基于ARM 的高分辨率壓電陶瓷驅(qū)動電源設(shè)計方案（一）

0 引言

壓電陶瓷驅(qū)動器(PZT)是微位移平臺的核心，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)動執(zhí)行元件發(fā)生微位移。壓電陶瓷驅(qū)動器具有分辨率高、響應(yīng)頻率快、推力大和體積小等優(yōu)點，在航空航天、機器人、微機電系統(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。然而壓電陶瓷驅(qū)動器的應(yīng)用離不開性能良好的壓電陶瓷驅(qū)動電源。要實現(xiàn)納米級定位的應(yīng)用，壓電陶瓷驅(qū)動電源的輸出電壓需要在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，同時電壓分辨率需要達到毫伏級。因此壓電陶瓷驅(qū)動電源技術(shù)已成為壓電微位移平臺中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 壓電驅(qū)動電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 壓電驅(qū)動電源的分類

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構(gòu)的驅(qū)動電源應(yīng)運而生。目前驅(qū)動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)動電源存在零點漂移，低頻特性差的特點限制其應(yīng)用。而直流放大式驅(qū)動電源具有靜態(tài)性能好、集成度高、結(jié)構(gòu)簡單等特點，因而本文的設(shè)計原理采用直流放大式壓電驅(qū)動電源。直流放大式電源的原理如圖1所示。

1.2 直流放大式壓電驅(qū)動電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

驅(qū)動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)動精密定位平臺。

該設(shè)計中采用LPC2131作為微處理器，用于產(chǎn)生控制信號及波形;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;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 的高壓信號從而驅(qū)動PZT.為實現(xiàn)高分辨率壓電驅(qū)動器的應(yīng)用，壓電驅(qū)動電源分辨率的設(shè)計指標達到1 mV量級。

2 基于ARM 的低壓電路設(shè)計

2.1 ARM控制器簡介

壓電陶瓷驅(qū)動電源中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;作為控制器運行相關(guān)控制算法以及產(chǎn)生控制信號或波形實現(xiàn)PZT的靜態(tài)定位操作。針對如上需求，本設(shè)計采用LPC2131作為主控制器，LPC2131是Philips公司生產(chǎn)的基于支持實時仿真和跟蹤的32 位ARM7TDMI-S-CPU的微控制器，主頻可達到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存儲器;具有兩個通用UART接口、I2C接口和一個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)動電源的控制芯片。

2.2 D/A電路設(shè)計

由于壓電驅(qū)動電源要求輸出電壓范圍為0~100 V,分辨率達到毫伏級，所以D/A的分辨率需達到亞毫伏級。本設(shè)計采用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/ Hz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)計如圖2 所示。

在硬件電路設(shè)計中，由于AD5781 采用的精密架構(gòu)，要求強制檢測緩沖其電壓基準輸入，確保達到規(guī)定的線性度。因此選擇用于緩沖基準輸入的放大器應(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/ Hz 雙通道運算放大器，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。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二進制寄存器編碼格式和配置輸出在SYNC的上升沿更新。

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

3 高壓線性放大電路設(shè)計

本文壓電驅(qū)動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，是整個電源的關(guān)鍵。

3.1 經(jīng)典線性放大電路設(shè)計

放大電路采用美國APEX公司生產(chǎn)的高壓運算放大器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)計如圖4所示。配置PA78為正向放大器，放大倍數(shù)為Gain=1+ R2 R1 ,得到輸出電壓范圍為0~100 V.

如果運放兩個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的，使PA78無法應(yīng)用于毫伏級分辨率的電壓輸出，需要對放大電路進行改進。

3.2 放大電路的改進

這里將PA78視為被控對象G(S)，將失調(diào)電壓和溫漂視為擾動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)計的問題。在控制器的設(shè)計中常用的校正方法有串聯(lián)校正和反饋校正兩種。一般來說反饋校正所需的元件數(shù)少、電路簡單。但是在高壓放大電路中，反饋信號是由PA78的輸出級提供。反饋信號的功率較高，為元件選型和電路設(shè)計帶來不便，故線性放大電路中不使用反饋校正法。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，所以該設(shè)計采用串聯(lián)校正方法，采用模擬PI(比例-積分)控制器G1(S)進行校正，如圖5 所示。

成比例的反應(yīng)輸入信號e(t)及其積分，即：

由式(2)觀察可得，PI控制器相當于在控制系統(tǒng)中增加了一個位于原點的開環(huán)極點，開環(huán)極點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)的階躍擾動穩(wěn)態(tài)誤差(對于線性放大電路，可視失調(diào)電壓和溫漂為階躍擾動)。同時PI控制器還增加了一個位于復平面中左半平面的開環(huán)零點，復實零點的增加可以提高系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，緩解由犧牲的動態(tài)性能換取穩(wěn)態(tài)性能對系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響。

放大電路的設(shè)計中采用有源模擬PI控制器，改進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。

3.3 相位補償

從工程角度考慮，由于干擾源的存在，會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生變化，導致系統(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。

由于實際電路中存在雜散電容，其中放大器反向輸入端的對地電容對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大的影響。如圖6所示，采用C5和C6補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，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有兩對相位補償引腳，通過外部的RC網(wǎng)絡(luò)對放大器內(nèi)部的零極點進行補償。通過PA78的數(shù)據(jù)表可知，PA78內(nèi)部的零極點位于高頻段。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補償網(wǎng)絡(luò)。

此外電路中C3的作用是防止輸出信號下降沿的振動引起的干擾;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，提高PA78的驅(qū)動能力。

將PI控制器的參數(shù)分別設(shè)置為KP=10、KI=0.02;超前校正補償電容分別為12 pF和220 pF;RC補償網(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100 kHz,從而保證了系統(tǒng)良好的動態(tài)特性，同時相角裕度γ>60°使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性(由于PZT的負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)。