PDu150CL可采用开环或闭环模式。在开环模式下，输入信号直接连接到功率放大器。请注意，放大器输出采用一种新型低噪声差分架构，无法接地，例如接地示波器的地线。

在闭环模式下，输入信号作为反馈回路的指令信号。应变信号来源于连接在压电或结构上的电阻应变计。

输出电流

峰值输出电流为300mA。此外，每个放大器的最大平均电流为105mA。平均电流对于计算功率耗散和平均供电电流非常有用。对于正弦波，平均正输出电流等于⁢=√2π⁢⁢⁢=1π⁢⁢.

供电电流

放大器的静止功率约为2瓦或85毫安。通过将使使能引脚带开集电极电路降至低电平，可将此电压降至<10 mA。如果使用风扇，静止功率增加0.5瓦，

=200×(⁢+0.010)24其中⁢是总平均输出电流。最大供电电流为满功率时0.9A。

功率带宽

功率带宽是可以在无失真的情况下重现的最大频率周期性信号。计算器确定给定负载电容下的最大工作频率和所需功率。计算器包含了电流限制、斜率、输出阻抗和信号带宽的影响。计算器不包含峰值电流限制的时间常数，当功率带宽低于100 Hz时可能不准确。

PDu150CL的标称转速为38 V/us。因此，最大频率正弦波为=38×106π ⁢(−)因此，150 Vp-p 正弦波的最大频率为 80 kHz。

在电容负载下，功率带宽受输出电流限制。最大频率的正弦波为⁢⁢=⁢π⁢⁢(−) 其中⁢是峰值电流极限，⁢(−)是峰对峰输出电压，且是有效负载电容。

小信号带宽

小信号频率响应

功率放大器噪声

输出噪声包含一个低频分量（0.03 Hz到 10 Hz），与负载电容无关;以及一个与负载电容成反比的高频分量（10 Hz 到 1 MHz）。最佳噪声性能通过被动冷却实现，因为风扇产生的磁场会在输出端感应 mV 级干扰。在低噪声应用中，风扇被拆除时，如果功率耗散超过5瓦，则需要一定的外部气流，参见散热。

噪声通过SR560低噪声放大器（增益=1000）、示波器和安捷伦34461A电压表测量。低频噪声如下图所示。有效值为15 uV，峰值电压为100 uV。

低频噪声范围从0.03 Hz到10 Hz。

高频噪声（10 Hz到1 MHz）与负载电容的关系列于下表。0.03 Hz到 1 MHz 之间的总噪声可以通过将 RMS 值平方求和得到，即σ=√σ2⁢+σ2⁡.

应变传感器规格

传感器连接

PDu150CL兼容单元件应变传感器、半桥和全桥传感器配置。以下描述了这些不同布置的优点及推荐的连接方法。包括 www.omega.com 在内的许多供应商都提供合适的应变传感器。PDu150CL可作为校准对购买，配备SCL系列闭环堆栈执行器。

单元应变计

单元件应变传感器在温度稳定或注重简洁的应用中非常有用。如下所示，推荐配置需要三个与应变计电阻等值的假电阻（R）。当假电阻与应变计温度系数相同且热连接于应变计时，温度稳定性最佳。

半桥应变传感器

半桥结构配90度花形传感器，能对温度变化有良好抗拒力，分辨率比单元件高约30%。推荐配置需要两个等于应变计电阻值的假电阻（R）。

与压电展开对齐的应变元件记为（+ε）而90度元素记为（−⁢ε).由于压电器中出现正应变，这一惯例被采纳+ε由于泊松比，导致90度元件发生负电阻变化（).

全桥应变传感器

由两个90度花纹传感器组成的全桥结构，对温度变化有良好抗拒力，线性度最佳，分辨率是半桥的两倍;但这种配置也需要更多的布线。PDu150CL可作为校准对购买，配备SCL系列闭环堆栈执行器。

与压电展开对齐的应变元件记为（+ε）而90度元素记为（−⁢ε).由于压电器中出现正应变，这一惯例被采纳+ε由于泊松比，导致90度元件发生负电阻变化（).

传感器噪声与分辨率

由于传感器噪声被控制环的互补灵敏度函数滤波，关注的带宽通常为0.1Hz到100Hz。上频限制影响不大，因为该带宽中的大部分噪声来自板载参考和主增益级的低频噪声。桥阻为350欧姆，输入参考噪声总电压如下图，均方根值为3uV，峰间电压为20uV。

350欧姆桥（0.1Hz到100Hz）的总应变噪声

传感器噪声可以用来估算传感器分辨率。两变元件全桥的感应电压为[1， 2]

=12⁢ ⁡ ε (1+)其中是激励电压（5V），GF是规范因子（通常为~2），ε是应变，且是泊松比（PZT5H为0.34）。在0.1%的全量量度应变下，预期桥电压为6.7 mV。因此，期望的有效值分辨率为Resolution=3 uV6.7 mV=0.045% ofFullScale

传感器校准程序

校准桥式调节电路需要以下程序，且应在传感器和压电器连接到PDu150CL的情况下进行。

平衡桥梁

桥梁电阻中的小不匹配可以用桥梁平衡电池来解释。这一步优化了桥路的温度灵敏度。

1）将PDu150CL置于开环模式，并对输入端子施加0V或短路。

2）在S-和S+端子之间连接电压表（不断开桥接）。

3）调谐桥平衡电位器直到测量电压为零。

设置灵敏度和偏移

这一步校准传感器，使得施加在压电元件上的0V到150V信号会产生0V到10V的应变信号。

1）将传感器增益电位器完全逆时针旋转（10圈）。

2）确保PDu150CL处于开环模式，并对输入端子施加0V或短路。

3）监控SNS端子，调谐传感器偏移电位器直到电压为零。

4）在输入端子施加7.5V电压，使压电器两端产生150V电压。

5）监控SNS端子，调节传感器增益电位器，直到电压达到+10V。

变体

上述程序有许多变体。以下是一些有用的选项。

通过对输入端子施加5赫兹正弦波（范围为0V至7.5V）来同时调节偏移和增益，使压电器两端电压达到0V至150V。用示波器监控SNS端子，调谐传感器偏移和传感器增益电位器，直到测量的正弦波在0V到10V之间。

与其将传感器校准为全刻度的+10V，不如采用如+5V这样的其他电压。

如果压电器两端的负电压可接受，便于将整个压电电压范围（例如-30V到+150V）校准为0V到+10V的SNS电压。这需要在校准时输入-1.5V到+7.5V，而不是0V到+7.5V。

对于具有不同电压额定值的堆栈执行器，应相应选择校准输入信号。例如，压电电压额定值为-20V至+100V的合适校准输入应为-1V至+5V。

闭环作

传感器校准完成后，PDu150CL可进入闭环模式。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，如果压电器的全尺寸范围（FSR）为20微米，且应变传感器校准为0V至10V，闭环灵敏度为Sensitivity=FSR10 V=2 um/V

校准反馈增益

反馈增益定义了系统的闭环带宽和稳定时间。通常选择最低且令人满意的反馈增益，以避免不必要的传感器噪声。以下描述了一种简单的校准程序：

1）将反馈增益电位器完全逆时针转动（10圈）。

2）将PDu150CL置于闭环模式，并对输入端子施加一个带有5V偏移的1Vp-p三角波。如果传感器校准时有非10V的完整范围，则使用等于中值的偏置电压。

3）用示波器监测输入信号和SNS端子，增加反馈增益直到出现过冲。

对于不需要高速跟踪的应用，上述程序则不强制要求。最小反馈增益是合适的。

为了实现特定的-3dB带宽，将三角波替换为正弦波，并将反馈增益调谐至SNS信号振幅为0.7 Vp-p。

头部空间

当传感器的全尺度范围与压电器全尺度范围校准时，需要考虑“头距”。为了让控制环能够补偿热漂移和蠕变等效应，输入信号通常限制在10%到90%之间，这样控制环路就能在最低和最高极利用剩余的10%。例如，一个系统的完整范围为0V到10V，实际的闭环输入范围应为1V到9V。

上述方法的另一种选择是在校准时考虑剩余余量。例如，校准时不使用全刻度范围，例如-30V到+150V，而是选择更小的范围，例如-15V到+130V。采用此方法，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

在这个例子中，下面（SCL050518）所示的压电堆叠执行器是闭环运行的。执行器在150伏时产生20微米的容量，采用由两个90度圆锥组成的全桥应变传感器。

PDu150CL的校准使得施加电压0V至150V时，应变信号为0V至10V。随后选择反馈增益以实现10赫兹全频三角波的良好跟踪性能，如下所示。

10 Hz 全频跟踪性能

下图显示了对全范围1赫兹正弦波输入的开环和闭环响应。可以观察到良好的滞后补偿。

开环和闭环响应（1赫兹正弦波）

在评估总定位噪声之前，通过施加20 Hz正弦波并调整反馈增益直到幅度响应为-3dB，调整反馈增益，以提供精确为20 Hz的闭环带宽。这使得可以直接与具有相同带宽的其他方法进行比较。

通过测量功率放大器与零伏输入的差分输出电压，可以量化放大器、传感器和反馈控制器产生的总定位噪声[3]。

差分输出电压使用SR560低噪声放大器测量，增益为10，通带为0.03 Hz至1 MHz。所得电压通过压电器灵敏度（20微米/150伏）进行缩放，图示如下。有效值为8.8纳米，峰值间距为60纳米，持续50秒。这代表一个有效值分辨率Resolution=8.8 nm20 um=0.044% ofFullScale

该数值与“传感器噪声与分辨率”中的预测分辨率相符。

闭环定位噪声（0.03Hz到1MHz）

过载保护/关机

PDu150 对短路和平均电流过载进行了保护。

通过开集电极或开漏电路将使能引脚拉低电平，可以手动关闭功放。使能引脚通常浮动在5V，不应直接驱动。

散热

散热量大约为=200×(⁢+0.010)

例如，对于正弦波输出，功率为=200×(⁢(−)⁢⁢+0.010)

测量散热的一种简单方法是在运行时用万用表测量供电电流。散热等于直流电流和电压的乘积。

在低噪声、低功耗的应用中，需要拆除风扇，如果散热量小于5瓦，自然对流即可。如果散热超过5瓦，建议外部气流为5 CFM。为避免干扰，外部风扇应位于距离模块80毫米以上的位置。

之前的版本

保修/支持

PDu150CL模块在运输前经过全面规格和过载保护测试。每个模块均附带一份测试报告。用户负责确保在规范内正确设置和作。没有保修期。持续超出工作规格，例如反复超过电流限制或输入电压额定值，或冷却不足，都会损坏模块，需由用户自行更换。PDu150模块不被视为可维修。如需支持，请提交联系咨询以创建支持工单。

高压安全警告

该产品产生高达180伏直流电的潜在致命电压。

遵守低压安全措施（根据ANSI C84.1-1989），例如：

• 请使用受过低压救援训练的观察员
• 不要使用裸露导线作
• 使用合适的标识

参考文献

[1] 纳米分辨率位置传感器综述：工作原理与性能;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、建模与控制;A. J. 弗莱明和K. K. 梁;施普林格，2014年

[3] 纳米定位系统中的分辨率测量与预测;A. J. 弗莱明;机电一体化;2014, 24, 605-618

尺寸

安装柱可以安装M2.5螺丝。

PCB安装版本（PDu150CL-PCB）设计用于安装在主机主板上。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。推荐的引脚PCB孔径为1毫米。Altium的原理图和封装库可供下载。

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