壓電驅(qū)動(dòng)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在微操縱、精密測(cè)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(dòng)器控制電路，用于控制壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)微位移。壓電陶瓷是根據(jù)逆壓電效應(yīng)來(lái)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(diǎn)，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(dòng)電源的品質(zhì)直接影響系統(tǒng)的測(cè)量精度，而目前市場(chǎng)上在售的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(dòng)器開(kāi)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(dòng)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(dòng)器控制電路的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)分析。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)主要采用六位半數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量高壓放大器輸出端電壓和干涉儀測(cè)量壓電陶瓷微位移的方式。通過(guò)測(cè)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(guò)干涉儀測(cè)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(dòng)器控制電路共有四路輸出，可以控制4個(gè)壓電陶瓷同時(shí)工作，控制電路的總體框如圖1所示。單片機(jī)通過(guò)USB口或以太網(wǎng)口接收上位機(jī)發(fā)送的指令，經(jīng)過(guò)運(yùn)算、處理，單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出模擬電壓，模擬電壓經(jīng)過(guò)高壓放大器放大，控制壓電陶瓷實(shí)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(hào)傳輸至其他設(shè)備。

2 壓電驅(qū)動(dòng)器控制電路硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制電路的電源模塊設(shè)計(jì)

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(hào)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(diǎn)。-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(guò)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(jì)

本壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(guò)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(guó)APEX公司PA系列型號(hào)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(jì)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(hào)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(guò)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(shí)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(guò)上位機(jī)發(fā)送指令，驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)微位移。

3 微控制器LPC1768的程序設(shè)計(jì)

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(shí)鐘、系統(tǒng)定時(shí)器和引腳的配置，以及LPC1768微控制器的時(shí)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(kāi)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(shí)鐘=25MHz，計(jì)算：

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

4.1 壓電驅(qū)動(dòng)器的紋波實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)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(dòng)器的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

由圖3可知，隨著控制電壓的升高，電壓的波動(dòng)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(dòng)器重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

由實(shí)驗(yàn)測(cè)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所）