基于PA41的壓電疊堆驅動電源設計

孫 翰，時運來，孫海超，林瑜陽

(南京航空航天大學 機械結構力學及控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引言

目前國外對壓電陶瓷的驅動控制技術研究較成熟，已能使用高性能的功放來制作驅動電源，如AB類功放外接相應的負反饋電路以實現壓電陶瓷的驅動。普愛納米位移技術(PI)公司和理波(Newport)公司等[3]憑借其成熟的驅動控制方案，制造出性能優秀、配套齊全的商業化產品。而國內對壓電陶瓷驅動控制的研究還處于起步階段，研究基本在高校和研究所進行，雖取得了一定的成績，但設計出的驅動電源通用性不好，只能驅動特定的負載，無法做到商業化生產。國內產品通常都是用分立元件搭建電路，雖然在一定程度上保證了輸出電壓和功率，但過多的電子元件易讓電路出現自激振蕩[4]，影響產品性能。對比國內外產品發現，國外產品價格高且購買途徑少，但國內產品的驅動性能指標(如最大輸出電壓、紋波、最大輸出電流等)與國外存在一定差距，因此需要設計一款性價比高，響應迅速，穩定性強及輸出動態范圍好的壓電陶瓷驅動電源。綜合國內外的驅動技術，本文設計了一款電壓跟隨型驅動電源。

1 驅動電路設計

1.1 驅動電路方案選擇

目前常用的壓電疊堆驅動電源控制方法主要有電流控制型及電壓控制型兩種。電流控制型的低頻特性較差，易產生零點漂移，因而使用場合較少[5-6]。電壓控制型是通過控制其兩端的電壓來控制疊堆的輸出位移，其具有可靠性高，紋波小，動態特性良好及頻帶寬等特點，已得到廣泛應用。

電壓控制型驅動電源分為直流放大式和開關式。直流放大式電壓控制型驅動電源頻率響應特性好，電路結構的可靠性高，輸出紋波小，是市面上流傳較成熟的方案。開關式電壓控制型驅動電源雖然體積小，效率高，但頻率響應范圍窄，輸出紋波多，且電路結構較復雜，故不適用于輸出精度和低頻響應要求高的場合。

針對驅動電源調壓、調頻方便，響應快，抗自激能力強的要求，本文設計了基于直流放大式結構中的線性運放跟隨式驅動電源，如圖1所示。其內部核心器件采用高壓運放，設計要求具體如下：

1) 輸出電壓峰-峰值在0～130 V連續可調(完全正向偏置)。

2) 輸出正弦信號頻率在0～200 Hz可調。

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3) 輸入正弦信號正負對稱。

圖1 線性運放跟隨式

1.2 元件選型與電路設計

設計驅動電源時需選擇合適的電路元件，要求高壓運放的最大輸出電壓應滿足Umax≥ 140 V。忽略疊堆的內阻，HPSt150/14-10/40V22型號的疊堆等效電容CL=8.2 μF。假設該運放已工作在極限情況[7]，即頻率f=200 Hz，輸出電壓信號Vo為140 V，則負載端等效容抗Xc和運放輸出端最大電流IOP為

(1)

(2)

壓擺率SR為

SR=2πfVo×10-6=0.18(V/μs)

(3)

式中Vo取最大輸出電壓140 V[8-9]。

通過比較分析，考慮選擇美國APEX公司生產的PA系列高壓運放PA41。其單電源供電時，單端供電電壓為100～350 V，取單端140 V給運放供電，使其輸出電壓峰-峰值130 V的同時還能留有一定輸出余量。其內部具有輸入保護電路，選擇不同的限流電阻(RCL)能驅動不同的負載。最大連續輸出電流為120 mA,遠小于IOP。雖然輸出電壓滿足要求，但輸出功率不足以驅動疊堆。若要達到驅動功率，則必須提高其輸出電流，可考慮在后級串聯一個功率放大級。甲乙類單電源互補對稱電路的電源供給效率高，這不僅可提高前級電路的輸出電流，提高功率，還能利用其偏置電路克服交越失真，可作為末級電路。

根據以上條件設計了一種放大倍數可調的電壓及功率放大電路，該電路原理如圖2所示。

圖2 電壓及功率放大電路原理

由圖2可知，高壓運放PA41未采用常規的雙電源供電，而是在外部提供了一個Vcc/2的虛地電壓，使其處于單電源工作狀態。電路原理為：輸入的對稱正弦信號經過一級同相放大電路后輸出放大2倍的電壓信號，再經過二級放大電路放大，輸出相位相同、大小可調的電壓信號，最后再對其功率放大，達到驅動疊堆的要求。前級OP07部分是為了減小輸入失調電壓。

1.3 放大倍數的確定

輸出信號電壓峰-峰值需達130 V，而單片機輸入電壓信號僅0～3.3 V，因而其總的放大倍數為39.39。為便于調控，這里取放大倍數為42，使輸出電壓可在130 V的基礎上上浮一個小電壓范圍。根據運放的“虛短”、“虛斷”得出一、二級電壓放大倍數A1、A2：

(4)

(5)

因為是同相電壓放大，所以一級輸出電壓Vo1與二級輸出電壓Vo2同相位，且總的放大倍數為A1×A2。設置前級閉環放大倍數為2，后級電壓放大倍數為1～21。根據式(4)、(5)，選取電阻R1=R2=R3=5 kΩ，可調電位器R4為0～100 kΩ，調整R4可改變電壓放大倍數，從而改變輸出電壓。

1.4 相位補償和限流電阻

由于壓電疊堆是容性負載，其與電路的輸出電阻在運放電路系統中增加一個極點，導致電路不穩定工作。為提高系統穩定性，故需對其進行相位補償。常見的補償方式主要分為環路內償法、噪聲增益補償、超前滯后補償及外接RC網絡補償等。其中，環路內償法只能補償固定負載，通用性不好。噪聲增益補償法會輸出額外的噪聲電壓。超前滯后補償會縮短運算放大器的帶寬。RC網絡補償法的結構最簡單，只需在運放補償引腳處外接補償電容和補償電阻，可提高電路的輸出性能。因此，RC網絡補償法使用較普遍。

PA41是利用RC補償網絡提高輸出穩定性。查閱資料可知，RC補償網絡的參數為補償電阻Rc=2.2 kΩ，補償電容Cc=10 pF。當Cc=10 pF時，0～200 Hz內輸出電壓最高可達300 V，滿足最大輸出電壓要求。

2 驅動電源總體設計

2.1 驅動電源原理框圖

圖3為驅動電源總體框圖。壓電疊堆驅動電源主要由計算機、微控制器、驅動電路和穩壓電源組成。微控制器選擇STM32F429，主要用于與主機串口通信，通過數模轉換器(DAC)模塊把接收到的數字編碼轉換成對應的模擬信號，以此作為放大電路的輸入信號，使該電源既可通過軟件控制輸出信號峰-峰值和頻率，也可通過手動調節放大電路上的電位器控制其輸出電壓峰-峰值。

圖3 驅動電源總體框圖

單片機定時器模塊輸出的脈沖寬度調制信號(PWM)經推挽升壓穩壓得到穩壓電源，其可用于整個系統的供電。

2.2 輸入信號設計

若要得到輸入信號，首先要在Matlab界面生成正弦波碼表數據，然后再利用STM32F429內部DAC模塊按一定時間間隔輸出正弦波曲線上的點，在該時間段內輸出相同的電壓值，縮短時間間隔即可得到逼近正弦波的波形，在外部加上合適的電容濾波即可得到相對完美的圖形。實踐證明，在單個正弦周期內，取256個點可很好地還原正弦波，圖4為Matlab生成的碼表圖。

圖4 Matlab生成的正弦波碼表圖

因輸入信號的要求是正負對稱的正弦信號，故需在單片機的輸出端串聯一個大電容C濾除直流信號，一般取C=10 μF。

2.3 穩壓電源設計

放大電路中的OP07、PA41和功率放大電路都需要供電。根據芯片的供電需求得到如下設計要求：輸入直流電壓為10 V，輸出電壓Uout=140 V，(Uout/2=70(V)，Uout/2+15=85(V)，Uout/2-15=55(V))。

由于橋式多晶體隔離式電路常用于高電壓輸入環境，故本方案采用推挽拓撲結構進行設計[10]，如圖5所示。由單片機輸出兩路互補的PWM波驅動MOS管驅動芯片，其占空比為45%，留有5%的死區電壓以防止Q1、Q2兩個MOS管同時導通而使電路短路。變壓器將小電壓放大后經整流、穩壓后得到所需電源電壓。

圖5 推挽升壓原理圖

因為運放需要4個供電電源，所以要對Uout進行分壓和穩壓操作，如圖6所示。

圖6 分壓電路設計

推挽輸出的140 V電壓先通過R1、R2、R3和R4分壓，其中R1=R4，R2=R3。串聯分壓得到中心點70 V的電壓，以70 V為虛假地，后接±15 V的三端集成穩壓器進行穩壓。三端集成穩壓器選擇輸出電流可達1 A的L7815CV和L7915CV，以70 V為中心對稱連接，輔以合適的外圍電路，得到OP07所需55 V和85 V，以及PA41所需140 V單電源供電電壓。

3 實驗驗證

3.1 實驗平臺的搭建

圖7為驅動電路與壓電疊堆搭建而成的實驗平臺，測試結果呈現在計算機顯示器上。為減少噪聲干擾，所有實驗器件設備都必須放置在氣浮平臺上。將穩壓電源電路與電壓及功率放大電路分開制版，防止電壓及功率放大電路元件發熱影響到電源電路，最后將兩個PCB板通過杜邦線連接后進行實驗驗證。

圖7 實驗平臺

3.2 輸出波形實驗

當STM32輸入0～3.3 V的正弦波時，驅動電源輸出信號為0～130 V的70 V偏置正弦波。圖8為波形測試。由圖可知波形的相關性很好，說明該驅動電路輸入與輸出的線性度好。

圖8 波形測試

3.3 階躍響應實驗

將輸入信號改成一定頻率的階躍信號，經放大后測得該信號的階躍響應如圖9所示。實驗測得該驅動電源的階躍響應時間為30 μs，說明該電源動態特性好，響應快。

圖9 階躍信號響應測試

3.4 疊堆測試實驗

將驅動電源連接待測壓電疊堆進行實驗，通過激光位移傳感器讀取輸出位移，實驗結果如圖10所示。

圖10 不同頻率下輸入電壓-輸出位移關系

由圖10可知，在相同電壓下，隨著頻率變化，疊堆的輸出位移基本不變，在理論值上下小范圍波動；在相同頻率下，疊堆的輸出位移隨著電壓的增大而增大，近似呈線性關系，符合疊堆的輸出特性。輸出位移誤差±2 μm是傳感器的測量誤差；隨著頻率的上升，疊堆的輸出位移與理論值偏差變大，這是受其封裝的影響，疊堆在伸縮時會有慣性，即動力響應的滯后效應，頻率越高，滯后效應越明顯。

實驗結果表明，該驅動電源滿足疊堆的輸出特性，在低頻條件下，輸出特性更好。

4 結束語

本文基于高壓運放PA41設計了一款壓電疊堆驅動電源，其可輸出電壓峰-峰值為0～130 V連續可調的正向偏置70 V的正弦電壓。該電源能滿足驅動壓電疊堆的要求，輸出電壓穩定，線性度好，結構簡單，響應速度快，調頻調壓方便，應用前景廣。