一種粘滑式直線壓電驅(qū)動器控制電路設計

王 崢，盧今偉，張雪菲，修吉宏

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春 130000）

0 引言

粘滑式直線壓電驅(qū)動器由于其結構簡單、分辨力高、行程大的特點，在精密加工領域有極大的應用價值[1]。粘滑式直線壓電驅(qū)動器通常由動子、驅(qū)動足和壓電陶瓷堆疊組成[2]。驅(qū)動器工作時，驅(qū)動足和動子之間進行“粘-滑”運動，在“粘”運動階段驅(qū)動足緩慢運動，利用驅(qū)動足和動子之間的靜摩擦力驅(qū)動動子緩慢向前移動一段較長位移[3]；在“滑”運動階段，驅(qū)動足迅速回撤，驅(qū)動足和動子之間產(chǎn)生相對滑動，由于動摩擦力的作用動子回撤一段較小位移[4]。這樣不斷地重復“粘-滑”運動，動子就可以累積形成長行程的有效輸出[5]。粘滑式壓電驅(qū)動器的驅(qū)動足由壓電陶瓷疊堆提供驅(qū)動力，壓電陶瓷疊堆采用鋸齒波作為激勵信號，即電壓緩慢升高然后快速降低，或者電壓快速升高然后緩慢降低[6]。通過改變鋸齒波上升時間占比可以控制動子實現(xiàn)正反兩個方向的直線運動，通過改變鋸齒波頻率可以控制動子的運動速度[7]。

國內(nèi)外對粘滑式直線壓電驅(qū)動器的控制電路做了大量的研究。劉生輝[8]使用微控制器中的數(shù)模轉換模塊產(chǎn)生控制信號，經(jīng)放大電路放大后輸出頻率可調(diào)、幅值可調(diào)、信號周期數(shù)可調(diào)，方向可調(diào)的穩(wěn)定鋸齒波信號。張彬瑞[9]壓電陶瓷的運動控制指令由嵌入式工業(yè)控制板產(chǎn)生，通過D∕A 板卡轉變?yōu)槟M信號，經(jīng)過功率放大電路轉換為壓電疊堆的激勵電壓。高琪[10]使用信號發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波信號，通過功率放大器將輸入信號放大到適當?shù)闹担糯蟮男盘栻?qū)動壓電陶瓷產(chǎn)生一個連續(xù)的運動。邵明坤[11]使用信號發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定周期的鋸齒波波形，該信號進過壓電控制器進行功率放大，控制粘滑式慣性壓電驅(qū)動器運動。徐斯強[12]使用實時控制系統(tǒng)dSPACE-1103 發(fā)出控制指令，使用DA 模塊將上位機產(chǎn)生的控制電壓傳給電壓放大器進行放大，然后驅(qū)動粘滑式壓電驅(qū)動器驅(qū)動平臺步進式運動。

上述文獻中的粘滑式直線式壓電驅(qū)動器控制電路雖然都可以實現(xiàn)壓電驅(qū)動器的運動控制，但是上述電路都只考慮了實驗室中的使用情形，沒有考慮到實際應用環(huán)境中的復雜環(huán)境，對信號隔離、軟件穩(wěn)定性和是否易于多路集成等問題研究較少。本文設計的粘滑式直線壓電驅(qū)動器控制電路有以下優(yōu)點：首先，本文設計的電路使用了光耦隔離電路對模擬信號和數(shù)字信號進行了隔離，以避免模擬信號干擾數(shù)字信號；其次，本文使用數(shù)字邏輯芯片代替微控制器，增強了壓電驅(qū)動器控制電路的穩(wěn)定性、實時性；最后，本文設計的壓電驅(qū)動器控制電路只需要輸入時鐘信號、方向信號和使能信號3 個信號就可以對粘滑式直線壓電驅(qū)動器進行控制，所需控制信號少，易于多路集成。

1 系統(tǒng)總體設計

本文設計的粘滑式直線壓電驅(qū)動器控制電路的總體框圖如圖1所示，主要包括信號輸入、增減計數(shù)器電路、光耦隔離電路、數(shù)模轉換電路、差分放大電路、功率放大電路、信號輸出。其中輸入信號包括方向信號、時鐘信號和使能信號。增減計數(shù)器電路接收信號輸入，在時鐘信號的上升沿進行計數(shù)，并將計數(shù)值生成四位二進制編碼信號，經(jīng)光耦隔離電路輸出給數(shù)模轉換電路；數(shù)模轉換電路將四位二進制編碼信號轉換為相應的模擬電壓信號，經(jīng)差分放大電路減少噪聲，功率放大電路進行功率放大后輸出鋸齒波給壓電驅(qū)動器。

圖1 控制電路總體框圖

2 硬件設計

2.1 增減計數(shù)器電路

在粘滑式直線壓電驅(qū)動器控制電路的設計中，目前較為通用的方案是使用微控制器控制數(shù)模轉換芯片周期性的輸出電壓，形成離散的等效鋸齒波。微控制器在每個控制周期對輸出數(shù)值累加或累減，以控制數(shù)模轉換芯片輸出鋸齒波。對于這種固定周期的增減計數(shù)功能，使用增減計數(shù)器芯片代替控制器可以免去程序編寫，在提高電路穩(wěn)定性的同時降低成本。本文的增減計數(shù)器芯片選用四位二進制增減計數(shù)器SN74HC191，具體硬件電路如圖2 所示。A、B、C、D 引腳是置數(shù)引腳，D∕U 為計數(shù)方向控制引腳，EN 為使能引腳，LOAD 為控制置數(shù)引腳，CLK 為時鐘引腳，QD、QC、QB、QA 為輸出引腳。A、B、C、D 和D∕U 相連，并與信號輸入中的方向信號DIR 相連；EN 引腳經(jīng)過非門F1和LOAD 相連，并與信號輸入中的使能信號EN相連；CLK引腳與信號輸入中的時鐘信號CLK相連。

圖2 增減計數(shù)器電路

2.2 光耦隔離電路

光耦是光電耦合器的簡稱，它是以光為媒介來傳輸電信號的器件。光耦主要由發(fā)光組件和光敏器件組成，當光耦輸入端有電信號時，發(fā)光組件將電信號轉化為光信號，光敏器件接收光信號，并將光信號還原為電信號，至此光耦實現(xiàn)了“電-光-電”之間的信號轉換。光耦隔離可以實現(xiàn)信號的單向傳輸，使輸入端和輸出端之間電氣隔離，避免輸出信號對輸入端產(chǎn)生影響，使電路的抗干擾能力強，工作穩(wěn)定。

本文的光耦芯片選用HCPL-6651 高速光耦，其最高傳輸速率10 Mb∕s，具體電路設計如圖3所示。

圖3 光耦隔離電路

由光耦的數(shù)據(jù)手冊可知光耦高電平輸入電流典型值為10 mA，光耦的輸入端使用數(shù)字5 V 作為高電平電壓，因此光耦輸入端串聯(lián)500 Ω電阻。輸出端使用模擬5 V作為驅(qū)動電壓，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊選用500 Ω 上拉電阻，50 pF濾波電容，使光耦達到最好的使用狀態(tài)。四位二進制增減計數(shù)器的輸出信號QA、QB、QC、QD經(jīng)過光耦隔離電路后，轉換為QA_A、QB_A、QC_A、QD_A，并將轉換后的信號輸出給數(shù)模轉換電路。

2.3 數(shù)模轉換電路

數(shù)模轉換器（DAC）是一種將數(shù)字量編碼值轉換為相應模擬量的器件。本文所涉及的數(shù)模轉化電路的作用是將四位二進制增減計數(shù)器的編碼值轉換為模擬量，以形成鋸齒波輸出。由于本文的設計中使用四位二進制增減計數(shù)器來產(chǎn)生DAC的控制編碼值，因此DAC芯片的選型應該選用并口編碼型DAC。本文選用AD9764 作為數(shù)模轉換電路的DAC 芯片。AD9764 是一款高性能、低功耗、電流輸出型的14位精度DAC，標稱滿量程輸出電流為20 mA。它提供差分電流輸出，兩路電流輸出之間匹配可確保在差分輸出配置中獲得更強的動態(tài)性能。

本文所設計的數(shù)模轉換電路如圖4 所示，增減計數(shù)器電路經(jīng)過光耦隔離后的四位二進制編碼信號QA_A、QB_A、QC_A、QD_A 分 別連接 至DAC 芯片的DB10、DB11、DB12、DB13引腳，DAC 芯片的DB0～DB9引腳接地。信號輸入中的時鐘信號CLK 經(jīng)過光耦隔離，再經(jīng)過非門電路F2 后連接至DAC 的CLK 引腳；其余部分均按照AD9763數(shù)據(jù)手冊中的典型應用方式進行設計。

圖4 模數(shù)轉換電路

DA輸出電壓的相關計算公式如下：

式中：IREF為滿輸出參考電流；VREFIO為DAC的參考電壓，本文中使用DAC 內(nèi)部的參考電壓1.2 V；RSET為滿輸出電流調(diào)節(jié)電阻，本文選用2 kΩ電阻。

本文設計的數(shù)模轉換電路的IREF=0.6 mA。

滿輸出電流的計算公式為：

式中：IOUTFS為滿輸出電流；IREF為式（1）中得到的滿輸出參考電流。本文設計的數(shù)模轉換電路的滿輸出電流為19.2 mA。

DAC的OUTA和OUTB端口輸出的電流值計算公式為：

式中：IOUTA為OUTA 輸出的電流；IOUTB為OUTB 輸出的電流；NCODE為DAC 的數(shù)據(jù)輸入端口DB0～DB13 的二進制編碼值轉化為十進制后的數(shù)值；IOUTFS為式（2）所得的滿輸出電流值。

本文設計的數(shù)模轉換電路的數(shù)據(jù)輸入端口只使用了DB10～DB13，DB0～DB9 接地。因此NCODE值的范圍為0～15 360，IOUTA的輸出電流范圍為0～18 mA，IOUTB的電流輸出范圍為1.2～19.2 mA

DAC的輸出電壓計算式為：

式中：VOUTA為OUTA 輸出電壓；VOUTB為OUTB 輸出電壓；IOUTA、IOUTB為式（3）所得的OUTA、OUTB 輸出電流；RLOAD為負載電阻，本文選用25 Ω負載電阻；本文設計的數(shù)模轉換電路的VOUTA電壓值范圍為0～0.45 V，VOUTB的電壓值范圍為0.03～0.48 V。

DAC的OUTA和OUTB的差分電壓計算為：

式中：VDIFF為DAC 的差輸出電壓；VOUTA、VOUTB為式（4）中得到OUTA、OUTB 的輸出電壓。本文設計的數(shù)模轉化電路最終輸出差分電壓VDIFF范圍為-0.48～+0.42 V。

2.4 差分放大電路

差分放大器的主要作用是對模數(shù)轉換電路輸出的差分電壓進行差分運算，以抑制模數(shù)轉換電路的共模噪聲，使電路的抗干擾能力增強；同時將模數(shù)轉換電路輸出的電壓值進行前級放大，為后續(xù)進行功率放大做準備。差分放大電路的運算放大器選用OPA227，使用±5 V 供電。由2.3節(jié)可知，本文設計的模數(shù)轉換電路輸出的差分電壓范圍為-0.48～+0.42 V，因此差分放大電路將模數(shù)轉換電路的差分輸出電壓放大8 倍，最終差分放大電路的輸出電壓范圍為-3.84～+3.36 V。

典型的差分放大電路如圖5 所示，其中U1、U2為輸入信號，Uo為輸出信號，R1、R2為輸入電阻，Rf為反饋電阻，R3為平衡電阻。差分放大電路的基本公式為：

圖5 典型差分放大器電路

實際應用中一般取R1=R2，R3=Rf。

式（6）可簡化為：

本文設計的差分放大電路如圖6 所示，其中DA_OUTA 和DA_OUTB 為數(shù)模轉換電路輸出的差分電壓，DA_OUT為差分放大電路輸出的差分放大后的電壓。輸入電阻R13、R14選用250 Ω 電阻，反饋電阻R16選用2 kΩ 電 阻，平 衡 電 阻R15選 用2 kΩ 電 阻。N1選 用OPA227，使用±5 V 供電。最終差分放大電路將模數(shù)轉換電路輸出的差分電壓放大8 倍，輸出電壓范圍為-3.84～+3.36 V。

圖6 差分放大電路

2.5 功率放大電路

功率放大電路的主要作用是對前級差分放大電路輸出的電壓進行功率放大，以使驅(qū)動電路的輸出電壓符合壓電驅(qū)動器的電壓和功率要求。本文選用的粘滑式直線壓電驅(qū)動器的電壓耐受范圍為0～+28 V，無法耐受負電壓，而差分放大電路輸出電壓值范圍為-3.84～+3.36 V，因此需要搭建加法放大器電路使功率放大電路輸出電壓范圍在0～+28 V范圍。

典型同向加法放大器如圖7 所示，其中R1、Rf構成反饋回路；R2、R3為輸入電阻，應用時一般取R2=R3；U1、U2為輸入信號，Uo為輸出信號。同向加法放大器的基本公式為：

圖7 典型加法放大器電路

本文設計的功率放大電路如圖8所示。其中運算放大器N2選用OPA548。OPA548 是一款高電壓、大電流功率運算放大器，可以在單電源+8～+60 V或雙電源±4～±30 V下工作，輸出電流可達到3 A 以上，本文設計的功率放大電路采用+28 V 單電源供電；R20、R21構成分壓電路，R20選取阻值為1.16 kΩ，R21選取阻值為3.84 kΩ，分壓電路對5 V 進行分壓，最終向運算放大器的同向輸入端輸入3.84 V 直流電壓；DA_OUT 為差分放大電路輸出的差分電壓，其電壓范圍為-3.84～+3.36 V；輸入電阻R18、R19選取阻值為1 kΩ；反饋回路Rf選取阻值為7 kΩ，R1選取阻值為1 kΩ。最終功率放大電路放大倍數(shù)為8倍，輸出鋸齒波如圖9所示，輸出信號的電壓范圍為0～26.88 V。

圖8 功率放大電路

圖9 輸出鋸齒波波形

3 軟件設計

本文設計的粘滑式直線壓電驅(qū)動器控制電路的軟件控制時序如圖10 所示?？刂齐娐返妮斎胄盘柊ǎ悍较蛐盘朌IR、使能信號EN 和時鐘信號CLK。方向信號DIR決定鋸齒波的方向，這里規(guī)定方向信號DIR 為低電平時為正向，高電平時為反向；使能信號EN 為低電平使能，在方向信號DIR切換高低電平時需要將使能信號EN置為高電平一段時間；在時鐘信號CLK 的上升沿，控制電路根據(jù)方向信號DIR 進行計數(shù)，方向信號DIR 為低電平時進行增計數(shù)，方向信號DIR 為高電平時進行減計數(shù)，并將計數(shù)結果體現(xiàn)在QA～QD二進制編碼中，QA為最低位，QD 為最高位；輸出信號OUT 將根據(jù)QA～QD 二進制編碼值輸出相應的電壓，最終輸出方向可控的鋸齒波信號。輸出的正向鋸齒波如圖11 所示，反向鋸齒波如圖12 所示。

圖10 軟件控制時序

圖11 正向鋸齒波波形

圖12 反向鋸齒波波形

4 測試與結果分析

為驗證本文設計電路的有效性，選用如圖13 所示的PPS-20 粘滑式直線壓電驅(qū)動器作為驗證平臺，其行程為±6 mm，壓電疊堆耐受電壓為24～48 V，在使用光柵尺作為傳感器的情況下，分辨率為2 nm，精度為1 μm。

圖13 壓電驅(qū)動器實物

為驗證本文設計的壓電驅(qū)動器控制電路的開環(huán)性能，使用本文設計的驅(qū)動電路輸出不同頻率的鋸齒波，使用光柵尺位置差分的方式獲得壓電驅(qū)動器的運動速度，在不同的鋸齒波頻率下記錄壓電驅(qū)動器的運動速度。鋸齒波頻率的取值范圍為0～20 000 Hz，每隔200 Hz取一個鋸齒波頻率值，每個鋸齒波頻率重復運動5 次，取其速度平均值作為當前鋸齒波頻率下的壓電驅(qū)動器運動速度。得到的頻率-速度曲線如圖14 所示，其中橫坐標為鋸齒波頻率，縱坐標為壓電驅(qū)動器的運動速度，圖中黑色實線為頻率-速度曲線，虛線為頻率-速度趨勢線。

圖14 頻率-速度曲線

從曲線圖中可以看出，由于粘滑式直線壓電驅(qū)動器由動子和驅(qū)動足之間的摩擦力驅(qū)動，動子和驅(qū)動足由于溫度變形、磨損或安裝誤差等原因，使得動子和驅(qū)動足之間的摩擦力不恒定，這導致了壓電驅(qū)動器的輸入鋸齒波頻率和運動速度之間并不嚴格成線性關系。但從趨勢線上可以看出，隨著輸入鋸齒波頻率的增加，壓電驅(qū)動器的運動速度逐漸增大。在鋸齒波頻率為17 600 Hz 時，壓電驅(qū)動器的運動速度達到最大值6.28 mm∕s。當鋸齒波頻率大于17 600 Hz時，由于受到驅(qū)動器自身物理條件制約，此時驅(qū)動足運動頻率過高，導致“粘-滑”運動中“粘”的過程減弱，即靜摩擦力作用減弱，使得壓電驅(qū)動器的運動速度有一個大幅度的下降，因此此型壓電驅(qū)動器的輸入鋸齒波頻率應保持在17 600 Hz以下。本文設計的壓電驅(qū)動器控制電路的鋸齒波輸出頻率覆蓋了此型壓電驅(qū)動器的使用頻率，輸出鋸齒波電壓符合該壓電驅(qū)動器要求，最高可使該型壓電驅(qū)動器的運動速度達到6.28 mm∕s，證明了本文設計的壓電驅(qū)動器控制電路的有效性。

5 結束語

本文設計并實現(xiàn)了一種粘滑式直線壓電驅(qū)動器控制電路。本文設計的控制電路有以下優(yōu)點：首先，電路使用了光耦隔離電路對模擬信號和數(shù)字信號進行了隔離，以避免模擬信號干擾數(shù)字信號；其次，使用數(shù)字邏輯芯片代替微控制器，增強了壓電驅(qū)動器控制電路的穩(wěn)定性、實時性；最后，本文設計的電路只需要輸入時鐘信號、方向信號和使能信號3 個信號就可以對粘滑式直線壓電驅(qū)動器進行控制，所需控制信號少，易于多路集成。在實際的粘滑式直線壓電驅(qū)動器上進行了開環(huán)頻率-速度實驗驗證，本文設計的電路可使壓電驅(qū)動器的開環(huán)運動速度達到6.28 mm∕s，實驗結果證明了本文設計的控制電路的有效性。