壓電驅(qū)動器控制電路的研制

程旭東

摘 要：微定位技術(shù)是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中的一項關(guān)鍵技術(shù)，在微操縱、精密測量和精密制造等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。研制了四通道壓電驅(qū)動器控制電路，用于控制壓電陶瓷實現(xiàn)微位移。壓電陶瓷是根據(jù)逆壓電效應(yīng)來產(chǎn)生微位移和力的器件，具有體積小、功耗低、不發(fā)熱、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點，但其固有的遲滯和蠕變特性嚴(yán)重影響了它的定位精度。驅(qū)動電源的品質(zhì)直接影響系統(tǒng)的測量精度，而目前市場上在售的壓電陶瓷驅(qū)動電源的輸出電壓、體積、輸出通道數(shù)均難以滿足課題需求。本文圍繞壓電陶瓷驅(qū)動器開展研究，以ARM LPC1768單片機(jī)為核心，研制能夠滿足要求的壓電驅(qū)動器控制電路。

關(guān)鍵詞：壓電陶瓷；微定位；LPC1768

0 引言

本文主要介紹了多通道壓電驅(qū)動器控制電路的設(shè)計和實驗分析。壓電陶瓷驅(qū)動器是利用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，以實現(xiàn)驅(qū)動控制的目的。目前按照控制方式可分為電流控制型和電壓控制型[1]。實驗主要采用六位半數(shù)字萬用表測量高壓放大器輸出端電壓和干涉儀測量壓電陶瓷微位移的方式。通過測量輸出端電壓，可以得到控制電壓與輸出電壓的關(guān)系，再通過干涉儀測量壓電陶瓷微位移，得到電壓與壓電陶瓷微位移的關(guān)系。

1 系統(tǒng)總體概述

本壓電驅(qū)動器控制電路共有四路輸出，可以控制4個壓電陶瓷同時工作，控制電路的總體框如圖1所示。單片機(jī)通過USB口或以太網(wǎng)口接收上位機(jī)發(fā)送的指令，經(jīng)過運(yùn)算、處理，單片機(jī)發(fā)送控制信號和數(shù)據(jù)信號控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓，模擬電壓經(jīng)過高壓放大器放大，控制壓電陶瓷實現(xiàn)微位移，SPI口用于將微控制器轉(zhuǎn)換成壓電陶瓷微位移信號傳輸至其他設(shè)備。

2 壓電驅(qū)動器控制電路硬件設(shè)計

2.1 控制電路的電源模塊設(shè)計

控制電路的電源模塊主要包括DC/DC轉(zhuǎn)換電路、脈沖寬度調(diào)制電路和變壓器升壓電路。DC/DC轉(zhuǎn)換電路將+5V電壓轉(zhuǎn)換為±12V電壓輸出，脈沖寬度調(diào)制電路根據(jù)輸出電壓反饋信號輸出兩路可調(diào)占空比的脈沖，兩路輸出脈沖形成推挽輸出，結(jié)合變壓器升壓電路將幅值為12V的脈沖電壓轉(zhuǎn)換成160V直流電壓，給高壓放大器供電。DC/DC轉(zhuǎn)換電路以TRACO POWER的TSM0512D芯片為核心組成，此芯片將USB口輸入的+5V電壓轉(zhuǎn)換成±12V電壓輸出，該芯片具有效率高、輸出單雙電壓自隔離等優(yōu)點。-12V電壓直接供給高壓放大器的低電壓輸入端；+12V電壓一方面給脈沖寬度調(diào)制電路提供電源，另一方面通過脈沖寬度調(diào)制電路和變壓器升壓電路將其轉(zhuǎn)換為+160V高壓。

2.2 高壓放大電路的設(shè)計

本壓電陶瓷驅(qū)動器控制電路輸出部分采用的是高壓運(yùn)放式原理，數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出的控制電壓經(jīng)過高壓放大器放大，控制壓電陶瓷產(chǎn)生微位移。本論文選用美國APEX公司PA系列型號為PA341的高壓線性放大器，該放大器是一種高壓、低靜態(tài)電流的MOSFET線性放大器，輸出電流最大為120mA，轉(zhuǎn)換速率為30V/uS，工作電壓最高可達(dá)350V，具有很高的電源電壓抑制比。PA341集運(yùn)算放大電路、功率放大電路和保護(hù)電路于一體，提高了電路的集成度和電路的可靠性。

2.3 控制電路的通信接口

本設(shè)計主控芯片采用NXP公司的LPC1700系列ARM微控制器，此系列微控制器是基于第二代ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，是具有高性能與低功耗的32位微控制器[2]，基于課題需要選擇型號為ARM LPC1768的微控制器，該微控制器集成了以太網(wǎng)MAC、USB主/從機(jī)、UART和SPI等通信接口。本課題用到的LPC1768外設(shè)主要有以太網(wǎng)MAC、SPI和UART。通過以太網(wǎng)MAC及以太網(wǎng)收發(fā)器將本控制電路連接到以太網(wǎng)，即可在以太網(wǎng)內(nèi)部遠(yuǎn)程發(fā)送指令控制壓電陶瓷實現(xiàn)微位移；SPI端口用于將微控制器LPC1768處理的壓電陶瓷位置傳輸至外部設(shè)備；UART通用串口用于將控制電路與上位機(jī)連接，連接上位機(jī)后，可通過上位機(jī)發(fā)送指令，驅(qū)動壓電陶瓷實現(xiàn)微位移。

3 微控制器LPC1768的程序設(shè)計

系統(tǒng)初始化主要是微控制器LPC1768初始化，而微控制器LPC1768初始化主要是完成系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)定時器和引腳的配置，以及LPC1768微控制器的時鐘產(chǎn)生。UART0的初始化，包括引腳功能的選擇、波特率的設(shè)置和串口中斷的開啟等。其波特率的設(shè)置流程如圖2所示，用于確定參數(shù)DLMSB、DLLSB、MULVAL及DIVADDVAL的值。

已知波特率BR=9600bps（bits per second），外設(shè)時鐘=25MHz，計算：

4 實驗數(shù)據(jù)分析

4.1 壓電驅(qū)動器的紋波實驗

實驗實測的最大紋波電壓約為25mV，隨著電壓的升高，紋波電壓有少許的上升，分析原因可能是隨著電壓的升高，電路之間的串?dāng)_加強(qiáng)，導(dǎo)致紋波電壓有少許的升高。

4.2 壓電驅(qū)動器的穩(wěn)定性實驗

由圖3可知，隨著控制電壓的升高，電壓的波動范圍逐漸增大，穩(wěn)定性降低，主要是由于電壓升高后，電阻的熱效應(yīng)以及負(fù)載的特性參數(shù)變化而引起的[2]。

4.3 壓電驅(qū)動器重復(fù)性實驗

由實驗測試數(shù)據(jù)可知反行程的最大重復(fù)性偏差[3]=65nm，取這兩個偏差中較大者為重復(fù)性偏差，故==69nm。則用滿量程（yFS）百分比所表示的重復(fù)性為：=±（/yFS）×100%=±（69/8500）×100%=0.812%。

參考文獻(xiàn)

[1]王宏.壓電驅(qū)動器控制系統(tǒng)的研制[D].成都：電子科技大學(xué)，2004.

[2]劉泊，郭建英，孫永全.壓電陶瓷微位移驅(qū)動器建模與控制[J].微納技術(shù)與精密機(jī)械，2013（6）：1503-1509.

[3]張桂林，張承進(jìn)，趙學(xué)良.壓電驅(qū)動器記憶特性遲滯非線性建模[J].微納技術(shù)與精密機(jī)械，2012（5）：30.

（作者單位：中國電子科技集團(tuán)公司第八研究所）