基于PA41的压电叠堆驱动电源设计

2022-03-16时运来孙海超林瑜阳

压电与声光 2022年1期

孙翰，时运来，孙海超，林瑜阳

(南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏南京 210016)

0 引言

目前国外对压电陶瓷的驱动控制技术研究较成熟，已能使用高性能的功放来制作驱动电源，如AB类功放外接相应的负反馈电路以实现压电陶瓷的驱动。普爱纳米位移技术(PI)公司和理波(Newport)公司等[3]凭借其成熟的驱动控制方案，制造出性能优秀、配套齐全的商业化产品。而国内对压电陶瓷驱动控制的研究还处于起步阶段，研究基本在高校和研究所进行，虽取得了一定的成绩，但设计出的驱动电源通用性不好，只能驱动特定的负载，无法做到商业化生产。国内产品通常都是用分立元件搭建电路，虽然在一定程度上保证了输出电压和功率，但过多的电子元件易让电路出现自激振荡[4]，影响产品性能。对比国内外产品发现，国外产品价格高且购买途径少，但国内产品的驱动性能指标(如最大输出电压、纹波、最大输出电流等)与国外存在一定差距，因此需要设计一款性价比高，响应迅速，稳定性强及输出动态范围好的压电陶瓷驱动电源。综合国内外的驱动技术，本文设计了一款电压跟随型驱动电源。

1 驱动电路设计

1.1 驱动电路方案选择

目前常用的压电叠堆驱动电源控制方法主要有电流控制型及电压控制型两种。电流控制型的低频特性较差，易产生零点漂移，因而使用场合较少[5-6]。电压控制型是通过控制其两端的电压来控制叠堆的输出位移，其具有可靠性高，纹波小，动态特性良好及频带宽等特点，已得到广泛应用。

电压控制型驱动电源分为直流放大式和开关式。直流放大式电压控制型驱动电源频率响应特性好，电路结构的可靠性高，输出纹波小，是市面上流传较成熟的方案。开关式电压控制型驱动电源虽然体积小，效率高，但频率响应范围窄，输出纹波多，且电路结构较复杂，故不适用于输出精度和低频响应要求高的场合。

针对驱动电源调压、调频方便，响应快，抗自激能力强的要求，本文设计了基于直流放大式结构中的线性运放跟随式驱动电源，如图1所示。其内部核心器件采用高压运放，设计要求具体如下：

1) 输出电压峰-峰值在0～130 V连续可调(完全正向偏置)。

2) 输出正弦信号频率在0～200 Hz可调。

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3) 输入正弦信号正负对称。

图1 线性运放跟随式

1.2 元件选型与电路设计

设计驱动电源时需选择合适的电路元件，要求高压运放的最大输出电压应满足Umax≥ 140 V。忽略叠堆的内阻，HPSt150/14-10/40V22型号的叠堆等效电容CL=8.2 μF。假设该运放已工作在极限情况[7]，即频率f=200 Hz，输出电压信号Vo为140 V，则负载端等效容抗Xc和运放输出端最大电流IOP为

(1)

(2)

压摆率SR为

SR=2πfVo×10-6=0.18(V/μs)

(3)

式中Vo取最大输出电压140 V[8-9]。

通过比较分析，考虑选择美国APEX公司生产的PA系列高压运放PA41。其单电源供电时，单端供电电压为100～350 V，取单端140 V给运放供电，使其输出电压峰-峰值130 V的同时还能留有一定输出余量。其内部具有输入保护电路，选择不同的限流电阻(RCL)能驱动不同的负载。最大连续输出电流为120 mA,远小于IOP。虽然输出电压满足要求，但输出功率不足以驱动叠堆。若要达到驱动功率，则必须提高其输出电流，可考虑在后级串联一个功率放大级。甲乙类单电源互补对称电路的电源供给效率高，这不仅可提高前级电路的输出电流，提高功率，还能利用其偏置电路克服交越失真，可作为末级电路。

根据以上条件设计了一种放大倍数可调的电压及功率放大电路，该电路原理如图2所示。

图2 电压及功率放大电路原理

由图2可知，高压运放PA41未采用常规的双电源供电，而是在外部提供了一个Vcc/2的虚地电压，使其处于单电源工作状态。电路原理为：输入的对称正弦信号经过一级同相放大电路后输出放大2倍的电压信号，再经过二级放大电路放大，输出相位相同、大小可调的电压信号，最后再对其功率放大，达到驱动叠堆的要求。前级OP07部分是为了减小输入失调电压。

1.3 放大倍数的确定

输出信号电压峰-峰值需达130 V，而单片机输入电压信号仅0～3.3 V，因而其总的放大倍数为39.39。为便于调控，这里取放大倍数为42，使输出电压可在130 V的基础上上浮一个小电压范围。根据运放的“虚短”、“虚断”得出一、二级电压放大倍数A1、A2：

(4)

(5)

因为是同相电压放大，所以一级输出电压Vo1与二级输出电压Vo2同相位，且总的放大倍数为A1×A2。设置前级闭环放大倍数为2，后级电压放大倍数为1～21。根据式(4)、(5)，选取电阻R1=R2=R3=5 kΩ，可调电位器R4为0～100 kΩ，调整R4可改变电压放大倍数，从而改变输出电压。

1.4 相位补偿和限流电阻

由于压电叠堆是容性负载，其与电路的输出电阻在运放电路系统中增加一个极点，导致电路不稳定工作。为提高系统稳定性，故需对其进行相位补偿。常见的补偿方式主要分为环路内偿法、噪声增益补偿、超前滞后补偿及外接RC网络补偿等。其中，环路内偿法只能补偿固定负载，通用性不好。噪声增益补偿法会输出额外的噪声电压。超前滞后补偿会缩短运算放大器的带宽。RC网络补偿法的结构最简单，只需在运放补偿引脚处外接补偿电容和补偿电阻，可提高电路的输出性能。因此，RC网络补偿法使用较普遍。

PA41是利用RC补偿网络提高输出稳定性。查阅资料可知，RC补偿网络的参数为补偿电阻Rc=2.2 kΩ，补偿电容Cc=10 pF。当Cc=10 pF时，0～200 Hz内输出电压最高可达300 V，满足最大输出电压要求。

2 驱动电源总体设计

2.1 驱动电源原理框图

图3为驱动电源总体框图。压电叠堆驱动电源主要由计算机、微控制器、驱动电路和稳压电源组成。微控制器选择STM32F429，主要用于与主机串口通信，通过数模转换器(DAC)模块把接收到的数字编码转换成对应的模拟信号，以此作为放大电路的输入信号，使该电源既可通过软件控制输出信号峰-峰值和频率，也可通过手动调节放大电路上的电位器控制其输出电压峰-峰值。

图3 驱动电源总体框图

单片机定时器模块输出的脉冲宽度调制信号(PWM)经推挽升压稳压得到稳压电源，其可用于整个系统的供电。

2.2 输入信号设计

若要得到输入信号，首先要在Matlab界面生成正弦波码表数据，然后再利用STM32F429内部DAC模块按一定时间间隔输出正弦波曲线上的点，在该时间段内输出相同的电压值，缩短时间间隔即可得到逼近正弦波的波形，在外部加上合适的电容滤波即可得到相对完美的图形。实践证明，在单个正弦周期内，取256个点可很好地还原正弦波，图4为Matlab生成的码表图。

图4 Matlab生成的正弦波码表图

因输入信号的要求是正负对称的正弦信号，故需在单片机的输出端串联一个大电容C滤除直流信号，一般取C=10 μF。

2.3 稳压电源设计

放大电路中的OP07、PA41和功率放大电路都需要供电。根据芯片的供电需求得到如下设计要求：输入直流电压为10 V，输出电压Uout=140 V，(Uout/2=70(V)，Uout/2+15=85(V)，Uout/2-15=55(V))。

由于桥式多晶体隔离式电路常用于高电压输入环境，故本方案采用推挽拓扑结构进行设计[10]，如图5所示。由单片机输出两路互补的PWM波驱动MOS管驱动芯片，其占空比为45%，留有5%的死区电压以防止Q1、Q2两个MOS管同时导通而使电路短路。变压器将小电压放大后经整流、稳压后得到所需电源电压。

图5 推挽升压原理图

因为运放需要4个供电电源，所以要对Uout进行分压和稳压操作，如图6所示。

图6 分压电路设计

推挽输出的140 V电压先通过R1、R2、R3和R4分压，其中R1=R4，R2=R3。串联分压得到中心点70 V的电压，以70 V为虚假地，后接±15 V的三端集成稳压器进行稳压。三端集成稳压器选择输出电流可达1 A的L7815CV和L7915CV，以70 V为中心对称连接，辅以合适的外围电路，得到OP07所需55 V和85 V，以及PA41所需140 V单电源供电电压。

3 实验验证

3.1 实验平台的搭建

图7为驱动电路与压电叠堆搭建而成的实验平台，测试结果呈现在计算机显示器上。为减少噪声干扰，所有实验器件设备都必须放置在气浮平台上。将稳压电源电路与电压及功率放大电路分开制版，防止电压及功率放大电路元件发热影响到电源电路，最后将两个PCB板通过杜邦线连接后进行实验验证。

图7 实验平台

3.2 输出波形实验

当STM32输入0～3.3 V的正弦波时，驱动电源输出信号为0～130 V的70 V偏置正弦波。图8为波形测试。由图可知波形的相关性很好，说明该驱动电路输入与输出的线性度好。

图8 波形测试

3.3 阶跃响应实验

将输入信号改成一定频率的阶跃信号，经放大后测得该信号的阶跃响应如图9所示。实验测得该驱动电源的阶跃响应时间为30 μs，说明该电源动态特性好，响应快。

图9 阶跃信号响应测试

3.4 叠堆测试实验

将驱动电源连接待测压电叠堆进行实验，通过激光位移传感器读取输出位移，实验结果如图10所示。

图10 不同频率下输入电压-输出位移关系

由图10可知，在相同电压下，随着频率变化，叠堆的输出位移基本不变，在理论值上下小范围波动；在相同频率下，叠堆的输出位移随着电压的增大而增大，近似呈线性关系，符合叠堆的输出特性。输出位移误差±2 μm是传感器的测量误差；随着频率的上升，叠堆的输出位移与理论值偏差变大，这是受其封装的影响，叠堆在伸缩时会有惯性，即动力响应的滞后效应，频率越高，滞后效应越明显。

实验结果表明，该驱动电源满足叠堆的输出特性，在低频条件下，输出特性更好。