陳玉芳，楊慶林

（1.河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校，河北滄州 061001；2.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100083）

一維壓電陶瓷微動(dòng)臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳玉芳1，楊慶林2

（1.河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校，河北滄州 061001；2.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100083）

本文介紹了基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的一維壓電陶瓷微動(dòng)臺(tái)，選取了一款合適的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，并按其特性及微動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)電源。其中驅(qū)動(dòng)電源包括顯示部分、鍵盤(pán)部分、數(shù)字部分和模擬部分，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)控制和單片機(jī)控制輸出電壓。對(duì)于模擬部分中采用的AD574進(jìn)行詳細(xì)的研究，并且給出AD574與一維壓電陶瓷微動(dòng)臺(tái)的控制單片機(jī)的接口的程序。

微動(dòng)臺(tái)；壓電陶瓷；AD574

微位移系統(tǒng)一般由微動(dòng)工作臺(tái)、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)三部分組成。微動(dòng)工作臺(tái)（或稱為微位移機(jī)構(gòu)）是指行程?。ㄒ话阈∮诤撩准?jí)）、靈敏度和精度高（0.1微米級(jí)、0.01微米級(jí)、納米級(jí)）的機(jī)構(gòu)，它是微位移系統(tǒng)的核心。微動(dòng)工作臺(tái)主要由微位移器和導(dǎo)軌兩部分構(gòu)成。根據(jù)導(dǎo)軌形式和驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以把微動(dòng)工作臺(tái)分成不同的類別。微位移器根據(jù)工作原理可以分為六大類，概括為：機(jī)械傳動(dòng)、彈性變形、受熱變形、磁致伸縮、電磁型、壓電陶瓷。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的微位移機(jī)構(gòu)是利用某些晶體的逆壓電效應(yīng)來(lái)工作的。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，體積很小，無(wú)機(jī)械摩擦，無(wú)間隙，具有很高的位移分辨率。使用壓電或電致伸縮器件驅(qū)動(dòng)，由于機(jī)電耦合效應(yīng)進(jìn)行的速度很快，來(lái)不及與外界熱交換，因此不存在發(fā)熱問(wèn)題，同時(shí)沒(méi)有噪聲，適用于各種介質(zhì)環(huán)境工作，是一種理想的微位移器［1］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的一維壓電陶瓷微動(dòng)臺(tái)，所選壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器工作電壓定為50～150 V，單片機(jī)控制時(shí)最小階梯電壓為0.3 V，手動(dòng)可連續(xù)調(diào)節(jié)。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電源是直流高壓電源，其位移精度與響應(yīng)頻率主要取決于電源的動(dòng)態(tài)性能。近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)靜態(tài)壓電驅(qū)動(dòng)電源的研制取得一定的進(jìn)展，靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電源的分辨率達(dá)到毫伏級(jí)，動(dòng)態(tài)電源的研制也逐漸成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)。在實(shí)際電路中，驅(qū)動(dòng)器件近似看作容性負(fù)載，其響應(yīng)頻率與其等效電容值的大小有關(guān)。高機(jī)械性能的壓電驅(qū)動(dòng)器（輸出位移和推力大）的電容值往往很大（微法級(jí)），這對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的動(dòng)態(tài)性能和電源的穩(wěn)定性都提出了較高的要求［1］。驅(qū)動(dòng)電源可以采用電壓放大電路，低壓控制端采用手動(dòng)旋鈕控制（可連續(xù)輸出）和單片機(jī)控制D／A轉(zhuǎn)換器輸出控制低電壓兩種控制方式。由手動(dòng)控制到單片機(jī)控制的轉(zhuǎn)換采用模擬開(kāi)關(guān)，可以用單片機(jī)的I／O口線控制，方便可靠［2］。手動(dòng)控制時(shí)采用A／D轉(zhuǎn)換器采集輸出電壓，由于輸出為高壓，必須進(jìn)行分壓。放大電路采用中功率三極管單管共射放大電路?；鶚O為低壓控制端，集電極輸出控制高壓。高壓直流電源直接由220 V交流電經(jīng)整流濾波得到。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源總體方案如圖1所示。

圖1 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源總體方案

系統(tǒng)主程序用于檢測(cè)系統(tǒng)是否正常，設(shè)置系統(tǒng)的初始狀態(tài)及等待鍵盤(pán)的命令。如圖2所示程序框圖。

A／D轉(zhuǎn)換器子程序包括設(shè)定控制A／D轉(zhuǎn)換器地址，設(shè)定采集總數(shù)，進(jìn)行中位濾波，采集電壓預(yù)處理，采集電壓值轉(zhuǎn)換為位移顯示值（其中含有十六進(jìn)制轉(zhuǎn)十進(jìn)制）和調(diào)用顯示子程序等部分組成。如圖3所示。

由于A／D轉(zhuǎn)換器采集電壓值有微小隨機(jī)性，可采用中位濾波法盡量減小誤差。所謂中位濾波，就是把所采集值按從大到?。ɑ驈男〉酱螅┡判?，然后取中間值。

A／D轉(zhuǎn)換器的作用就是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。根據(jù)它的原理可將其分成兩大類。一類是直接型A／D轉(zhuǎn)換器，另一類是間接型A／D轉(zhuǎn)換器。盡管A／D轉(zhuǎn)換器的種類很多，但目前應(yīng)用廣泛的主要有以下幾種類型：逐次比較式轉(zhuǎn)換器、雙積分式轉(zhuǎn)換器、Σ－△式轉(zhuǎn)換器和V／F轉(zhuǎn)換器［3］。逐次比較型A／D轉(zhuǎn)換器，在精度、速度和價(jià)格上都適中，是最常用的的A／D轉(zhuǎn)換器。雙積分A／D轉(zhuǎn)換器，具有精度高、抗干擾性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)換速度慢，近年來(lái)在單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中也得到廣泛應(yīng)用。Σ－△式轉(zhuǎn)換器具有積分式和逐次比較式A／D轉(zhuǎn)換器的雙重優(yōu)點(diǎn)。而V／F轉(zhuǎn)換器適用與轉(zhuǎn)換速度要求不太高，須進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)腁／D轉(zhuǎn)換過(guò)程。AD574是12位逐次比較型轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換時(shí)間為25μs，轉(zhuǎn)換精度為0.05%，由于芯片內(nèi)有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與各種典型的8位或16位的微處理器相連，而無(wú)須附加邏輯接口電路，且能與CMOS及TTL兼容。AD574的電源電壓要有較好的穩(wěn)定性和較小的噪聲，噪聲大的電源會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的輸出代碼。在設(shè)計(jì)時(shí)，所有電源引腳都要用去耦電容。對(duì)＋5 V電源，去耦電容直接接在引腳1和15之間；并且引腳VCC和VEE要通過(guò)電容耦合到引腳9，合適的去耦電容是1個(gè)4.7μF的鉭電容再并聯(lián)1個(gè)0.1μF的陶瓷電容。

A／D轉(zhuǎn)換的工作程序如下：

2 微動(dòng)臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì)

微動(dòng)臺(tái)采用一維矩形導(dǎo)軌槽，滑塊，角錐棱鏡座及壓蓋，預(yù)緊彈簧，立柱，微動(dòng)臺(tái)側(cè)蓋及上蓋等幾部分。值得注意的是一端側(cè)蓋應(yīng)該加一個(gè)預(yù)緊用螺栓，可以調(diào)節(jié)預(yù)緊力大小。

用于細(xì)調(diào)的一維壓電陶瓷微動(dòng)平臺(tái)組裝簡(jiǎn)要示意圖如圖4所示。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)得到的基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的一維壓電陶瓷微動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)電源性能較好，該電源可以實(shí)現(xiàn)的功能：輸出穩(wěn)定的直流電壓50～150 V，對(duì)應(yīng)顯示00.00～17.00μm。有手動(dòng)旋鈕控制和鍵盤(pán)控制兩種工作方式。其中手動(dòng)旋鈕控制是利用電位器給出控制用的低壓信號(hào)，輸出無(wú)階梯變化，具有連續(xù)可調(diào)性的優(yōu)點(diǎn)。鍵盤(pán)控制分為送數(shù)控制和步進(jìn)控制兩種方式，送數(shù)控制可以輸入想得到00.00～17.00μm之間的位移值，最小輸入間隔為0.05μm，例如，可以輸入00.05，00.10，00.15，00.20，00.25，……，16.90，19.95，17.00。步進(jìn)控制是由步進(jìn)鍵控制，每次步進(jìn)0.1μm，即顯示每次增加0.10，輸出電壓每次增加0.6 V。長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)輸出電壓，其波動(dòng)小于±0.1 V。與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器相連后，在開(kāi)機(jī)時(shí)達(dá)到50 V的零點(diǎn)電壓稍有延遲，之后與不加壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器時(shí)基本相同，說(shuō)明電源驅(qū)動(dòng)能力較強(qiáng)，滿足設(shè)計(jì)要求。受市電的波動(dòng)影響，有時(shí)零點(diǎn)電壓稍高于或稍低于50 V，通過(guò)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)與此同時(shí)150 V處出現(xiàn)相同變化，又因?yàn)閴弘娞沾沈?qū)動(dòng)器在這一范圍內(nèi)為線性較好的一段，故此種情況并不影響位移驅(qū)動(dòng)。

［1］ 李慶祥，王東生，李玉和.現(xiàn)代精密儀器設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

［2］ 尹德芹，顏國(guó)正，顏德田，等.壓電陶瓷動(dòng)態(tài)應(yīng)用的新型驅(qū)動(dòng)電源研究［J］.壓電與聲光，2004，4（2）：87－89.

［3］ 張毅剛，彭喜源，董繼成.單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京：高等教育出版社，2004：279－281.

［4］ 強(qiáng)錫富.傳感器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：196－199，152－158.

System Design of One－dimensional Piezoelectric Ceramics Micro Machine

CHEN Yu－fang1，YANG Qing－lin2
（1.Hebei Engineering and Technical College，061001，Cangzhou，Hebei，China；2.Beijing Patent Examination Coorperation Center，The State Intellectual Property Office，100083，Beijing，China）

This paper introduces the one－dimensional piezoelectric ceramics micro machine based on piezoelectric ceramics drive micro units，chooses a suitable piezoelectric ceramics actuator，and designs the driving power according to its characteristics and micro platform.The driving power includes display，keyboard，digital and analog part，which realizes the manual control and single chip microcomputer control output voltage.For analog part，the detailed study of AD574 is adopted.And the interface program of AD574 and control microcomputer of one－dimensional piezoelectric ceramics micro machine is given.

micro machine；piezoelectric ceramics；AD574

姜久超）

TP273.5

A

1008－3782（2014）01－0030－03

2013－12－27

陳玉芳（1967－），女，河北泊頭人，河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校實(shí)驗(yàn)師。