一種高穩(wěn)定性壓電驅(qū)動電源設(shè)計

張玉婷，張文濤，錢 存，張紫楊，陳 云

(桂林電子科技大學(xué) 廣西光電信息處理重點實驗室，廣西 桂林541004)

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，微定位技術(shù)在各領(lǐng)域的地位愈發(fā)重要。納米級、亞納米級的定位已成為半導(dǎo)體制造業(yè)、航空航天技術(shù)、納米醫(yī)療器械等領(lǐng)域的核心技術(shù)[1-2]。壓電陶瓷促動器作為亞納米級分辨率的位移裝置，具有良好的機械特性與動態(tài)特性，廣泛應(yīng)用于微定位系統(tǒng)中[3-4]。壓電促動器(PZT)的定位精度與驅(qū)動電源性能及其特性相關(guān)，研究人員普遍使用壓電陶瓷等效靜態(tài)電容作為負載電容設(shè)計驅(qū)動電路[5-6]。實際使用中，壓電陶瓷等效電容隨環(huán)境影響及輸入電壓變化有較大波動，影響驅(qū)動電源的穩(wěn)定性。本文設(shè)計了一種適應(yīng)負載電容量變化的壓電陶瓷驅(qū)動電源，該研究對微定位系統(tǒng)具有重要的實際意義。

1 驅(qū)動電源整體結(jié)構(gòu)

1.1 驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)框圖

驅(qū)動電源主要由微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、線性放大電路等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 驅(qū)動電源框圖

由圖1可知，微處理器發(fā)出數(shù)字信號，經(jīng)濾波、整流后線性放大得到壓電陶瓷位移控制信號。其中，線性放大電路作為驅(qū)動電源的重要組成部分，影響控制信號的精度及電源穩(wěn)定性。

1.2 線性放大電路

壓電陶瓷驅(qū)動電源分為電壓控制型與電流型控制型，因電流控制型漏電流問題嚴重，較難控制，故選用電壓控制型。電壓控制型驅(qū)動電路的線性放大部分為電路的核心器件，本文采用高壓運放式驅(qū)動，其電路圖如圖2所示。

圖2 高壓運放電路

圖2所示的驅(qū)動方式具有芯片集成度高，占用空間小，自激現(xiàn)象低等優(yōu)勢[7]。圖中，R0為運放內(nèi)阻，R1、R2為反饋電阻，電路的電壓傳輸關(guān)系為

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2 動態(tài)容性負載分析及補償

2.1 負載容量變化

壓電陶瓷的等效靜態(tài)電容是在微電壓、低頻率、無負載、常溫等理想情況下測得的。其值實際大小會隨輸入電壓及溫度的變化而變化[8-9]，變化曲線如圖3所示。

圖3 負載容量變化曲線

由圖3可知，在室溫條件下，驅(qū)動電源在輸出電壓為120 V以下時，負載電容量變化可達初始值的1.5倍。因此，設(shè)計具有良好動態(tài)電容負載適應(yīng)能力的驅(qū)動電源尤為重要。

2.2 容性負載對運放的影響

壓電陶瓷促動器作為運放的容性負載，與運放內(nèi)阻組成RC振蕩，影響電源系統(tǒng)的穩(wěn)定[10]。實驗采用PA96運算放大器作為線性運放的核心，分析不同電容量負載對運算放大器開環(huán)增益的影響，得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 容性負載對開環(huán)增益的影響

由圖4可知，當負載電容量增大時，運放開環(huán)增益曲線所加極點頻率變小，減小了運算放大器的帶寬，并使系統(tǒng)提前進入截止頻率，影響運放電路的整體穩(wěn)定。

PZT作為位移及動能輸出器件，具有納法至微法級以上的等效電容量，由圖4還可知，負載電容量波動對驅(qū)動電源穩(wěn)定性影響較大。本文采用的壓電陶瓷靜態(tài)等效電容為1.5 μF，其所加零點頻率為

(2)

式中CL為負載PZT等效電容。此時，系統(tǒng)的開環(huán)增益曲線在10.6 kHz點以20倍頻速率下降，并以此速率穿越20 dB增益值，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定，應(yīng)對其補償。

2.3 動態(tài)容性負載補償電路

針對壓電陶瓷等效容量變化的特點，設(shè)計了驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖中，反饋電阻(Rf)、反饋電容(Cf)、PZT組合為單零點補償電路。R、C作為前置濾波，祛除電路中的高頻諧波，Riso為隔離電阻，采用10 Ω小電阻對輸出電壓作平滑處理。

圖5 優(yōu)化后電路

由圖5可知，該驅(qū)動電路具有1個fz與2個極點頻率(包括低頻極點頻率fP1和高頻極點頻率fP2)，則有

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將fP1與fz相消，即fz=fP1，可得系統(tǒng)的平衡條件為

RfCf=(R1//R2)CL

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此時，將式(6)代入式(5),系統(tǒng)將產(chǎn)生新極點，新極點頻率fP為

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分析式(6)可知，當CL容量發(fā)生變化時，驅(qū)動電路的穩(wěn)定性將受到影響，為使驅(qū)動電源仍保持動態(tài)穩(wěn)定，需R1//R2?Rf,Cf?CL。考慮放大倍數(shù)與常用反饋電阻的選擇，取R1=10 kΩ、R2=90 kΩ、Rf=100 Ω，CL=1.5 μF，代入式(6)，得Cf=135 μF，fP=10.7 kHz。

已知負載等效靜態(tài)容量為1.5 μF，取其1.5倍的電容值2.25 μF，代入式(4)，容量變化引起fP1變化，fP1的值由11.789 Hz變?yōu)?1.725 Hz，變化量為0.5%，系統(tǒng)平衡條件基本不變，則新極點頻率fP維持在10.7 kHz。

3 線性放大電源電路

3.1 線性放大電路

驅(qū)動電源的線性放大電路采用雙極放大結(jié)構(gòu)，整體電路圖如圖6所示。

圖6 線性放大電路

由圖6可知，線性放大電路中，前置放電選用OP07A高精度放大器減小系統(tǒng)的失調(diào)電壓[7]。R1、R2、R3、R4為反饋電阻，選擇合適的阻值，實現(xiàn)前置放大1倍，運算放大10倍的線性放大。C9為調(diào)整電容，可改善環(huán)路的穩(wěn)定性。

3.2 相位補償及限流

運算放大器的相位補償采用純電容補償方式，其值由閉環(huán)增益確定。已知運放的放大倍數(shù)A=10，則其閉環(huán)增益為

Gain=20lgA=20(dB)

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查PA96手冊，選用22 pF電容作相位補償。

高壓運放電路需對輸出電流進行限制，運放輸出電流限制采用限流電阻Rcl，考慮最大輸出電流：

Im=2πUmfmCL=0.94(A)

(9)

式中Um、fm分別為驅(qū)動電源的最大電壓、頻率。則Rcl為

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4 電源性能測試

4.1 階躍響應(yīng)分析

對驅(qū)動電源進行階躍響應(yīng)測試，輸入端采用5 V階躍電壓信號，CL由1.5 μF增至4 μF，每次增加0.5 μF，得到驅(qū)動電源的輸出電壓階躍響應(yīng)曲線如圖7所示。

圖7 驅(qū)動電源的輸出電壓階躍響應(yīng)曲線

由圖7可知，當CL=1.5 μF時，系統(tǒng)的驅(qū)動電源輸出電壓階躍信號在0.2 ms內(nèi)平滑上升至100 V，且無超調(diào)量。當CL逐漸加大時，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)時間變長，信號質(zhì)量良好?？紤]驅(qū)動電源使用頻率為1 kHz，當階躍時間為半個周期即0.5 ms時，負載容量為臨界值4 μF，即驅(qū)動電源在CL為0～4 μF時，均具有良好的階躍響應(yīng)。

4.2 動態(tài)跟隨分析

在1 kHz使用頻率時，系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性也尤為重要，可分析驅(qū)動電源動態(tài)跟隨效果。輸入信號采用幅值2.5 V，正向偏置電壓2.5 V的1 kHz正弦信號，得輸出電壓信號如圖8所示。

圖8 動態(tài)跟隨曲線

由圖8可知，在CL為1.5～3.5 μF變化時，系統(tǒng)輸出電壓信號跟隨效果良好，電壓曲線為正弦信號。而當CL=4.5 μF時，系統(tǒng)的輸出電壓曲線第二峰值缺壓，無法達到額定輸出值。所以，驅(qū)動電源在CL為0～3.5 μF時，具有良好的動態(tài)響應(yīng)。

4.3 誤差分析

對驅(qū)動電源進行線性誤差分析，經(jīng)多次測量得系統(tǒng)的線性誤差與CL大小無關(guān)，誤差測量結(jié)果如圖9所示。

圖9 線性誤差

由圖9可知，驅(qū)動電源在0～100 V時，其輸出相對誤差在0.02%以下，且線性誤差在0.7 mV以下，具有較高的線性度與可信度。

5 結(jié)束語

本文首次提出了一種適用于變電容負載的驅(qū)動電路，動態(tài)容性負載對電源穩(wěn)定性進行分析。通過驗證電路性能，表明該驅(qū)動電路的電容量適用于0～3.5 μF，大于設(shè)計需求范圍(0～2.25 μF)，為壓電陶瓷驅(qū)動提供了新思路。