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壓電陶瓷致動器是近年發(fā)展起來的新型微位移器件,具有體積小、推力大、精度及位移分辨率高、頻率響應(yīng)快等特點。它在使用中無噪聲、不發(fā)熱,是理想的微位移器,已在航空航天、精密測量、機器人及精密加工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。驅(qū)動電源的性能對壓電陶瓷致動器的影響很大,近年來國內(nèi)對靜態(tài)壓電陶瓷驅(qū)動電源的研制取得了一定的進展,但大部分壓電陶瓷驅(qū)動電源都是由分立性器件組成,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,而且容易產(chǎn)生自激振蕩,對電源的穩(wěn)定性會產(chǎn)生影響。而采用高壓運放的驅(qū)動電源,分辨率能達到mV級,輸出紋波較小,不僅提高了電路集成度,而且可靠性也得到加強,因此可用于驅(qū)動壓電陶瓷致動器。

壓電陶瓷致動器驅(qū)動電源
1壓電陶瓷致動器對驅(qū)動電源的要求
壓電陶瓷致動器的驅(qū)動電源應(yīng)具有如下特點:(1)壓電陶瓷致動器的位移輸出對外加驅(qū)動控制電壓的響應(yīng)速度,主要取決于驅(qū)動電源驅(qū)動電流的大小,因此驅(qū)動電源應(yīng)具有較大的驅(qū)動電流,一般不應(yīng)小于150mA;(2)驅(qū)動電源的輸出控制電壓連續(xù)可調(diào),對國產(chǎn)壓電陶瓷致動器PTBS200系列而言,要求驅(qū)動電源輸出電壓為直流0~200V,連續(xù)可調(diào);(3)為適應(yīng)高頻響應(yīng)的要求,驅(qū)動電源中應(yīng)具有供容性負載快速放電的回路;(4)由于壓電陶瓷致動器主要應(yīng)用于微納米技術(shù)領(lǐng)域,所以驅(qū)動電源應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性,其輸出紋波電壓應(yīng)控制在很小的范圍內(nèi);(5)為實現(xiàn)位移的自動控制,驅(qū)動電源最好采用計算機控制。
壓電陶瓷致動器外電路是一個容性負載,并有遲滯和蠕變現(xiàn)象。而驅(qū)動電源一般可分為電荷控制型和電壓控制型。電荷控制型驅(qū)動電源基于電容器充電的原理(對外加電壓而言,每個壓電陶瓷片相當于一只平行板電容器),可以改善壓電陶瓷的遲滯和蠕變。電壓控制型驅(qū)動電源主要有以下兩種形式:一種是基于DC/DC變換器原理的開關(guān)式驅(qū)動電源,其體積小、效率高,但電源輸出紋波較大,頻響范圍也較窄;另一種是直流放大電源,頻響范圍寬,從發(fā)展趨勢來看,其應(yīng)用前景廣闊。


2 驅(qū)動電源的設(shè)計
根據(jù)壓電陶瓷致動器對其驅(qū)動電源的要求,本設(shè)計中的電源采用直流放大式電路。電路原理框圖如圖1所示。整個電源電路主要由計算機與數(shù)據(jù)采集卡、運算放大電路和高壓電路等幾部分組成。高壓電路提供220V的直流電壓,計算機通過LabView8.5控制數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生一定的輸出波形,得到0~5V的連續(xù)可調(diào)控制電壓;放大電路實現(xiàn)電壓的線性放大和功率放大,輸出0~200V連續(xù)可調(diào)的直流電壓,并決定著電源輸出電壓的分辨率和穩(wěn)定性,是整個電源的關(guān)鍵。

圖1 電源原理框圖


① 高壓電路

圖2 高壓電路電路原理圖


由于直流電壓的穩(wěn)定性直接影響驅(qū)動電源的穩(wěn)定性,采用220V輸出電壓的高壓電路(見圖2),主要部分是將市電交流220V變?yōu)?220V直流電壓的全橋整流供電電路。


② 波形發(fā)生電路
良好的輸入波形是電源的關(guān)鍵之一,關(guān)系到壓電陶瓷的伸縮變化。輸入波形信號的頻率、幅值可變,信號波形好,畸變小,不僅可以消除壓電陶瓷本身的遲滯特性和蠕變特性,也能獲得更廣泛的應(yīng)用。由于電壓精度要求比較高,使用NI公司的具有16位模擬輸入輸出的多功能數(shù)據(jù)采集卡6221將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量,輸出電壓為0~5V,電壓分辨率達到5/216,約等于0.076mV。采用LabView 8.5編程可以實現(xiàn)任意波形及緩變直流等輸出,靈活性強,能滿足各種需要。


③高壓放大電路

圖3 高壓放大電路原理圖


采用美國APEX公司生產(chǎn)的高壓運算放大器PA96和高精度運算放大器OP07串聯(lián)組成串聯(lián)負反饋放大電路,如圖3所示。PA96是一種高壓,大帶寬的MOSFET運算放大器,輸出電流達到1.5A,輸出電壓接近300V,安全操作區(qū)(SOA)沒有二次擊穿的限制,通過選擇合適的限流電阻,可觀察到任何負載下的安全操作曲線。PA96的最大失調(diào)電壓為5mV,對要求分辨率為10mV以下的壓電陶瓷驅(qū)動電源,其輸入特性不能滿足要求。在該電源的線性放大部分采用了PA96和OP07串聯(lián)的復(fù)合放大器,從而使輸入失調(diào)電壓由前置放大器OP07控制。由于復(fù)合放大器的輸入電壓為0~5V,輸出電壓要求為0~200V,因此復(fù)合放大器的放大倍數(shù)要求為40。但增益過大會影響運放穩(wěn)定性,因此選定PA96的閉環(huán)放大倍數(shù)為31,PA96和OP07串聯(lián)后共同提供的放大倍數(shù)為40。根據(jù)放大倍數(shù)的分配要求可得:
R1=3kΩ,R2=117Ω,R3=180Ω,R4=6kΩ
由于構(gòu)成負反饋電路,輸出電阻非常小(mΩ級),因此具有很強的帶負載能力。圖3中的R5為限流電阻,其值由公式IL=0.68V/R5=125mA可得,這里為5.4Ω。


3 相位補償與輸出保護
自激現(xiàn)象是影響電源穩(wěn)定性的一個主要因素。當集成運放的開環(huán)增益為一定值時,由于相移過大,電路會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象,因此應(yīng)對集成運放進行相位補償。通常在輸入端和輸出端外接補償元件,進行相位補償。相位補償不僅能提高運放的穩(wěn)定性,還能擴展帶寬。電路中PA96一級的閉環(huán)放大倍數(shù)為31,由此計算出其增益為30,根據(jù)PA96的數(shù)據(jù)資料,確定相位補償電容值CC=10pF,閉環(huán)帶寬大約為1MHz。圖3中電路的反饋電容C1和C6用于提高放大電路在高頻下的穩(wěn)定性。OP07輸入端的二極管D1、D2提供差模和共模保護,防止瞬態(tài)過壓,輸出二極管D3、D4可對瞬態(tài)過壓進行保護,防止瞬態(tài)過壓損壞OP07的輸出。PA96放大器輸入端的二極管D5、D6、D7、D8把放大器正負輸入端的電壓鉗位在規(guī)定范圍內(nèi),對運放起保護作用。

驅(qū)動電源的實驗結(jié)果及結(jié)論
利用高精度的FLUKE 8580A電壓表,在0~200V擋,對穩(wěn)壓電源的輸出特性進行了測試。將實測數(shù)據(jù)和輸入電壓比較(見表1),利用線性回歸法進行分析,得出穩(wěn)壓電源輸出的線性相關(guān)系數(shù)r≈1,說明穩(wěn)壓電源的輸出線性度較好。驅(qū)動電源在帶負載的情況下連續(xù)工作,輸出電壓漂移小于10mV,驅(qū)動電源輸出紋波電壓小于10mV,此紋波電壓對微定位系統(tǒng)中壓電陶瓷位移精度的影響較小。

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