王 崢，盧今偉，張雪菲，修吉宏

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130000）

0 引言

粘滑式直線壓電驅(qū)動(dòng)器由于其結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、行程大的特點(diǎn)，在精密加工領(lǐng)域有極大的應(yīng)用價(jià)值[1]。粘滑式直線壓電驅(qū)動(dòng)器通常由動(dòng)子、驅(qū)動(dòng)足和壓電陶瓷堆疊組成[2]。驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子之間進(jìn)行“粘-滑”運(yùn)動(dòng)，在“粘”運(yùn)動(dòng)階段驅(qū)動(dòng)足緩慢運(yùn)動(dòng)，利用驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子之間的靜摩擦力驅(qū)動(dòng)動(dòng)子緩慢向前移動(dòng)一段較長位移[3]；在“滑”運(yùn)動(dòng)階段，驅(qū)動(dòng)足迅速回撤，驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子之間產(chǎn)生相對滑動(dòng)，由于動(dòng)摩擦力的作用動(dòng)子回撤一段較小位移[4]。這樣不斷地重復(fù)“粘-滑”運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子就可以累積形成長行程的有效輸出[5]。粘滑式壓電驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)足由壓電陶瓷疊堆提供驅(qū)動(dòng)力，壓電陶瓷疊堆采用鋸齒波作為激勵(lì)信號，即電壓緩慢升高然后快速降低，或者電壓快速升高然后緩慢降低[6]。通過改變鋸齒波上升時(shí)間占比可以控制動(dòng)子實(shí)現(xiàn)正反兩個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，通過改變鋸齒波頻率可以控制動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)速度[7]。

國內(nèi)外對粘滑式直線壓電驅(qū)動(dòng)器的控制電路做了大量的研究。劉生輝[8]使用微控制器中的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生控制信號，經(jīng)放大電路放大后輸出頻率可調(diào)、幅值可調(diào)、信號周期數(shù)可調(diào)，方向可調(diào)的穩(wěn)定鋸齒波信號。張彬瑞[9]壓電陶瓷的運(yùn)動(dòng)控制指令由嵌入式工業(yè)控制板產(chǎn)生，通過D∕A 板卡轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，經(jīng)過功率放大電路轉(zhuǎn)換為壓電疊堆的激勵(lì)電壓。高琪[10]使用信號發(fā)生器產(chǎn)生鋸齒波信號，通過功率放大器將輸入信號放大到適當(dāng)?shù)闹?，放大的信號?qū)動(dòng)壓電陶瓷產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)。邵明坤[11]使用信號發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定周期的鋸齒波波形，該信號進(jìn)過壓電控制器進(jìn)行功率放大，控制粘滑式慣性壓電驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)。徐斯強(qiáng)[12]使用實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)dSPACE-1103 發(fā)出控制指令，使用DA 模塊將上位機(jī)產(chǎn)生的控制電壓傳給電壓放大器進(jìn)行放大，然后驅(qū)動(dòng)粘滑式壓電驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)平臺(tái)步進(jìn)式運(yùn)動(dòng)。

上述文獻(xiàn)中的粘滑式直線式壓電驅(qū)動(dòng)器控制電路雖然都可以實(shí)現(xiàn)壓電驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)控制，但是上述電路都只考慮了實(shí)驗(yàn)室中的使用情形，沒有考慮到實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的復(fù)雜環(huán)境，對信號隔離、軟件穩(wěn)定性和是否易于多路集成等問題研究較少。本文設(shè)計(jì)的粘滑式直線壓電驅(qū)動(dòng)器控制電路有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，本文設(shè)計(jì)的電路使用了光耦隔離電路對模擬信號和數(shù)字信號進(jìn)行了隔離，以避免模擬信號干擾數(shù)字信號；其次，本文使用數(shù)字邏輯芯片代替微控制器，增強(qiáng)了壓電驅(qū)動(dòng)器控制電路的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性；最后，本文設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)器控制電路只需要輸入時(shí)鐘信號、方向信號和使能信號3 個(gè)信號就可以對粘滑式直線壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，所需控制信號少，易于多路集成。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的粘滑式直線壓電驅(qū)動(dòng)器控制電路的總體框圖如圖1所示，主要包括信號輸入、增減計(jì)數(shù)器電路、光耦隔離電路、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、差分放大電路、功率放大電路、信號輸出。其中輸入信號包括方向信號、時(shí)鐘信號和使能信號。增減計(jì)數(shù)器電路接收信號輸入，在時(shí)鐘信號的上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)值生成四位二進(jìn)制編碼信號，經(jīng)光耦隔離電路輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換電路；數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將四位二進(jìn)制編碼信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓信號，經(jīng)差分放大電路減少噪聲，功率放大電路進(jìn)行功率放大后輸出鋸齒波給壓電驅(qū)動(dòng)器。

圖1 控制電路總體框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 增減計(jì)數(shù)器電路

在粘滑式直線壓電驅(qū)動(dòng)器控制電路的設(shè)計(jì)中，目前較為通用的方案是使用微控制器控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片周期性的輸出電壓，形成離散的等效鋸齒波。微控制器在每個(gè)控制周期對輸出數(shù)值累加或累減，以控制數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片輸出鋸齒波。對于這種固定周期的增減計(jì)數(shù)功能，使用增減計(jì)數(shù)器芯片代替控制器可以免去程序編寫，在提高電路穩(wěn)定性的同時(shí)降低成本。本文的增減計(jì)數(shù)器芯片選用四位二進(jìn)制增減計(jì)數(shù)器SN74HC191，具體硬件電路如圖2 所示。A、B、C、D 引腳是置數(shù)引腳，D∕U 為計(jì)數(shù)方向控制引腳，EN 為使能引腳，LOAD 為控制置數(shù)引腳，CLK 為時(shí)鐘引腳，QD、QC、QB、QA 為輸出引腳。A、B、C、D 和D∕U 相連，并與信號輸入中的方向信號DIR 相連；EN 引腳經(jīng)過非門F1和LOAD 相連，并與信號輸入中的使能信號EN相連；CLK引腳與信號輸入中的時(shí)鐘信號CLK相連。

圖2 增減計(jì)數(shù)器電路

2.2 光耦隔離電路

光耦是光電耦合器的簡稱，它是以光為媒介來傳輸電信號的器件。光耦主要由發(fā)光組件和光敏器件組成，當(dāng)光耦輸入端有電信號時(shí)，發(fā)光組件將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，光敏器件接收光信號，并將光信號還原為電信號，至此光耦實(shí)現(xiàn)了“電-光-電”之間的信號轉(zhuǎn)換。光耦隔離可以實(shí)現(xiàn)信號的單向傳輸，使輸入端和輸出端之間電氣隔離，避免輸出信號對輸入端產(chǎn)生影響，使電路的抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定。

本文的光耦芯片選用HCPL-6651 高速光耦，其最高傳輸速率10 Mb∕s，具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 光耦隔離電路

由光耦的數(shù)據(jù)手冊可知光耦高電平輸入電流典型值為10 mA，光耦的輸入端使用數(shù)字5 V 作為高電平電壓，因此光耦輸入端串聯(lián)500 Ω電阻。輸出端使用模擬5 V作為驅(qū)動(dòng)電壓，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊選用500 Ω 上拉電阻，50 pF濾波電容，使光耦達(dá)到最好的使用狀態(tài)。四位二進(jìn)制增減計(jì)數(shù)器的輸出信號QA、QB、QC、QD經(jīng)過光耦隔離電路后，轉(zhuǎn)換為QA_A、QB_A、QC_A、QD_A，并將轉(zhuǎn)換后的信號輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。

2.3 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路

數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）是一種將數(shù)字量編碼值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)模擬量的器件。本文所涉及的數(shù)模轉(zhuǎn)化電路的作用是將四位二進(jìn)制增減計(jì)數(shù)器的編碼值轉(zhuǎn)換為模擬量，以形成鋸齒波輸出。由于本文的設(shè)計(jì)中使用四位二進(jìn)制增減計(jì)數(shù)器來產(chǎn)生DAC的控制編碼值，因此DAC芯片的選型應(yīng)該選用并口編碼型DAC。本文選用AD9764 作為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的DAC 芯片。AD9764 是一款高性能、低功耗、電流輸出型的14位精度DAC，標(biāo)稱滿量程輸出電流為20 mA。它提供差分電流輸出，兩路電流輸出之間匹配可確保在差分輸出配置中獲得更強(qiáng)的動(dòng)態(tài)性能。

本文所設(shè)計(jì)的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路如圖4 所示，增減計(jì)數(shù)器電路經(jīng)過光耦隔離后的四位二進(jìn)制編碼信號QA_A、QB_A、QC_A、QD_A 分 別連接 至DAC 芯片的DB10、DB11、DB12、DB13引腳，DAC 芯片的DB0～DB9引腳接地。信號輸入中的時(shí)鐘信號CLK 經(jīng)過光耦隔離，再經(jīng)過非門電路F2 后連接至DAC 的CLK 引腳；其余部分均按照AD9763數(shù)據(jù)手冊中的典型應(yīng)用方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

DA輸出電壓的相關(guān)計(jì)算公式如下：

式中：IREF為滿輸出參考電流；VREFIO為DAC的參考電壓，本文中使用DAC 內(nèi)部的參考電壓1.2 V；RSET為滿輸出電流調(diào)節(jié)電阻，本文選用2 kΩ電阻。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的IREF=0.6 mA。

滿輸出電流的計(jì)算公式為：

式中：IOUTFS為滿輸出電流；IREF為式（1）中得到的滿輸出參考電流。本文設(shè)計(jì)的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的滿輸出電流為19.2 mA。

DAC的OUTA和OUTB端口輸出的電流值計(jì)算公式為：

式中：IOUTA為OUTA 輸出的電流；IOUTB為OUTB 輸出的電流；NCODE為DAC 的數(shù)據(jù)輸入端口DB0～DB13 的二進(jìn)制編碼值轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制后的數(shù)值；IOUTFS為式（2）所得的滿輸出電流值。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)輸入端口只使用了DB10～DB13，DB0～DB9 接地。因此NCODE值的范圍為0～15 360，IOUTA的輸出電流范圍為0～18 mA，IOUTB的電流輸出范圍為1.2～19.2 mA

DAC的輸出電壓計(jì)算式為：

式中：VOUTA為OUTA 輸出電壓；VOUTB為OUTB 輸出電壓；IOUTA、IOUTB為式（3）所得的OUTA、OUTB 輸出電流；RLOAD為負(fù)載電阻，本文選用25 Ω負(fù)載電阻；本文設(shè)計(jì)的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的VOUTA電壓值范圍為0～0.45 V，VOUTB的電壓值范圍為0.03～0.48 V。

DAC的OUTA和OUTB的差分電壓計(jì)算為：

式中：VDIFF為DAC 的差輸出電壓；VOUTA、VOUTB為式（4）中得到OUTA、OUTB 的輸出電壓。本文設(shè)計(jì)的數(shù)模轉(zhuǎn)化電路最終輸出差分電壓VDIFF范圍為-0.48～+0.42 V。

2.4 差分放大電路

差分放大器的主要作用是對模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的差分電壓進(jìn)行差分運(yùn)算，以抑制模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的共模噪聲，使電路的抗干擾能力增強(qiáng)；同時(shí)將模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓值進(jìn)行前級放大，為后續(xù)進(jìn)行功率放大做準(zhǔn)備。差分放大電路的運(yùn)算放大器選用OPA227，使用±5 V 供電。由2.3節(jié)可知，本文設(shè)計(jì)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的差分電壓范圍為-0.48～+0.42 V，因此差分放大電路將模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的差分輸出電壓放大8 倍，最終差分放大電路的輸出電壓范圍為-3.84～+3.36 V。

典型的差分放大電路如圖5 所示，其中U1、U2為輸入信號，Uo為輸出信號，R1、R2為輸入電阻，Rf為反饋電阻，R3為平衡電阻。差分放大電路的基本公式為：

圖5 典型差分放大器電路

實(shí)際應(yīng)用中一般取R1=R2，R3=Rf。

式（6）可簡化為：

本文設(shè)計(jì)的差分放大電路如圖6 所示，其中DA_OUTA 和DA_OUTB 為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路輸出的差分電壓，DA_OUT為差分放大電路輸出的差分放大后的電壓。輸入電阻R13、R14選用250 Ω 電阻，反饋電阻R16選用2 kΩ 電 阻，平 衡 電 阻R15選 用2 kΩ 電 阻。N1選 用OPA227，使用±5 V 供電。最終差分放大電路將模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的差分電壓放大8 倍，輸出電壓范圍為-3.84～+3.36 V。

圖6 差分放大電路

2.5 功率放大電路

功率放大電路的主要作用是對前級差分放大電路輸出的電壓進(jìn)行功率放大，以使驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓符合壓電驅(qū)動(dòng)器的電壓和功率要求。本文選用的粘滑式直線壓電驅(qū)動(dòng)器的電壓耐受范圍為0～+28 V，無法耐受負(fù)電壓，而差分放大電路輸出電壓值范圍為-3.84～+3.36 V，因此需要搭建加法放大器電路使功率放大電路輸出電壓范圍在0～+28 V范圍。

典型同向加法放大器如圖7 所示，其中R1、Rf構(gòu)成反饋回路；R2、R3為輸入電阻，應(yīng)用時(shí)一般取R2=R3；U1、U2為輸入信號，Uo為輸出信號。同向加法放大器的基本公式為：

圖7 典型加法放大器電路

本文設(shè)計(jì)的功率放大電路如圖8所示。其中運(yùn)算放大器N2選用OPA548。OPA548 是一款高電壓、大電流功率運(yùn)算放大器，可以在單電源+8～+60 V或雙電源±4～±30 V下工作，輸出電流可達(dá)到3 A 以上，本文設(shè)計(jì)的功率放大電路采用+28 V 單電源供電；R20、R21構(gòu)成分壓電路，R20選取阻值為1.16 kΩ，R21選取阻值為3.84 kΩ，分壓電路對5 V 進(jìn)行分壓，最終向運(yùn)算放大器的同向輸入端輸入3.84 V 直流電壓；DA_OUT 為差分放大電路輸出的差分電壓，其電壓范圍為-3.84～+3.36 V；輸入電阻R18、R19選取阻值為1 kΩ；反饋回路Rf選取阻值為7 kΩ，R1選取阻值為1 kΩ。最終功率放大電路放大倍數(shù)為8倍，輸出鋸齒波如圖9所示，輸出信號的電壓范圍為0～26.88 V。

圖8 功率放大電路

圖9 輸出鋸齒波波形

3 軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的粘滑式直線壓電驅(qū)動(dòng)器控制電路的軟件控制時(shí)序如圖10 所示?？刂齐娐返妮斎胄盘柊ǎ悍较蛐盘朌IR、使能信號EN 和時(shí)鐘信號CLK。方向信號DIR決定鋸齒波的方向，這里規(guī)定方向信號DIR 為低電平時(shí)為正向，高電平時(shí)為反向；使能信號EN 為低電平使能，在方向信號DIR切換高低電平時(shí)需要將使能信號EN置為高電平一段時(shí)間；在時(shí)鐘信號CLK 的上升沿，控制電路根據(jù)方向信號DIR 進(jìn)行計(jì)數(shù)，方向信號DIR 為低電平時(shí)進(jìn)行增計(jì)數(shù)，方向信號DIR 為高電平時(shí)進(jìn)行減計(jì)數(shù)，并將計(jì)數(shù)結(jié)果體現(xiàn)在QA～QD二進(jìn)制編碼中，QA為最低位，QD 為最高位；輸出信號OUT 將根據(jù)QA～QD 二進(jìn)制編碼值輸出相應(yīng)的電壓，最終輸出方向可控的鋸齒波信號。輸出的正向鋸齒波如圖11 所示，反向鋸齒波如圖12 所示。

圖10 軟件控制時(shí)序

圖11 正向鋸齒波波形

圖12 反向鋸齒波波形

4 測試與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)電路的有效性，選用如圖13 所示的PPS-20 粘滑式直線壓電驅(qū)動(dòng)器作為驗(yàn)證平臺(tái)，其行程為±6 mm，壓電疊堆耐受電壓為24～48 V，在使用光柵尺作為傳感器的情況下，分辨率為2 nm，精度為1 μm。

圖13 壓電驅(qū)動(dòng)器實(shí)物

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)器控制電路的開環(huán)性能，使用本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路輸出不同頻率的鋸齒波，使用光柵尺位置差分的方式獲得壓電驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)速度，在不同的鋸齒波頻率下記錄壓電驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)速度。鋸齒波頻率的取值范圍為0～20 000 Hz，每隔200 Hz取一個(gè)鋸齒波頻率值，每個(gè)鋸齒波頻率重復(fù)運(yùn)動(dòng)5 次，取其速度平均值作為當(dāng)前鋸齒波頻率下的壓電驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)速度。得到的頻率-速度曲線如圖14 所示，其中橫坐標(biāo)為鋸齒波頻率，縱坐標(biāo)為壓電驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)速度，圖中黑色實(shí)線為頻率-速度曲線，虛線為頻率-速度趨勢線。

圖14 頻率-速度曲線

從曲線圖中可以看出，由于粘滑式直線壓電驅(qū)動(dòng)器由動(dòng)子和驅(qū)動(dòng)足之間的摩擦力驅(qū)動(dòng)，動(dòng)子和驅(qū)動(dòng)足由于溫度變形、磨損或安裝誤差等原因，使得動(dòng)子和驅(qū)動(dòng)足之間的摩擦力不恒定，這導(dǎo)致了壓電驅(qū)動(dòng)器的輸入鋸齒波頻率和運(yùn)動(dòng)速度之間并不嚴(yán)格成線性關(guān)系。但從趨勢線上可以看出，隨著輸入鋸齒波頻率的增加，壓電驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)速度逐漸增大。在鋸齒波頻率為17 600 Hz 時(shí)，壓電驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到最大值6.28 mm∕s。當(dāng)鋸齒波頻率大于17 600 Hz時(shí)，由于受到驅(qū)動(dòng)器自身物理?xiàng)l件制約，此時(shí)驅(qū)動(dòng)足運(yùn)動(dòng)頻率過高，導(dǎo)致“粘-滑”運(yùn)動(dòng)中“粘”的過程減弱，即靜摩擦力作用減弱，使得壓電驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)速度有一個(gè)大幅度的下降，因此此型壓電驅(qū)動(dòng)器的輸入鋸齒波頻率應(yīng)保持在17 600 Hz以下。本文設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)器控制電路的鋸齒波輸出頻率覆蓋了此型壓電驅(qū)動(dòng)器的使用頻率，輸出鋸齒波電壓符合該壓電驅(qū)動(dòng)器要求，最高可使該型壓電驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到6.28 mm∕s，證明了本文設(shè)計(jì)的壓電驅(qū)動(dòng)器控制電路的有效性。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種粘滑式直線壓電驅(qū)動(dòng)器控制電路。本文設(shè)計(jì)的控制電路有以下優(yōu)點(diǎn)：首先，電路使用了光耦隔離電路對模擬信號和數(shù)字信號進(jìn)行了隔離，以避免模擬信號干擾數(shù)字信號；其次，使用數(shù)字邏輯芯片代替微控制器，增強(qiáng)了壓電驅(qū)動(dòng)器控制電路的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性；最后，本文設(shè)計(jì)的電路只需要輸入時(shí)鐘信號、方向信號和使能信號3 個(gè)信號就可以對粘滑式直線壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，所需控制信號少，易于多路集成。在實(shí)際的粘滑式直線壓電驅(qū)動(dòng)器上進(jìn)行了開環(huán)頻率-速度實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的電路可使壓電驅(qū)動(dòng)器的開環(huán)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到6.28 mm∕s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文設(shè)計(jì)的控制電路的有效性。