壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(PZT)是微位移平臺(tái)的核心，其主要原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件發(fā)生微位移。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器具有分辨率高、響應(yīng)頻率快、推力大和體積小等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)、精密加工以及生物工程等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用離不開性能良好的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。要實(shí)現(xiàn)納米級定位的應(yīng)用，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的輸出電壓需要在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，同時(shí)電壓分辨率需要達(dá)到毫伏級。因此壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)已成為壓電微位移平臺(tái)中的關(guān)鍵技術(shù)。
直流放大式壓電驅(qū)動(dòng)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
驅(qū)動(dòng)電源電路主要由微處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路和線性放大電路組成。通過微處理器控制D/A產(chǎn)生高精度、連續(xù)可調(diào)的直流電壓(0~10 V)，通過放大電路對D/A輸出的直流電壓做線性放大和功率放大從而控制PZT驅(qū)動(dòng)精密定位平臺(tái)。
該設(shè)計(jì)中采用LPC2131作為微處理器，用于產(chǎn)生控制信號(hào)及波形;采用18位電壓輸出DA芯片AD5781作為D/A轉(zhuǎn)換電路的主芯片，產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的直流低壓信號(hào);采用APEX公司的功率放大器PA78 作為功率放大器件，輸出0~100V 的高壓信號(hào)從而驅(qū)動(dòng)PZT.為實(shí)現(xiàn)高分辨率壓電驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用，壓電驅(qū)動(dòng)電源分辨率的設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到1 mV量級。
經(jīng)典線性放大電路設(shè)計(jì)
放大電路采用美國APEX公司生產(chǎn)的高壓運(yùn)算放大器PA78作為主芯片。PA78的輸入失調(diào)電壓為8mV，溫漂-63V/°C，轉(zhuǎn)換速率350 V/μs,輸入阻抗108Ω，輸出阻抗44Ω，共模抑制比118 dB.基于PA78的線性放大電路設(shè)計(jì)如圖2所示。配置PA78為正向放大器，放大倍數(shù)為Gain=1+ R2 R1 ,得到輸出電壓范圍為0~100V。
如果運(yùn)放兩個(gè)輸入端上的電壓均為0V，則輸出端電壓也應(yīng)該等于0V。但事實(shí)上，由于放大器制造工藝的原因，不可避免地造成同相和反相輸入端的不匹配，使輸出端總有一些電壓，該電壓稱為失調(diào)電壓。失調(diào)電壓隨著溫度的變化而改變，這種現(xiàn)象被稱為溫度漂移(溫漂)，溫漂的大小隨時(shí)間而變化。PA78的失調(diào)電壓和溫漂分別為8 mV、-63 V/°C，并且失調(diào)電壓和溫漂都是隨機(jī)的，使PA78無法應(yīng)用于毫伏級分辨率的電壓輸出，需要對放大電路進(jìn)行改進(jìn)。
相位補(bǔ)償
從工程角度考慮，由于干擾源的存在，會(huì)使系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生變化，導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生震蕩。因此保證控制系統(tǒng)具有一定的抗干擾性的方法是使系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度即相角裕度。
由于實(shí)際電路中存在雜散電容，其中放大器反向輸入端的對地電容對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大的影響。如圖3所示，采用C5和C6補(bǔ)償反向端的雜散電容。從系統(tǒng)函數(shù)的角度看，即構(gòu)成超前校正，增加開環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率，從事增加系統(tǒng)帶寬提高響應(yīng)速度。
PA78有兩對相位補(bǔ)償引腳，通過外部的RC網(wǎng)絡(luò)對放大器內(nèi)部的零極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。通過PA78的數(shù)據(jù)表可知，PA78內(nèi)部的零極點(diǎn)位于高頻段。根據(jù)控制系統(tǒng)抗噪聲能力的需求，配置RC網(wǎng)絡(luò)使高頻段的幅值特性曲線迅速衰減，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。圖3中，R4,C1與R5,C2構(gòu)成RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
此外電路中C3的作用是防止輸出信號(hào)下降沿的振動(dòng)引起的干擾；R10起到偏置電阻的作用，將電源電流注入到放大器的輸出級，提高PA78的驅(qū)動(dòng)能力。
結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的基于ARM的高分辨率壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的方案，該方案采用直流放大原理，具有低電路噪聲、高分辨率和低輸出非線性度等特性，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電源的帶寬可達(dá)100kHz。以上特性使本方案的壓電驅(qū)動(dòng)電源能夠應(yīng)用于納米級靜態(tài)定位的需求，由于其性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡單，故具有很高的實(shí)用價(jià)值。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明：本方案所設(shè)計(jì)的電源輸出電壓噪聲低于0.43mV、輸出最大非線性誤差低于0.024%、分辨率可達(dá)1.44mV，能夠滿足高分辨率微位移定位系統(tǒng)中靜態(tài)定位控制的需求。
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