基于LabView8.5和PA96的壓電陶瓷致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源
壓電陶瓷致動(dòng)器是近年發(fā)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(yīng)快等特點(diǎn)。它在使用中無噪聲、不發(fā)熱,是理想的微位移器,已在航空航天、精密測(cè)量、機(jī)器人及精密加工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)電源的性能對(duì)壓電陶瓷致動(dòng)器的影響很大,近年來國(guó)內(nèi)對(duì)靜態(tài)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的研制取得了一定的進(jìn)展,但大部分壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源都是由分立性器件組成,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,而且容易產(chǎn)生自激振蕩,對(duì)電源的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生影響。而采用高壓運(yùn)放的驅(qū)動(dòng)電源,分辨率能達(dá)到mV級(jí),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(qiáng),因此可用于驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷致動(dòng)器。
壓電陶瓷致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電源
1壓電陶瓷致動(dòng)器對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求
壓電陶瓷致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有如下特點(diǎn):(1)壓電陶瓷致動(dòng)器的位移輸出對(duì)外加驅(qū)動(dòng)控制電壓的響應(yīng)速度,主要取決于驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)電流的大小,因此驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有較大的驅(qū)動(dòng)電流,一般不應(yīng)小于150mA;(2)驅(qū)動(dòng)電源的輸出控制電壓連續(xù)可調(diào),對(duì)國(guó)產(chǎn)壓電陶瓷致動(dòng)器PTBS200系列而言,要求驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓為直流0~200V,連續(xù)可調(diào);(3)為適應(yīng)高頻響應(yīng)的要求,驅(qū)動(dòng)電源中應(yīng)具有供容性負(fù)載快速放電的回路;(4)由于壓電陶瓷致動(dòng)器主要應(yīng)用于微納米技術(shù)領(lǐng)域,所以驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有良好的穩(wěn)定性,其輸出紋波電壓應(yīng)控制在很小的范圍內(nèi);(5)為實(shí)現(xiàn)位移的自動(dòng)控制,驅(qū)動(dòng)電源最好采用計(jì)算機(jī)控制。
壓電陶瓷致動(dòng)器外電路是一個(gè)容性負(fù)載,并有遲滯和蠕變現(xiàn)象。而驅(qū)動(dòng)電源一般可分為電荷控制型和電壓控制型。電荷控制型驅(qū)動(dòng)電源基于電容器充電的原理(對(duì)外加電壓而言,每個(gè)壓電陶瓷片相當(dāng)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(qū)動(dòng)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(guān)式驅(qū)動(dòng)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(fā)展趨勢(shì)來看,其應(yīng)用前景廣闊。
2 驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)
根據(jù)壓電陶瓷致動(dòng)器對(duì)其驅(qū)動(dòng)電源的要求,本設(shè)計(jì)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(gè)電源電路主要由計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)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(jì)算機(jī)通過LabView8.5控制數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生一定的輸出波形,得到0~5V的連續(xù)可調(diào)控制電壓;放大電路實(shí)現(xiàn)電壓的線性放大和功率放大,輸出0~200V連續(xù)可調(diào)的直流電壓,并決定著電源輸出電壓的分辨率和穩(wěn)定性,是整個(gè)電源的關(guān)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(wěn)定性直接影響驅(qū)動(dòng)電源的穩(wěn)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?yōu)?220V直流電壓的全橋整流供電電路。
② 波形發(fā)生電路
良好的輸入波形是電源的關(guān)鍵之一,關(guān)系到壓電陶瓷的伸縮變化。輸入波形信號(hào)的頻率、幅值可變,信號(hào)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(yīng)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(shù)據(jù)采集卡6221將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量,輸出電壓為0~5V,電壓分辨率達(dá)到5/216,約等于0.076mV。采用LabView 8.5編程可以實(shí)現(xiàn)任意波形及緩變直流等輸出,靈活性強(qiáng),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(guó)APEX公司生產(chǎn)的高壓運(yùn)算放大器PA96和高精度運(yùn)算放大器OP07串聯(lián)組成串聯(lián)負(fù)反饋放大電路,如圖3所示。PA96是一種高壓,大帶寬的MOSFET運(yùn)算放大器,輸出電流達(dá)到1.5A,輸出電壓接近300V,安全操作區(qū)(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(fù)載下的安全操作曲線。PA96的最大失調(diào)電壓為5mV,對(duì)要求分辨率為10mV以下的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)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(lián)的復(fù)合放大器,從而使輸入失調(diào)電壓由前置放大器OP07控制。由于復(fù)合放大器的輸入電壓為0~5V,輸出電壓要求為0~200V,因此復(fù)合放大器的放大倍數(shù)要求為40。但增益過大會(huì)影響運(yùn)放穩(wěn)定性,因此選定PA96的閉環(huán)放大倍數(shù)為31,PA96和OP07串聯(lián)后共同提供的放大倍數(shù)為40。根據(jù)放大倍數(shù)的分配要求可得:
R1=3kΩ,R2=117Ω,R3=180Ω,R4=6kΩ
由于構(gòu)成負(fù)反饋電路,輸出電阻非常小(mΩ級(jí)),因此具有很強(qiáng)的帶負(fù)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(bǔ)償與輸出保護(hù)
自激現(xiàn)象是影響電源穩(wěn)定性的一個(gè)主要因素。當(dāng)集成運(yùn)放的開環(huán)增益為一定值時(shí),由于相移過大,電路會(huì)產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象,因此應(yīng)對(duì)集成運(yùn)放進(jìn)行相位補(bǔ)償。通常在輸入端和輸出端外接補(bǔ)償元件,進(jìn)行相位補(bǔ)償。相位補(bǔ)償不僅能提高運(yùn)放的穩(wěn)定性,還能擴(kuò)展帶寬。電路中PA96一級(jí)的閉環(huán)放大倍數(shù)為31,由此計(jì)算出其增益為30,根據(jù)PA96的數(shù)據(jù)資料,確定相位補(bǔ)償電容值CC=10pF,閉環(huán)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(wěn)定性。OP07輸入端的二極管D1、D2提供差模和共模保護(hù),防止瞬態(tài)過壓,輸出二極管D3、D4可對(duì)瞬態(tài)過壓進(jìn)行保護(hù),防止瞬態(tài)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(fù)輸入端的電壓鉗位在規(guī)定范圍內(nèi),對(duì)運(yùn)放起保護(hù)作用。
驅(qū)動(dòng)電源的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
利用高精度的FLUKE 8580A電壓表,在0~200V擋,對(duì)穩(wěn)壓電源的輸出特性進(jìn)行了測(cè)試。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和輸入電壓比較(見表1),利用線性回歸法進(jìn)行分析,得出穩(wěn)壓電源輸出的線性相關(guān)系數(shù)r≈1,說明穩(wěn)壓電源的輸出線性度較好。驅(qū)動(dòng)電源在帶負(fù)載的情況下連續(xù)工作,輸出電壓漂移小于10mV,驅(qū)動(dòng)電源輸出紋波電壓小于10mV,此紋波電壓對(duì)微定位系統(tǒng)中壓電陶瓷位移精度的影響較小。
評(píng)論