在半导体机械、扫描探针显微镜、光学、振动控制和纳米定位等 demanding 应用中，闭环控制是实现纳米级精度的关键。PDu150CL 将高压电源、精密应变调理电路、反馈控制器和超低噪声放大器集成在信用卡大小的封装中，为压电执行器提供完整的高分辨率开环或闭环控制解决方案。
核心特性
✅ 完整闭环解决方案：高压电源 + 应变调理 + 反馈控制器 + 超低噪声放大器
✅ 超低噪声：26 µV RMS（1µF负载，0.03 Hz 至 1 MHz）
✅ 高输出电流：峰值300mA，RMS 235mA
✅ 信用卡大小：89 × 40 × 44 mm，仅重80克
✅ 支持多种应变传感器：单元素、半桥、全桥
✅ 开环/闭环可选：灵活适应不同应用需求
✅ 可与 SCL 系列闭环堆叠执行器配对校准
✅ 全面保护：短路、过流、过温保护
✅ PCB安装版本：PDu150CL-PCB 可直接安装到主机主板
规格参数
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 电源 | +24 V（±10%） |
| 输出电压 | -30 V 至 +150 V |
| 峰值电流 | 300 mA |
| RMS 电流 | 235 mA |
| 功率带宽 | 80 kHz（150 Vp-p） |
| 信号带宽 | 180 kHz |
| 压摆率 | 38 V/µs |
| 增益 | 20 V/V |
| 输入阻抗 | 10 kΩ（闭环模式）；3.05 kΩ（开环模式） |
| 输入偏置 | ±5 mV |
| 负载 | 无限 |
| 输出噪声 | 26 µV RMS（1µF负载，0.03 Hz 至 1 MHz） |
| 保护 | 短路、过流、过温 |
| 静态电流 | 100 mA（关断时10 mA） |
| 连接器 | 螺丝端子（AWG 20-30） |
| 尺寸 | 89 × 40 × 44 mm（长 × 宽 × 高） |
| 工作环境 | 0°C 至 60°C |
| 重量 | 80 克 |
连接图
| 引脚 | 功能 |
|---|---|
| VS | 电源（+24V） |
| G | 地 |
| EN | 使能 |
| IN | 信号输入 |
| SNS | 传感器输出 |
| S-, S+ | 桥式传感器连接 |
| B-, B+ | 桥式驱动连接 |
| HV-, HV+ | 高压输出 |
操作说明
PDu150CL 可用于开环或闭环模式：
开环模式：输入信号直接连接到功率放大器。
闭环模式：输入信号作为反馈环路的指令信号。应变信号来自附着在压电或结构上的电阻应变片。
注意：放大器输出采用新型低噪声差分架构，不能连接到地，例如不能连接到接地示波器的地线。
输出电流
峰值输出电流为 300mA，最大平均电流为 105mA。
对于正弦波，平均正输出电流为：
I_av = (√2 / π) × I_rms = (1/π) × I_pk
电源电流
放大器静态功耗约为2W或85mA。通过开集电极电路将 Enable 引脚拉低，可降至<10mA。
I_s = 200 × (I_av + 0.010) / 24
满功率下最大电源电流为0.9A。
功率带宽
标称压摆率为 38 V/µs，因此150 Vp-p 正弦波的最大频率为 80 kHz。
对于电容性负载，功率带宽受输出电流限制：
f_pwr = I_pk / (π × V_L(p-p) × C_L)
小信号带宽
| 负载电容 | 带宽 |
|---|---|
| 空载 | 180 kHz |
| 30 nF | 120 kHz |
| 100 nF | 34 kHz |
| 300 nF | 11 kHz |
| 1 µF | 3.2 kHz |
| 3 µF | 980 Hz |
| 10 µF | 190 Hz |
| 30 µF | 73 Hz |
功率放大器噪声
输出噪声包含低频分量（0.03 Hz 至 10 Hz）和高频分量（10 Hz 至 1 MHz）。
最佳噪声性能通过被动冷却实现，因为风扇磁场可能在输出中引入mV级干扰。
低频噪声RMS值为 15 µV，峰峰值为 100 µV。
| 负载电容 | 高频噪声 RMS | 总噪声 RMS |
|---|---|---|
| 10 nF | 450 µV | 450 µV |
| 30 nF | 170 µV | 171 µV |
| 100 nF | 60 µV | 62 µV |
| 300 nF | 34 µV | 37 µV |
| 1 µF | 21 µV | 26 µV |
| 3 µF | 16 µV | 23 µV |
| 10 µF | 16 µV | 22 µV |
| 30 µF | 18 µV | 23 µV |
应变传感器规格
| 参数 | 规格 |
|---|---|
| 桥式激励 | 6V（差分） |
| 传感器电阻 | 350 Ω 至 1000 Ω |
| 传感器配置 | 单元素、半桥或全桥 |
| 桥式平衡范围 | ±6 mV |
| 增益范围 | 200 至 3000 |
| 偏置范围 | ±6 mV |
| 带宽 | 10 kHz |
| 输入噪声电压 | 3 µV RMS（0.1 Hz 至 100 Hz） |
传感器连接
PDu150CL 兼容单元素应变传感器、半桥和全桥传感器配置。
单元素应变片：适用于温度稳定或优先考虑简单性的应用。需要三个与应变片电阻相等的 dummy 电阻。
半桥应变传感器：使用90度玫瑰图传感器，对温度变化有良好的抗扰性，分辨率比单元素提高约30%。需要两个 dummy 电阻。
全桥应变传感器：由两个90度玫瑰图传感器构成，对温度变化有良好的抗扰性，线性度最佳，分辨率是半桥的两倍，但需要更多接线。
传感器噪声与分辨率
传感器噪声由控制环路的互补灵敏度函数滤波，感兴趣的带宽通常为 0.1Hz 至 100Hz。
使用350Ω桥式电阻时，总输入参考噪声电压RMS值为 3µV，峰峰值为 20µV。
分辨率估算：
V_s = ½ × V_e × GF × ε × (1+ν)
其中 V_e 为激励电压（5V），GF 为应变片因子（约2），ε 为应变，ν 为泊松比（PZT5H为0.34）。对于0.1%的满量程应变，预期桥式电压为6.7mV。
分辨率 = 3µV / 6.7mV = 满量程的0.045%
传感器校准程序
校准桥式调理电路需要以下步骤，应在传感器和压电连接到 PDu150CL 的情况下进行：
平衡桥式
将 PDu150CL 置于开环模式，向输入端施加0V或短路。
在 S- 和 S+ 端子之间连接电压表（不要断开桥式）。
调节 Bridge Balance 电位器，直到测量电压为零。
设置灵敏度和偏置
将 Sensor Gain 电位器完全逆时针旋转（10圈）。
确保 PDu150CL 处于开环模式，向输入端施加0V或短路。
监测 SNS 端子，调节 Sensor Offset 电位器直到电压为零。
向输入端施加7.5V，在压电上产生150V。
监测 SNS 端子，调节 Sensor Gain 电位器直到电压为 +10V。
闭环操作
一旦传感器校准完成，PDu150CL 可置于闭环模式。
闭环灵敏度由应变传感器的灵敏度定义。例如，如果压电的满量程范围（FSR）为20µm，应变传感器校准为0V至10V，则闭环灵敏度为：
Sensitivity = FSR / 10V = 2 µm/V
校准反馈增益
反馈增益定义闭环带宽和系统建立时间。通常选择最低的满意反馈增益，以避免不必要的传感器噪声。
将 Feedback Gain 电位器完全逆时针旋转（10圈）。
将 PDu150CL 置于闭环模式，向输入端施加1Vp-p、5V偏置的三角波。
用示波器监测输入信号和 SNS 端子，增加反馈增益直到开始出现超调。
对于不需要高速跟踪的应用，上述程序不需要。最小反馈增益即可。
余量（Headroom）
当传感器的满量程范围校准到压电的满量程范围时，需要考虑一些“余量”。为允许控制环路补偿热漂移和蠕变等效应，输入信号通常限制在 10% 至 90% 范围内，以便控制环路可利用剩余的10%。
示例应用
以下示例中，压电堆叠执行器（SCL050518）在闭环下操作。该执行器在150V下产生20µm位移，使用由两个90度玫瑰图构成的全桥应变传感器。
PDu150CL 校准为：施加0V至150V电压对应0V至10V应变信号。
反馈增益选择为实现良好的10Hz满量程三角波跟踪性能。
开环和闭环响应（1Hz正弦波）： 观察到优异的迟滞补偿。
闭环定位噪声（0.03Hz至1MHz）： RMS值为 8.8 nm，50秒内峰峰值为 60 nm。
分辨率 = 8.8 nm / 20 µm = 满量程的0.044%
该值与“传感器噪声与分辨率”中的预测值一致。
过载保护 / 关断
PDu150CL 具有短路和平均电流过载保护。可通过开集电极或开漏电路将 Enable 引脚拉低来手动关断。
散热
热耗散约为：
P_d = 200 × (I_av + 0.010)
在低噪声和低功耗应用中，如果热耗散小于5W，自然对流足够。如果热耗散超过5W，建议外部气流5 CFM。外部风扇应距离模块80mm以上。
保修 / 支持
PDu150CL 模块在发货前经过全面测试，每个模块附有测试报告。用户负责确保正确设置和操作在规格范围内。无保修期。持续超出操作规格将损坏模块，需由用户自费更换。PDu150CL 模块不可维修。
高压安全警告
本产品产生高达 180 Vdc 的潜在致命电压。
请遵守低压安全预防措施：
使用受过低压救援培训的观察员
请勿在导体暴露的情况下操作
使用适当的标识
参考文献
[1] A Review of Nanometer Resolution Position Sensors: Operation and Performance; A. J. Fleming; Sensors and Actuators A: Physical; 2013, 190, 106-126
[2] Design, Modeling and Control of Nanopositioning Systems; A. J. Fleming & K. K. Leang; Springer, 2014
[3] Measuring and Predicting Resolution in Nanopositioning Systems; A. J. Fleming; Mechatronics; 2014, 24, 605-618
尺寸
安装柱接受 M2.5 螺丝。
PCB安装版本（PDu150CL-PCB）设计用于安装到主机主板。唯一区别是螺丝端子被排针（Harwin M20-9990645 和 M20-9990845）取代，安装在模块底部。推荐PCB孔径为1mm。
闭环控制，纳米级精度，信用卡大小的完整解决方案。
无论您需要用于半导体机械、扫描探针显微镜、光学、振动控制还是纳米定位，PDu150CL 都能提供灵活、可靠的高分辨率闭环控制解决方案。
