佘玉成，張春熹，李慧鵬

（北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光學(xué)工程學(xué)院，北京100191)

高精度壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的研制

佘玉成，張春熹，李慧鵬

（北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光學(xué)工程學(xué)院，北京100191)

為進(jìn)一步提高壓電陶瓷微位移系統(tǒng)的定位精度，設(shè)計(jì)了一種以PA93高壓運(yùn)放器為核心的高精度、穩(wěn)定性好的大功率壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。重點(diǎn)闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)和特性功能進(jìn)行了分析討論。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)電源具有精度高、輸出電流大、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。當(dāng)壓電陶瓷等效容性負(fù)載為3μF時(shí)，能在1KHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)0V～10V到0V～100V的動(dòng)態(tài)放大，電壓輸出精度可達(dá)0.1mV。

壓電陶瓷；驅(qū)動(dòng)電源；高壓運(yùn)放；大功率

0 引言

隨著精密工程領(lǐng)域的迅速發(fā)展，納米級(jí)定位技術(shù)已經(jīng)成為生物工程、精密機(jī)械制造、精密測(cè)量、精細(xì)加工、機(jī)器人等前沿科學(xué)的關(guān)鍵技術(shù)［1］。而壓電陶瓷致動(dòng)器（PZT)能夠提供納米級(jí)的位移輸出，并具有分辨率高、體積小、輸出力大、頻響高、發(fā)熱小和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，幾乎成為納米定位技術(shù)的首選儀器，目前已廣泛應(yīng)用在光學(xué)工程、微電子工程、航空航天、精密機(jī)械制造等領(lǐng)域。然而壓電陶瓷致動(dòng)器必須使用大功率的高壓直流驅(qū)動(dòng)電源才能驅(qū)動(dòng)，且其位移精度、響應(yīng)速度和頻響特性直接受驅(qū)動(dòng)電源性能的影響［2］。因此，設(shè)計(jì)出大功率高精度的優(yōu)良?jí)弘娞沾沈?qū)動(dòng)電源已成為目前壓電陶瓷應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)［3］。

1 驅(qū)動(dòng)電源原理及技術(shù)要求

1．1 驅(qū)動(dòng)電源原理

壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要組成部分如圖1所示，主控制器控制信息轉(zhuǎn)換為有效的命令及數(shù)據(jù)信息，輸出有效的數(shù)字信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)D／A轉(zhuǎn)換器，D／A轉(zhuǎn)換器把接收到的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，提供精密的電壓源來(lái)驅(qū)動(dòng)線性放大電路，最后由線性放大電路對(duì)電壓源進(jìn)行放大并驅(qū)動(dòng)PZT［4］。而線性放大電路是驅(qū)動(dòng)電源的主要組成部分，因此驅(qū)動(dòng)電源研制的關(guān)鍵技術(shù)就是線性放大電路部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［5?6］。

圖1 壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Fig．1 Piezoelectric micro displacement drive system

1．2 驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)要求

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源具有以下特點(diǎn)：

1)能夠輸出連續(xù)可調(diào)的高壓直流電壓（0V～100V)；

2)PZT類似于容性負(fù)載，相應(yīng)速度取決于輸出電流大小，因此要求驅(qū)動(dòng)電源能夠輸出足夠的瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)電流；

3)為了實(shí)現(xiàn)PZT納米級(jí)高分辨率，需要驅(qū)動(dòng)電源具有良好的穩(wěn)定性，且波紋應(yīng)與定位精度呈現(xiàn)良好線性關(guān)系。

微位移驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的指標(biāo)要求：

1)輸入控制電壓為0V～10V；

2)驅(qū)動(dòng)電壓為0V～100V（連續(xù)可調(diào))；

3)頻率響應(yīng)為0Hz～1000Hz；

4)壓電陶瓷等效電容為3μF；

5)驅(qū)動(dòng)電源電壓分辨率＜0.1mV。

2 線性放大電路分析

線性放大電路是壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。放大電路引入直流負(fù)反饋能穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，引入交流負(fù)反饋能改善放大電路的性能，使得電子放大電路中普遍應(yīng)用負(fù)反饋。在該電源中采用電壓串聯(lián)復(fù)合負(fù)反饋結(jié)構(gòu)［7］。

為了實(shí)現(xiàn)高精度線性放大和功率放大，采用兩級(jí)放大器?？紤]電壓的高精度線性放大，需要盡量減少整個(gè)放大電路的輸入失調(diào)電壓［8］。本文采用的是由兩級(jí)放大器組成的復(fù)合式負(fù)反饋放大電路，與常規(guī)兩級(jí)放大電路相比，能夠充分減少放大電路的輸入失調(diào)電壓。

2．1 常規(guī)兩級(jí)運(yùn)放電路

常規(guī)兩級(jí)運(yùn)放電路原理圖及整體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 常規(guī)兩級(jí)運(yùn)放電路Fig．2 Conventional two?stage op?amp circuit

在圖2中，X1和X2分別為運(yùn)放OP1和OP2的輸入失調(diào)電壓，A1和A2分別為OP1、OP2的閉環(huán)增益，則有輸出電壓：

2．2 復(fù)合負(fù)反饋放大電路

復(fù)合負(fù)反饋放大電路原理圖及整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 復(fù)合負(fù)反饋放大電路Fig．3 Composite negative feedback amplifier circuit

可知整個(gè)放大電路的閉環(huán)增益為：

因?yàn)榍凹?jí)低壓精密運(yùn)放的閉環(huán)增益A1遠(yuǎn)大于1，所以：

同時(shí)，復(fù)合負(fù)反饋放大電路輸出電壓為：

結(jié)合式（3)，且A1A2?1，最終可得：

通過(guò)式（1)與式（5)的比較可知，后者的輸入失調(diào)電壓僅為前者的1／A1。因此，復(fù)合負(fù)反饋放大電路的總輸入失調(diào)電壓主要由前級(jí)運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓決定，故采用負(fù)反饋放大電路設(shè)計(jì)方案能有效降低整個(gè)線性放大電路的輸入失調(diào)電壓。

前級(jí)采用低壓精密運(yùn)放器，以獲得較小的輸入失調(diào)電壓和較高帶寬，后級(jí)采用PA93大功率運(yùn)放，以獲得較高輸出電壓和持續(xù)輸出的高電流。PA93的輸入失調(diào)電壓為2mV，前級(jí)的低壓精密運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓必須遠(yuǎn)小于2mV，才能降低整個(gè)放大電路的失調(diào)電壓。TI公司出產(chǎn)的ADA4638?1精密放大器是零漂移、軌至軌輸出的精密放大器，最大輸入失調(diào)電壓僅為4μV，供電電壓為±15V。選擇它作為前級(jí)放大器，可有效降低輸入失調(diào)電壓，提高控制精度。驅(qū)動(dòng)電源電路圖如圖4所示，選用放大器ADA4638?1和PA93組成復(fù)合放大電路。

圖4 驅(qū)動(dòng)電源電路原理圖Fig．4 Schematic diagram of drive power supply circuit

3 驅(qū)動(dòng)電源電路設(shè)計(jì)與分析

3．1 增益設(shè)置

復(fù)合負(fù)反饋放大電路總增益是10倍，增益大小由RJ1、RJ2、RJ3、RJ4共同決定，即1＋RJ4／RJ1＝10，得復(fù)合負(fù)反饋放大電路總增益為10倍。同時(shí)使1＋RJ3／RJ2＝10，使得后級(jí)PA93的閉環(huán)放大增益為10倍。同時(shí)，RJ1、RJ2、RJ3、RJ4應(yīng)選用精度為0.01％的高精密薄膜電阻，耐壓值為300V。

3．2 電流限制

為保證放大器PA93工作在安全區(qū)內(nèi)，必須對(duì)輸出電流加電阻限制，以防止輸出功率過(guò)大而燒壞芯片。如圖4中R3為限流電阻，可以通過(guò)調(diào)節(jié)該值把最大輸出電流控制在某一個(gè)特定值以下，最大輸出電流ILIM和限流電阻滿足以下近似關(guān)系：R3＝0.65／ILIM。本設(shè)計(jì)電路的最大輸出電流通過(guò)計(jì)算可得，并且限流電阻功率必須高達(dá)1W的高精度可靠電阻。

3．3 輸入輸出保護(hù)電路

壓電陶瓷為容性負(fù)載，在受控產(chǎn)生機(jī)械變形后，容性負(fù)載儲(chǔ)存的電荷會(huì)產(chǎn)生高壓，若直接作用于運(yùn)放芯片，可能造成芯片損壞，因此必須考慮加入輸入輸出保護(hù)電路。如圖4所示，在運(yùn)放器輸出端反向接兩個(gè)快速恢復(fù)二極管（DBF)，其方向耐壓值必須達(dá)到電源電壓的2倍，本文采用MUR160使瞬態(tài)高壓信號(hào)通過(guò)DBF從電源旁路流向大地，從而保護(hù)芯片的輸出端。同時(shí)在電源旁路正極接一個(gè)瞬態(tài)抑制二極管（TVS)，其方向電壓必須大于放大器正常工作峰值電壓，本文采用TVS管P6KE180，防止從DFB流經(jīng)電源旁路的瞬態(tài)高壓信號(hào)對(duì)電源造成損壞。

3．4 相位補(bǔ)償

當(dāng)集成運(yùn)放電路的開(kāi)環(huán)增益為一定值時(shí)，由于相移過(guò)大，電路會(huì)產(chǎn)生高端提升以及振蕩現(xiàn)象。為了克服這些現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)集成運(yùn)放電路進(jìn)行相位補(bǔ)償。集成運(yùn)放的相位補(bǔ)償可通過(guò)補(bǔ)償引線端，輸入端和輸出引線端外接RC補(bǔ)償元件，構(gòu)成相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償。相位補(bǔ)償不僅提高放大電路的穩(wěn)定性，而且還能使帶寬擴(kuò)展。PA93芯片本身自帶外部相位補(bǔ)償功能，綜合增益匹配等設(shè)計(jì)要求，可選擇相位補(bǔ)償電阻電容值分別為Rc＝0，Cc＝47pF。同時(shí)，補(bǔ)償電容的耐壓值必須達(dá)到放大器的全部工作電壓。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了測(cè)試本設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，在PZT容性負(fù)載為3μF、輸入信號(hào)為1KHz的情況下進(jìn)行測(cè)試，先讓驅(qū)動(dòng)電源預(yù)熱30min，再用計(jì)算機(jī)在1KHz的頻率下給出0V、1V、2V、…、10V的電壓輸出指令，最后利用高精度電壓表對(duì)0、1、…、10等離散點(diǎn)附近來(lái)回各取10個(gè)點(diǎn)，共測(cè)得100個(gè)數(shù)據(jù)，并對(duì)這100個(gè)數(shù)值與理論輸出電壓值進(jìn)行誤差分析，對(duì)比誤差大小，如圖5所示。同時(shí)，利用數(shù)字存儲(chǔ)式示波器觀測(cè)輸入輸出波形，輸入為1KHz／5V的方波信號(hào)，輸出為1KHz／50V的方波信號(hào)，通過(guò)多次測(cè)試可得驅(qū)動(dòng)電源的基本性能參數(shù)，如表1所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)誤差結(jié)果圖Fig．5 Results of the experimental error

表1 驅(qū)動(dòng)電源基本性能參數(shù)Table 1 The basic performance parameters of the driving power

通過(guò)圖5可知，在1KHz的輸出電壓0V～100V內(nèi)，幾乎所有誤差都控制在0.1mV以內(nèi)，能夠滿足微位移系統(tǒng)0.1mV的輸出電壓精度；由前文可知驅(qū)動(dòng)電源的響應(yīng)速度取決于輸出電流的大小，而本設(shè)計(jì)的持續(xù)輸出電流高達(dá)1.88A，輸入輸出相位誤差在2°以內(nèi)，具有輸出電流大、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)目前已經(jīng)成為微位移應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文針對(duì)壓電陶瓷微位移系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行了分析討論，通過(guò)采用精密運(yùn)放ADA4638?1和大功率運(yùn)放器PA93組成的復(fù)合負(fù)反饋放大電路，設(shè)計(jì)了一種基于PA93的高精度壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，同時(shí)通過(guò)針對(duì)各種反饋網(wǎng)絡(luò)、補(bǔ)償環(huán)節(jié)和保護(hù)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其具有良好的動(dòng)態(tài)特性和較高的輸出電壓和輸出電流，穩(wěn)定性好，線性度好，輸出電壓紋波小，精度能滿足0.1mV要求，完全滿足了高精度和優(yōu)良穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］楊雪鋒，李威，王禹橋.壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2008，24（11)：109?111. YANG Xue?feng，LI Wei，WANG Yu?qiao.Present situa?tion and development of power supply for piezoelectric and actuator［J］.Instrument Technique and Sensor，2008，24（11)：109?111.

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The Development of the High Precision Piezoelectric Ceramic Driving Power Supply

SHE Yu?cheng，ZHANG Chun?xi，LI Hui?peng
（Science and Optical Engineering College，Beijing university of aeronautics and astronautics，Beijing 100191)

To improve the location accuracy of piezoelectric micro displacement system，a high precision，good stability and high?power piezoelectric ceramic driving power supply is designed with a core of high?voltage operational amplifier PA93.The system design scheme is expounded，and the key technology and characteristics of the function is discussed.The experimental re?sults show that the driving power source has many advantages，such as high accuracy，high output current，quick response speed and good stability and so on.When the equivalent capacitive load of the piezoelectric ceramic is 3μF，it can achieve 0V～10V to dynamic amplification of 0V～100V within 1 KHz.Moreover，the voltage output accuracy can reach 0.1 mV.

piezoelectric ceramic;drive power;high pressure op?amp;high power

TN722.1

A

1674?5558（2017)03?01272

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.01.013

佘玉成，男，碩士，儀器科學(xué)與光學(xué)工程專業(yè)，研究方向?yàn)榫芸茖W(xué)儀器、高精度壓電陶瓷微位移閉環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

2016?04?27

國(guó)家重大儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)（編號(hào)：2013YQ040877)