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基于ARM的高分辨率壓電陶瓷驅(qū)動電源設(shè)計方案

作者: 時間:2017-10-21 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  0 引言

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201710/367237.htm

  壓電陶瓷驅(qū)動器(PZT)是微位移平臺的核心,其主要原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變,從而驅(qū)動執(zhí)行元件發(fā)生微位移。壓電陶瓷驅(qū)動器具有分辨率高、響應(yīng)頻率快、推力大和體積小等優(yōu)點(diǎn),在航空航天、機(jī)器人、微機(jī)電系統(tǒng)、精密加工以及生物工程等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而壓電陶瓷驅(qū)動器的應(yīng)用離不開性能良好的壓電陶瓷驅(qū)動電源。要實(shí)現(xiàn)納米級定位的應(yīng)用,壓電陶瓷驅(qū)動電源的輸出電壓需要在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),同時電壓分辨率需要達(dá)到毫伏級。因此壓電陶瓷驅(qū)動電源技術(shù)已成為壓電微位移平臺中的關(guān)鍵技術(shù)。

  1 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  1.1 的分類

  隨著壓電陶瓷微位移定位技術(shù)的發(fā)展,各種專用于壓電陶瓷微位移機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電源應(yīng)運(yùn)而生。目前驅(qū)動電源的形式主要有電荷控制式和式兩種。電荷控制式驅(qū)動電源存在零點(diǎn)漂移,低頻特性差的特點(diǎn)限制其應(yīng)用。而式驅(qū)動電源具有靜態(tài)性能好、集成度高、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn),因而本文的設(shè)計原理采用。直流放大式電源的原理如圖1所示。

  

  1.2 直流放大式壓電驅(qū)動電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  驅(qū)動電源電路主要由微處理器、D/A轉(zhuǎn)換電路和線性放大電路組成。通過微處理器控制D/A產(chǎn)生高精度、連續(xù)可調(diào)的直流電壓(0~10 V),通過放大電路對D/A輸出的直流電壓做線性放大和功率放大從而控制PZT驅(qū)動精密定位平臺。

  該設(shè)計中采用作為微處理器,用于產(chǎn)生控制信號及波形;采用18位電壓輸出DA芯片 AD5781作為D/A轉(zhuǎn)換電路的主芯片,產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的直流低壓信號;采用APEX公司的功率放大器PA78 作為功率放大器件,輸出0~100 V 的高壓信號從而驅(qū)動PZT.為實(shí)現(xiàn)高分辨率壓電驅(qū)動器的應(yīng)用,壓電驅(qū)動電源分辨率的設(shè)計指標(biāo)達(dá)到1 mV量級。

  2 基于 的低壓電路設(shè)計

  2.1 控制器簡介

  壓電陶瓷驅(qū)動電源中控制器主要提供兩方面功能:作為通信設(shè)備提供通用的輸入/輸出接口;作為控制器運(yùn)行相關(guān)控制算法以及產(chǎn)生控制信號或波形實(shí)現(xiàn)PZT的靜態(tài)定位操作。針對如上需求,本設(shè)計采用作為主控制器,是 Philips公司生產(chǎn)的基于支持實(shí)時仿真和跟蹤的32 位ARM7TDMI-S-CPU的微控制器,主頻可達(dá)到60 MHz;LPC2131內(nèi)部具有8 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和32 KB嵌入的高速FLASH存儲器;具有兩個通用UART接口、I2C接口和一個SPI接口。由于LPC2131具有較高的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的接口資源使其能夠作為壓電驅(qū)動電源的控制芯片。

  2.2 D/A電路設(shè)計

  由于壓電驅(qū)動電源要求輸出電壓范圍為0~100 V,分辨率達(dá)到毫伏級,所以D/A的分辨率需達(dá)到亞毫伏級。本設(shè)計采用AD5781作為D/A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度轉(zhuǎn)換器,輸出電壓范圍-10~10 V,提供±0.5 LSB INL,±0.5 LSB DNL和7.5 nV/ Hz噪聲頻譜密度。另外,AD5781 還具有極低的溫漂(0.05 ppm/℃)特性。因此,該D/A轉(zhuǎn)換器芯片特別適合于精密模擬數(shù)據(jù)的獲取與控制。D/A 電路設(shè)計如圖2 所示。

  在硬件電路設(shè)計中,由于AD5781 采用的精密架構(gòu),要求強(qiáng)制檢測緩沖其電壓基準(zhǔn)輸入,確保達(dá)到規(guī)定的線性度。因此選擇用于緩沖基準(zhǔn)輸入的放大器應(yīng)具有低噪聲、低溫漂和低輸入偏置電流特性。這里選用AD8676,AD8676 是一款超精密、36 V、2.8 nV/ Hz 雙通道運(yùn)算放大器,具有0.6 μV/℃低失調(diào)漂移和2 nA輸入偏置電流,因而能為AD5781提供精密電壓基準(zhǔn)。通過下拉電阻將AD5781的CLR和LDAC引腳電平拉低,用于設(shè)置AD5781為DAC二進(jìn)制寄存器編碼格式和配置輸出在SYNC的上升沿更新。

  

  在ARM端的軟件設(shè)計中,除正確配置AD5781的相關(guān)寄存器外,還應(yīng)正確配置SPI的時鐘相位、時鐘極性和通信模式。正確的SPI接口時序配置圖如圖3所示。

  

  3 高壓線性放大電路設(shè)計

  本文壓電驅(qū)動電源采用直流放大原理,通過高壓線性放大電路得到0~100 V連續(xù)可調(diào)的直流電壓驅(qū)動壓電陶瓷。放大電路決定著電源輸出電壓的分辨率和線性度,是整個電源的關(guān)鍵。

  3.1 經(jīng)典線性放大電路設(shè)計

  放大電路采用美國APEX公司生產(chǎn)的高壓運(yùn)算放大器PA78作為主芯片。PA78的輸入失調(diào)電壓為 8 mV,溫漂-63 V/°C,轉(zhuǎn)換速率350 V/μs,輸入阻抗108 Ω,輸出阻抗44 Ω,共模抑制比118 dB.基于PA78的線性放大電路設(shè)計如圖4所示。配置PA78為正向放大器,放大倍數(shù)為Gain=1+ R2 R1 ,得到輸出電壓范圍為0~100 V.

  如果運(yùn)放兩個輸入端上的電壓均為0 V,則輸出端電壓也應(yīng)該等于0 V.但事實(shí)上,由于放大器制造工藝的原因,不可避免地造成同相和反相輸入端的不匹配,使輸出端總有一些電壓,該電壓稱為失調(diào)電壓。失調(diào)電壓隨著溫度的變化而改變,這種現(xiàn)象被稱為溫度漂移(溫漂),溫漂的大小隨時間而變化。PA78的失調(diào)電壓和溫漂分別為8 mV、-63 V/°C,并且失調(diào)電壓和溫漂都是隨機(jī)的,使PA78無法應(yīng)用于毫伏級分辨率的電壓輸出,需要對放大電路進(jìn)行改進(jìn)。

  

  3.2 放大電路的改進(jìn)

  這里將PA78視為被控對象G(S),將失調(diào)電壓和溫漂視為擾動N(S),這樣就把提高放大器輸出電壓精度轉(zhuǎn)化成減小控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差的控制器設(shè)計的問題。在控制器的設(shè)計中常用的校正方法有串聯(lián)校正和反饋校正兩種。一般來說反饋校正所需的元件數(shù)少、電路簡單。但是在高壓放大電路中,反饋信號是由PA78的輸出級提供。反饋信號的功率較高,為元件選型和電路設(shè)計帶來不便,故線性放大電路中不使用反饋校正法。而在串聯(lián)校正方法中,有源器件的輸入不包含高壓反饋信號,所以該設(shè)計采用串聯(lián)校正方法,采用模擬PI(比例-積分)控制器G1(S)進(jìn)行校正,如圖 5 所示。

  

  成比例的反應(yīng)輸入信號e(t)及其積分,即:

  

  由式(2)觀察可得,PI控制器相當(dāng)于在控制系統(tǒng)中增加了一個位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn),開環(huán)極點(diǎn)的存在可以提高系統(tǒng)的型別,由于系統(tǒng)的型別的提高可以減小系統(tǒng)的階躍擾動穩(wěn)態(tài)誤差(對于線性放大電路,可視失調(diào)電壓和溫漂為階躍擾動)。同時PI控制器還增加了一個位于復(fù)平面中左半平面的開環(huán)零點(diǎn),復(fù)實(shí)零點(diǎn)的增加可以提高系統(tǒng)的阻尼程度,從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能,緩解由犧牲的動態(tài)性能換取穩(wěn)態(tài)性能對系統(tǒng)產(chǎn)生的不利影響。

  放大電路的設(shè)計中采用有源模擬PI控制器,改進(jìn)后的線性放大電路如圖6所示。其中PI控制器的放大器采用AD8676,AD8676的輸入失調(diào)電壓低于50 μV(滿溫度行程下),電壓噪聲≤0.04 μV(P-P)@0.1~10 Hz,因此適合用于串聯(lián)校正環(huán)節(jié),以提高系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能、減小輸出電壓漂移。

  3.3 相位補(bǔ)償

  從工程角度考慮,由于干擾源的存在,會使系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生變化,導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生震蕩。因此保證控制系統(tǒng)具有一定的抗干擾性的方法是使系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度即相角裕度。

  由于實(shí)際電路中存在雜散電容,其中放大器反向輸入端的對地電容對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有較大的影響。如圖6所示,采用C5和C6補(bǔ)償反向端的雜散電容。從系統(tǒng)函數(shù)的角度看,即構(gòu)成超前校正,增加開環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率,從事增加系統(tǒng)帶寬提高響應(yīng)速度。

  PA78有兩對相位補(bǔ)償引腳,通過外部的RC網(wǎng)絡(luò)對放大器內(nèi)部的零極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償。通過PA78的數(shù)據(jù)表可知,PA78內(nèi)部的零極點(diǎn)位于高頻段。根據(jù)控制系統(tǒng)抗噪聲能力的需求,配置RC網(wǎng)絡(luò)使高頻段的幅值特性曲線迅速衰減,從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。圖 6中,R4,C1與R5,C2構(gòu)成RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

  

  此外電路中C3的作用是防止輸出信號下降沿的振動引起的干擾;R10起到偏置電阻的作用,將電源電流注入到放大器的輸出級,提高PA78的驅(qū)動能力。

  將PI控制器的參數(shù)分別設(shè)置為KP=10、KI=0.02;超前校正補(bǔ)償電容分別為12 pF和220 pF;RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為R=10 kΩ、C=22 pF.利用線性放大電路的Spice模型進(jìn)行仿真得到幅頻特性和相頻特性曲線如圖7所示。從圖中觀察可得,放大系統(tǒng)的帶寬可達(dá)100 kHz,從而保證了系統(tǒng)良好的動態(tài)特性,同時相角裕度γ》60°使系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性(由于PZT的負(fù)載電抗特性一般呈容性,所以留有較大的相角裕度十分必要)。

  

  4 驅(qū)動電源實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  實(shí)驗(yàn)用壓電陶瓷驅(qū)動電源的穩(wěn)壓電源采用長峰朝陽電源公司的4NIC-X56ACDC 直流電源,輸出電壓精度≤1%,電壓調(diào)整率≤0.5%,電壓紋波≤1 mV(RMS)、10 mV(P-P)。測量設(shè)備采用KEITHLEY 2000 6 1/2Multimeter.

  首先對DAC輸出分辨率進(jìn)行測量,ARM控制器輸出持續(xù)5 s的階躍信號,同時在DAC輸出端對電壓信號進(jìn)行測量,將測量結(jié)果部分顯示見圖8.圖8 中顯示AD5781的輸出電壓分辨率可達(dá)3.89e-5 V,即38.9 μV.

  在模擬電路中,噪聲是不可避免的。對于壓電驅(qū)動電源來說,噪聲的等級限制了驅(qū)動電源的輸出分辨率。

  圖8、9分別給出經(jīng)典放大電路和改進(jìn)后的放大電路的測試噪聲。從圖中可得通過使用PI控制器和相位補(bǔ)償元件將壓電驅(qū)動電源的輸出噪聲從1.82 mV(RMS)降低至0.43 mV(RMS)。

  

  

  圖10給出了放大電路的輸出分辨率,放大電路的分辨率決定了PZT的定位精度,如要實(shí)現(xiàn)納米級的定位精度,驅(qū)動電源的分辨率需要達(dá)到毫伏級。圖10中,輸出電壓的分辨率可達(dá)到1.44 mV.

  

  最后,給出驅(qū)動電源電壓線性度曲線。線性度能夠真實(shí)的反映出輸出值相對于輸入真值的偏差程度。

  線性度曲線如圖11所示。得到擬合直線Yfit=9.846Vin+0.024 2,最大非線性誤差為0.024%,能夠滿足精密定位需求。

  

  5 結(jié)論

  本文設(shè)計的基于ARM的高分辨率壓電陶瓷驅(qū)動電源的方案,該方案采用直流放大原理,具有低電路噪聲、高分辨率和低輸出非線性度等特性,同時驅(qū)動電源的帶寬可達(dá)100 kHz.以上特性使本方案的壓電驅(qū)動電源能夠應(yīng)用于納米級靜態(tài)定位的需求,由于其性價比高、結(jié)構(gòu)簡單,故具有很高的實(shí)用價值。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明:本方案所設(shè)計的電源輸出電壓噪聲低于0.43 mV、輸出最大非線性誤差低于0.024%、分辨率可達(dá)1.44 mV,能夠滿足高分辨率微位移定位系統(tǒng)中靜態(tài)定位控制的需求。



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