程控可調壓電陶瓷驅動電源系統設計

吳 薇

（合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院，合肥 230009）

0 引言

壓電陶瓷作為近年來應用廣泛的新型微位移器件，在精密測量、微納加工等領域得到了廣泛應用，對其非線性寬度、穩定性、抗自激能力等各種性能要求也越來越苛刻。但壓電陶瓷普遍存在遲滯、蠕變等效應，而壓電陶瓷驅動電源則是引起這些現象的主要原因之一，所以壓電陶瓷驅動電源技術已經成為目前壓電陶瓷執行器應用中的一個關鍵技術[1]。論文所設計的壓電陶瓷驅動電源系統以STM32F103CBT6芯片為控制核心，選用哈爾濱溶智納芯科技有限公司提供的疊堆式類型壓電陶瓷作為電源系統驅動元件，具體型號為RP150/10*10*58的壓電陶瓷作為驅動元件完成系統實驗[2]。

1 整體方案設計

如圖1所示，本系統設計中將驅動電源電路按功能主要分為5個模塊：主芯片及基本外圍電路模塊、通信模塊、基準電壓電路模塊、低壓電路輸出模塊和高壓電路輸出模塊。整個電路系統需要核心處理器實現實時時鐘、與上位機通信、數據指令輸出等功能，這些功能需要的芯片引腳數不是很多，所以選用意法半導體公司提供的STM32F103CBT6芯片作為整個電路系統的核心處理器完成主控操作。整個系統需要穩定的5V/10A的直流電壓源給基準電壓電路供電，并通過線性穩壓電路給主控芯片供電。基準電壓電路提供高壓和低壓功率放大電路的部分供電電源需求，同時提供整個電路的電壓基準。

圖1 整體方案系統框圖Fig.1 System block diagram of overall scheme

圖 2 主芯片及基本外圍電路Fig.2 Main chip and basic peripheral circuit

2 硬件系統設計

2.1 主控芯片介紹及基本外圍電路設計

2.1.1 主控芯片介紹

數字處理微控制器是整個硬件系統的核心，基于本硬件系統的設計要求，需要選擇一款運算速度較高、硬件資源足夠的處理器，因此選用STM32F103CBT6芯片作為整個硬件系統的核心處理器，該芯片是基于ARM架構的32位微處理器。

STM32F103CBT6芯片是基于Cortex-M3內核的產物，主頻最高可達72MHz，具有128K的Flash和20K的RAM，其硬件資源也足夠，具有1個RTC實時時鐘、6個定時器、2個能夠工作于多主模式和從模式的IIC接口、2個通信速率可達18Mbit/s的SPI接口、3個通信速率可達4.5Mbit/s的USART接口，內嵌1個兼容全速USB和2個12位的ADC[3]。

2.1.2 主控芯基本外圍電路設計

時鐘電路是微處理器MCU的脈搏，為MCU提供運行時鐘，本設計中的時鐘電路如圖2所示。其中，Y1為8MHz的晶振，該晶振經過MCU內部倍頻電路后達到72MHz供系統的主時鐘使用；Y2為32.768KHz的晶振，該晶振為RTC提供時鐘。VBAT是RTC的外部電源引腳，該電路在系統意外斷電時可保證實時時鐘能夠繼續正常運行[4]。

本設計為了保證系統的穩定，采用復位引腳外接電路搭建手動復位方式，復位電路如圖2所示。復位電路的原理是給按下復位開關芯片的RESET引腳一個足夠長的低電平就可以使系統產生復位，松開開關待系統上電完畢后引腳恢復高電平，系統進入正常工作狀態。

2.2 基準電壓電路設計

圖 3 基準電壓電路設計框圖Fig.3 Design block diagram of reference voltage circuit

基準電壓電路設計如圖3所示，整個系統由5V/10A直流穩壓開關電源供電，選用NMT0573SC DC/DC轉換芯片來實現直流電壓的轉換。經直流-直流(DC/DC)正電壓轉換電路得到+24V和+72V正電壓輸出，其中+24V經線性穩壓電路得到+18V穩定電壓輸出[5]，該電壓輸出提供低壓輸出電路的正電源，+72V提供高壓輸出電路的正電源；開關電源經DC/DC負電壓轉換電路得到-24V、-48V和-72V負電壓輸出，其中-24V經線性穩壓電路得到-18V穩定電壓輸出，該電壓輸出提供低壓輸出電路的負電源，-48V用來作為整個系統電路的基準電壓參考端，-72V輸出提供高壓輸出電路的負電源。

圖 4 低壓電路設計原理圖Fig.4 Schematic diagram of low voltage circuit design

圖5 高壓電路設計原理圖Fig.5 Schematic diagram of high voltage circuit design

圖 6 壓電陶瓷驅動電源系統控制輸出流程圖Fig.6 Control output flow chart of piezoelectric ceramic driving power supply system

2.3 低壓電路輸出設計

本電路設計中，設計低壓電路輸出電壓40 V～60V，因為基準電壓電路已設計電壓基準參考端L-為-48V，所以當低壓電路端L+輸出-8V～12V時，此時VL+-VL-=40V～60V即滿足設計要求。首先，經D/A轉換器將主控芯片數字指令轉換成模擬電壓信號，再選用OP07放大器組成三級放大電路對電壓信號進行放大即可實現低壓電路40V～60V電壓輸出[6]，電路設計原理圖如圖4所示。

2.4 高壓電路輸出設計

本設計中，設計高壓電路輸出電壓范圍為10V～90V，因為基準電壓電路已設計電壓基準參考端H-為-48V，所以當高壓電路端H+輸出-38V～+42V，此時VH+-VH-=10V～90V即滿足設計要求。選用PA240放大芯片對D/A轉換器輸出的低電壓信號進行放大，即可實現高壓電路10V～90V電壓輸出，電路設計原理圖如圖5所示。

3 交互軟件設計與實現

壓電陶瓷驅動電源系統基于USB接口進行數據通信傳輸，選用了最常用的FT232RL接口芯片作為串口通信的橋梁，其底層的驅動函數都支持VC和C++等高級語言。針對本系統的功能要求，決定使用Visual C++ 6.0軟件在Windows 10系統環境下進行軟件控制程序的編寫開發，基于MFC的串口通信方式來間接實現對硬件的控制輸出。系統上位機控制電壓輸出流程圖如圖6所示。

4 系統測試及實驗數據

完成以上設計后，對硬件電路板進行測試。測試無誤后，編寫軟件控制程序并燒錄進電路板，對系統進行測試，然后搭建系統實驗臺后進行實驗。選用5V/10A直流穩壓電源對整個系統供電，操作上位機軟件界面控制指令輸入，系統高壓/低壓電源輸出見表1。

表1 電壓輸出實驗數據Table 1 Voltage output experimental data

5 總結

本論文主要圍繞壓電陶瓷驅動電源系統設計及實驗結果輸出展開，根據表1記錄的實驗數據，發現測試的高壓電路電壓輸出穩定在8.93V～86.95V電壓范圍內，低壓電路電壓輸出穩定在36.81V～55.75V電壓范圍內，與理論要求電壓輸出范圍仍有一定的差距，初步分析可能有以下幾個原因：

1）由于外界干擾或者器件本身質量問題，DC/DC轉換器的實際電壓轉換效果沒有理論預期的穩定和準確，導致電源系統電壓輸出存在不穩定的現象。

2）由于外界干擾或者器件本身質量問題，硬件系統中放大電路的實際放大倍數并沒有達到預期理論值，導致電源系統電壓輸出范圍受到影響。

3）在對硬件電路板進行布局布線時，可能存在不合理之處，導致對信號傳輸造成干擾；在對硬件電路板進行焊接時，可能存在不慎影響到電路元器件功能的操作。

針對以上可能存在的原因，應該對電路板進行逐一排查調試，對在調試過程中發現的問題進行改善修正。