基于ARM的高分辨率壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源

摘 要： 根據(jù)壓電陶瓷微位移器對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的需求，設(shè)計(jì)了壓電驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了電源系統(tǒng)中的數(shù)字電路部分和模擬電路部分，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的精度與穩(wěn)定性進(jìn)行了分析與改進(jìn)。最后對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的電源輸出電壓噪聲低于0.43 mV、輸出最大非線性誤差低于0.024%、分辨率可達(dá)1.44 mV，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。

關(guān)鍵詞： ARM； 壓電陶瓷； 驅(qū)動(dòng)電源； PI控制器

中圖分類號(hào)： TN911?34； TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）14?0166?05

High?resolution piezoelectric ceramic actuator power supply based on ARM

GE Chuan， LI Peng?zhi， ZHANG Ming?chao， YAN Feng

（State Key Laboratory of Applied Optics， Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， CAS， Changchun 130033， China）

Abstract： According to the requirement of the micro piezoelectric actuator for driving power supply， a piezoelectric actuator power supply system was designed. In this paper， the digital circuit and analog circuit in the power supply system were described in detail. The accuracy and the stability of the actuator power supply were analyzed and improved. Finally， the performance of the power supply was verified in experiment. The experimental results indicate that the output voltage noise of the designed power supply is lower than 0.43 mV， the maximum nonlinear output error is less than 0.024%， and the resolution can reach 1.44 mV， which can meet the requirement of static positioning control in the high resolution micro?displacement system.

Keywords： ARM； piezoelectric ceramic； driving power supply； PI controller

0 引 言

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[1?3]。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(jí)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(jí)。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)[3]。

1 壓電驅(qū)動(dòng)電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 壓電驅(qū)動(dòng)電源的分類

隨著壓電陶瓷微位移定位技術(shù)的發(fā)展，各種專用于壓電陶瓷微位移機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)運(yùn)而生。目前驅(qū)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(qū)動(dòng)電源存在零點(diǎn)漂移，低頻特性差的特點(diǎn)限制其應(yīng)用[4]。而直流放大式驅(qū)動(dòng)電源具有靜態(tài)性能好、集成度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因而本文的設(shè)計(jì)原理采用直流放大式壓電驅(qū)動(dòng)電源。直流放大式電源的原理如圖1所示。

圖1 直流放大式壓電驅(qū)動(dòng)電源原理

1.2 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(duì)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0～100 V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(jí)。

2 基于ARM的低壓電路設(shè)計(jì)

2.1 ARM控制器簡(jiǎn)介

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源中ARM控制器主要提供兩方面功能：作為通信設(shè)備提供通用的輸入/輸出接口；作為控制器運(yùn)行相關(guān)控制算法以及產(chǎn)生控制信號(hào)或波形實(shí)現(xiàn)PZT的靜態(tài)定位操作。針對(duì)如上需求，本設(shè)計(jì)采用LPC2131作為主控制器[5]，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(dá)到60 MHz；LPC2131內(nèi)部具有8 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和32 KB嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)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(shù)據(jù)處理能力和豐富的接口資源使其能夠作為壓電驅(qū)動(dòng)電源的控制芯片。

2.2 D/A電路設(shè)計(jì)

由于壓電驅(qū)動(dòng)電源要求輸出電壓范圍為0～100 V，分辨率達(dá)到毫伏級(jí)，所以D/A的分辨率需達(dá)到亞毫伏級(jí)。本設(shè)計(jì)采用AD5781作為D/A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度轉(zhuǎn)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/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(zhuǎn)換器芯片特別適合于精密模擬數(shù)據(jù)的獲取與控制。D/A電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

在硬件電路設(shè)計(jì)中，由于AD5781采用的精密架構(gòu)，要求強(qiáng)制檢測(cè)緩沖其電壓基準(zhǔn)輸入，確保達(dá)到規(guī)定的線性度。因此選擇用于緩沖基準(zhǔn)輸入的放大器應(yīng)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/雙通道運(yùn)算放大器，具有0.6 μV/℃低失調(diào)漂移和2 nA輸入偏置電流，因而能為AD5781提供精密電壓基準(zhǔn)。通過下拉電阻將AD5781的CLR和LDAC引腳電平拉低，用于設(shè)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。

圖2 AD5781硬件設(shè)計(jì)電路圖

在ARM端的軟件設(shè)計(jì)中，除正確配置AD5781的相關(guān)寄存器外，還應(yīng)正確配置SPI的時(shí)鐘相位、時(shí)鐘極性和通信模式[5]。正確的SPI接口時(shí)序配置圖如圖3所示。

圖3 主模式下的SPI通信時(shí)序圖

3 高壓線性放大電路設(shè)計(jì)

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

3.1 經(jīng)典線性放大電路設(shè)計(jì)

放大電路采用美國(guó)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8 mV，溫漂-63 V/°C，轉(zhuǎn)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的線性放大電路設(shè)計(jì)如圖4所示。配置PA78為正向放大器，放大倍數(shù)為，得到輸出電壓范圍為0～100 V。

如果運(yùn)放兩個(gè)輸入端上的電壓均為0 V，則輸出端電壓也應(yīng)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(jí)分辨率的電壓輸出，需要對(duì)放大電路進(jìn)行改進(jìn)。

圖4 線性放大電路

3.2 放大電路的改進(jìn)

這里將PA78視為被控對(duì)象G（S），將失調(diào)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(zhuǎn)化成減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的控制器設(shè)計(jì)的問題。在控制器的設(shè)計(jì)中常用的校正方法有串聯(lián)校正和反饋校正兩種[6]。一般來說反饋校正所需的元件數(shù)少、電路簡(jiǎn)單。但是在高壓放大電路中，反饋信號(hào)是由PA78的輸出級(jí)提供。反饋信號(hào)的功率較高，為元件選型和電路設(shè)計(jì)帶來不便，故線性放大電路中不使用反饋校正法[7]。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(hào)，所以該設(shè)計(jì)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。

圖5 放大電路串聯(lián)校正控制系統(tǒng)

圖5中，PI控制器將輸出信號(hào)c（t）同時(shí)成比例的反應(yīng)輸入信號(hào)e（t）及其積分，即：

（1）

對(duì)式（1）進(jìn)行拉普拉斯變換得：

（2）

由式（2）觀察可得，PI控制器相當(dāng)于在控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，開環(huán)極點(diǎn)的存在可以提高系統(tǒng)的型別，由于系統(tǒng)的型別的提高可以減小系統(tǒng)的階躍擾動(dòng)穩(wěn)態(tài)誤差（對(duì)于線性放大電路，可視失調(diào)電壓和溫漂為階躍擾動(dòng)[8]）。同時(shí)PI控制器還增加了一個(gè)位于復(fù)平面中左半平面的開環(huán)零點(diǎn)，復(fù)實(shí)零點(diǎn)的增加可以提高系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，緩解由犧牲的動(dòng)態(tài)性能換取穩(wěn)態(tài)性能對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響[9]。

放大電路的設(shè)計(jì)中采用有源模擬PI控制器，改進(jìn)后的線性放大電路如圖6所示。其中PI控制器的放大器采用AD8676，AD8676的輸入失調(diào)電壓低于50 μV（滿溫度行程下），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(jié)，以提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能、減小輸出電壓漂移。

校正環(huán)節(jié)的系統(tǒng)函數(shù)為，其中、，調(diào)節(jié)R7，R8和C4的參數(shù)值，達(dá)到減小輸出誤差的目的。

3.3 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(duì)地電容對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大的影響[10]。如圖6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[10]，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(duì)相位補(bǔ)償引腳，通過外部的RC網(wǎng)絡(luò)對(duì)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6中，R4，C1與R5，C2構(gòu)成RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

圖6 改進(jìn)后的線性放大電路

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(jí)，提高PA78的驅(qū)動(dòng)能力。

將PI控制器的參數(shù)分別設(shè)置為KP=10、KI=0.02；超前校正補(bǔ)償電容分別為12 pF和220 pF；RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為R=10 kΩ、C=22 pF。利用線性放大電路的Spice模型進(jìn)行仿真得到幅頻特性和相頻特性曲線如圖7所示。從圖中觀察可得，放大系統(tǒng)的帶寬可達(dá)100 kHz，從而保證了系統(tǒng)良好的動(dòng)態(tài)特性，同時(shí)相角裕度γ>60°使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性（由于PZT的負(fù)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）。

圖7 改進(jìn)的放大電路的幅頻和相頻特性曲線

4 驅(qū)動(dòng)電源實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)壓電源采用長(zhǎng)峰朝陽電源公司的4NIC?X56ACDC直流電源，輸出電壓精度≤1%，電壓調(diào)整率≤0.5%，電壓紋波≤1 mV（RMS）、10 mV（P?P）。測(cè)量設(shè)備采用KEITHLEY 2000 6 1/2 Multimeter。

首先對(duì)DAC輸出分辨率進(jìn)行測(cè)量，ARM控制器輸出持續(xù)5 s的階躍信號(hào)，同時(shí)在DAC輸出端對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果部分顯示見圖8。圖8中顯示AD5781的輸出電壓分辨率可達(dá)3.89e-5 V，即38.9 μV。

在模擬電路中，噪聲是不可避免的。對(duì)于壓電驅(qū)動(dòng)電源來說，噪聲的等級(jí)限制了驅(qū)動(dòng)電源的輸出分辨率。圖9分別給出經(jīng)典放大電路和改進(jìn)后的放大電路的測(cè)試噪聲。從圖中可得通過使用PI控制器和相位補(bǔ)償元件將壓電驅(qū)動(dòng)電源的輸出噪聲從1.82 mV（RMS）降低至0.43 mV（RMS）。

圖8 DAC分辨率實(shí)驗(yàn)圖

圖9 放大電路噪聲圖

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(xiàn)納米級(jí)的定位精度，驅(qū)動(dòng)電源的分辨率需要達(dá)到毫伏級(jí)。圖10中，輸出電壓的分辨率可達(dá)到1.44 mV。

圖10 放大電路分辨率實(shí)驗(yàn)圖

最后，給出驅(qū)動(dòng)電源電壓線性度曲線。線性度能夠真實(shí)的反映出輸出值相對(duì)于輸入真值的偏差程度[11]。線性度曲線如圖11所示。得到擬合直線Yfit=9.846Vin+0.024 2，最大非線性誤差為0.024%，能夠滿足精密定位需求。

5 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)100 kHz。以上特性使本文設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)電源能夠應(yīng)用于納米級(jí)靜態(tài)定位的需求，由于其性價(jià)比高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故具有很高的實(shí)用價(jià)值。

圖11 輸出電壓曲線和非線性度曲線

參考文獻(xiàn)

[1] 張治君.一種壓電材料的新型線性高電壓驅(qū)動(dòng)器[J].壓電與聲光，2012，34（4）：537?540.

[2] 龍傳慧，凡木文，劉友，等.多單元壓電陶瓷類變形鏡高壓驅(qū)動(dòng)電源[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（16）：195?197.

[3] 賴志林.壓電陶瓷執(zhí)行器遲滯的滑模逆補(bǔ)償控制[J].光學(xué)精密工程，2011，19（6）：1281?1290.

[4] 榮偉彬.基于電流控制的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器[J].納米技術(shù)與精密工程，2007（5）：38?43.

[5] 周立功.深入淺出ARM7[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[6] 張利軍.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)平臺(tái)自適應(yīng)輸出反饋控制[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012，38（9）：1550?1556.

[7] 楊科科.基于模糊PID控制的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)用與仿真研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（19）：152?154.

[8] 范偉.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器電源溫度控制系統(tǒng)研究[J].壓電與聲光，2011，33（6）：946?949.

[9] 楊慧.比例模糊控制在壓電陶瓷執(zhí)行器中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（10）：135?137.

[10] 劉樹棠.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)[M].3版.西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

[11] 費(fèi)業(yè)泰.誤差理論與數(shù)據(jù)處理[M].6版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[12] 王元生，蘆志強(qiáng)，王雨.高速壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（14）：180?181.

[13] 林偉，馮海.壓電陶瓷電源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（16）：44?45.