CN1734921A - 热电式合成射流压电微驱动器装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种热电式合成射流压电微驱动器装置及控制方法，属流场主动控制领域。其装置包括热电电源(1)，DC－DC电源变换电路(2)，升压变压器前置电路(3)，高频升压变压器升压电路(4)，整流滤波电路(5)，高性能微控制器(6)，全桥驱动电路(7)，全桥式逆变电路(8)，变频控制闭环反馈电路(9)，滤波电路(10)，压电－金属复合材料合成射流微驱动器(11)，传感测量模块(12)。其控制方法采用脉宽调制方式控制驱动器驱动信号的频率与电压来控制产生的合成射流。采用自主式传感方式测试射流的涡特性，并送回微控制器形成闭环反馈控制。本装置无需外部电源供给，以结构的余热作为能源来发电，实现能源自给，有利于结构降温。可以应用于高速、高机动性的飞行器及飞行器的隐形技术；还可推广到芯片降温，汽车、舰船以及流体机械领域中。
Description
一、技术领域
本发明的热电式合成射流压电微驱动器装置及控制方法属于流场主动控制领域。
二、背景技术
合成射流是近几年来发展起来的一种高新的流场主动控制技术，它具有无需流体输送、净质量为零，工作时只需电能、容易实现电参数控制，损耗小等优点。另外，由于微驱动器是MEMS器件，所以可以集成加工在结构的内部，实现实时在线控制。它可以满足未来先进战斗机或空天飞行器高速高机动性的要求，飞机隐形技术发展的要求，对微型飞行器的极低雷诺数流场进行控制；还可以进一步在舰船、汽车以及流体机械等领域得以推广应用；同时它还在电子器件的降温冷却显示出了很好的应用前景。但是它也存在一些缺陷：驱动能力较弱，射流的速度不高，难以穿透超音速流场；以分布式阵列方式布置的数量众多的驱动器必然带来复杂的动力和信号布线问题，从而导致了驱动器与流体结构系统集成的困难并额外增加了结构(飞行器)重量。另外，目前合成射流流场控制基本上采用开环控制，而实际流场控制中希望得到一个有效的闭环控制系统。
三、发明内容
本发明的目的在于研制一种能够实现动力自给，无需复杂的动力和信号布线的外部电源，能够实现有效闭环控制的，结构简单、体积小、性能可靠、驱动能力强的热电式合成射流压电微驱动器。
实现上述目的的热电式合成射流压电微驱动器，包括热电电源连接于DC-DC电源变换电路的输入；其输出分别连接于升压变压器前置电路的输入、高性能微控制器的输入和全桥驱动电路的输入。升压变压器前置电路的输出连接于高频升压变压器升压电路的输入端，其输出经整流滤波电路连于桥式逆变电路的输入，其输出经滤波电路分别连接于变频控制闭环反馈电路的输入和压电-金属复合材料(Cymbal型)合成射流驱动器的输入。合成射流驱动器工作产生射流，射流状态经传感测量模块转换成电信号。此传感测量模块的输出和变频控制反馈电路的输出同时连接于高性能微控制器的输入，高性能微控制器的输出连于全桥驱动电路的输入，其输出与桥式逆变电路的输入连接。
压电复合材料(PCM)所具有的压电相和基体相的功能耦合乘积效应和各相异性特征，使得PCM具明显优于普通压电材料的性能，在智能材料结构中获得广泛应用。本发明的压电-金属复合材料采用压电陶瓷(PZT)-金属复合材料(Cymbal型)结构来制作合成射流驱动器振动隔膜，以提高合成射流驱动器的驱动能力。这种复合材料结构属于3-0型复合模式，由于充分综合了d31和d33的性能而具有较大的驱动力。此外，这种材料加工制作相对较为简单，便于集成于合成射流驱动器中。
本发明利用热电发电是将热能转变成电能的一种新型供电方式，它利用飞行器与空气摩擦产生的热量以及发动机的余热来发电，不但解决了整个系统的能源自给问题，无需外部输入电源，避免了复杂的动力布线和信号布线问题，而且还能在一定程度上对结构起到散热作用，利于结构降温，可谓一举两得。另外，热电发电装置结构简单，性能可靠，体积很小便于与微驱动器和微传感器集成。
四、附图说明
本发明的热电式合成射流压电微驱动器装置如图1所示，包括热电电源1，DC-DC电源变换电路2，升压变压器前置电路3，高频升压变压器升压电路4，整流滤波电路5，高性能微控制器6(如单片机、DSP等)，全桥驱动电路7，全桥逆变电路8，变频控制闭环反馈电路9，滤波电路10，压电-金属复合材料(Cymbal型)合成射流微驱动器11，基于流场参数测试的自主式传感模块12。
五、具体实施方式
下面根据图1叙述本发明的工作原理和方式：热电电源1作为整个系统的电源，输出直流电压，该直流电压经过DC-DC电源变换电路2稳压转换，为微控制器控制模块6提供纹波很小的+5V电源，以及为升压变压器前置模块3和全桥驱动模块7提供稳定的+15V电源。升压变压器前置模块3的作用是将+15V直流电压转换成高频的交流电压(20k-200kHz)作为升压变压器电路4的初级输入电压，这样就可以使用体积很小的高频变压器(如压电变压器、绕线式高频变压器)，大大减小了整个结构的体积和重量，同时也减小了后续整流滤波的体积。高频升压变压器模块4将+15V电压升到合成射流微驱动器所需的高压，经过整流滤波模块5整流成纹波电压很小的直流高压作为桥式逆变电路模块8的输入电压。
控制模块6采用高性能微控制器结合脉冲宽度调制技术(SPWM，SHE-PWM等)来控制桥式逆变电路8中开关管的导通和关断，全桥驱动电路7将微控制器输出的控制电平转换成能使开关管导通所需的电压。全桥逆变电路8按照控制器6的控制方式开通和关断开关管，将高压直流逆变成高压交流脉冲。滤波电路10将此高压交流脉冲滤波成纯净的正弦波，这对压电-金属复合材料振动隔膜来说是很重要的。同时对于某一特定频率和幅值的输出电压，通过变频控制闭环反馈电路9将输出交流正弦电压反馈回微控制器，调整逆变器的输出，减小输出电压波形的失真，实现闭环控制。
压电-金属复合材料(Cymbal型)微驱动器11包括Cymbal型压电-金属振动隔膜和微驱动器腔体。振动隔膜上粘有压电陶瓷片，滤波后得到的纯正的高压正弦波直接加在压电陶瓷片上，使隔膜产生周期性的振动，从而将微驱动器腔体内的流体周期性地通过开在微驱动器腔体上的缝隙或小孔喷出、吸入，并在缝隙或小孔处产生连续不断地向外扩展的一系列非定常涡对或涡环，即合成射流。在出口处的涡形成区利用流场测试传感模块12采集流场参数，并将结果送回微控制器，微控制器根据流场特性采取相应的控制方案，改变控制输出，最终使合成射流按照实际要求工作，实现闭环控制。
Claims (5)
1.一种热电式合成射流压电微驱动器装置，其特征在于，包括热电电源(1)连接于DC-DC电源变换电路(2)的输入，其输出分别连接于升压变压器前置电路(3)的输入，高性能微控制器(6)的输入和全桥驱动电路(7)的输入，升压变压器前置电路(3)的输出连于高频升压变压器升压电路(4)的输入，其输出经整流滤波电路(5)连于桥式逆变电路(8)的输入，其输出经滤波电路(10)分别连接于变频控制闭环反馈电路(9)的输入和压电-金属复合材料合成射流驱动器(11)的输入，合成射流驱动器(11)工作产生射流，射流状态经传感测量模块(12)转换成电信号，此传感测量模块(12)的输出和变频控制闭环反馈电路(9)的输出同时连接于高性能微控制器(6)的输入，其输出连于全桥驱动电路(7)的输入，其输出与桥式逆变电路(8)的输入连接。
2.根据权利要求1所述的热电式合成射流微驱动器装置，其特征在于：压电-金属复合材料合成射流微驱动器(11)采用的是集成了压电陶瓷片的压电-金属复合材料(Cymbal型)制作振动隔膜。
3.根据权利要求1所述的热电式合成射流微驱动器装置，其特征在于：热电式合成射流微驱动器装置的动力由热电电源(1)利用热电转换效应提供。
4.一种热电式合成射流压电微驱动器装置的控制方法，其特征在于：利用高性能微控制器作为其控制核心，并采用脉宽调制方式(SPWM、SHE-PWM)控制全桥式逆变电路中开关管的导通与关断，实现对微驱动器驱动信号的电压与频率控制，从而实现对驱动器产生的合成射流进行控制。
5.一种热电式合成射流压电微驱动器装置的控制方法，其特征在于：采用基于射流形成的涡特性的自主式传感，并送回微控制器形成闭环反馈控制。
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