孫 翰，時(shí)運(yùn)來(lái)，孫海超，林瑜陽(yáng)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210016)

0 引言

目前國(guó)外對(duì)壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)研究較成熟，已能使用高性能的功放來(lái)制作驅(qū)動(dòng)電源，如AB類(lèi)功放外接相應(yīng)的負(fù)反饋電路以實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)。普愛(ài)納米位移技術(shù)(PI)公司和理波(Newport)公司等[3]憑借其成熟的驅(qū)動(dòng)控制方案，制造出性能優(yōu)秀、配套齊全的商業(yè)化產(chǎn)品。而國(guó)內(nèi)對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制的研究還處于起步階段，研究基本在高校和研究所進(jìn)行，雖取得了一定的成績(jī)，但設(shè)計(jì)出的驅(qū)動(dòng)電源通用性不好，只能驅(qū)動(dòng)特定的負(fù)載，無(wú)法做到商業(yè)化生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品通常都是用分立元件搭建電路，雖然在一定程度上保證了輸出電壓和功率，但過(guò)多的電子元件易讓電路出現(xiàn)自激振蕩[4]，影響產(chǎn)品性能。對(duì)比國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)，國(guó)外產(chǎn)品價(jià)格高且購(gòu)買(mǎi)途徑少，但國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)性能指標(biāo)(如最大輸出電壓、紋波、最大輸出電流等)與國(guó)外存在一定差距，因此需要設(shè)計(jì)一款性價(jià)比高，響應(yīng)迅速，穩(wěn)定性強(qiáng)及輸出動(dòng)態(tài)范圍好的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。綜合國(guó)內(nèi)外的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一款電壓跟隨型驅(qū)動(dòng)電源。

1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)電路方案選擇

目前常用的壓電疊堆驅(qū)動(dòng)電源控制方法主要有電流控制型及電壓控制型兩種。電流控制型的低頻特性較差，易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，因而使用場(chǎng)合較少[5-6]。電壓控制型是通過(guò)控制其兩端的電壓來(lái)控制疊堆的輸出位移，其具有可靠性高，紋波小，動(dòng)態(tài)特性良好及頻帶寬等特點(diǎn)，已得到廣泛應(yīng)用。

電壓控制型驅(qū)動(dòng)電源分為直流放大式和開(kāi)關(guān)式。直流放大式電壓控制型驅(qū)動(dòng)電源頻率響應(yīng)特性好，電路結(jié)構(gòu)的可靠性高，輸出紋波小，是市面上流傳較成熟的方案。開(kāi)關(guān)式電壓控制型驅(qū)動(dòng)電源雖然體積小，效率高，但頻率響應(yīng)范圍窄，輸出紋波多，且電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，故不適用于輸出精度和低頻響應(yīng)要求高的場(chǎng)合。

針對(duì)驅(qū)動(dòng)電源調(diào)壓、調(diào)頻方便，響應(yīng)快，抗自激能力強(qiáng)的要求，本文設(shè)計(jì)了基于直流放大式結(jié)構(gòu)中的線性運(yùn)放跟隨式驅(qū)動(dòng)電源，如圖1所示。其內(nèi)部核心器件采用高壓運(yùn)放，設(shè)計(jì)要求具體如下：

1) 輸出電壓峰-峰值在0～130 V連續(xù)可調(diào)(完全正向偏置)。

2) 輸出正弦信號(hào)頻率在0～200 Hz可調(diào)。

以上是歌曲《我和2035有個(gè)約》的歌詞片斷，你讀了有怎樣的感觸和思考？請(qǐng)根據(jù)歌詞內(nèi)容確定立意，以“我和2035有個(gè)約”為標(biāo)題寫(xiě)一篇文章，要求選好角度，明確文體，自擬標(biāo)題；不要套作，不得抄襲；不少于800字。

3) 輸入正弦信號(hào)正負(fù)對(duì)稱。

圖1 線性運(yùn)放跟隨式

1.2 元件選型與電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源時(shí)需選擇合適的電路元件，要求高壓運(yùn)放的最大輸出電壓應(yīng)滿足Umax≥ 140 V。忽略疊堆的內(nèi)阻，HPSt150/14-10/40V22型號(hào)的疊堆等效電容CL=8.2 μF。假設(shè)該運(yùn)放已工作在極限情況[7]，即頻率f=200 Hz，輸出電壓信號(hào)Vo為140 V，則負(fù)載端等效容抗Xc和運(yùn)放輸出端最大電流IOP為

(1)

(2)

壓擺率SR為

SR=2πfVo×10-6=0.18(V/μs)

(3)

式中Vo取最大輸出電壓140 V[8-9]。

通過(guò)比較分析，考慮選擇美國(guó)APEX公司生產(chǎn)的PA系列高壓運(yùn)放PA41。其單電源供電時(shí)，單端供電電壓為100～350 V，取單端140 V給運(yùn)放供電，使其輸出電壓峰-峰值130 V的同時(shí)還能留有一定輸出余量。其內(nèi)部具有輸入保護(hù)電路，選擇不同的限流電阻(RCL)能驅(qū)動(dòng)不同的負(fù)載。最大連續(xù)輸出電流為120 mA,遠(yuǎn)小于IOP。雖然輸出電壓滿足要求，但輸出功率不足以驅(qū)動(dòng)疊堆。若要達(dá)到驅(qū)動(dòng)功率，則必須提高其輸出電流，可考慮在后級(jí)串聯(lián)一個(gè)功率放大級(jí)。甲乙類(lèi)單電源互補(bǔ)對(duì)稱電路的電源供給效率高，這不僅可提高前級(jí)電路的輸出電流，提高功率，還能利用其偏置電路克服交越失真，可作為末級(jí)電路。

根據(jù)以上條件設(shè)計(jì)了一種放大倍數(shù)可調(diào)的電壓及功率放大電路，該電路原理如圖2所示。

圖2 電壓及功率放大電路原理

由圖2可知，高壓運(yùn)放PA41未采用常規(guī)的雙電源供電，而是在外部提供了一個(gè)Vcc/2的虛地電壓，使其處于單電源工作狀態(tài)。電路原理為：輸入的對(duì)稱正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)一級(jí)同相放大電路后輸出放大2倍的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)二級(jí)放大電路放大，輸出相位相同、大小可調(diào)的電壓信號(hào)，最后再對(duì)其功率放大，達(dá)到驅(qū)動(dòng)疊堆的要求。前級(jí)OP07部分是為了減小輸入失調(diào)電壓。

1.3 放大倍數(shù)的確定

輸出信號(hào)電壓峰-峰值需達(dá)130 V，而單片機(jī)輸入電壓信號(hào)僅0～3.3 V，因而其總的放大倍數(shù)為39.39。為便于調(diào)控，這里取放大倍數(shù)為42，使輸出電壓可在130 V的基礎(chǔ)上上浮一個(gè)小電壓范圍。根據(jù)運(yùn)放的“虛短”、“虛斷”得出一、二級(jí)電壓放大倍數(shù)A1、A2：

(4)

(5)

因?yàn)槭峭嚯妷悍糯?，所以一?jí)輸出電壓Vo1與二級(jí)輸出電壓Vo2同相位，且總的放大倍數(shù)為A1×A2。設(shè)置前級(jí)閉環(huán)放大倍數(shù)為2，后級(jí)電壓放大倍數(shù)為1～21。根據(jù)式(4)、(5)，選取電阻R1=R2=R3=5 kΩ，可調(diào)電位器R4為0～100 kΩ，調(diào)整R4可改變電壓放大倍數(shù)，從而改變輸出電壓。

1.4 相位補(bǔ)償和限流電阻

由于壓電疊堆是容性負(fù)載，其與電路的輸出電阻在運(yùn)放電路系統(tǒng)中增加一個(gè)極點(diǎn)，導(dǎo)致電路不穩(wěn)定工作。為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，故需對(duì)其進(jìn)行相位補(bǔ)償。常見(jiàn)的補(bǔ)償方式主要分為環(huán)路內(nèi)償法、噪聲增益補(bǔ)償、超前滯后補(bǔ)償及外接RC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償?shù)取Ｆ渲?，環(huán)路內(nèi)償法只能補(bǔ)償固定負(fù)載，通用性不好。噪聲增益補(bǔ)償法會(huì)輸出額外的噪聲電壓。超前滯后補(bǔ)償會(huì)縮短運(yùn)算放大器的帶寬。RC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，只需在運(yùn)放補(bǔ)償引腳處外接補(bǔ)償電容和補(bǔ)償電阻，可提高電路的輸出性能。因此，RC網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法使用較普遍。

PA41是利用RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)提高輸出穩(wěn)定性。查閱資料可知，RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)為補(bǔ)償電阻Rc=2.2 kΩ，補(bǔ)償電容Cc=10 pF。當(dāng)Cc=10 pF時(shí)，0～200 Hz內(nèi)輸出電壓最高可達(dá)300 V，滿足最大輸出電壓要求。

2 驅(qū)動(dòng)電源總體設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)電源原理框圖

圖3為驅(qū)動(dòng)電源總體框圖。壓電疊堆驅(qū)動(dòng)電源主要由計(jì)算機(jī)、微控制器、驅(qū)動(dòng)電路和穩(wěn)壓電源組成。微控制器選擇STM32F429，主要用于與主機(jī)串口通信，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)模塊把接收到的數(shù)字編碼轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，以此作為放大電路的輸入信號(hào)，使該電源既可通過(guò)軟件控制輸出信號(hào)峰-峰值和頻率，也可通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)放大電路上的電位器控制其輸出電壓峰-峰值。

圖3 驅(qū)動(dòng)電源總體框圖

單片機(jī)定時(shí)器模塊輸出的脈沖寬度調(diào)制信號(hào)(PWM)經(jīng)推挽升壓穩(wěn)壓得到穩(wěn)壓電源，其可用于整個(gè)系統(tǒng)的供電。

2.2 輸入信號(hào)設(shè)計(jì)

若要得到輸入信號(hào)，首先要在Matlab界面生成正弦波碼表數(shù)據(jù)，然后再利用STM32F429內(nèi)部DAC模塊按一定時(shí)間間隔輸出正弦波曲線上的點(diǎn)，在該時(shí)間段內(nèi)輸出相同的電壓值，縮短時(shí)間間隔即可得到逼近正弦波的波形，在外部加上合適的電容濾波即可得到相對(duì)完美的圖形。實(shí)踐證明，在單個(gè)正弦周期內(nèi)，取256個(gè)點(diǎn)可很好地還原正弦波，圖4為Matlab生成的碼表圖。

圖4 Matlab生成的正弦波碼表圖

因輸入信號(hào)的要求是正負(fù)對(duì)稱的正弦信號(hào)，故需在單片機(jī)的輸出端串聯(lián)一個(gè)大電容C濾除直流信號(hào)，一般取C=10 μF。

2.3 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)

放大電路中的OP07、PA41和功率放大電路都需要供電。根據(jù)芯片的供電需求得到如下設(shè)計(jì)要求：輸入直流電壓為10 V，輸出電壓Uout=140 V，(Uout/2=70(V)，Uout/2+15=85(V)，Uout/2-15=55(V))。

由于橋式多晶體隔離式電路常用于高電壓輸入環(huán)境，故本方案采用推挽拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[10]，如圖5所示。由單片機(jī)輸出兩路互補(bǔ)的PWM波驅(qū)動(dòng)MOS管驅(qū)動(dòng)芯片，其占空比為45%，留有5%的死區(qū)電壓以防止Q1、Q2兩個(gè)MOS管同時(shí)導(dǎo)通而使電路短路。變壓器將小電壓放大后經(jīng)整流、穩(wěn)壓后得到所需電源電壓。

圖5 推挽升壓原理圖

因?yàn)檫\(yùn)放需要4個(gè)供電電源，所以要對(duì)Uout進(jìn)行分壓和穩(wěn)壓操作，如圖6所示。

圖6 分壓電路設(shè)計(jì)

推挽輸出的140 V電壓先通過(guò)R1、R2、R3和R4分壓，其中R1=R4，R2=R3。串聯(lián)分壓得到中心點(diǎn)70 V的電壓，以70 V為虛假地，后接±15 V的三端集成穩(wěn)壓器進(jìn)行穩(wěn)壓。三端集成穩(wěn)壓器選擇輸出電流可達(dá)1 A的L7815CV和L7915CV，以70 V為中心對(duì)稱連接，輔以合適的外圍電路，得到OP07所需55 V和85 V，以及PA41所需140 V單電源供電電壓。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

圖7為驅(qū)動(dòng)電路與壓電疊堆搭建而成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試結(jié)果呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)顯示器上。為減少噪聲干擾，所有實(shí)驗(yàn)器件設(shè)備都必須放置在氣浮平臺(tái)上。將穩(wěn)壓電源電路與電壓及功率放大電路分開(kāi)制版，防止電壓及功率放大電路元件發(fā)熱影響到電源電路，最后將兩個(gè)PCB板通過(guò)杜邦線連接后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.2 輸出波形實(shí)驗(yàn)

當(dāng)STM32輸入0～3.3 V的正弦波時(shí)，驅(qū)動(dòng)電源輸出信號(hào)為0～130 V的70 V偏置正弦波。圖8為波形測(cè)試。由圖可知波形的相關(guān)性很好，說(shuō)明該驅(qū)動(dòng)電路輸入與輸出的線性度好。

圖8 波形測(cè)試

3.3 階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

將輸入信號(hào)改成一定頻率的階躍信號(hào)，經(jīng)放大后測(cè)得該信號(hào)的階躍響應(yīng)如圖9所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該驅(qū)動(dòng)電源的階躍響應(yīng)時(shí)間為30 μs，說(shuō)明該電源動(dòng)態(tài)特性好，響應(yīng)快。

圖9 階躍信號(hào)響應(yīng)測(cè)試

3.4 疊堆測(cè)試實(shí)驗(yàn)

將驅(qū)動(dòng)電源連接待測(cè)壓電疊堆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)激光位移傳感器讀取輸出位移，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同頻率下輸入電壓-輸出位移關(guān)系

由圖10可知，在相同電壓下，隨著頻率變化，疊堆的輸出位移基本不變，在理論值上下小范圍波動(dòng)；在相同頻率下，疊堆的輸出位移隨著電壓的增大而增大，近似呈線性關(guān)系，符合疊堆的輸出特性。輸出位移誤差±2 μm是傳感器的測(cè)量誤差；隨著頻率的上升，疊堆的輸出位移與理論值偏差變大，這是受其封裝的影響，疊堆在伸縮時(shí)會(huì)有慣性，即動(dòng)力響應(yīng)的滯后效應(yīng)，頻率越高，滯后效應(yīng)越明顯。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)電源滿足疊堆的輸出特性，在低頻條件下，輸出特性更好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于高壓運(yùn)放PA41設(shè)計(jì)了一款壓電疊堆驅(qū)動(dòng)電源，其可輸出電壓峰-峰值為0～130 V連續(xù)可調(diào)的正向偏置70 V的正弦電壓。該電源能滿足驅(qū)動(dòng)壓電疊堆的要求，輸出電壓穩(wěn)定，線性度好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，調(diào)頻調(diào)壓方便，應(yīng)用前景廣。