基于LabView8.5和PA96的壓電陶瓷致動器驅動電源

壓電陶瓷致動器是近年發展起來的新型微位移器件，具有體積小、推力大、精度及位移分辨率高、頻率響應快等特點。它在使用中無噪聲、不發熱，是理想的微位移器，已在航空航天、精密測量、機器人及精密加工等領域得到廣泛應用。驅動電源的性能對壓電陶瓷致動器的影響很大，近年來國內對靜態壓電陶瓷驅動電源的研制取得了一定的進展，但大部分壓電陶瓷驅動電源都是由分立性器件組成，結構較復雜，而且容易產生自激振蕩，對電源的穩定性會產生影響。而采用高壓運放的驅動電源，分辨率能達到mV級，輸出紋波較小，不僅提高了電路集成度，而且可靠性也得到加強，因此可用于驅動壓電陶瓷致動器。

壓電陶瓷致動器驅動電源
1壓電陶瓷致動器對驅動電源的要求
壓電陶瓷致動器的驅動電源應具有如下特點：（1）壓電陶瓷致動器的位移輸出對外加驅動控制電壓的響應速度，主要取決于驅動電源驅動電流的大小，因此驅動電源應具有較大的驅動電流，一般不應小于150mA；（2）驅動電源的輸出控制電壓連續可調，對國產壓電陶瓷致動器PTBS200系列而言，要求驅動電源輸出電壓為直流0～200V，連續可調；（3）為適應高頻響應的要求，驅動電源中應具有供容性負載快速放電的回路；（4）由于壓電陶瓷致動器主要應用于微納米技術領域，所以驅動電源應具有良好的穩定性，其輸出紋波電壓應控制在很小的范圍內；（5）為實現位移的自動控制，驅動電源最好采用計算機控制。
壓電陶瓷致動器外電路是一個容性負載，并有遲滯和蠕變現象。而驅動電源一般可分為電荷控制型和電壓控制型。電荷控制型驅動電源基于電容器充電的原理（對外加電壓而言，每個壓電陶瓷片相當于一只平行板電容器），可以改善壓電陶瓷的遲滯和蠕變。電壓控制型驅動電源主要有以下兩種形式：一種是基于DC/DC變換器原理的開關式驅動電源，其體積小、效率高，但電源輸出紋波較大，頻響范圍也較窄；另一種是直流放大電源，頻響范圍寬，從發展趨勢來看，其應用前景廣闊。

2 驅動電源的設計
根據壓電陶瓷致動器對其驅動電源的要求，本設計中的電源采用直流放大式電路。電路原理框圖如圖1所示。整個電源電路主要由計算機與數據采集卡、運算放大電路和高壓電路等幾部分組成。高壓電路提供220V的直流電壓，計算機通過LabView8.5控制數據采集卡產生一定的輸出波形，得到0～5V的連續可調控制電壓；放大電路實現電壓的線性放大和功率放大，輸出0～200V連續可調的直流電壓，并決定著電源輸出電壓的分辨率和穩定性，是整個電源的關鍵。

圖1 電源原理框圖

① 高壓電路

圖2 高壓電路電路原理圖

由于直流電壓的穩定性直接影響驅動電源的穩定性，采用220V輸出電壓的高壓電路（見圖2），主要部分是將市電交流220V變為+220V直流電壓的全橋整流供電電路。

② 波形發生電路
良好的輸入波形是電源的關鍵之一，關系到壓電陶瓷的伸縮變化。輸入波形信號的頻率、幅值可變，信號波形好，畸變小，不僅可以消除壓電陶瓷本身的遲滯特性和蠕變特性，也能獲得更廣泛的應用。由于電壓精度要求比較高，使用NI公司的具有16位模擬輸入輸出的多功能數據采集卡6221將數字量轉換成模擬量，輸出電壓為0～5V，電壓分辨率達到5/216，約等于0.076mV。采用LabView 8.5編程可以實現任意波形及緩變直流等輸出，靈活性強，能滿足各種需要。

③高壓放大電路

圖3 高壓放大電路原理圖

采用美國APEX公司生產的高壓運算放大器PA96和高精度運算放大器OP07串聯組成串聯負反饋放大電路，如圖3所示。PA96是一種高壓，大帶寬的MOSFET運算放大器，輸出電流達到1.5A，輸出電壓接近300V，安全操作區（SOA）沒有二次擊穿的限制，通過選擇合適的限流電阻，可觀察到任何負載下的安全操作曲線。PA96的最大失調電壓為5mV，對要求分辨率為10mV以下的壓電陶瓷驅動電源，其輸入特性不能滿足要求。在該電源的線性放大部分采用了PA96和OP07串聯的復合放大器，從而使輸入失調電壓由前置放大器OP07控制。由于復合放大器的輸入電壓為0～5V，輸出電壓要求為0～200V，因此復合放大器的放大倍數要求為40。但增益過大會影響運放穩定性，因此選定PA96的閉環放大倍數為31，PA96和OP07串聯后共同提供的放大倍數為40。根據放大倍數的分配要求可得：
R1=3kΩ，R2=117Ω，R3=180Ω，R4=6kΩ
由于構成負反饋電路，輸出電阻非常小（mΩ級），因此具有很強的帶負載能力。圖3中的R5為限流電阻，其值由公式IL=0.68V/R5=125mA可得，這里為5.4Ω。

3 相位補償與輸出保護
自激現象是影響電源穩定性的一個主要因素。當集成運放的開環增益為一定值時，由于相移過大，電路會產生振蕩現象，因此應對集成運放進行相位補償。通常在輸入端和輸出端外接補償元件，進行相位補償。相位補償不僅能提高運放的穩定性，還能擴展帶寬。電路中PA96一級的閉環放大倍數為31，由此計算出其增益為30，根據PA96的數據資料，確定相位補償電容值CC=10pF，閉環帶寬大約為1MHz。圖3中電路的反饋電容C1和C6用于提高放大電路在高頻下的穩定性。OP07輸入端的二極管D1、D2提供差模和共模保護，防止瞬態過壓，輸出二極管D3、D4可對瞬態過壓進行保護，防止瞬態過壓損壞OP07的輸出。PA96放大器輸入端的二極管D5、D6、D7、D8把放大器正負輸入端的電壓鉗位在規定范圍內，對運放起保護作用。

驅動電源的實驗結果及結論
利用高精度的FLUKE 8580A電壓表，在0～200V擋，對穩壓電源的輸出特性進行了測試。將實測數據和輸入電壓比較（見表1），利用線性回歸法進行分析，得出穩壓電源輸出的線性相關系數r≈1，說明穩壓電源的輸出線性度較好。驅動電源在帶負載的情況下連續工作，輸出電壓漂移小于10mV，驅動電源輸出紋波電壓小于10mV，此紋波電壓對微定位系統中壓電陶瓷位移精度的影響較小。