一維壓電陶瓷微動臺的系統(tǒng)設(shè)計

陳玉芳，楊慶林

（1.河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校，河北滄州 061001；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100083）

一維壓電陶瓷微動臺的系統(tǒng)設(shè)計

陳玉芳1，楊慶林2

（1.河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校，河北滄州 061001；2.國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100083）

本文介紹了基于壓電陶瓷驅(qū)動器的一維壓電陶瓷微動臺，選取了一款合適的壓電陶瓷驅(qū)動器，并按其特性及微動平臺設(shè)計要求設(shè)計了驅(qū)動電源。其中驅(qū)動電源包括顯示部分、鍵盤部分、數(shù)字部分和模擬部分，實現(xiàn)了手動控制和單片機控制輸出電壓。對于模擬部分中采用的AD574進(jìn)行詳細(xì)的研究，并且給出AD574與一維壓電陶瓷微動臺的控制單片機的接口的程序。

微動臺；壓電陶瓷；AD574

微位移系統(tǒng)一般由微動工作臺、檢測裝置和控制系統(tǒng)三部分組成。微動工作臺（或稱為微位移機構(gòu)）是指行程小（一般小于毫米級）、靈敏度和精度高（0.1微米級、0.01微米級、納米級）的機構(gòu)，它是微位移系統(tǒng)的核心。微動工作臺主要由微位移器和導(dǎo)軌兩部分構(gòu)成。根據(jù)導(dǎo)軌形式和驅(qū)動方式的不同，可以把微動工作臺分成不同的類別。微位移器根據(jù)工作原理可以分為六大類，概括為：機械傳動、彈性變形、受熱變形、磁致伸縮、電磁型、壓電陶瓷。壓電陶瓷驅(qū)動的微位移機構(gòu)是利用某些晶體的逆壓電效應(yīng)來工作的。它的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，體積很小，無機械摩擦，無間隙，具有很高的位移分辨率。使用壓電或電致伸縮器件驅(qū)動，由于機電耦合效應(yīng)進(jìn)行的速度很快，來不及與外界熱交換，因此不存在發(fā)熱問題，同時沒有噪聲，適用于各種介質(zhì)環(huán)境工作，是一種理想的微位移器［1］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于壓電陶瓷驅(qū)動器的一維壓電陶瓷微動臺，所選壓電陶瓷驅(qū)動器工作電壓定為50～150 V，單片機控制時最小階梯電壓為0.3 V，手動可連續(xù)調(diào)節(jié)。壓電陶瓷驅(qū)動器的驅(qū)動電源是直流高壓電源，其位移精度與響應(yīng)頻率主要取決于電源的動態(tài)性能。近年來國內(nèi)對靜態(tài)壓電驅(qū)動電源的研制取得一定的進(jìn)展，靜態(tài)驅(qū)動電源的分辨率達(dá)到毫伏級，動態(tài)電源的研制也逐漸成為當(dāng)今研究熱點。在實際電路中，驅(qū)動器件近似看作容性負(fù)載，其響應(yīng)頻率與其等效電容值的大小有關(guān)。高機械性能的壓電驅(qū)動器（輸出位移和推力大）的電容值往往很大（微法級），這對驅(qū)動電源的動態(tài)性能和電源的穩(wěn)定性都提出了較高的要求［1］。驅(qū)動電源可以采用電壓放大電路，低壓控制端采用手動旋鈕控制（可連續(xù)輸出）和單片機控制D／A轉(zhuǎn)換器輸出控制低電壓兩種控制方式。由手動控制到單片機控制的轉(zhuǎn)換采用模擬開關(guān)，可以用單片機的I／O口線控制，方便可靠［2］。手動控制時采用A／D轉(zhuǎn)換器采集輸出電壓，由于輸出為高壓，必須進(jìn)行分壓。放大電路采用中功率三極管單管共射放大電路?；鶚O為低壓控制端，集電極輸出控制高壓。高壓直流電源直接由220 V交流電經(jīng)整流濾波得到。設(shè)計驅(qū)動電源總體方案如圖1所示。

圖1 壓電陶瓷驅(qū)動器驅(qū)動電源總體方案

系統(tǒng)主程序用于檢測系統(tǒng)是否正常，設(shè)置系統(tǒng)的初始狀態(tài)及等待鍵盤的命令。如圖2所示程序框圖。

A／D轉(zhuǎn)換器子程序包括設(shè)定控制A／D轉(zhuǎn)換器地址，設(shè)定采集總數(shù)，進(jìn)行中位濾波，采集電壓預(yù)處理，采集電壓值轉(zhuǎn)換為位移顯示值（其中含有十六進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制）和調(diào)用顯示子程序等部分組成。如圖3所示。

由于A／D轉(zhuǎn)換器采集電壓值有微小隨機性，可采用中位濾波法盡量減小誤差。所謂中位濾波，就是把所采集值按從大到?。ɑ驈男〉酱螅┡判?，然后取中間值。

A／D轉(zhuǎn)換器的作用就是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便于計算機進(jìn)行處理。根據(jù)它的原理可將其分成兩大類。一類是直接型A／D轉(zhuǎn)換器，另一類是間接型A／D轉(zhuǎn)換器。盡管A／D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但目前應(yīng)用廣泛的主要有以下幾種類型：逐次比較式轉(zhuǎn)換器、雙積分式轉(zhuǎn)換器、Σ－△式轉(zhuǎn)換器和V／F轉(zhuǎn)換器［3］。逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價格上都適中，是最常用的的A／D轉(zhuǎn)換器。雙積分A／D轉(zhuǎn)換器，具有精度高、抗干擾性好、價格低廉等優(yōu)點，但轉(zhuǎn)換速度慢，近年來在單片機應(yīng)用領(lǐng)域中也得到廣泛應(yīng)用。Σ－△式轉(zhuǎn)換器具有積分式和逐次比較式A／D轉(zhuǎn)換器的雙重優(yōu)點。而V／F轉(zhuǎn)換器適用與轉(zhuǎn)換速度要求不太高，須進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號傳輸?shù)腁／D轉(zhuǎn)換過程。AD574是12位逐次比較型轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時間為25μs，轉(zhuǎn)換精度為0.05%，由于芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與各種典型的8位或16位的微處理器相連，而無須附加邏輯接口電路，且能與CMOS及TTL兼容。AD574的電源電壓要有較好的穩(wěn)定性和較小的噪聲，噪聲大的電源會產(chǎn)生不穩(wěn)定的輸出代碼。在設(shè)計時，所有電源引腳都要用去耦電容。對＋5 V電源，去耦電容直接接在引腳1和15之間；并且引腳VCC和VEE要通過電容耦合到引腳9，合適的去耦電容是1個4.7μF的鉭電容再并聯(lián)1個0.1μF的陶瓷電容。

A／D轉(zhuǎn)換的工作程序如下：

2 微動臺機械設(shè)計

微動臺采用一維矩形導(dǎo)軌槽，滑塊，角錐棱鏡座及壓蓋，預(yù)緊彈簧，立柱，微動臺側(cè)蓋及上蓋等幾部分。值得注意的是一端側(cè)蓋應(yīng)該加一個預(yù)緊用螺栓，可以調(diào)節(jié)預(yù)緊力大小。

用于細(xì)調(diào)的一維壓電陶瓷微動平臺組裝簡要示意圖如圖4所示。

3 結(jié)論

設(shè)計得到的基于壓電陶瓷驅(qū)動器的一維壓電陶瓷微動臺驅(qū)動電源性能較好，該電源可以實現(xiàn)的功能：輸出穩(wěn)定的直流電壓50～150 V，對應(yīng)顯示00.00～17.00μm。有手動旋鈕控制和鍵盤控制兩種工作方式。其中手動旋鈕控制是利用電位器給出控制用的低壓信號，輸出無階梯變化，具有連續(xù)可調(diào)性的優(yōu)點。鍵盤控制分為送數(shù)控制和步進(jìn)控制兩種方式，送數(shù)控制可以輸入想得到00.00～17.00μm之間的位移值，最小輸入間隔為0.05μm，例如，可以輸入00.05，00.10，00.15，00.20，00.25，……，16.90，19.95，17.00。步進(jìn)控制是由步進(jìn)鍵控制，每次步進(jìn)0.1μm，即顯示每次增加0.10，輸出電壓每次增加0.6 V。長時間監(jiān)測輸出電壓，其波動小于±0.1 V。與壓電陶瓷驅(qū)動器相連后，在開機時達(dá)到50 V的零點電壓稍有延遲，之后與不加壓電陶瓷驅(qū)動器時基本相同，說明電源驅(qū)動能力較強，滿足設(shè)計要求。受市電的波動影響，有時零點電壓稍高于或稍低于50 V，通過監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)與此同時150 V處出現(xiàn)相同變化，又因為壓電陶瓷驅(qū)動器在這一范圍內(nèi)為線性較好的一段，故此種情況并不影響位移驅(qū)動。

［1］ 李慶祥，王東生，李玉和.現(xiàn)代精密儀器設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［2］ 尹德芹，顏國正，顏德田，等.壓電陶瓷動態(tài)應(yīng)用的新型驅(qū)動電源研究［J］.壓電與聲光，2004，4（2）：87－89.

［3］ 張毅剛，彭喜源，董繼成.單片機原理及應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2004：279－281.

［4］ 強錫富.傳感器［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2003：196－199，152－158.

System Design of One－dimensional Piezoelectric Ceramics Micro Machine

CHEN Yu－fang1，YANG Qing－lin2
（1.Hebei Engineering and Technical College，061001，Cangzhou，Hebei，China；2.Beijing Patent Examination Coorperation Center，The State Intellectual Property Office，100083，Beijing，China）

This paper introduces the one－dimensional piezoelectric ceramics micro machine based on piezoelectric ceramics drive micro units，chooses a suitable piezoelectric ceramics actuator，and designs the driving power according to its characteristics and micro platform.The driving power includes display，keyboard，digital and analog part，which realizes the manual control and single chip microcomputer control output voltage.For analog part，the detailed study of AD574 is adopted.And the interface program of AD574 and control microcomputer of one－dimensional piezoelectric ceramics micro machine is given.

micro machine；piezoelectric ceramics；AD574

姜久超）

TP273.5

A

1008－3782（2014）01－0030－03

2013－12－27

陳玉芳（1967－），女，河北泊頭人，河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校實驗師。