程控可调压电陶瓷驱动电源系统设计

吴 薇

（合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院，合肥 230009）

0 引言

压电陶瓷作为近年来应用广泛的新型微位移器件，在精密测量、微纳加工等领域得到了广泛应用，对其非线性宽度、稳定性、抗自激能力等各种性能要求也越来越苛刻。但压电陶瓷普遍存在迟滞、蠕变等效应，而压电陶瓷驱动电源则是引起这些现象的主要原因之一，所以压电陶瓷驱动电源技术已经成为目前压电陶瓷执行器应用中的一个关键技术[1]。论文所设计的压电陶瓷驱动电源系统以STM32F103CBT6芯片为控制核心，选用哈尔滨溶智纳芯科技有限公司提供的叠堆式类型压电陶瓷作为电源系统驱动元件，具体型号为RP150/10*10*58的压电陶瓷作为驱动元件完成系统实验[2]。

1 整体方案设计

如图1所示，本系统设计中将驱动电源电路按功能主要分为5个模块：主芯片及基本外围电路模块、通信模块、基准电压电路模块、低压电路输出模块和高压电路输出模块。整个电路系统需要核心处理器实现实时时钟、与上位机通信、数据指令输出等功能，这些功能需要的芯片引脚数不是很多，所以选用意法半导体公司提供的STM32F103CBT6芯片作为整个电路系统的核心处理器完成主控操作。整个系统需要稳定的5V/10A的直流电压源给基准电压电路供电，并通过线性稳压电路给主控芯片供电。基准电压电路提供高压和低压功率放大电路的部分供电电源需求，同时提供整个电路的电压基准。

图1 整体方案系统框图Fig.1 System block diagram of overall scheme

图 2 主芯片及基本外围电路Fig.2 Main chip and basic peripheral circuit

2 硬件系统设计

2.1 主控芯片介绍及基本外围电路设计

2.1.1 主控芯片介绍

数字处理微控制器是整个硬件系统的核心，基于本硬件系统的设计要求，需要选择一款运算速度较高、硬件资源足够的处理器，因此选用STM32F103CBT6芯片作为整个硬件系统的核心处理器，该芯片是基于ARM架构的32位微处理器。

STM32F103CBT6芯片是基于Cortex-M3内核的产物，主频最高可达72MHz，具有128K的Flash和20K的RAM，其硬件资源也足够，具有1个RTC实时时钟、6个定时器、2个能够工作于多主模式和从模式的IIC接口、2个通信速率可达18Mbit/s的SPI接口、3个通信速率可达4.5Mbit/s的USART接口，内嵌1个兼容全速USB和2个12位的ADC[3]。

2.1.2 主控芯基本外围电路设计

时钟电路是微处理器MCU的脉搏，为MCU提供运行时钟，本设计中的时钟电路如图2所示。其中，Y1为8MHz的晶振，该晶振经过MCU内部倍频电路后达到72MHz供系统的主时钟使用；Y2为32.768KHz的晶振，该晶振为RTC提供时钟。VBAT是RTC的外部电源引脚，该电路在系统意外断电时可保证实时时钟能够继续正常运行[4]。

本设计为了保证系统的稳定，采用复位引脚外接电路搭建手动复位方式，复位电路如图2所示。复位电路的原理是给按下复位开关芯片的RESET引脚一个足够长的低电平就可以使系统产生复位，松开开关待系统上电完毕后引脚恢复高电平，系统进入正常工作状态。

2.2 基准电压电路设计

图 3 基准电压电路设计框图Fig.3 Design block diagram of reference voltage circuit

基准电压电路设计如图3所示，整个系统由5V/10A直流稳压开关电源供电，选用NMT0573SC DC/DC转换芯片来实现直流电压的转换。经直流-直流(DC/DC)正电压转换电路得到+24V和+72V正电压输出，其中+24V经线性稳压电路得到+18V稳定电压输出[5]，该电压输出提供低压输出电路的正电源，+72V提供高压输出电路的正电源；开关电源经DC/DC负电压转换电路得到-24V、-48V和-72V负电压输出，其中-24V经线性稳压电路得到-18V稳定电压输出，该电压输出提供低压输出电路的负电源，-48V用来作为整个系统电路的基准电压参考端，-72V输出提供高压输出电路的负电源。

图 4 低压电路设计原理图Fig.4 Schematic diagram of low voltage circuit design

图5 高压电路设计原理图Fig.5 Schematic diagram of high voltage circuit design

图 6 压电陶瓷驱动电源系统控制输出流程图Fig.6 Control output flow chart of piezoelectric ceramic driving power supply system

2.3 低压电路输出设计

本电路设计中，设计低压电路输出电压40 V～60V，因为基准电压电路已设计电压基准参考端L-为-48V，所以当低压电路端L+输出-8V～12V时，此时VL+-VL-=40V～60V即满足设计要求。首先，经D/A转换器将主控芯片数字指令转换成模拟电压信号，再选用OP07放大器组成三级放大电路对电压信号进行放大即可实现低压电路40V～60V电压输出[6]，电路设计原理图如图4所示。

2.4 高压电路输出设计

本设计中，设计高压电路输出电压范围为10V～90V，因为基准电压电路已设计电压基准参考端H-为-48V，所以当高压电路端H+输出-38V～+42V，此时VH+-VH-=10V～90V即满足设计要求。选用PA240放大芯片对D/A转换器输出的低电压信号进行放大，即可实现高压电路10V～90V电压输出，电路设计原理图如图5所示。

3 交互软件设计与实现

压电陶瓷驱动电源系统基于USB接口进行数据通信传输，选用了最常用的FT232RL接口芯片作为串口通信的桥梁，其底层的驱动函数都支持VC和C++等高级语言。针对本系统的功能要求，决定使用Visual C++ 6.0软件在Windows 10系统环境下进行软件控制程序的编写开发，基于MFC的串口通信方式来间接实现对硬件的控制输出。系统上位机控制电压输出流程图如图6所示。

4 系统测试及实验数据

完成以上设计后，对硬件电路板进行测试。测试无误后，编写软件控制程序并烧录进电路板，对系统进行测试，然后搭建系统实验台后进行实验。选用5V/10A直流稳压电源对整个系统供电，操作上位机软件界面控制指令输入，系统高压/低压电源输出见表1。

表1 电压输出实验数据Table 1 Voltage output experimental data

5 总结

本论文主要围绕压电陶瓷驱动电源系统设计及实验结果输出展开，根据表1记录的实验数据，发现测试的高压电路电压输出稳定在8.93V～86.95V电压范围内，低压电路电压输出稳定在36.81V～55.75V电压范围内，与理论要求电压输出范围仍有一定的差距，初步分析可能有以下几个原因：

1）由于外界干扰或者器件本身质量问题，DC/DC转换器的实际电压转换效果没有理论预期的稳定和准确，导致电源系统电压输出存在不稳定的现象。

2）由于外界干扰或者器件本身质量问题，硬件系统中放大电路的实际放大倍数并没有达到预期理论值，导致电源系统电压输出范围受到影响。

3）在对硬件电路板进行布局布线时，可能存在不合理之处，导致对信号传输造成干扰；在对硬件电路板进行焊接时，可能存在不慎影响到电路元器件功能的操作。

针对以上可能存在的原因，应该对电路板进行逐一排查调试，对在调试过程中发现的问题进行改善修正。