基于A(yíng)RM的高分辨率壓電陶瓷驅動(dòng)電源設計方案

　　0 引言

　　壓電陶瓷驅動(dòng)器（PZT）是微位移平臺的核心，其主要原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應產(chǎn)生形變，從而驅動(dòng)執行元件發(fā)生微位移。壓電陶瓷驅動(dòng)器具有分辨率高、響應頻率快、推力大和體積小等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、機器人、微機電系統、精密加工以及生物工程等領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。然而壓電陶瓷驅動(dòng)器的應用離不開(kāi)性能良好的壓電陶瓷驅動(dòng)電源。要實(shí)現納米級定位的應用，壓電陶瓷驅動(dòng)電源的輸出電壓需要在一定范圍內連續可調，同時(shí)電壓分辨率需要達到毫伏級。因此壓電陶瓷驅動(dòng)電源技術(shù)已成為壓電微位移平臺中的關(guān)鍵技術(shù)。

　　1 壓電驅動(dòng)電源的系統結構

　　1.1 壓電驅動(dòng)電源的分類(lèi)

　　隨著(zhù)壓電陶瓷微位移定位技術(shù)的發(fā)展，各種專(zhuān)用于壓電陶瓷微位移機構的驅動(dòng)電源應運而生。目前驅動(dòng)電源的形式主要有電荷控制式和直流放大式兩種。電荷控制式驅動(dòng)電源存在零點(diǎn)漂移，低頻特性差的特點(diǎn)限制其應用。而直流放大式驅動(dòng)電源具有靜態(tài)性能好、集成度高、結構簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而本文的設計原理采用直流放大式壓電驅動(dòng)電源。直流放大式電源的原理如圖1所示。

　　1.2 直流放大式壓電驅動(dòng)電源的系統結構

　　驅動(dòng)電源電路主要由微處理器、D/A轉換電路和線(xiàn)性放大電路組成。通過(guò)微處理器控制D/A產(chǎn)生高精度、連續可調的直流電壓（0~10 V），通過(guò)放大電路對D/A輸出的直流電壓做線(xiàn)性放大和功率放大從而控制PZT驅動(dòng)精密定位平臺。

　　該設計中采用LPC2131作為微處理器，用于產(chǎn)生控制信號及波形；采用18位電壓輸出DA芯片 AD5781作為D/A轉換電路的主芯片，產(chǎn)生連續可調的直流低壓信號；采用APEX公司的功率放大器PA78 作為功率放大器件，輸出0~100 V 的高壓信號從而驅動(dòng)PZT.為實(shí)現高分辨率壓電驅動(dòng)器的應用，壓電驅動(dòng)電源分辨率的設計指標達到1 mV量級。

　　2 基于ARM 的低壓電路設計

　　2.1 ARM控制器簡(jiǎn)介

　　壓電陶瓷驅動(dòng)電源中ARM控制器主要提供兩方面功能：作為通信設備提供通用的輸入/輸出接口；作為控制器運行相關(guān)控制算法以及產(chǎn)生控制信號或波形實(shí)現PZT的靜態(tài)定位操作。針對如上需求，本設計采用LPC2131作為主控制器，LPC2131是 Philips公司生產(chǎn)的基于支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32 位ARM7TDMI-S-CPU的微控制器，主頻可達到60 MHz;LPC2131內部具有8 KB片內靜態(tài)RAM和32 KB嵌入的高速FLASH存儲器；具有兩個(gè)通用UART接口、I2C接口和一個(gè)SPI接口。由于LPC2131具有較高的數據處理能力和豐富的接口資源使其能夠作為壓電驅動(dòng)電源的控制芯片。

　　2.2 D/A電路設計

　　由于壓電驅動(dòng)電源要求輸出電壓范圍為0~100 V，分辨率達到毫伏級，所以D/A的分辨率需達到亞毫伏級。本設計采用AD5781作為D/A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度轉換器，輸出電壓范圍-10~10 V，提供±0.5 LSB INL，±0.5 LSB DNL和7.5 nV/ Hz噪聲頻譜密度。另外，AD5781 還具有極低的溫漂（0.05 ppm/℃）特性。因此，該D/A轉換器芯片特別適合于精密模擬數據的獲取與控制。D/A 電路設計如圖2 所示。

　　在硬件電路設計中，由于A(yíng)D5781 采用的精密架構，要求強制檢測緩沖其電壓基準輸入，確保達到規定的線(xiàn)性度。因此選擇用于緩沖基準輸入的放大器應具有低噪聲、低溫漂和低輸入偏置電流特性。這里選用AD8676，AD8676 是一款超精密、36 V、2.8 nV/ Hz 雙通道運算放大器，具有0.6 μV/℃低失調漂移和2 nA輸入偏置電流，因而能為AD5781提供精密電壓基準。通過(guò)下拉電阻將AD5781的CLR和LDAC引腳電平拉低，用于設置AD5781為DAC二進(jìn)制寄存器編碼格式和配置輸出在SYNC的上升沿更新。

　　在A(yíng)RM端的軟件設計中，除正確配置AD5781的相關(guān)寄存器外，還應正確配置SPI的時(shí)鐘相位、時(shí)鐘極性和通信模式。正確的SPI接口時(shí)序配置圖如圖3所示。

　　3 高壓線(xiàn)性放大電路設計

　　本文壓電驅動(dòng)電源采用直流放大原理，通過(guò)高壓線(xiàn)性放大電路得到0~100 V連續可調的直流電壓驅動(dòng)壓電陶瓷。放大電路決定著(zhù)電源輸出電壓的分辨率和線(xiàn)性度，是整個(gè)電源的關(guān)鍵。

　　3.1 經(jīng)典線(xiàn)性放大電路設計

　　放大電路采用美國APEX公司生產(chǎn)的高壓運算放大器PA78作為主芯片。PA78的輸入失調電壓為 8 mV，溫漂-63 V/°C，轉換速率350 V/μs，輸入阻抗108 Ω，輸出阻抗44 Ω，共模抑制比118 dB.基于PA78的線(xiàn)性放大電路設計如圖4所示。配置PA78為正向放大器，放大倍數為Gain=1+ R2 R1 ，得到輸出電壓范圍為0~100 V.

　　如果運放兩個(gè)輸入端上的電壓均為0 V，則輸出端電壓也應該等于0 V.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(chēng)為失調電壓。失調電壓隨著(zhù)溫度的變化而改變，這種現象被稱(chēng)為溫度漂移（溫漂），溫漂的大小隨時(shí)間而變化。PA78的失調電壓和溫漂分別為8 mV、-63 V/°C，并且失調電壓和溫漂都是隨機的，使PA78無(wú)法應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)。

　　3.2 放大電路的改進(jìn)

　　這里將PA78視為被控對象G（S），將失調電壓和溫漂視為擾動(dòng)N（S），這樣就把提高放大器輸出電壓精度轉化成減小控制系統的穩態(tài)誤差的控制器設計的問(wèn)題。在控制器的設計中常用的校正方法有串聯(lián)校正和反饋校正兩種。一般來(lái)說(shuō)反饋校正所需的元件數少、電路簡(jiǎn)單。但是在高壓放大電路中，反饋信號是由PA78的輸出級提供。反饋信號的功率較高，為元件選型和電路設計帶來(lái)不便，故線(xiàn)性放大電路中不使用反饋校正法。而在串聯(lián)校正方法中，有源器件的輸入不包含高壓反饋信號，所以該設計采用串聯(lián)校正方法，采用模擬PI（比例-積分）控制器G1（S）進(jìn)行校正，如圖 5 所示。

　　成比例的反應輸入信號e（t）及其積分，即：

　　由式（2）觀(guān)察可得，PI控制器相當于在控制系統中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開(kāi)環(huán)極點(diǎn)，開(kāi)環(huán)極點(diǎn)的存在可以提高系統的型別，由于系統的型別的提高可以減小系統的階躍擾動(dòng)穩態(tài)誤差（對于線(xiàn)性放大電路，可視失調電壓和溫漂為階躍擾動(dòng)）。同時(shí)PI控制器還增加了一個(gè)位于復平面中左半平面的開(kāi)環(huán)零點(diǎn)，復實(shí)零點(diǎn)的增加可以提高系統的阻尼程度，從而改善系統的動(dòng)態(tài)性能，緩解由犧牲的動(dòng)態(tài)性能換取穩態(tài)性能對系統產(chǎn)生的不利影響。

　　放大電路的設計中采用有源模擬PI控制器，改進(jìn)后的線(xiàn)性放大電路如圖6所示。其中PI控制器的放大器采用AD8676，AD8676的輸入失調電壓低于50 μV（滿(mǎn)溫度行程下），電壓噪聲≤0.04 μV（P-P）@0.1~10 Hz，因此適合用于串聯(lián)校正環(huán)節，以提高系統穩態(tài)性能、減小輸出電壓漂移。

　　3.3 相位補償

　　從工程角度考慮，由于干擾源的存在，會(huì )使系統的穩定性發(fā)生變化，導致系統發(fā)生震蕩。因此保證控制系統具有一定的抗干擾性的方法是使系統具有一定的穩定裕度即相角裕度。

　　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的穩定性有較大的影響。如圖6所示，采用C5和C6補償反向端的雜散電容。從系統函數的角度看，即構成超前校正，增加開(kāi)環(huán)系統的開(kāi)環(huán)截止頻率，從事增加系統帶寬提高響應速度。

　　PA78有兩對相位補償引腳，通過(guò)外部的RC網(wǎng)絡(luò )對放大器內部的零極點(diǎn)進(jìn)行補償。通過(guò)PA78的數據表可知，PA78內部的零極點(diǎn)位于高頻段。根據控制系統抗噪聲能力的需求，配置RC網(wǎng)絡(luò )使高頻段的幅值特性曲線(xiàn)迅速衰減，從而提高系統的抗干擾能力。圖 6中，R4，C1與R5，C2構成RC補償網(wǎng)絡(luò )。

　　此外電路中C3的作用是防止輸出信號下降沿的振動(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的驅動(dòng)能力。

　　將PI控制器的參數分別設置為KP=10、KI=0.02;超前校正補償電容分別為12 pF和220 pF;RC補償網(wǎng)絡(luò )為R=10 kΩ、C=22 pF.利用線(xiàn)性放大電路的Spice模型進(jìn)行仿真得到幅頻特性和相頻特性曲線(xiàn)如圖7所示。從圖中觀(guān)察可得，放大系統的帶寬可達100 kHz，從而保證了系統良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)相角裕度γ》60°使系統具有較高的穩定性（由于PZT的負載電抗特性一般呈容性，所以留有較大的相角裕度十分必要）。

　　4 驅動(dòng)電源實(shí)驗結果

　　實(shí)驗用壓電陶瓷驅動(dòng)電源的穩壓電源采用長(cháng)峰朝陽(yáng)電源公司的4NIC-X56ACDC 直流電源，輸出電壓精度≤1%，電壓調整率≤0.5%，電壓紋波≤1 mV（RMS）、10 mV（P-P）。測量設備采用KEITHLEY 2000 6 1/2Multimeter.

　　首先對DAC輸出分辨率進(jìn)行測量，ARM控制器輸出持續5 s的階躍信號，同時(shí)在DAC輸出端對電壓信號進(jìn)行測量，將測量結果部分顯示見(jiàn)圖8.圖8 中顯示AD5781的輸出電壓分辨率可達3.89e-5 V，即38.9 μV.

　　在模擬電路中，噪聲是不可避免的。對于壓電驅動(dòng)電源來(lái)說(shuō)，噪聲的等級限制了驅動(dòng)電源的輸出分辨率。

　　圖8、9分別給出經(jīng)典放大電路和改進(jìn)后的放大電路的測試噪聲。從圖中可得通過(guò)使用PI控制器和相位補償元件將壓電驅動(dòng)電源的輸出噪聲從1.82 mV（RMS）降低至0.43 mV（RMS）。

　　圖10給出了放大電路的輸出分辨率，放大電路的分辨率決定了PZT的定位精度，如要實(shí)現納米級的定位精度，驅動(dòng)電源的分辨率需要達到毫伏級。圖10中，輸出電壓的分辨率可達到1.44 mV.

　　最后，給出驅動(dòng)電源電壓線(xiàn)性度曲線(xiàn)。線(xiàn)性度能夠真實(shí)的反映出輸出值相對于輸入真值的偏差程度。

　　線(xiàn)性度曲線(xiàn)如圖11所示。得到擬合直線(xiàn)Yfit=9.846Vin+0.024 2，最大非線(xiàn)性誤差為0.024%，能夠滿(mǎn)足精密定位需求。

　　5 結論

　　本文設計的基于A(yíng)RM的高分辨率壓電陶瓷驅動(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(xiàn)性度等特性，同時(shí)驅動(dòng)電源的帶寬可達100 kHz.以上特性使本方案的壓電驅動(dòng)電源能夠應用于納米級靜態(tài)定位的需求，由于其性?xún)r(jià)比高、結構簡(jiǎn)單，故具有很高的實(shí)用價(jià)值。而實(shí)驗結果也表明：本方案所設計的電源輸出電壓噪聲低于0.43 mV、輸出最大非線(xiàn)性誤差低于0.024%、分辨率可達1.44 mV，能夠滿(mǎn)足高分辨率微位移定位系統中靜態(tài)定位控制的需求。