大为－175～＋171.5 V输出，笔者规划了如图4所示的功率扩大电路。
图4中PA85是APEX公司出产的功率扩大器，可接受＋450 V单极性的作业电压或±225 V双极性作业电压，最大输出电流为200 mA。前两级扩大（A1和A2）是为了将0~3.3 V的DA输出信号调整成为－5.0～＋4.9 V的电压信号。PA85选用正相扩大的接法，扩大倍数为102 kΩ/3 kΩ＋1=35倍。
图4中，由场效应管Q1和Q2构成的外部互补对称电路，起电流扩大的效果。互补对称电路中RGS的首要效果是削减扰动，添加电路稳定性。电阻RGS的阻值不能太大，一般为几十到几百欧，这儿RGS取160 Ω。RCL+和RCL－为功率电阻，当RCL+上的电流超越1.49 A时，三极管Q1导通，使场效应管Q3栅极和源极的电压胁迫在0.7 V左右，然后完成对场效应管的过流维护；关于Q4也有相同的维护电路。
图4运用PA85的压电陶瓷驱动电路
器材的选用上，关于场效应管Q3来讲，当扩大器输出电压为－175 V时，其接受的电压为350 V，所以应挑选耐压值为350×1.5=525 V以上的场效应管。同理，Q4的耐压值也应在525 V以上。这儿场效应管Q3和Q4所选的型号为VN0335和VP0335，其耐压值为550 V，耐流值为1.5 A。
2.3传感器信号程控扩大
在该体系中，笔者选用了北京京海泉传感器公司的MA0.5型差动变压器式位移传感器，该传感器的丈量规模为0~0.5 mm，信号输出规模为0~5 V，线性度《0？05%，分辨率为1 mV。
关于A/D转化器来讲，设ADC采样参阅电压为Vref，转化位数为N，传感器的输出电压为Vs，则ADC转化应该满意|Vs|＜Vref。为此，笔者在单片机的ADC输入端加上稳压管进行维护，其转化后的相对差错
图5 程控扩大电路图
为使压电陶瓷作动器在不同行程时传感器信号尽可能挨近ADC的满量程输入，笔者规划了如图5所示的程控扩大电路。图5中Vsensor为传感器输出电压，VADC为程控扩大电路输出电压即ADC0输入电压；PGA203为程控扩大器，其扩大倍数依据其1、2脚输入电平的不同别离取1、2、4和8。C8051通过P1.0和P1.1口操控PGA203的扩大倍数。PGA203电源供电电压VCC=±15 V。电容C1和C2为电源去耦钽电容，其容值巨细为1μF。
2.4软件补偿
在体系软件规划中，笔者通过重复试验，将Cymbal型复合压电作动器的电压位移特性（包含上升曲线和下降曲线）预先存储于C8051的片内程序存储器中。在体系进给时，MCU首要判别体系输出量是上升仍是下降，然后对所希望的进给量进行查表，然后将其成果经DAC0输出。
图6为软件补偿后体系的开环输出特性曲线。因为作动器的磁滞效应，在图6中作动器输出下降曲线的零点其实践驱动电压为－33.15 V。
图6通过软件补偿后体系的开环输出特性曲线
与图2比较，通过软件补偿后体系的开环线性度得到了很大的进步，而其非线性差错首要来自于体系的非重复性差错。
3 定论
依据压电方程，关于一般堆叠式压电陶瓷作动器，当其所受外部压力为0时有：
式（4）中，Δl为作动器输出形变量，n为作动器堆迭片数，d为压电常数，V为加在作动器南北极上的电压。
关于PZT5A型压电陶瓷，其压电常数d33=374×10-12 C/N。由式（4）可知，当n=20，驱动电压为0~150 V时，一般堆叠式压电作动器的输出行程为1.12 μm。与图2的试验成果比较能够得出如下定论：在相同条件下，Cymbal型复合压电作动用具有更大的输出行程。一起试验成果也验证了操控体系规划的有效性。
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方元坤，潘仲明，杨涛
