MFC压电传感与驱动用高压控制器的设计与性能验证

《Sensors》：Design and Performance Validation of a High-Voltage Controller for MFC Piezoelectric Sensing and Actuation

　　

在航空航天应用中，结构振动会引起疲劳累积并缩短飞行器使用寿命，这使得基于宏纤维复合材料（Macro Fiber Composite, MFC）压电复合材料的振动抑制成为重要研究方向。针对M-8557-P1型MFC工作电压范围非对称（?500 V至1500 V）及其在1000 Hz频带内呈现容性阻抗的特性，研究人员设计了一台高压驱动器实验室样机。该样机采用电压–电流双闭环结构及电流跟踪PWM控制策略。在实验室测试条件下，样机表现出较快的瞬态响应及对容性负载的一定动态驱动能力。基于该样机，研究人员进一步开发了辅助信号调理模块与搭载主动控制算法的数字控制模块，集成构成面向MFC压电传感与驱动的高压闭环控制系统，并在大展弦比无人机机翼上开展地面实验。结果表明，在主导振动频率约3.6 Hz时，施加控制后响应于4.77 s内收敛至稳态，稳态均方根位移由15.57 mm降至4.28 mm，降幅72.52%，验证了该主动振动控制系统在典型场景下的有效性。

研究背景方面，航空航天结构在气动载荷、发动机激励与气动弹性耦合下长期受振动困扰，过度振动会加速疲劳损伤、缩短寿命并干扰精密设备。被动控制低频效果有限，半主动控制为折衷方案，主动控制依赖传感器-控制器-执行器闭环具备更强抑制潜力。MFC因压电纤维复合架构与叉指电极，具备弯曲/伸缩作动能力强、柔顺性好、曲面适应性优等特点，但其作为容性执行器具有?500 V~1500 V非对称高压工作范围，现有通用电源多为对称输出，专用非对称高压驱动研究较少，且商用模块（如CoreMorrow E00/E01、Smart Material microHVA-2）存在体积大、通信链延时或动态频率受限等问题。为此，研究人员面向柔性翼MFC传感与作动集成应用，设计非对称高压驱动器实验室样机并构建闭环系统。

关键技术方法上，研究人员采用电压–电流双闭环H桥PWM拓扑，直流母线1000 V，外环调电压生成内环电流参考、内环调电流跟踪容性充放电；调制上以S₁/S₂高频电流调制、S₃/S₄极性切换，三角载波20 kHz，经LC滤波（L≈1 mH、C_f≈0.94 μF，谐振约5.19 kHz）重构双极高电压；硬件分采样控制板（STM32G431、16位ADC/DAC）、隔离板（隔离DC/DC与信号）、H桥功率板三层，带过压过流保护与残荷泄放；控制算法在翼实验中采用前馈相位补偿（θ_cmd=180°+150°固定补偿）结合线性自抗扰控制（LADRC，三阶扩张状态观测器，5 kHz更新）作残差校正。

研究结果部分，第2节整体设计中，研究人员建立平均模型得二阶输出电压动态方程（式14），小信号环路增益相位裕度47.1°、增益裕度>60 dB、交越频率约2.9 kHz，证明双闭环稳定；容性负载下电压电流四象限组合（式19）由极性切换与高频调制共同覆盖；LC参数扫掠表明增大L或C_f降低谐振频率与带宽指数、增大响应时间但抑纹波，终选L=1 mH、C_f=0.94 μF。第3节性能测试中，空载双极阶跃（峰值500~840 V）上升时间18~50 μs、下降12~30 μs，斜率17.5~70 V/μs；0.1 μF容性负载10~1000 Hz电压保持率97.8%，2.2 μF时降至78.7%；非对称偏置（AC 2.92 Vpp+DC 0.85 V）下0.1 μF负载50~1000 Hz输出幅值稳定（最大608.1 V、最小?216.6 V）；1000 Hz容性工况电流超前电压90°；100 Hz正弦峰峰值1376.48 V时局部纹波RMS 9.28 V（占0.674%）；连续运行30 min红外测温系统最高57.4℃、功率级40.2℃；与microHVA-2及Liu等改装机对比，本样机在100 nF容性、1066.5 V摆幅10 Hz时THD 1.73%，470 nF负载100 Hz输出633.18 Vpp，体现更快瞬态与动态驱动能力。第4节机翼振动控制中，大展弦比无人机翼MFC作动器贴翼根前侧、传感器贴中段后侧，激光测振仪以20 mV/mm标定，3.6 Hz单频激励下开启控制后4.77 s收敛，均方根位移15.57 mm降至4.28 mm（降72.52%），峰峰值44 mm降至14 mm（降68.18%），频域主峰3.60 Hz无偏移、幅值20.49 mm降至5.61 mm（降72.62%）。

讨论与结论部分，研究人员指出该样机面向MFC非对称高压与容性负载，双闭环与电流跟踪PWM在1000 Hz内具备快瞬态与一定动态驱动能力，机翼实验验证闭环功能有效。但系统仍属实验室样机，工程化需进一步解决绝缘配合、屏蔽散热、长时热行为、保护逻辑与电磁兼容。结论重申：所设计电压–电流双闭环电流跟踪PWM高压驱动器样机及STM32G431实时控制与信号调理隔离集成系统，在实验室条件下阶跃上升18~50 μs、轻载1000 Hz保持率97.8%，机翼3.6 Hz振动4.77 s稳态、均方根位移降72.52%，为主动振动抑制系统后续集成优化提供原理样机证据。论文发表于《Sensors》。