压电陶瓷的驱动电路原理，基于ARM的高分辨率压电陶瓷驱动电源设计方案

很多朋友对压电陶瓷的驱动电路原理，基于ARM的高分辨率压电陶瓷驱动电源设计方案不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

0简介

压电陶瓷驱动器是微位移平台的核心。其主要原理是利用压电陶瓷的逆压电效应产生变形，从而驱动执行器产生微位移。压电陶瓷驱动器具有分辨率高、响应频率快、推力大、体积小等优点，已广泛应用于航空航天、机器人、MEMS、精密加工和生物工程等领域。然而，压电陶瓷驱动器的应用离不开性能良好的压电陶瓷驱动电源。

为了实现纳米定位的应用，压电陶瓷驱动电源的输出电压需要在一定范围内连续可调，电压分辨率需要达到毫伏级。因此，压电陶瓷驱动电源技术已成为压电微位移平台的关键技术。

1压电驱动电源的系统结构1.1压电驱动电源的分类

随着压电陶瓷微位移定位技术的发展，各种压电陶瓷微位移机构的驱动电源应运而生。目前，驱动电源主要有两种形式：电荷控制和DC放大。电荷控制驱动电源的零漂特性和低频特性差限制了它的应用。DC放大驱动电源具有静态性能好、集成度高、结构简单的特点，因此本文的设计原则采用DC放大压电驱动电源。直流放大器电源的原理如图1所示。

1.2放大压电驱动电源的系统结构驱动电源电路主要由微处理器、D/A转换电路和线性放大电路组成。微处理器控制D/A产生高精度、连续可调的DC电压(0~10 V)，放大电路对D/A输出的DC电压进行线性放大和功率放大，控制PZT驱动精密定位平台。

在本设计中，LPC2131用作微处理器来产生控制信号和波形。18位电压输出DA芯片AD5781作为D/A转换电路的主芯片，产生连续可调的DC低压信号。APEX公司的功率放大器PA78作为功率放大器件，输出0~100 V的高压信号驱动PZT。为了实现高分辨率压电驱动器的应用，压电驱动电源分辨率的设计指标达到1 mV量级。2基于ARM 2.1的低压电路设计ARM控制器简介

压电陶瓷驱动电源中的ARM控制器主要提供两个功能：作为通讯设备，提供通用的输入/输出接口；作为控制器，它运行相关的控制算法，产生控制信号或波形，实现PZT的静态定位操作。

针对上述要求，本设计采用LPC2131作为主控制器。LPC2131是基于32位ARM7TDMI-S-CPU的微控制器，支持实时仿真和跟踪，主频可达60 MHz。LPC2131具有8 KB片内静态RAM和32 KB嵌入式高速闪存。它有两个通用UART接口，I2C接口和SPI接口。LPC2131具有很高的数据处理能力和丰富的接口资源，可以作为压电驱动电源的控制芯片。

2.2数模电路设计

由于压电驱动电源要求输出电压范围为0~100 V，分辨率达到毫伏级，所以D/A的分辨率需要达到亚毫伏级。本设计采用AD5781作为D/A器件。AD5781是一款带SPI接口的18位高精度转换器。输出电压范围为-10~10 V，噪声频谱密度为0.5 LSB INL、0.5 LSB DNL和7.5 nV/Hz。此外，AD5781的温度漂移非常低(0.05 ppm/)。因此，D/A转换器芯片特别适用于精确模拟数据的采集和控制。

数模电路的设计如图2所示。

在硬件电路设计中，由于AD5781采用精密架构，因此需要强制检测和缓冲其基准电压输入，以确保额定线性度。因此，为缓冲基准输入而选择的放大器应具有低噪声、低温度漂移和低输入偏置电流。这里，我们选择AD8676，它是一款超精密、36 V、2.8 nV/Hz双通道运算放大器，具有0.6 V/

通过下拉电阻下拉AD5781的CLR和LDAC引脚，该电阻用于将AD5781设置为DAC二进制寄存器编码格式，并配置输出在SYNC的上升沿更新。

在ARM的软件设计中，除了AD5781的相关寄存器外，还要正确配置SPI的时钟相位、时钟极性和通信模式。正确的SPI接口时序配置图如图3所示。3高压线性放大电路的设计本文中的压电驱动电源采用DC放大原理，通过高压线性放大电路，由0~100 V连续可调的DC电压驱动压电陶瓷。放大电路决定了电源输出电压的分辨率和线性度，是整个电源的关键。3.1经典线性放大器电路的设计

放大电路采用美国APEX公司生产的高压运算放大器PA78作为主芯片。PA78的输入失调电压为8 mV，温度漂移为-63V/C，转换速率为350 V/s，输入阻抗为108，输出阻抗为44，共模抑制比为118 dB。基于PA78的线性放大器电路设计如图4所示。PA78配置为增益=1的R2 R1正向放大器，输出电压范围为0 ~ 100 V .

如果运算放大器两个输入端的电压都是0 V，那么输出端的端电压也应该等于0 V，但实际上，由于放大器的制造工艺，同相和反相输入端之间不可避免地存在不匹配，因此输出端总会有一些电压，称为失调电压。失调电压随温度的变化而变化，称为温度漂移(temperature drift)，温度漂移的大小随时间而变化。

PA78的失调电压和温度漂移分别为8 mV和-63v/C，并且具有随机性，使得PA78无法应用于毫伏级分辨率的电压输出，因此需要对放大电路进行改进。

3.2放大电路的改进

这里，PA78被视为受控对象G(S)，偏移电压和温度漂移被视为扰动N(S)。这样，提高放大器的输出电压精度就转化为一个控制器设计问题，以减小控制系统的稳态误差。控制器设计中常用的校正方法有两种：串联校正和反馈校正。一般来说，反馈校正所需的元件数量少，电路简单。但在高压放大器电路中，反馈信号由PA78的输出级提供。

反馈信号的功率较高，给元器件选择和电路设计带来不便，所以在线性放大电路中不采用反馈校正法。然而，在串联校正法中，有源器件的输入不包含高压反馈信号，因此设计采用串联校正法，并采用模拟PI(比例积分)控制器G1(S)进行校正，如图5所示。

比例反应输入信号e(t)及其积分，即：

从方程(2)的观察可以看出，PI控制器相当于在控制系统的原点增加了一个开环极点。开环极点的存在可以改善系统类型，系统阶跃扰动的稳态误差可以由于系统类型的改善而减小(对于线性放大电路，失调电压和温度漂移可以看作阶跃扰动)。

同时，PI控制器还增加了一个位于复平面左半平面的开环零点。复实零点的增加可以提高系统的阻尼度，从而提高系统的动态性能，减轻为了稳态性能而牺牲动态性能给系统带来的不利影响。

有源模拟PI控制器用于放大器电路的设计，改进的线性放大器电路如图6所示。其中，PI控制器的放大器采用AD8676。AD8676的输入失调电压低于50 V(全温行程时)，电压噪声在0.1~10 Hz时0.04 V(P-P)，适合串联校正，以提高系统的稳态性能，降低输出电压漂移。3.3相位补偿

从工程角度来说，干扰源的存在会改变系统的稳定性，引起系统振荡。因此，保证控制系统具有一定抗干扰性的途径是使系统具有一定的稳定裕度，即相角裕度。

由于实际电路中存在杂散电容，放大器反相输入端的对地电容对系统的稳定性有很大影响。如图6所示，C5和C6用于补偿反相端的杂散电容。从系统功能的角度，即构成超前校正，增加开环系统的开环截止频率，搞增加系统带宽，提高响应速度。

PA78有两对相位补偿引脚，通过外部RC网络补偿放大器中的零极点。根据PA78的数据表，PA78内部的零极点位于高频段。根据控制系统抗噪声能力的要求，配置RC网络快速衰减高频段的幅值特性曲线，从而提高系统的抗干扰能力。在图6中，R4、C1、R5和C2形成RC补偿网络。

另外，C3在电路中的作用是防止输出信号下降沿的振动引起的干扰；R10充当偏置电阻，将功率电流注入放大器的输出级，提高PA78的驱动能力。

将PI控制器的参数设置为KP=10、 ki=0.02；超前校正补偿电容分别为12 pF和220 pFRC补偿网络为R=10k，C=22 pF。用线性放大电路的Spice模型仿真得到的幅频特性和相频特性曲线如图7所示。

从图中可以看出，放大系统的带宽可以达到100 kHz，从而保证了系统良好的动态特性，同时相角裕度 60使系统具有较高的稳定性(由于PZT的负载电抗特性一般为容性，所以需要留有较大的相角裕度)。

4驱动电源实验结果实验使用的压电陶瓷驱动电源稳压电源为长丰潮阳供电公司的4NIC-X56ACDC DC电源，输出电压精度1%，电压调整率0.5%，电压纹波1 mV(RMS)和10 mV(P-P)。测量设备是KEITHLEY 2000 6 1/2万用表。

首先，测量DAC的输出分辨率。ARM控制器输出持续5 s的阶跃信号，同时在DAC输出端测量电压信号。测量结果如图8所示。图8显示AD5781的输出电压分辨率可以达到3.89e-5 V，即38.9 V，在模拟电路中，噪声是不可避免的。对于压电驱动电源，噪声水平限制了驱动电源的输出分辨率。

图8、9分别给出了经典放大电路和改进放大电路的测试噪声。从图中可以看出，采用PI控制器和相位补偿元件，压电驱动电源的输出噪声从1.82 mV(RMS)降低到0.43 mV(RMS)。图10示出了放大器电路的输出分辨率。放大电路的分辨率决定了PZT的定位精度。为了达到纳米级的定位精度，驱动电源的分辨率需要达到毫伏级。在图10中，输出电压的分辨率可以达到1.44 mV。

最后给出了驱动电源电压的线性曲线。线性度能真实反映输出值与输入真值的偏离程度。线性曲线如图11所示。拟合直线Yfit=9.846Vin 0.024 2，最大非线性误差为0.024%，可以满足精确定位的要求。5结论

本文设计了一种基于ARM的高分辨率压电陶瓷驱动电源方案。该方案采用DC放大原理，具有低电路噪声、高分辨率、低输出非线性的特点，驱动电源带宽可达100 kHz。上述特点使该方案的压电驱动电源能够应用于纳米级静态定位的要求，并且由于其性价比高、结构简单，具有较高的实用价值。

实验结果还表明，该方案设计的电源输出电压噪声小于0.43 mV，输出最大非线性误差小于0.024%，分辨率可达1.44 mV，能够满足高分辨率微位移定位系统中静态定位控制的要求。

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