基于ARM的高分辨率壓電陶瓷驅(qū)動電源

摘要：根據(jù)壓電陶瓷微位移器對驅(qū)動電源的需求，設(shè)計了壓電驅(qū)動電源系統(tǒng)。詳細介紹了電源系統(tǒng)中的數(shù)字電路部分和模擬電路部分，并對驅(qū)動電源的精度與穩(wěn)定性進行了分析與改進。最后對驅(qū)動電源的性能進行了實驗驗證，實驗結(jié)果表明：所設(shè)計的電源輸出電壓噪聲低于0．43 mV、輸出最大非線性誤差低于0．024％、分辨率可達1．44 mV，能夠滿足高分辨率微位移定位系統(tǒng)中靜態(tài)定位控制的需求。
關(guān)鍵詞：ARM；壓電陶瓷；驅(qū)動電源；PI控制器

0 引言
壓電陶瓷驅(qū)動器(PZT)是微位移平臺的核心，其主要原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生形變，從而驅(qū)動執(zhí)行元件發(fā)生微位移。壓電陶瓷驅(qū)動器具有分辨率高、響應(yīng)頻率快、推力大和體積小等優(yōu)點，在航空航天、機器人、微機電系統(tǒng)、精密加工以及生物工程等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。然而壓電陶瓷驅(qū)動器的應(yīng)用離不開性能良好的壓電陶瓷驅(qū)動電源。要實現(xiàn)納米級定位的應(yīng)用，壓電陶瓷驅(qū)動電源的輸出電壓需要在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，同時電壓分辨率需要達到毫伏級。因此壓電陶瓷驅(qū)動電源技術(shù)已成為壓電微位移平臺中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 壓電驅(qū)動電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．1 壓電驅(qū)動電源的分類
隨著壓電陶瓷微位移定位技術(shù)的發(fā)展，各種專用于壓電陶瓷微位移機構(gòu)的驅(qū)動電源應(yīng)運而生。目前驅(qū)動電源的形式主要有電荷控制式和直流放大式兩種。電荷控制式驅(qū)動電源存在零點漂移，低頻特性差的特點限制其應(yīng)用。而直流放大式驅(qū)動電源具有靜態(tài)性能好、集成度高、結(jié)構(gòu)簡單等特點，因而本文的設(shè)計原理采用直流放大式壓電驅(qū)動電源。直流放大式電源的原理如圖1所示。

1．2 直流放大式壓電驅(qū)動電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
驅(qū)動電源電路主要由微處理器、D／A轉(zhuǎn)換電路和線性放大電路組成。通過微處理器控制D／A產(chǎn)生高精度、連續(xù)可調(diào)的直流電壓(0～10 V)，通過放大電路對D／A輸出的直流電壓做線性放大和功率放大從而控制PZT驅(qū)動精密定位平臺。
該設(shè)計中采用LPC2131作為微處理器，用于產(chǎn)生控制信號及波形；采用18位電壓輸出DA芯片AD5781作為D／A轉(zhuǎn)換電路的主芯片，產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的直流低壓信號；采用APEX公司的功率放大器PA78作為功率放大器件，輸出0～100 V的高壓信號從而驅(qū)動PZT。為實現(xiàn)高分辨率壓電驅(qū)動器的應(yīng)用，壓電驅(qū)動電源分辨率的設(shè)計指標達到1 mV量級。

2 基于ARM的低壓電路設(shè)計
2．1 ARM控制器簡介
壓電陶瓷驅(qū)動電源中ARM控制器主要提供兩方面功能：作為通信設(shè)備提供通用的輸入／輸出接口；作為控制器運行相關(guān)控制算法以及產(chǎn)生控制信號或波形實現(xiàn)PZT的靜態(tài)定位操作。針對如上需求，本設(shè)計采用LPC2131作為主控制器，LPC2131是Philips公司生產(chǎn)的基于支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，主頻可達到60MHz；LPC2131內(nèi)部具有8KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和32KB嵌入的高速FLASH存儲器；具有兩個通用UART接口、I2C接口和一個SPI接口。由于LPC2131具有較高的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的接口資源使其能夠作為壓電驅(qū)動電源的控制芯片。
2．2 D／A電路設(shè)計
由于壓電驅(qū)動電源要求輸出電壓范圍為0～100 V，分辨率達到毫伏級，所以D／A的分辨率需達到亞毫伏級。本設(shè)計采用AD5781作為D／A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度轉(zhuǎn)換器，輸出電壓范圍-10～10 V，提供±0．5 LSB INL，±0．5 LSB DNL和7．5 nV／噪聲頻譜密度。另外，AD5781還具有極低的溫漂(0．05 ppm／℃)特性。因此，該D／A轉(zhuǎn)換器芯片特別適合于精密模擬數(shù)據(jù)的獲取與控制。D／A電路設(shè)計如圖2所示。