高精度壓電陶瓷驅(qū)動電源的研制

佘玉成，張春熹，李慧鵬

（北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光學(xué)工程學(xué)院，北京100191)

高精度壓電陶瓷驅(qū)動電源的研制

佘玉成，張春熹，李慧鵬

（北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光學(xué)工程學(xué)院，北京100191)

為進(jìn)一步提高壓電陶瓷微位移系統(tǒng)的定位精度，設(shè)計了一種以PA93高壓運放器為核心的高精度、穩(wěn)定性好的大功率壓電陶瓷驅(qū)動電源。重點闡述了系統(tǒng)設(shè)計方案，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)和特性功能進(jìn)行了分析討論。實驗結(jié)果表明，該驅(qū)動電源具有精度高、輸出電流大、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好的特點。當(dāng)壓電陶瓷等效容性負(fù)載為3μF時，能在1KHz內(nèi)實現(xiàn)0V～10V到0V～100V的動態(tài)放大，電壓輸出精度可達(dá)0.1mV。

壓電陶瓷；驅(qū)動電源；高壓運放；大功率

0 引言

隨著精密工程領(lǐng)域的迅速發(fā)展，納米級定位技術(shù)已經(jīng)成為生物工程、精密機(jī)械制造、精密測量、精細(xì)加工、機(jī)器人等前沿科學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)［1］。而壓電陶瓷致動器（PZT)能夠提供納米級的位移輸出，并具有分辨率高、體積小、輸出力大、頻響高、發(fā)熱小和響應(yīng)速度快等優(yōu)點，幾乎成為納米定位技術(shù)的首選儀器，目前已廣泛應(yīng)用在光學(xué)工程、微電子工程、航空航天、精密機(jī)械制造等領(lǐng)域。然而壓電陶瓷致動器必須使用大功率的高壓直流驅(qū)動電源才能驅(qū)動，且其位移精度、響應(yīng)速度和頻響特性直接受驅(qū)動電源性能的影響［2］。因此，設(shè)計出大功率高精度的優(yōu)良壓電陶瓷驅(qū)動電源已成為目前壓電陶瓷應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)［3］。

1 驅(qū)動電源原理及技術(shù)要求

1．1 驅(qū)動電源原理

壓電陶瓷微位移驅(qū)動系統(tǒng)主要組成部分如圖1所示，主控制器控制信息轉(zhuǎn)換為有效的命令及數(shù)據(jù)信息，輸出有效的數(shù)字信號來驅(qū)動D／A轉(zhuǎn)換器，D／A轉(zhuǎn)換器把接收到的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，提供精密的電壓源來驅(qū)動線性放大電路，最后由線性放大電路對電壓源進(jìn)行放大并驅(qū)動PZT［4］。而線性放大電路是驅(qū)動電源的主要組成部分，因此驅(qū)動電源研制的關(guān)鍵技術(shù)就是線性放大電路部分的設(shè)計與實現(xiàn)［5?6］。

圖1 壓電陶瓷微位移驅(qū)動系統(tǒng)Fig．1 Piezoelectric micro displacement drive system

1．2 驅(qū)動電源技術(shù)要求

壓電陶瓷驅(qū)動電源具有以下特點：

1)能夠輸出連續(xù)可調(diào)的高壓直流電壓（0V～100V)；

2)PZT類似于容性負(fù)載，相應(yīng)速度取決于輸出電流大小，因此要求驅(qū)動電源能夠輸出足夠的瞬態(tài)驅(qū)動電流；

3)為了實現(xiàn)PZT納米級高分辨率，需要驅(qū)動電源具有良好的穩(wěn)定性，且波紋應(yīng)與定位精度呈現(xiàn)良好線性關(guān)系。

微位移驅(qū)動系統(tǒng)對驅(qū)動電源的指標(biāo)要求：

1)輸入控制電壓為0V～10V；

2)驅(qū)動電壓為0V～100V（連續(xù)可調(diào))；

3)頻率響應(yīng)為0Hz～1000Hz；

4)壓電陶瓷等效電容為3μF；

5)驅(qū)動電源電壓分辨率＜0.1mV。

2 線性放大電路分析

線性放大電路是壓電陶瓷驅(qū)動電源設(shè)計的關(guān)鍵。放大電路引入直流負(fù)反饋能穩(wěn)定靜態(tài)工作點，引入交流負(fù)反饋能改善放大電路的性能，使得電子放大電路中普遍應(yīng)用負(fù)反饋。在該電源中采用電壓串聯(lián)復(fù)合負(fù)反饋結(jié)構(gòu)［7］。

為了實現(xiàn)高精度線性放大和功率放大，采用兩級放大器?？紤]電壓的高精度線性放大，需要盡量減少整個放大電路的輸入失調(diào)電壓［8］。本文采用的是由兩級放大器組成的復(fù)合式負(fù)反饋放大電路，與常規(guī)兩級放大電路相比，能夠充分減少放大電路的輸入失調(diào)電壓。

2．1 常規(guī)兩級運放電路

常規(guī)兩級運放電路原理圖及整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 常規(guī)兩級運放電路Fig．2 Conventional two?stage op?amp circuit

在圖2中，X1和X2分別為運放OP1和OP2的輸入失調(diào)電壓，A1和A2分別為OP1、OP2的閉環(huán)增益，則有輸出電壓：

2．2 復(fù)合負(fù)反饋放大電路

復(fù)合負(fù)反饋放大電路原理圖及整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 復(fù)合負(fù)反饋放大電路Fig．3 Composite negative feedback amplifier circuit

可知整個放大電路的閉環(huán)增益為：

因為前級低壓精密運放的閉環(huán)增益A1遠(yuǎn)大于1，所以：

同時，復(fù)合負(fù)反饋放大電路輸出電壓為：

結(jié)合式（3)，且A1A2?1，最終可得：

通過式（1)與式（5)的比較可知，后者的輸入失調(diào)電壓僅為前者的1／A1。因此，復(fù)合負(fù)反饋放大電路的總輸入失調(diào)電壓主要由前級運放的輸入失調(diào)電壓決定，故采用負(fù)反饋放大電路設(shè)計方案能有效降低整個線性放大電路的輸入失調(diào)電壓。

前級采用低壓精密運放器，以獲得較小的輸入失調(diào)電壓和較高帶寬，后級采用PA93大功率運放，以獲得較高輸出電壓和持續(xù)輸出的高電流。PA93的輸入失調(diào)電壓為2mV，前級的低壓精密運放的輸入失調(diào)電壓必須遠(yuǎn)小于2mV，才能降低整個放大電路的失調(diào)電壓。TI公司出產(chǎn)的ADA4638?1精密放大器是零漂移、軌至軌輸出的精密放大器，最大輸入失調(diào)電壓僅為4μV，供電電壓為±15V。選擇它作為前級放大器，可有效降低輸入失調(diào)電壓，提高控制精度。驅(qū)動電源電路圖如圖4所示，選用放大器ADA4638?1和PA93組成復(fù)合放大電路。

圖4 驅(qū)動電源電路原理圖Fig．4 Schematic diagram of drive power supply circuit

3 驅(qū)動電源電路設(shè)計與分析

3．1 增益設(shè)置

復(fù)合負(fù)反饋放大電路總增益是10倍，增益大小由RJ1、RJ2、RJ3、RJ4共同決定，即1＋RJ4／RJ1＝10，得復(fù)合負(fù)反饋放大電路總增益為10倍。同時使1＋RJ3／RJ2＝10，使得后級PA93的閉環(huán)放大增益為10倍。同時，RJ1、RJ2、RJ3、RJ4應(yīng)選用精度為0.01％的高精密薄膜電阻，耐壓值為300V。

3．2 電流限制

為保證放大器PA93工作在安全區(qū)內(nèi)，必須對輸出電流加電阻限制，以防止輸出功率過大而燒壞芯片。如圖4中R3為限流電阻，可以通過調(diào)節(jié)該值把最大輸出電流控制在某一個特定值以下，最大輸出電流ILIM和限流電阻滿足以下近似關(guān)系：R3＝0.65／ILIM。本設(shè)計電路的最大輸出電流通過計算可得，并且限流電阻功率必須高達(dá)1W的高精度可靠電阻。

3．3 輸入輸出保護(hù)電路

壓電陶瓷為容性負(fù)載，在受控產(chǎn)生機(jī)械變形后，容性負(fù)載儲存的電荷會產(chǎn)生高壓，若直接作用于運放芯片，可能造成芯片損壞，因此必須考慮加入輸入輸出保護(hù)電路。如圖4所示，在運放器輸出端反向接兩個快速恢復(fù)二極管（DBF)，其方向耐壓值必須達(dá)到電源電壓的2倍，本文采用MUR160使瞬態(tài)高壓信號通過DBF從電源旁路流向大地，從而保護(hù)芯片的輸出端。同時在電源旁路正極接一個瞬態(tài)抑制二極管（TVS)，其方向電壓必須大于放大器正常工作峰值電壓，本文采用TVS管P6KE180，防止從DFB流經(jīng)電源旁路的瞬態(tài)高壓信號對電源造成損壞。

3．4 相位補償

當(dāng)集成運放電路的開環(huán)增益為一定值時，由于相移過大，電路會產(chǎn)生高端提升以及振蕩現(xiàn)象。為了克服這些現(xiàn)象，應(yīng)對集成運放電路進(jìn)行相位補償。集成運放的相位補償可通過補償引線端，輸入端和輸出引線端外接RC補償元件，構(gòu)成相位補償網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)相位補償。相位補償不僅提高放大電路的穩(wěn)定性，而且還能使帶寬擴(kuò)展。PA93芯片本身自帶外部相位補償功能，綜合增益匹配等設(shè)計要求，可選擇相位補償電阻電容值分別為Rc＝0，Cc＝47pF。同時，補償電容的耐壓值必須達(dá)到放大器的全部工作電壓。

4 實驗結(jié)果分析

為了測試本設(shè)計的準(zhǔn)確性，在PZT容性負(fù)載為3μF、輸入信號為1KHz的情況下進(jìn)行測試，先讓驅(qū)動電源預(yù)熱30min，再用計算機(jī)在1KHz的頻率下給出0V、1V、2V、…、10V的電壓輸出指令，最后利用高精度電壓表對0、1、…、10等離散點附近來回各取10個點，共測得100個數(shù)據(jù)，并對這100個數(shù)值與理論輸出電壓值進(jìn)行誤差分析，對比誤差大小，如圖5所示。同時，利用數(shù)字存儲式示波器觀測輸入輸出波形，輸入為1KHz／5V的方波信號，輸出為1KHz／50V的方波信號，通過多次測試可得驅(qū)動電源的基本性能參數(shù)，如表1所示。

圖5 實驗誤差結(jié)果圖Fig．5 Results of the experimental error

表1 驅(qū)動電源基本性能參數(shù)Table 1 The basic performance parameters of the driving power

通過圖5可知，在1KHz的輸出電壓0V～100V內(nèi)，幾乎所有誤差都控制在0.1mV以內(nèi)，能夠滿足微位移系統(tǒng)0.1mV的輸出電壓精度；由前文可知驅(qū)動電源的響應(yīng)速度取決于輸出電流的大小，而本設(shè)計的持續(xù)輸出電流高達(dá)1.88A，輸入輸出相位誤差在2°以內(nèi)，具有輸出電流大、響應(yīng)速度快的優(yōu)點，達(dá)到了設(shè)計指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

壓電陶瓷驅(qū)動控制技術(shù)目前已經(jīng)成為微位移應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文針對壓電陶瓷微位移系統(tǒng)的驅(qū)動電壓進(jìn)行了分析討論，通過采用精密運放ADA4638?1和大功率運放器PA93組成的復(fù)合負(fù)反饋放大電路，設(shè)計了一種基于PA93的高精度壓電陶瓷驅(qū)動電源，同時通過針對各種反饋網(wǎng)絡(luò)、補償環(huán)節(jié)和保護(hù)電路的優(yōu)化設(shè)計，使其具有良好的動態(tài)特性和較高的輸出電壓和輸出電流，穩(wěn)定性好，線性度好，輸出電壓紋波小，精度能滿足0.1mV要求，完全滿足了高精度和優(yōu)良穩(wěn)定性的設(shè)計要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］楊雪鋒，李威，王禹橋.壓電陶瓷驅(qū)動電源的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008，24（11)：109?111. YANG Xue?feng，LI Wei，WANG Yu?qiao.Present situa?tion and development of power supply for piezoelectric and actuator［J］.Instrument Technique and Sensor，2008，24（11)：109?111.

［2］張會連，胡文霞.一種高輸出電壓的壓電陶瓷驅(qū)動電源的研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2011（12)：2. ZHANG Hui?lian，HU Wen?xia.Research of power supply for piezoelectric actuator［J］.Science and Technology In?novation Herald，2011（12)：2.

［3］張振鵬，張劍，趙洪，等.基于PA78的快速響應(yīng)壓電陶瓷驅(qū)動電源的研制［J］.壓電與聲光，2007，29（4)：420?422. ZHANG Zhen?peng，ZHANG Jian，ZHAO Hong，et al. Development of a PZT power supply with quick response based on PA78［J］.Piezoelectrics＆Acoustooptics，2007，29（4)：420?422.

［4］李福良.基于PA85的新型壓電陶瓷驅(qū)動電源［J］.壓電與聲光，2005，27（4)：392?394. LI Fu?liang.A new power supply for piezoelectric ceramic based on PA85［J］.Piezoelectrics＆Acoustooptics，2005，27（4)：392?394.

［5］Sun J.Principle and experimental study of human energy harvesting through piezoelectric ceramic［J］.Energy，2012（2)：8.

［6］Lin K R，Chang C H，Chiang C H，et al.Re?poling process for piezoelectric?based multilayer ceramic capacitors force sensor［J］.Applied Physics Letters，2013，102（14)：142904?142904?4.

［7］朱曉錦，曹浩，陸美玉，等.基于PA95功放芯片的壓電功率放大器開發(fā)［J］.壓電與聲光，2008，30（5)：561?563. ZHU Xiao?jin，CAO Hao，LU Mei?yu，et al.Development of piezoelectric power amplifier based on PA95 chip［J］. Piezoelectrics＆Acoustooptics，2008，30（5)：561?563.

［8］徐源，李蓓智，張家梁.基于壓電陶瓷的精密進(jìn)給系統(tǒng)的應(yīng)用研究［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2008（9)：124?126. XU Yuan，LI Bei?zhi，ZHANG Jia?liang.Research of pre?cision feeding system based on piezo?electric actuator［J］. Machinery Design＆Manufacture，2008（9)：124?126.

The Development of the High Precision Piezoelectric Ceramic Driving Power Supply

SHE Yu?cheng，ZHANG Chun?xi，LI Hui?peng
（Science and Optical Engineering College，Beijing university of aeronautics and astronautics，Beijing 100191)

To improve the location accuracy of piezoelectric micro displacement system，a high precision，good stability and high?power piezoelectric ceramic driving power supply is designed with a core of high?voltage operational amplifier PA93.The system design scheme is expounded，and the key technology and characteristics of the function is discussed.The experimental re?sults show that the driving power source has many advantages，such as high accuracy，high output current，quick response speed and good stability and so on.When the equivalent capacitive load of the piezoelectric ceramic is 3μF，it can achieve 0V～10V to dynamic amplification of 0V～100V within 1 KHz.Moreover，the voltage output accuracy can reach 0.1 mV.

piezoelectric ceramic;drive power;high pressure op?amp;high power

TN722.1

A

1674?5558（2017)03?01272

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.01.013

佘玉成，男，碩士，儀器科學(xué)與光學(xué)工程專業(yè)，研究方向為精密科學(xué)儀器、高精度壓電陶瓷微位移閉環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動技術(shù)。

2016?04?27

國家重大儀器設(shè)備開發(fā)專項（編號：2013YQ040877)