PDu150CL 的标称转换速率为 38 V/us。因此，最大频率正弦波为fm一个x=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，功率带宽受输出电流的限制。最大频率正弦波为fpwr=我pkπVL(p−p) CL哪里我pk是峰值电流限制，VL(p−p)是峰峰值输出电压，而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

输出噪声包含一个与负载电容无关的低频分量（0.03 Hz 至 10 Hz）;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，因为风扇的磁场会在输出中感应 mV 级干扰。在低噪声应用中，如果风扇被移除，如果功率耗散超过 5W，则需要一些外部气流。

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

0.03 Hz 至 10 Hz 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 到 1 MHz 的总噪声可以通过对 RMS 值求和来求出，即σ=σLF2+σHF2.

应变传感器规格

传感器连接

PDu150CL 与单元件应变传感器、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。包括 www.omega.com 在内的许多供应商都提供了合适的应变传感器。PDu150CL 可以作为与 SCL 系列闭环堆栈执行器的校准对购买。

单元件应变片

单元件应变传感器可用于温度稳定或优先考虑简单性的应用。如下所示，推荐的配置需要三个电阻等于应变计的虚拟电阻器 （R）。当虚拟电阻器具有与应变片相同的温度系数并与应变片热连接时，可实现最佳温度稳定性。

半桥应变传感器

带有 90 度花结传感器的半桥布置具有良好的温度变化免疫力，分辨率比单个元件高约 30%。推荐的配置需要两个与应变计电阻值相等的虚拟电阻器 （R）。

与压电膨胀对齐的应变元件用 （+ε），90 度元素表示为 （−νε).采用此约定是因为压电陶瓷中的阳性应变+ε由于泊松比 （ν).

全桥应变传感器

由两个 90 度玫瑰花传感器构成的全桥布置具有良好的温度变化免疫力、最佳线性度和两倍于半桥的分辨率;但是，此配置还需要更多的布线。PDu150CL 可以作为与 SCL 系列闭环堆栈执行器的校准对购买。

与压电膨胀对齐的应变元件用 （+ε），90 度元素表示为 （−νε).采用此约定是因为压电陶瓷中的阳性应变+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，因此目标带宽通常为 0.1Hz 至 100Hz。频率上限影响不大，因为该带宽中的大部分噪声是由于来自板载参考和初级增益级的低频噪声造成的。电桥电阻为 350 欧姆时，折合到输入端的总噪声电压如下图所示，RMS 值为 3uV，峰峰值电压为 20uV。

具有 350 欧姆电桥（0.1Hz 至 100Hz）的总应变噪声

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)哪里Ve是激励电压 （5V），GF 是规范因子（通常为 ~2），ε是应变，而ν是泊松比（PZT5H 为 0.34）。对于 0.1% 的满量程应变，预期的电桥电压为 6.7 mV。因此，预期的 RMS 分辨率为分辨率=3 uV6.7 毫伏=0.045% 满量程

传感器校准程序

校准电桥调节电路需要执行以下程序，并且应在将传感器和压电陶瓷连接到 PDu150CL 的情况下执行。

平衡桥梁

Bridge Balance pot 可以解释 Bridge Balance pot 的 Bridge 阻力的小失配。此步骤优化了电桥电路的温度敏感性。

1） 将 PDu150CL 置于 Open-Loop 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（无需断开电桥）。

3） 调整 Bridge Balance 电位器，直到测得的电压为零。

设置 Sensitivity 和 Offset

此步骤校准传感器，以便施加到压电陶瓷的 0V 至 150V 信号产生 0V 至 10V 应变信号。

1） 将 Sensor Gain 电位器逆时针旋转到底（10 圈）。

2） 确保 PDu150CL 处于 Open-Loop 模式，并对输入端子施加 0V 或短路。

3） 监控 SNS 终端并调整 Sensor Offset 电位器，直到电压为零。

4） 将 7.5V 施加到输入端子，以在压电陶瓷上产生 150V 电压。

5） 监控 SNS 端子并调整传感器增益电位器，直到电压为 +10V。

变化

上述过程的许多变体是可能的。下面列出了一些有用的选项。

通过向输入端子施加 5 Hz 正弦波，可以同时调整偏移和增益，范围为 0V 至 7.5V，从而在压电陶瓷上产生 0V 至 150V。使用示波器监控 SNS 终端，并调整 Sensor Offset 和 Sensor Gain 电位器，直到测得的正弦波介于 0V 和 10V 之间。

与其将传感器满量程校准为 +10V，不如使用 +5V 等其他电压可能更可取。

如果压电陶瓷两端的负电压是可以接受的，则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栈执行器，应相应地选择校准输入信号。例如，额定电压为 -20V 至 +100V 的压电陶瓷的合适校准输入为 -1V 至 +5V。

闭环作

校准传感器后，PDu150CL 可以进入闭环模式。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，如果压电陶瓷的满量程范围 （FSR） 为 20 um，并且应变传感器校准为 0V 至 10V，则闭环灵敏度为敏感性=FSR10 V=2 um/V

校准 Feedback Gain

反馈增益定义了系统的闭环带宽和建立时间。选择最低的令人满意的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过程：

1） 将 Feedback Gain 电位器逆时针旋转完全（10 圈）。

2） 将 PDu150CL 置于闭环模式，并向输入端子施加 1Vp-p 三角波，偏移量为 5V。如果传感器是在 10V 以外的满量程范围内校准的，请使用等于中间范围的偏移电压。

3） 用示波器监控输入信号和 SNS 端子，并增加反馈增益，直到开始发生过冲。

对于不需要高速跟踪的应用程序，不需要上述过程。最小反馈增益是合适的。

要获得特定的 -3dB 带宽，请将三角波替换为正弦波并调整反馈增益，直到 SNS 信号的幅度为 0.7 Vp-p。

净空

当传感器的满量程范围校准到压电陶瓷的满量程范围时，需要考虑“裕量”。为了允许控制环路补偿热漂移和蠕变等影响，输入信号通常被限制在 10% 到 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 的系统将具有 1V 至 9V 的实际闭环输入范围。

上述方法的另一种方法是在校准期间考虑 headroom。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，产生的闭环输入范围将是 0V 至 10V，这可能比 1V 至 9V 更可取。

示例应用程序

在这个例子中，下图 （SCL050518） 所示的压电堆栈促动器在闭环中运行。致动器在 150V 下产生 20um 的位移，并利用由两个 90 度玫瑰花结构成的全桥应变传感器。

PDu150CL 经过校准，使 0V 至 150V 的外加电压对应于 0V 至 10V 的应变信号。然后选择反馈增益，以在 10 Hz 全范围三角波下实现良好的跟踪性能，如下所示。

10 Hz 全频跟踪性能

对全范围 1 Hz 正弦波输入的开环和闭环响应如下图所示。可以观察到出色的磁滞补偿。

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，调整反馈增益以提供精确 20 Hz 的闭环带宽。这允许与具有相同带宽的其他方法直接进行比较。

然后，可以通过测量具有零伏输入的功率放大器的差分输出电压来量化放大器产生的总定位噪声 [3]。

差分输出电压是使用增益为 10 且通带为 0.03 Hz 至 1 MHz 的 SR560 低噪声放大器测量的。所得电压由压电陶瓷的灵敏度 （20um/150V） 缩放，如下图所示。RMS 值为 8.8 nm，50 秒内的峰峰值为 60 nm。这表示 RMS 分辨率为分辨率=8.8 纳米20 嗯=0.044% 满量程

此值与 “Sensor Noise and Resolution” 中的预测分辨率一致。

闭环定位噪声 （0.03Hz 至 1MHz）

过载保护 / 停机

PDu150 具有短路和平均电流过载保护。

可以通过集电极开路或漏极开路电路将 Enable 引脚拉低来手动关断放大器。Enable 引脚通常浮动在 5V 电压下，不应直接驱动。

散热

散热约为Pd=200×(我一个v+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运行期间用万用表测量电源电流。散热等于直流电流和电压的乘积。

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。如果散热量在 5W 以上，建议使用 5 CFM 的外部气流。为避免干扰，外部风扇应位于距离模块超过 80 毫米的位置。

旧版本

保修 / 支持

PDu150CL 模块在发货前经过全面的规格和过载保护测试。每个模块都提供一份测试报告。用户有责任确保在规格范围内正确设置和作。没有保修期。持续超过运行规范，例如，反复超过电流限制或输入电压额定值，或未提供足够的冷却，将损坏模块，需要更换模块，费用由用户承担。PDu150 模块不被视为可修复的。

高音量tage 安全警告

该产品可产生高达 180 Vdc 的潜在致命电压。

遵守低电压（根据 ANSI C84.1-1989）安全预防措施，例如

• 使用受过低压救援培训的观察员
• 请勿使用裸露的导体作
• 使用适当的标牌

认证与合规性

• CE、RoHS、REACH 认证

引用

[1] 纳米分辨率位置传感器综述：作和性能;AJ 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. Fleming & K. K. Leang;施普林格，2014 年

[3] 纳米定位系统中的分辨率测量和预测;AJ 弗莱明;机电一体化;2014, 24, 605-618

尺寸

安装柱接受 M2.5 螺钉。

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）所取代。引脚的推荐 PCB 孔尺寸为 1 mm。Altium 原理图和封装库