基于LabView8.5和PA96的壓電陶瓷致動器驅(qū)動電源

壓電陶瓷致動器是近年發(fā)展起來的新型微位移器件，具有體積小、推力大、精度及位移分辨率高、頻率響應(yīng)快等特點。它在使用中無噪聲、不發(fā)熱，是理想的微位移器，已在航空航天、精密測量、機(jī)器人及精密加工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。驅(qū)動電源的性能對壓電陶瓷致動器的影響很大，近年來國內(nèi)對靜態(tài)壓電陶瓷驅(qū)動電源的研制取得了一定的進(jìn)展，但大部分壓電陶瓷驅(qū)動電源都是由分立性器件組成，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且容易產(chǎn)生自激振蕩，對電源的穩(wěn)定性會產(chǎn)生影響。而采用高壓運放的驅(qū)動電源，分辨率能達(dá)到mV級，輸出紋波較小，不僅提高了電路集成度，而且可靠性也得到加強(qiáng)，因此可用于驅(qū)動壓電陶瓷致動器。

壓電陶瓷致動器驅(qū)動電源
1壓電陶瓷致動器對驅(qū)動電源的要求
壓電陶瓷致動器的驅(qū)動電源應(yīng)具有如下特點：（1）壓電陶瓷致動器的位移輸出對外加驅(qū)動控制電壓的響應(yīng)速度，主要取決于驅(qū)動電源驅(qū)動電流的大小，因此驅(qū)動電源應(yīng)具有較大的驅(qū)動電流，一般不應(yīng)小于150mA；（2）驅(qū)動電源的輸出控制電壓連續(xù)可調(diào)，對國產(chǎn)壓電陶瓷致動器PTBS200系列而言，要求驅(qū)動電源輸出電壓為直流0～200V，連續(xù)可調(diào)；（3）為適應(yīng)高頻響應(yīng)的要求，驅(qū)動電源中應(yīng)具有供容性負(fù)載快速放電的回路；（4）由于壓電陶瓷致動器主要應(yīng)用于微納米技術(shù)領(lǐng)域，所以驅(qū)動電源應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性，其輸出紋波電壓應(yīng)控制在很小的范圍內(nèi)；（5）為實現(xiàn)位移的自動控制，驅(qū)動電源最好采用計算機(jī)控制。
壓電陶瓷致動器外電路是一個容性負(fù)載，并有遲滯和蠕變現(xiàn)象。而驅(qū)動電源一般可分為電荷控制型和電壓控制型。電荷控制型驅(qū)動電源基于電容器充電的原理（對外加電壓而言，每個壓電陶瓷片相當(dāng)于一只平行板電容器），可以改善壓電陶瓷的遲滯和蠕變。電壓控制型驅(qū)動電源主要有以下兩種形式：一種是基于DC/DC變換器原理的開關(guān)式驅(qū)動電源，其體積小、效率高，但電源輸出紋波較大，頻響范圍也較窄；另一種是直流放大電源，頻響范圍寬，從發(fā)展趨勢來看，其應(yīng)用前景廣闊。

2 驅(qū)動電源的設(shè)計
根據(jù)壓電陶瓷致動器對其驅(qū)動電源的要求，本設(shè)計中的電源采用直流放大式電路。電路原理框圖如圖1所示。整個電源電路主要由計算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡、運算放大電路和高壓電路等幾部分組成。高壓電路提供220V的直流電壓，計算機(jī)通過LabView8.5控制數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生一定的輸出波形，得到0～5V的連續(xù)可調(diào)控制電壓；放大電路實現(xiàn)電壓的線性放大和功率放大，輸出0～200V連續(xù)可調(diào)的直流電壓，并決定著電源輸出電壓的分辨率和穩(wěn)定性，是整個電源的關(guān)鍵。

圖1 電源原理框圖

① 高壓電路

圖2 高壓電路電路原理圖

由于直流電壓的穩(wěn)定性直接影響驅(qū)動電源的穩(wěn)定性，采用220V輸出電壓的高壓電路（見圖2），主要部分是將市電交流220V變?yōu)?220V直流電壓的全橋整流供電電路。

② 波形發(fā)生電路
良好的輸入波形是電源的關(guān)鍵之一，關(guān)系到壓電陶瓷的伸縮變化。輸入波形信號的頻率、幅值可變，信號波形好，畸變小，不僅可以消除壓電陶瓷本身的遲滯特性和蠕變特性，也能獲得更廣泛的應(yīng)用。由于電壓精度要求比較高，使用NI公司的具有16位模擬輸入輸出的多功能數(shù)據(jù)采集卡6221將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，輸出電壓為0～5V，電壓分辨率達(dá)到5/216，約等于0.076mV。采用LabView 8.5編程可以實現(xiàn)任意波形及緩變直流等輸出，靈活性強(qiáng)，能滿足各種需要。

③高壓放大電路

圖3 高壓放大電路原理圖

采用美國APEX公司生產(chǎn)的高壓運算放大器PA96和高精度運算放大器OP07串聯(lián)組成串聯(lián)負(fù)反饋放大電路，如圖3所示。PA96是一種高壓，大帶寬的MOSFET運算放大器，輸出電流達(dá)到1.5A，輸出電壓接近300V，安全操作區(qū)（SOA）沒有二次擊穿的限制，通過選擇合適的限流電阻，可觀察到任何負(fù)載下的安全操作曲線。PA96的最大失調(diào)電壓為5mV，對要求分辨率為10mV以下的壓電陶瓷驅(qū)動電源，其輸入特性不能滿足要求。在該電源的線性放大部分采用了PA96和OP07串聯(lián)的復(fù)合放大器，從而使輸入失調(diào)電壓由前置放大器OP07控制。由于復(fù)合放大器的輸入電壓為0～5V，輸出電壓要求為0～200V，因此復(fù)合放大器的放大倍數(shù)要求為40。但增益過大會影響運放穩(wěn)定性，因此選定PA96的閉環(huán)放大倍數(shù)為31，PA96和OP07串聯(lián)后共同提供的放大倍數(shù)為40。根據(jù)放大倍數(shù)的分配要求可得：
R1=3kΩ，R2=117Ω，R3=180Ω，R4=6kΩ
由于構(gòu)成負(fù)反饋電路，輸出電阻非常小（mΩ級），因此具有很強(qiáng)的帶負(fù)載能力。圖3中的R5為限流電阻，其值由公式IL=0.68V/R5=125mA可得，這里為5.4Ω。

3 相位補(bǔ)償與輸出保護(hù)
自激現(xiàn)象是影響電源穩(wěn)定性的一個主要因素。當(dāng)集成運放的開環(huán)增益為一定值時，由于相移過大，電路會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，因此應(yīng)對集成運放進(jìn)行相位補(bǔ)償。通常在輸入端和輸出端外接補(bǔ)償元件，進(jìn)行相位補(bǔ)償。相位補(bǔ)償不僅能提高運放的穩(wěn)定性，還能擴(kuò)展帶寬。電路中PA96一級的閉環(huán)放大倍數(shù)為31，由此計算出其增益為30，根據(jù)PA96的數(shù)據(jù)資料，確定相位補(bǔ)償電容值CC=10pF，閉環(huán)帶寬大約為1MHz。圖3中電路的反饋電容C1和C6用于提高放大電路在高頻下的穩(wěn)定性。OP07輸入端的二極管D1、D2提供差模和共模保護(hù)，防止瞬態(tài)過壓，輸出二極管D3、D4可對瞬態(tài)過壓進(jìn)行保護(hù)，防止瞬態(tài)過壓損壞OP07的輸出。PA96放大器輸入端的二極管D5、D6、D7、D8把放大器正負(fù)輸入端的電壓鉗位在規(guī)定范圍內(nèi)，對運放起保護(hù)作用。

驅(qū)動電源的實驗結(jié)果及結(jié)論
利用高精度的FLUKE 8580A電壓表，在0～200V擋，對穩(wěn)壓電源的輸出特性進(jìn)行了測試。將實測數(shù)據(jù)和輸入電壓比較（見表1），利用線性回歸法進(jìn)行分析，得出穩(wěn)壓電源輸出的線性相關(guān)系數(shù)r≈1，說明穩(wěn)壓電源的輸出線性度較好。驅(qū)動電源在帶負(fù)載的情況下連續(xù)工作，輸出電壓漂移小于10mV，驅(qū)動電源輸出紋波電壓小于10mV，此紋波電壓對微定位系統(tǒng)中壓電陶瓷位移精度的影響較小。