一種壓電陶瓷微位移器驅(qū)動電源研究

朱　婷

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢　430070)

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一種壓電陶瓷微位移器驅(qū)動電源研究

朱婷

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,湖北 武漢430070)

摘要在研究壓電陶瓷微位移器的基礎(chǔ)上,針對壓電陶瓷的驅(qū)動特點和要求,設(shè)計了一種驅(qū)動電源。以單片機(jī)Atmega128和高壓運(yùn)算放大器PA78為核心器件,以及相關(guān)電路構(gòu)成電壓控制型驅(qū)動電源。介紹了主要模塊電路的功能和實現(xiàn),并對驅(qū)動電源進(jìn)行測試實驗。驅(qū)動電源可輸出0～300 V連續(xù)電壓,分辨率可達(dá)10 mV、靜態(tài)紋波<5 mV。結(jié)果表明該電源具有線性度高、穩(wěn)定性好、分辨率高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞壓電陶瓷微位移器;驅(qū)動電源;AVR;高壓驅(qū)動

壓電陶瓷是一種具有壓電特性的電子陶瓷材料,利用其逆壓電效應(yīng)可被做成微位移器。由于其體積小、推力大、響應(yīng)快、分辨率高等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于精密測量、納米技術(shù)、機(jī)器人、微電子等領(lǐng)域[1-4]。壓電陶瓷微位移器的有效工作離不開性能優(yōu)良的驅(qū)動電源,因此需要研究設(shè)計具有良好性能的驅(qū)動電源;壓電陶瓷微位移器的驅(qū)動方式可分為電流控制型和電壓控制型[5-6],各驅(qū)動方式有其各自的優(yōu)點和應(yīng)用。本文設(shè)計的驅(qū)動電源基于電壓控制型,對輸出電壓要求為:0～300 V連續(xù)可調(diào),分辨率<10 mV,靜態(tài)紋波<5 mV。

1壓電陶瓷微位移器驅(qū)動電源的組成

驅(qū)動電源總體框圖如1圖所示。主要由計算機(jī)、微處理器控制電路、D/A模塊、濾波電路、放大電路和直流穩(wěn)壓電源模塊組成。

圖1　驅(qū)動電源總體框圖

計算機(jī)通過串口與微處理器通信,對其發(fā)出指令電壓;微處理器接收計算機(jī)的指令并控制D/A模塊實現(xiàn)0～5 V連續(xù)可調(diào)電壓輸出;D/A模塊輸出的電壓經(jīng)濾波、放大等處理,輸出計算機(jī)要求的穩(wěn)定電壓;直流穩(wěn)壓模塊給各模塊電路提供所需電源電壓。

2壓電陶瓷微位移器驅(qū)動電源模塊設(shè)計

2.1微處理器模塊

微處理器選擇Atmega128,它是一款高性能、低功耗的AVR8位微處理器;具有先進(jìn)的RISC指令結(jié)構(gòu),工作電壓為4.5～5.5 V,工作于16 MHz時性能高達(dá)16 MIps。在驅(qū)動電源中,Atmega128通過串行口USART0與計算機(jī)通信,其與計算機(jī)通信電路如圖2所示。

圖2　Atmega128與計算機(jī)串口通信電路

2.2D/A模塊

D/A模塊輸出vOUT為0～5 V,電源輸出vout為0～300 V,則放大倍數(shù)為

a=vout/vOUT=60

(1)

要求輸出電壓分辨率<10 mV,有

VREF×A×1/2N<10 mV

(2)

(3)

式中,VREF為D/a參考電壓,N為D/a分辨率。當(dāng)VREF=5 v時,有

(4)

選用ADI公司的16位分辨率、單通道、低功耗、串行輸入、緩沖電壓輸出型D/a轉(zhuǎn)換芯片AD5662。AD5662與Atmega128間的電路如圖3所示。

圖3　AD5662與Atmega128連接電路

AD5662的vREF引腳經(jīng)濾波電容接+5 V參考電壓;SYNC引腳、SCLK引腳、DIN引腳分別與Atmega128的MISO、SCK0、MOSI相連接,Atmega128采用SPI通信方式對AD5662進(jìn)行控制,vOUT引腳將轉(zhuǎn)換完成的模擬信號輸出。

2.3濾波電路

D/A轉(zhuǎn)換器輸出信號不是理想的連續(xù)可變,而是階梯的模擬信號并伴有干擾信號。因此,設(shè)計了四階巴特沃斯低通濾波器[7],其電路圖如圖4所示。該濾波電路-3 dB頻率為1.749 kHz,在1 kHz有效頻帶內(nèi)不衰減,增益為1。

圖4　四階低通巴特沃斯濾波電路

2.4放大電路

放大電路以高壓集成運(yùn)放PA78為放大核心,其集運(yùn)算放大器、功率放大電路、保護(hù)電路于一體,可應(yīng)用于壓電定位和驅(qū)動、靜電偏轉(zhuǎn)、可變形鏡驅(qū)動器、化學(xué)和生物探針等。PA78典型輸入失調(diào)電壓為8 mV,對于放大倍數(shù)為60,不能達(dá)到10 mV以下分辨率。為使分辨率滿足要求,在運(yùn)放前加一級輸入失調(diào)電壓較小的運(yùn)放,組成復(fù)合放大電路,這樣輸入失調(diào)電壓由前置運(yùn)放決定[8]。AD8677是新一代精密、超低失調(diào)放大器,具有低功耗、低輸入偏置電流及高共模抑制比/電源抑制比特性。AD8677最大輸入失調(diào)電壓為130 μV,則

130 μV×60=7.8 mV<10 mV

(5)

滿足分辨率要求。由AD8677和PA78組成的復(fù)合放大電路如圖5所示。

圖5　AD8677和PA78組成的復(fù)合放大電路

該復(fù)合放大電路提供的放大倍數(shù)為

(6)

在PA78輸出端與正、負(fù)電源間連接快速恢復(fù)性二極管MUR160,可以起到保護(hù)PA78的作用[9],避免因壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電能進(jìn)入PA78的輸出端,可能對運(yùn)放造成的破壞性影響,對于壓電陶瓷其他應(yīng)用也應(yīng)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。對于驅(qū)動電源,壓電陶瓷相當(dāng)于容性負(fù)載,其電流相位相對電壓相位超前90°;當(dāng)放大電路開環(huán)增益為一個定值時,因相移過大而引起相位裕度減小時,電路就會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象,應(yīng)對集成運(yùn)算放大器進(jìn)行相位補(bǔ)償[10]。在PA78的引腳RC+、CC+和RC-、CC-間外接電阻、電容即可組成正、負(fù)相位補(bǔ)償電路。PA78的Ⅱ腳接5.6 Ω限流電阻,將輸出電流限制在125 mA。

3壓電陶瓷微位移器驅(qū)動電源實驗

3.1驅(qū)動電源線性度測試

電壓控制型驅(qū)動電源通過控制輸入電壓來控制壓電陶瓷微位移器的振動及位移,對驅(qū)動電源線性度的測試尤為重要。計算機(jī)通過串口在0～300 v,每100 v范圍內(nèi)各發(fā)送10個指令電壓,Atmega128接收指令并將該指令電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)二進(jìn)制代碼輸出給D/a模塊。采用萬用表測量電源輸出電壓,測得的實際電壓值與理論電壓值如表1所示。

表1　實測電壓與理論電壓表

應(yīng)用Excel軟件,將測得的數(shù)據(jù)線性擬合如圖6所示,測得的電壓值經(jīng)線性擬合的擬合曲線方程為

y=1.000 3x-0.172 8

(7)

驅(qū)動電源具有較好的線性度。

圖6　實測電壓與理論電壓線性擬合圖

在0～300 V內(nèi)任選8個電壓輸出,10次測得平均值及誤差如表2所示。測試結(jié)果表明驅(qū)動電源穩(wěn)定性好。

表2　電源多次輸出電壓測得結(jié)果

3.2驅(qū)動電源紋波測試

在驅(qū)動電源的紋波測試中,應(yīng)以正確的方法測量[11]。計算機(jī)分別發(fā)送10 V、70 V、150 V、220 V和300 V指令電壓,用示波器進(jìn)行紋波測試,結(jié)果如表3所示。

表3　驅(qū)動電源紋波測試結(jié)果

4結(jié)束語

設(shè)計了一種壓電陶瓷微位移器驅(qū)動電源,論述了各模塊功能和電路實現(xiàn)。由實驗數(shù)據(jù)分析可知驅(qū)動電源可輸出0～300 V連續(xù)可調(diào)驅(qū)動電壓,驅(qū)動電源線性度好、穩(wěn)定性高、輸出紋波小、分辨率高,達(dá)到了設(shè)計要求。

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Study of a Piezoelectric Ceramic Micro-displacement Driving Power Supply

ZHU Ting

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

AbstractBased on the research of piezoelectric ceramic micro-displacement,a driving power supply is designed according to the driving characteristics and requirements of piezoelectric ceramic.The single chip microcomputer Atmega128 and high voltage operational amplifier PA78 are used as the core components with relevant circuits as the voltage control type driving power supply.The functions and realization of the main module circuits are introduced,and the driving power supply is tested.The driving power supply can output continuous voltage ranging from 0 V to 300 V with a resolution up to 10 mV a static ripple less than 5 mV,showing that the power supply has the advantages of good linearity,stability,and resolution.

Keywordspiezoelectric ceramic micro-displacement;driving power supply;AVR;high voltage driver

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.004

收稿日期:2015-10-13

作者簡介:朱婷(1992—),女,碩士研究生。研究方向:計算機(jī)測控技。

中圖分類號TN86

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)05-013-04