一種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

孫慶旭 朱興邦 李超 韓忠

摘? 要：簡(jiǎn)述了壓電陶瓷微位移器的驅(qū)動(dòng)原理，介紹了微位移器的性能和應(yīng)用情況;針對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可動(dòng)態(tài)應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)電源，并給出了詳細(xì)的電路原理圖。以MSP430和DRV2700為核心器件，以及相關(guān)電路構(gòu)成電壓控制型驅(qū)動(dòng)電源。介紹了主要模塊電路的功能和實(shí)現(xiàn)，并對(duì)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明該電源具有線性度高、分辨率高、輸出紋波小等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷;高壓驅(qū)動(dòng);DRV2700

中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）34-0004-04

Abstract： In this paper， the driving principle of piezoelectric ceramic micro displacement device is briefly introduced， and its performance and application are introduced. According to the characteristics of piezoelectric ceramic driving circuit， a dynamic driving power supply is designed， and the detailed circuit diagram is given. MSP430 and DRV2700 are the core devices， and the related circuits constitute the voltage controlled driving power supply. The function and Realization of the main module circuit are introduced， and the driving power supply is tested. The results show that the power supply has the advantages of high linearity， high resolution and small output ripple.

Keywords： piezoelectric ceramics; high voltage drive; DRV2700

引言

當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械壓力，當(dāng)外加電場(chǎng)撤去時(shí)，這些變形或應(yīng)力也隨之消失，這種對(duì)電介質(zhì)施加交變電場(chǎng)引起電介質(zhì)機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)[1]。壓電陶瓷微位移器即是利用此效應(yīng)制成的，具有分辨率高、體積小、響應(yīng)快、推力大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微位移輸出裝置、力發(fā)生裝置、機(jī)器人、沖擊電機(jī)、光學(xué)掃描等重要領(lǐng)域[2]。微位移定位要求壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源具有低紋波、高頻率響應(yīng)和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，因此驅(qū)動(dòng)電源的性能指標(biāo)直接影響微位移器的精密位移輸出。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源可分為電壓控制型和電荷控制型[3]，本文的設(shè)計(jì)屬于電壓控制型驅(qū)動(dòng)電路。設(shè)計(jì)目標(biāo)為驅(qū)動(dòng)電源可輸出（0～200）V連續(xù)可調(diào)電壓，靜態(tài)紋波小于20mV，分辨率小于30mV。

1 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路組成

如圖1所示，驅(qū)動(dòng)電路主要功能模塊由上位機(jī)，微處理器，D/A電路，濾波電路和壓電放大模塊組成。

上位機(jī)通過串口給微處理器發(fā)送指令，微處理器控制D/A電路輸出連續(xù)可調(diào)模擬電壓;D/A電路輸出的模擬電壓信號(hào)經(jīng)濾波處理后輸入壓電放大模塊，最終輸出符合要求的穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電壓。

2 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

2.1 微處理器

微處理器選用MSP430F5510IRGZ型單片機(jī)，MSP430系列單片機(jī)具有強(qiáng)大的處理能力、豐富的片上資源、超低的功耗、能夠運(yùn)行在工業(yè)級(jí)工作環(huán)境、性價(jià)比高等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到工業(yè)控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信、智能化儀器儀表、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域。MSP430通過MiniB型USB接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，USB接口電路如圖2所示，D+、D-、VBUS信號(hào)分別與MSP430的DP、DM、VBUS端口相連接。

2.2 壓電放大模塊

壓電放大模塊是驅(qū)動(dòng)電路的核心，本設(shè)計(jì)選用TI公司的單芯片壓電驅(qū)動(dòng)器DRV2700，電路結(jié)構(gòu)為Boost電路與OP放大器電路的結(jié)合[4]。TI公司的DRV2700是集成了105V升壓開關(guān)，功率二極管和全差分放大器的單片壓電式觸覺驅(qū)動(dòng)器，能驅(qū)動(dòng)高壓和低壓壓電負(fù)載，輸入信號(hào)可以是差分或單端，AC或DC耦合，支持GPIO控制增益：28.8dB、34.8dB、38.4dB、40.7dB。配置兩個(gè)外部電阻可以設(shè)置升壓電壓。升壓電流限值可通過R（REXT）電阻進(jìn)行編程。DRV2700器件的啟動(dòng)時(shí)間典型值為1.5ms，是一款理想的壓電驅(qū)動(dòng)器。以DRV2700為核心的壓電驅(qū)動(dòng)模塊如圖3所示。

EN為使能控制端口;GAIN0、GAIN1為增益控制端口，00、01、10 和11分別對(duì)應(yīng)28.8dB、34.8dB、38.4dB和40.7dB增益設(shè)置。以上數(shù)字控制端口直接與MSP430單片機(jī)IO端口連接。IN+端接收來自D/A電路的模擬電壓信號(hào)，采用單端連接。OUT+、OUT-為驅(qū)動(dòng)電壓輸出接口，直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載壓電陶瓷E1。

BST引腳的電壓由電阻R29、R34決定，計(jì)算公式如式（1）所示。

VBST=VFB（1+R29/R34） ????????????????（1）

上式中VFB為1.32V，按照要求VOUT=VOUT+-VOUT-=200V，則單端輸出的峰值電壓為100V，BST電壓要求比輸出峰值電壓最少大5V，則VBST取最大升壓電壓105V，根據(jù)TI手冊(cè)建議，R1、R2的總電阻值需大于500kΩ，則根據(jù)式（1）選擇電阻R29=806kΩ，R34=10.2kΩ。

對(duì)于電感L11，官方推薦的電感取值范圍為3.3uH到22uH。較高電感值的電感具有較低的飽和電流限制，較低電感值的電感具有較高的飽和電流限制。當(dāng)選擇較大的電感時(shí)，DRV2700升壓變換器自動(dòng)運(yùn)行在較低的開關(guān)頻率，產(chǎn)生較少的開關(guān)損耗。但電感值越大，ESR越高，增加了寄生電感損耗。所以當(dāng)需要提高升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電流時(shí)，較低的電感值是比較好的選擇。本設(shè)計(jì)選擇電感值為 4.7uH、飽和電流為 2.7A的電感。

REXT端口R35的選擇決定了Boost電路電流的大小，計(jì)算公式如式（2）所示。

RREXT=K*VREF/ILIM-RINT ???????????????（2）

其中，K=10500，VREF=1.35V，RINT=60Ω。對(duì)于本設(shè)計(jì)，電感的飽和電流為2.7A，選擇ILIM=2.4A，由式（2）計(jì)算可得R35選擇6.04kΩ電阻。

對(duì)于DRV2700外圍電路電容的選擇，C34、C35、C36均為電源濾波電容，電容越大輸出電壓紋波越小，一般取值0.1μF，需要注意的是C34作為Boost電路電容，Boost電路的電壓輸出最大為105V，官方推薦最小容值為50nF，本設(shè)計(jì)選擇耐壓值為250V，容值為0.1μF的瓷介質(zhì)電容器。C39為芯片內(nèi)部電荷泵的充電電容，PUMP引腳最大輸出 10V，此處選擇電容值為0.1μF。

2.3 D/A電路

根據(jù)設(shè)計(jì)要求VOUT=VOUT+-VOUT-=200V，則單端輸出的峰值電壓為100V，在滿足峰值電壓輸出的情況下，選擇小的增益有利于增大輸出電壓分辨率，故DRV2700增益在使用時(shí)選擇28.8dB增益，轉(zhuǎn)化成電壓放大倍數(shù)即為27.54倍，則IN+端輸入模擬信號(hào)電壓VIN最大值至少為

（100/27.54）V=3.63V ????????????????（3）

D/A參考電壓決定其輸出模擬電壓上限，本設(shè)計(jì)選用ADI公司ADR434基準(zhǔn)電壓源芯片，具有吸電流和源電流能力，超低噪聲，輸出參考電壓Vref=4.096V>3.63V，可滿足要求。DAC選用ADI公司的AD5662，具有16位分辨率，是一種單通道低功耗串行輸入緩沖電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，則輸出電壓分辨率為

VOUT/（216？鄢（VIN/Vref））=3.44mV ?????????（4）

完全可以滿足30mV分辨率的設(shè)計(jì)要求，D/A部分電路如圖4所示。

ADR434由15V電源供電直接輸出4.096V基準(zhǔn)電壓，經(jīng)濾波電容后輸入AD5662做為參考電壓，AD5662的SYNC引腳、SCLK引腳、DIN引腳分別與MSP430的STE、UCLK、SIMO端口相連接，MSP430通過串口SPI對(duì)AD5662進(jìn)行控制，AOUT引腳將轉(zhuǎn)換完成的模擬電壓信號(hào)輸出。

2.4 濾波電路

濾波電路可以使D/A輸出的模擬信號(hào)更加平滑并且可以濾除干擾信號(hào)。設(shè)計(jì)的四階巴特沃斯低通濾波器電路如圖5所示。該濾波電路截止頻率為

fc=1/（2πRC）=9.8kHz ????????????????（5）

3 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)驗(yàn)與分析

在實(shí)際測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，主要對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的輸出線性度及輸出電壓紋波進(jìn)行測(cè)量分析。本設(shè)計(jì)中，微處理器接收來自上位機(jī)的指令控制輸出電壓來驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷微位移器的位移，使用上位機(jī)設(shè)置輸出電壓值，之后使用電壓數(shù)字表進(jìn)行實(shí)際輸出電壓測(cè)量，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

將實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)輸入Excel軟件，繪制X-Y圖如圖6所示，線性擬合方程為

y=1.0027x-0.0283 ??????????????（6）

由式（6）可以看出，該驅(qū)動(dòng)電路具有良好的線性。

使用示波器進(jìn)行輸出電壓紋波測(cè)試，設(shè)置輸出驅(qū)動(dòng)電壓為200V，紋波測(cè)試如圖7所示，紋波電壓不超過20mV，可以滿足要求。

4 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一種基于壓電驅(qū)動(dòng)芯片DRV2700的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電路，并對(duì)各功能模塊的實(shí)現(xiàn)和功能進(jìn)行了論述，DRV2700的應(yīng)用簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，并提高了設(shè)計(jì)效率與可靠性。實(shí)驗(yàn)表明，該驅(qū)動(dòng)電路有著分辨率高、紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)采用壓電陶瓷進(jìn)行微小位移定位的應(yīng)用場(chǎng)合具有一定的借鑒意義。

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