一种压电陶瓷微位移器驱动电源研究

朱　婷

(武汉理工大学 机电工程学院,湖北 武汉　430070)



一种压电陶瓷微位移器驱动电源研究

朱婷

(武汉理工大学 机电工程学院,湖北 武汉430070)

摘要在研究压电陶瓷微位移器的基础上,针对压电陶瓷的驱动特点和要求,设计了一种驱动电源。以单片机Atmega128和高压运算放大器PA78为核心器件,以及相关电路构成电压控制型驱动电源。介绍了主要模块电路的功能和实现,并对驱动电源进行测试实验。驱动电源可输出0～300 V连续电压,分辨率可达10 mV、静态纹波<5 mV。结果表明该电源具有线性度高、稳定性好、分辨率高等优点。

关键词压电陶瓷微位移器;驱动电源;AVR;高压驱动

压电陶瓷是一种具有压电特性的电子陶瓷材料,利用其逆压电效应可被做成微位移器。由于其体积小、推力大、响应快、分辨率高等优点,被广泛应用于精密测量、纳米技术、机器人、微电子等领域[1-4]。压电陶瓷微位移器的有效工作离不开性能优良的驱动电源,因此需要研究设计具有良好性能的驱动电源;压电陶瓷微位移器的驱动方式可分为电流控制型和电压控制型[5-6],各驱动方式有其各自的优点和应用。本文设计的驱动电源基于电压控制型,对输出电压要求为:0～300 V连续可调,分辨率<10 mV,静态纹波<5 mV。

1压电陶瓷微位移器驱动电源的组成

驱动电源总体框图如1图所示。主要由计算机、微处理器控制电路、D/A模块、滤波电路、放大电路和直流稳压电源模块组成。

图1　驱动电源总体框图

计算机通过串口与微处理器通信,对其发出指令电压;微处理器接收计算机的指令并控制D/A模块实现0～5 V连续可调电压输出;D/A模块输出的电压经滤波、放大等处理,输出计算机要求的稳定电压;直流稳压模块给各模块电路提供所需电源电压。

2压电陶瓷微位移器驱动电源模块设计

2.1微处理器模块

微处理器选择Atmega128,它是一款高性能、低功耗的AVR8位微处理器;具有先进的RISC指令结构,工作电压为4.5～5.5 V,工作于16 MHz时性能高达16 MIps。在驱动电源中,Atmega128通过串行口USART0与计算机通信,其与计算机通信电路如图2所示。

图2　Atmega128与计算机串口通信电路

2.2D/A模块

D/A模块输出vOUT为0～5 V,电源输出vout为0～300 V,则放大倍数为

a=vout/vOUT=60

(1)

要求输出电压分辨率<10 mV,有

VREF×A×1/2N<10 mV

(2)

(3)

式中,VREF为D/a参考电压,N为D/a分辨率。当VREF=5 v时,有

(4)

选用ADI公司的16位分辨率、单通道、低功耗、串行输入、缓冲电压输出型D/a转换芯片AD5662。AD5662与Atmega128间的电路如图3所示。

图3　AD5662与Atmega128连接电路

AD5662的vREF引脚经滤波电容接+5 V参考电压;SYNC引脚、SCLK引脚、DIN引脚分别与Atmega128的MISO、SCK0、MOSI相连接,Atmega128采用SPI通信方式对AD5662进行控制,vOUT引脚将转换完成的模拟信号输出。

2.3滤波电路

D/A转换器输出信号不是理想的连续可变,而是阶梯的模拟信号并伴有干扰信号。因此,设计了四阶巴特沃斯低通滤波器[7],其电路图如图4所示。该滤波电路-3 dB频率为1.749 kHz,在1 kHz有效频带内不衰减,增益为1。

图4　四阶低通巴特沃斯滤波电路

2.4放大电路

放大电路以高压集成运放PA78为放大核心,其集运算放大器、功率放大电路、保护电路于一体,可应用于压电定位和驱动、静电偏转、可变形镜驱动器、化学和生物探针等。PA78典型输入失调电压为8 mV,对于放大倍数为60,不能达到10 mV以下分辨率。为使分辨率满足要求,在运放前加一级输入失调电压较小的运放,组成复合放大电路,这样输入失调电压由前置运放决定[8]。AD8677是新一代精密、超低失调放大器,具有低功耗、低输入偏置电流及高共模抑制比/电源抑制比特性。AD8677最大输入失调电压为130 μV,则

130 μV×60=7.8 mV<10 mV

(5)

满足分辨率要求。由AD8677和PA78组成的复合放大电路如图5所示。

图5　AD8677和PA78组成的复合放大电路

该复合放大电路提供的放大倍数为

(6)

在PA78输出端与正、负电源间连接快速恢复性二极管MUR160,可以起到保护PA78的作用[9],避免因压电陶瓷的正压电效应产生的电能进入PA78的输出端,可能对运放造成的破坏性影响,对于压电陶瓷其他应用也应采取相应的保护措施。对于驱动电源,压电陶瓷相当于容性负载,其电流相位相对电压相位超前90°;当放大电路开环增益为一个定值时,因相移过大而引起相位裕度减小时,电路就会产生振荡现象,应对集成运算放大器进行相位补偿[10]。在PA78的引脚RC+、CC+和RC-、CC-间外接电阻、电容即可组成正、负相位补偿电路。PA78的Ⅱ脚接5.6 Ω限流电阻,将输出电流限制在125 mA。

3压电陶瓷微位移器驱动电源实验

3.1驱动电源线性度测试

电压控制型驱动电源通过控制输入电压来控制压电陶瓷微位移器的振动及位移,对驱动电源线性度的测试尤为重要。计算机通过串口在0～300 v,每100 v范围内各发送10个指令电压,Atmega128接收指令并将该指令电压值转换为相应二进制代码输出给D/a模块。采用万用表测量电源输出电压,测得的实际电压值与理论电压值如表1所示。

表1　实测电压与理论电压表

应用Excel软件,将测得的数据线性拟合如图6所示,测得的电压值经线性拟合的拟合曲线方程为

y=1.000 3x-0.172 8

(7)

驱动电源具有较好的线性度。

图6　实测电压与理论电压线性拟合图

在0～300 V内任选8个电压输出,10次测得平均值及误差如表2所示。测试结果表明驱动电源稳定性好。

表2　电源多次输出电压测得结果

3.2驱动电源纹波测试

在驱动电源的纹波测试中,应以正确的方法测量[11]。计算机分别发送10 V、70 V、150 V、220 V和300 V指令电压,用示波器进行纹波测试,结果如表3所示。

表3　驱动电源纹波测试结果

4结束语

设计了一种压电陶瓷微位移器驱动电源,论述了各模块功能和电路实现。由实验数据分析可知驱动电源可输出0～300 V连续可调驱动电压,驱动电源线性度好、稳定性高、输出纹波小、分辨率高,达到了设计要求。

参考文献

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Study of a Piezoelectric Ceramic Micro-displacement Driving Power Supply

ZHU Ting

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China)

AbstractBased on the research of piezoelectric ceramic micro-displacement,a driving power supply is designed according to the driving characteristics and requirements of piezoelectric ceramic.The single chip microcomputer Atmega128 and high voltage operational amplifier PA78 are used as the core components with relevant circuits as the voltage control type driving power supply.The functions and realization of the main module circuits are introduced,and the driving power supply is tested.The driving power supply can output continuous voltage ranging from 0 V to 300 V with a resolution up to 10 mV a static ripple less than 5 mV,showing that the power supply has the advantages of good linearity,stability,and resolution.

Keywordspiezoelectric ceramic micro-displacement;driving power supply;AVR;high voltage driver

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.004

收稿日期:2015-10-13

作者简介:朱婷(1992—),女,硕士研究生。研究方向:计算机测控技。

中图分类号TN86

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)05-013-04