压电式提花经编机自升压节能控制电路设计

任 雯，赖森财

（1.三明学院装备智能控制福建省高校重点实验室，福建三明365004；2.三明学院机电工程学院，福建三明365004）

目前，传统电机和电磁驱动器已无法满足高端装备精密运动的驱动要求［1］。以压电陶瓷驱动器、超磁致伸缩驱动器和形状记忆合金驱动器为代表的新一代智能驱动器［2-4］不仅广泛应用于航空航天、生物工程等领域的纳米级智能精密制造装备，也逐步应用于传统工业自动化控制领域的纺织装备等［5］。目前，应用压电贾卡针（piezo Jacquard needle，PJN）的贾卡经编机［6-9］异军突起，成为新一代高速智能经编机。

对于压电陶瓷在高精度运动和定位控制中应用的研究，主要包括根据压电陶瓷的固有非线性迟滞和蠕变特性建立的非线性模型及其补偿机制，以及微动柔性机构的设计等［10-12］；对于压电陶瓷在电子信息领域应用的研究，主要包括压电振动控制与能量收集，以及新型压电传感器、驱动电源等的设计［13-15］。在驱动微位移机构时，压电陶瓷驱动器可被看成一个电容［16］，其本身消耗的能量较小，但在驱动负载时，会在驱动电路中产生较大的电流，存在功耗大、效率低的问题。另外，传统压电控制系统需要根据被控对象的特征额外配备不同规格的专用驱动高压电源，导致系统体积较大、集成度低以及复杂性和成本较高。

为此，笔者提出了一种应用PJN的新型驱动电路（以下简称为PJN驱动电路）。该电路采用金属-氧化物-半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，MOSFET）形成驱动电桥，基于脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）控制技术，利用从低压电源中吸收的能量将PJN驱动电路的工作电源自适应升压至工作所需的高压；在PJN微动工作过程（逆压电效应）中，采用储能电感器代替限流电阻器来优化电路，以限制PJN的正向充电电流，同时回收反向充电过程（压电效应）中的能量，以有效降低功耗。

1 PJN换能模型

1.1 PJN工作原理

提花经编机的PJN一般由压电陶瓷双晶片（pi-ezoceramic double chip，PDC）、固定架、导纱针和针套等组成，其中PDC由2片压电陶瓷晶片和1块玻璃纤维陶瓷基板组成［17］。压电陶瓷晶片选用锆钛酸铅（Pb-based lanthanum-doped zirconate titanates，PZT）材料。

PJN工作原理如图1所示。

图1 PJN工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of working principle of PJN

根据逆压电效应，在电压U作用下，PDC在垂直方向产生与电场强度成比例、方向垂直的挠度变形（上晶片收缩，下晶片伸长），以驱动导纱针左右偏移，实现提花工艺。

鉴于PDC的结构特点及其使用环境符合压电振子的第一类边界条件，如图1所示，以PDC的长度方向为x向，可得PDC的压电方程为：

式中：B3为z方向的电位移；S1为x方向的应变；T1为x方向的应力；E3为z方向的电场强度；d31为压电应变常数；为恒电场下的柔性常数；为恒应力下的介电常数。

如图1（a）所示，压电陶瓷晶片的长、宽、高分别为l、w、hp，玻璃纤维陶瓷基板的长、宽、高分别为l、w、hb，PDC的总高度h=2hp+hb。在电压U作用下，PDC在长度方向x处的偏移位移为［18］：

式中：Ep和Eb分别为PDC和基板的弹性模量。

PJN中导纱针的偏转角度θ为：

压电陶瓷晶片、针套和导纱针的总长度为l0，则x=l0处导纱针末端的偏移位移δ0为：

由式（4）可知，导纱针末端的偏移位移取决于压电陶瓷晶片和基板的长度、高度、材料参数，针套和导纱针的长度以及外部施加电压的大小。

1.2 PJN驱动电路模型

如图2所示，PJN驱动电路模型包括6个MOS-FET（以下简称为 MOS）（T0，T1，…，T5）、9个二极管（D0，D1，…，D8）、1个储能电感器L和1个PJN，其中T2，…，T5和PJN构成双臂桥电路。Vd为低压供电电源，Vp为高压工作电源。为了表述方便，约定MOS的输入控制信号Vi=1（i=0，…，5）时，对应的MOS导通，当Vi=0时对应的MOS管关断，-Vi为Vi的非运算。MOS的导通与关断通过高频PWM信号控制。

图2 PJN驱动电路模型Fig.2 PJN drive circuit model

2 PJN驱动电路工作模态分析

1）PJN驱动电路初始升压过程。

在PJN驱动电路开始工作前，通过控制脉冲信号使MOS关断，低压供电电源Vd通过二极管D8向高压工作电源Vp充电，直至Up=Ud-UDD，其中：Up、Ud分别为电源Vp、Vd的电压，UDD为二极管D8的正向导通电压降。

2）PJN驱动电路高频升压过程。

通过低压供电电源Vd和储能电感器L向高压工作电源Vp充电，直至高压工作电源电压Up达到工作所需的额定高电压Up*。在升压过程中实时检测Up，如果Up≥Up*，则充电升压过程结束。PJN驱动电路升压的具体步骤为：

①通过控制脉冲令V0=V2=V4=1，V1=V3=V5=0，T0、T2和T4导通并与Vd、D0、L和PJN形成回路，检测到回路电流IL≥Iref（Iref为参考设定电流）时，进入步骤②。

②通过控制脉冲令V0=1，V1=V2=V3=V4=V5=0，T0导通，L通过T0、D0和D7续流，与Vd共同向Vp充电。检测到IL=0A时，进入步骤③。

③通过控制脉冲令V0=V3=V5=1，V1=V2=V4=0，T0、T3和T5导通并与Vd、D0、L、PJN形成回路，检测到IL≥Iref时，进入步骤④。

④通过控制脉冲令V0=1，V1=V2=V3=V4=V5=0，T0导通，L通过T0、D0和D7续流，与Vd共同向Vd充电。检测到IL=0A时，返回步骤①，则完成一次升压过程。

循环重复上述步骤①至④，直至Up≥Up*。由于升压过程是高频过程，PJN两端的平均直流电压基本不变。

3）PJN正向工作过程。

⑤通过控制脉冲令V1=V2=V4=1，V0=V3=V5=0，此时Vp向PJN正向充电（逆压电效应），直至。

⑥实时检测IL，若检测到IL≥Iref且Up≥Up*，关断T0至T5，L由PJN驱动电路的接地端GND（ground，地线）经D6和D7续流至IL=0A。

⑦实时检测Up，若检测到Up＜Up*，进入步骤②进行升压，以补充PJN正向工作过程中工作电压的损耗。重复步骤①和②，直至Up≥Up*，返回步骤⑤。

4）PJN反向工作过程。

⑧通过控制脉冲令V1=V2=V4=0，V0=V3=V5=1，此时Vp向PJN反向充电（逆压电效应），直至。

⑨实时检测IL和Up，若检测到IL≥Iref且Up≥Up*，关断T0至T5，L由GND经D6和D7续流至IL=0A。

⑩实时检测Up，若检测到Up＜Up*，返回步骤④进行升压，以补充PJN反向工作过程中工作电压的损耗。重复步骤③和④，直至Up≥Up*再返回步骤⑧。

3 PJN驱动电路特性分析

3.1 升压电路特性分析

在电路升压过程中（步骤①至步骤④），MOS受高频斩波信号驱动，且升压过程中PJN的充、放电能量互补，不改变电路总能量，因此在分析过程中忽略PJN对升压过程的影响。电路升压过程（步骤①至步骤②）中充电回路电流IL的工作波形如图3所示（步骤③至步骤④的原理与步骤①至步骤②的原理相同，仅电流IL的方向相反）。

在升压过程的步骤①中，T0、T2和T4导通，并与Vd、D0、L、PJN组成回路，电路的电压方程为：

图3 电路升压过程中IL的波形图Fig.3 Waveform of ILin the boost process of the circuit

由式（5）可得：

式中：IL0为此阶段电路的电流初值。

在升压过程的步骤②中，IL为：

式中：n为充电升压次数；Up，n为第n次升压结束后高压工作电源的电压。

由图3和式（5）可知，IL的平均电流-IL可以表示为：

式中：ton为完成步骤①所需的时间；toff，n为第n次升压过程中完成步骤②所需的时间。

高压工作电源的电压变化量ΔUp可以表示为：

式中：Cp为高压工作电源的等效电容。

经过n次递增式充电后，Up，n为：

如果忽略电路中的能量损耗，则在ton期间存储在储能电感器中的能量可在toff，n期间作为高压工作电源的充电能量而释放，因此可得如下能量传递关系：

将式（8）和式（10）代入式（11），可得：

高压工作电源可以看作一个大电容，随着升压充电次数的增加，其电压越来越高。从式（11）和式（12）可以看出，充电时间toff，n随着Up，n的升高而缩短。

3.2 PJN工作电路特性分析

假定PJN在电路中等效为1个电容CPJN和1个电阻RPJN并联。若考虑电路能量的损耗，在Vp向PJN进行正向或反向充电（驱动导纱针左右偏移）的过程中，存在以下能量传递关系：

根据贾卡花型的工艺要求，贾卡导纱针需根据同步信号偏移不小于1个针距的位移，即其驱动电压必须满足，根据式（13）可知的关系为：

在一个充电周期中，为保证电压UPJN稳定，当检测到实时工作电压Up＜Up*时，驱动电路必须由PJN工作状态切换到高压工作电源的自升压状态，以弥补电路中MOS、二极管消耗的能量，保证有足够的能量来驱动贾卡导纱针。根据能量传递的关系可得：

4 PJN驱动电路仿真分析

为了验证理论分析结果的准确性，采用MAT-LAB软件进行仿真分析。仿真时，设Ud=24 V，Cp=10μF，CPJN=1μF，L=20mH，，MOS的正向导通管电压降为0.3 V，导通电阻为200Ω，驱动信号频率f≥1kHz，驱动MOS的PWM调制信号采用滞环控制方式。经过初始升压，将高压工作电源电压升至23.3 V后，进入高频升压过程。图4所示为高压工作电源电压Up的升压波形，图5所示为升压回路中电感电流L的波形。

从式（4）可以看出，在压电陶瓷晶片材料参数确定的情况下，工作电压UPJN理论上与导纱针末端的偏移位移δ0成正比，增大UPJN可显著增大δ0，但增大了压电陶瓷晶片被击穿的可能性。因此，为了保证压电陶瓷晶片的驱动额定电压，根据式（13）和式（14）所示的能量传递关系，在升压过程将高压工作电源充电升压至额定电压Up（*为230 V左右）。从图4可知，高压工作电源在30 ms内经过49次递增式升压后，其电压达到230 V，且L≤Iref=1A；随着Up的增大，充电时间逐渐缩短，这与图3所示的充电规律一致。

图4 高压工作电源电压Up的升压波形Fig.5 Boost waveform of high-voltage working power sup-ply voltage Up

图5 升压回路中电感电流L的波形Fig.5 Waveform of inductor current L in boost loop

在一个提花摆动周期内PJN驱动电路的电压、电流以及PWM波形如图6所示。在高压工作电源的驱动下，PJN从平衡位置开始，完成左偏移、停中（平衡位置）、右偏移、停中（平衡位置），即为一个提花摆动周期。从图6(a)和图6(b)可以看出：PJN的提花摆动周期为2 ms左右，满足高速经编机工艺要求；在一个提花摆动周期内Up从230 V衰减到215 V，表明高压工作电源驱动PJN完成2次提花摆动动作后，Up≈UPJN≈200 V，PJN驱动电路必须从工作状态返回升压充电状态，将Up升至额定电压Up*后重新进入工作状态。

传统的提花经编机控制电路中没有储能电感器，一般采用限流电阻器，电阻值为1 kΩ。假定工作条件不变，传统PJN驱动电路高压工作电源与工作电压波形如图7所示。从图7（a）可以看出，由于限流电阻的损耗，在一个提花摆动周期内高压工作电源电压就从230 V衰减至200 V；从图7（b）中可以看出，导纱针右偏移时UPJN≈184V≤200V，已不满足工艺要求。通过比较图6（a）和图7（a）可知，采用本文设计的新型PJN驱动电路能够节能50%。

图6 在一个提花摆动周期内PJN驱动电路的电压、电流以及PWM波形Fig.6 The voltage，current and PWM waveform of the PJN driving circuit in a jacquard oscillation period

图7 传统PJN驱动电路电压波形Fig.7 Voltage waveform of traditional PJN drive circuit

5 结语

1）本文设计的新型PJN驱动电路采用储能电感器代替传统驱动电路的限流电阻器，使得该电路具有自升压功能，无须外接高压工作电源，仅需低压供电电源，有效降低了电路的复杂度；而且可以利用电感器的储能能力进行能量回收，实现了节能和低功耗。

2）通过高频PWM信号控制PJN驱动电路，能够实现该电路工作模态和升压模态的切换，保证了经编提花工艺的实施。

3）将PJN高压工作电源自升压电路与PJN工作电路进行一体化设计，提高了电路集成度，为经编机嵌入式微型化控制系统的设计提供了理论依据。