PiezoDrive PDu150CL带应变计反馈的低噪声150V压电驱动器

规范

操作

PDu150CL框图

PDu150CL可以在开环或闭环模式下使用。在开环模式下，输入信号直接连接到功率放大器。注意，放大器输出使用新颖的低噪声差分架构，不能接地，例如接地示波器的接地线。

在闭环模式下，输入信号充当反馈回路的命令信号。应变信号来自附着在压电或结构上的电阻应变计。

输出电流

峰值输出电流为300毫安。此外，每个放大器的最大平均电流为105mA。平均电流有助于计算功耗和平均电源电流。对于正弦波，平均正输出电流等于Iav=2πIrms=1πIpk.

源电流

放大器的静态功耗约为2 W或85 mA。通过集电极开路将Enable引脚拉低，可以将该值降至10 mA以下。如果使用风扇，静态功率增加0.5W，

Is=200×(Iav+0.010)24在哪里Iav是总平均输出电流。全功率时最大电源电流为0.9A。

功率通带

功率带宽是可以无失真再现的最大频率周期信号。计算器确定给定负载电容的最大工作频率和所需功率。该计算器包括限流、压摆率、输出阻抗和信号带宽的影响。计算器不包括峰值电流限值的时间常数，当功率带宽低于100 Hz时，可能不准确。

PDu150CL的标称压摆率为38 V/us。因此，正弦波的最大频率为fmax=38×106π VL(p−p)因此，150 Vp-p正弦波的最大频率为80 kHz。

对于容性负载，功率带宽受到输出电流的限制。正弦波的最大频率为fpwr=IpkπVL(p−p) CL在哪里Ipk是峰值电流极限，VL(p−p)是峰峰值输出电压，和CL是有效负载电容。

小信号带宽

小信号频率响应

功率放大器噪声

输出噪声包含独立于负载电容的低频成分(0.03 Hz至10Hz)；以及与负载电容成反比的高频分量(10 Hz至1 MHz)。被动冷却可实现最佳噪声性能，因为风扇磁场会在输出中引起mV级干扰。在移除风扇的低噪声应用中，如果功耗高于5W，则需要一些外部气流，请参见热消散.

噪声是用SR560低噪声放大器(增益= 1000)、示波器和Agilent 34461A电压表测量的。低频噪声如下图所示。均方根值为15 uV，峰峰值电压为100 uV。

0.03赫兹至10赫兹的低频噪声。

下表列出了高频噪声(10 Hz至1 MHz)与负载电容的关系。0.03 Hz至1 MHz范围内的总噪声可通过均方根值求和得到，即σ=σLF2+σHF2.

应变传感器规格

传感器连接

PDu150CL与单元素应变传感器、半桥和全桥传感器配置兼容。这些不同布置的优点和推荐的连接方法如下所述。合适的应变传感器可从许多供应商处获得，包括www.omega.com。PDu150CL可作为校准对与一起购买SCL系列闭环堆叠致动器.

单元素应变仪

在温度稳定或简单是优先考虑的应用中，单元素应变传感器可能很有用。如下所示，推荐配置需要三个电阻与应变计相等的虚拟电阻(R)。当虚拟电阻具有与应变计相同的温度系数，并且热连接到应变计时，可以实现最佳的温度稳定性。

半桥应变传感器

带有90度玫瑰花形传感器的半桥配置具有良好的抗温度变化能力，分辨率比单个元件高约30%。推荐配置需要两个与应变计电阻值相等的虚拟电阻(R)。

与压电膨胀对准的应变元件由(+ε)并且90度元素被表示为(−νε).采用这种惯例是因为压电材料中的正应变+ε由于泊松比(ν).

全桥应变传感器

由两个90度玫瑰花形传感器构成的全桥配置提供了良好的抗温度变化能力、最佳的线性度和两倍于半桥的分辨率；然而，这种配置也需要更多的布线。PDu150CL可作为校准对与一起购买SCL系列闭环堆叠致动器.

与压电膨胀对准的应变元件由(+ε)并且90度元素被表示为(−νε).采用这种惯例是因为压电材料中的正应变+ε由于泊松比(ν).

传感器噪声和分辨率

由于传感器噪声由控制环路的互补灵敏度功能过滤，目标带宽通常为0.1Hz至100Hz。频率上限几乎没有影响，因为该带宽内的大部分噪声来自片上基准电压源和主增益级的低频噪声。电桥电阻为350ω时，折合到输入端的总噪声电压如下图所示，均方根值为3uV，峰峰值电压为20uV。

350欧姆电桥的总应变噪声(0.1Hz至100Hz)

传感器噪声可用于估计传感器分辨率。双变量元件全桥的感应电压为[1，2]

Vs=12Ve GF ε (1+ν)在哪里Ve是激励电压(5V)，GF是仪表系数(典型值约为2)，ε是菌株，和ν是泊松比(PZT5H为0.34)。对于0.1%的满量程应变，预期电桥电压为6.7 mV。因此，预期均方根分辨率为解决=3 紫外线6.7 平均变化=0.045% 全面的

传感器校准程序

校准电桥调理电路需要以下程序，并且应在传感器和压电传感器连接到PDu150CL的情况下执行。

平衡桥梁

电桥平衡电位计可以解决电桥电阻的小失配。这个步骤优化了桥接电路的温度灵敏度。

1)将PDu150CL置于开环模式，并对输入端子施加0V电压或短路电压。

2)在S-和S+端子之间连接一个电压表(不要断开电桥)。

3)调整电桥平衡电位计，直到测得的电压为零。

设置灵敏度和偏移

该步骤校准传感器，使得施加于压电元件的0V至150V信号产生0V至10V应变信号。

1)逆时针完全转动传感器增益电位计(10圈)。

2)确保PDu150CL处于开环模式，并对输入端子施加0V电压或短路电压。

3)监控SNS端子并调整传感器补偿电位计，直到电压为零。

4)向输入端子施加7.5V电压，在压电元件上产生150V电压。

5)监控SNS端子并调节传感器增益电位计，直到电压为+10V。

变化

上述过程的许多变化是可能的。下面列出了一些有用的选项。

失调和增益可以通过向输入端施加一个范围为0V至7.5V的5Hz正弦波来同时调谐，从而在压电元件上产生0V至150V的电压。用示波器监控SNS端子，调节传感器偏移和传感器增益电位计，直到测得的正弦波在0V和10V之间。

与其将传感器校准至+10V满量程，不如采用+5V等其他电压。

如果压电元件上的负电压是可接受的，则可以方便地将整个压电电压范围(例如-30V至+150V)校准为0V至+10V的SNS电压。这要求校准期间的输入为-1.5V至+7.5V，而不是0V至+7.5V。

对于具有不同额定电压的堆致动器，应该相应地选择校准输入信号。例如，对于额定电压为-20V至+100V的压电传感器，合适的校准输入应为-1V至+5V。

闭环操作

校准传感器后，PDu150CL可以置于闭环模式。闭环系统的结构如下图所示。

PDu150CL的反馈结构

闭环灵敏度由应变传感器的灵敏度定义。例如，如果压电传感器的满量程范围(FSR)为20 um，应变传感器的校准范围为0V至10V，则闭环灵敏度为灵敏度=FSR10 V=2 um/V

校准反馈增益

反馈增益决定了系统的闭环带宽和建立时间。选择最低的满意反馈增益以避免不必要的传感器噪声通常是有利的。下面描述了一个简单的校准程序:

1)逆时针完全转动反馈增益电位计(10圈)。

2)将PDu150CL置于闭环模式，并在输入端施加一个5V失调的1Vp-p三角波。如果传感器用10V以外的满量程校准，则使用等于中间量程的偏移电压。

3)用示波器监控输入信号和SNS端子，并增加反馈增益，直到出现过冲。

对于不需要高速跟踪的应用，不需要上述程序。最小反馈增益是合适的。

为了实现特定的-3dB带宽，用正弦波代替三角波，并调整反馈增益，直到SNS信号的幅度为0.7 Vp-p。

净空高度

当传感器的满量程范围校准到压电传感器的满量程范围时，需要考虑一些“净空”。为了使控制环路能够补偿热漂移和蠕变等效应，输入信号通常被限制在10%至90%的范围内，以便控制环路可以在下限和上限利用剩余的10%。例如，满量程范围为0V至10V的系统，实际闭环输入范围为1V至9V。

上述方法的替代方法是在校准期间考虑净空。例如，可以选择更小的范围，例如-15V至+130V，而不是使用满量程范围进行校准，例如-30V至+150V。通过使用这种方法，最终的闭环输入范围将为0V至10V，这可能比1V至9V更理想。

示例应用程序

在本例中，下图所示的压电叠堆致动器(SCL050518)是闭环运行的。该致动器在150V时产生20um的位移，并利用由两个90度玫瑰花形结构构成的全桥应变传感器。

PDu150CL经过校准，0V至150V的外加电压对应0V至10V的应变信号。然后选择反馈增益，以实现10Hz全量程三角波的良好跟踪性能，如下所示。

10Hz全程跟踪性能

对全量程1Hz正弦波输入的开环和闭环响应如下图所示。可以观察到极好的滞后补偿。

开环和闭环响应(1Hz正弦波)

在评估总定位噪声之前，通过施加20 Hz正弦波并改变反馈增益，直到幅度响应为-3dB，来调整反馈增益，以提供精确的20Hz闭环带宽。这允许与具有相同带宽的其他方法进行直接比较。

放大器、传感器和反馈控制器引起的总定位噪声可以通过测量零伏输入功率放大器的差分输出电压来量化[3]。

差分输出电压使用增益为10、通带为0.03 Hz至1 MHz的SR560低噪声放大器进行测量。产生的电压通过压电灵敏度(20um/150V)进行缩放，并绘制如下。均方根值为8.8纳米，50秒内的峰峰值为60纳米。这表示均方根分辨率为解决=8.8 纳米20 嗯=0.044% 全面的

该值与“传感器噪音和分辨率”中预测的分辨率一致。

闭环定位噪声(0.03Hz至1MHz)

过载保护/关闭

PDu150具有短路和平均电流过载保护功能。

通过集电极开路或漏极开路将Enable引脚拉低，可以手动关断放大器。使能引脚通常浮动在5V，不应直接驱动。

热消散

散热量约为Pd=200×(Iav+0.010)

例如，对于正弦输出，功率为Pd=200×(VL(p−p)CLf+0.010)

测量散热的一种直接方法是在工作期间用万用表测量电源电流。散热等于DC电流和电压的乘积。

在需要移除风扇的低噪声和低功率应用中，如果散热小于5W，自然对流就足够了。如果散热超过5W，建议使用5 CFM的外部气流。为避免干扰，外部风扇应远离模块80毫米。

以前的版本

高压安全警告

该产品产生高达180 Vdc的潜在致命电压。

遵守低压(根据ANSI C84.1-1989)安全预防措施，例如

• 使用受过低压救援训练的观察者
• 不要操作裸露的导体
• 使用合适的标志

认证和合规

• CE，RoHS，Reach

参考

[1] 纳米分辨率位置传感器的评述:操作和性能；A. J .弗莱明；传感器和执行器A:物理；2013, 190, 106-126

[2] 纳米定位系统的设计、建模和控制；A. J .弗莱明和K. K .梁；施普林格，2014

[3] 测量和预测纳米定位系统的分辨率；A. J .弗莱明；机电一体化；2014, 24, 605-618

规模

安装柱接受M2.5螺钉。

PCB安装版(PDu150CL-PCB)设计用于安装到主机主板上。唯一的区别是螺丝端子被安装在模块底部的接头(Harwin M20-9990645和M20-9990845)取代。引脚的建议PCB孔尺寸为1mm。Altium原理图和尺寸库可用于下载.

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