0 导言
压电陶瓷驱动器（PZT）是微位移渠道的中心，其首要原理是运用压电陶瓷的逆压电效应产生形变，然后驱动履行元件产生微位移。压电陶瓷驱动器具有分辨率高、呼应频率快、推力大和体积小等长处，在航空航天、机器人、微机电体系、精细加工以及生物工程等领域中得到了广泛的运用。但是压电陶瓷驱动器的运用离不开功用杰出的压电陶瓷驱动电源。要完成纳米级定位的运用，压电陶瓷驱动电源的输出电压需求在必定规模内接连可调，一起电压分辨率需求到达毫伏级。因而压电陶瓷驱动电源技能已成为压电微位移渠道中的要害技能。
1 压电驱动电源的体系结构
1.1 压电驱动电源的分类
跟着压电陶瓷微位移定位技能的开展，各种专用于压电陶瓷微位移组织的驱动电源应运而生。现在驱动电源的方式首要有电荷操控式和直流扩大式两种。电荷操控式驱动电源存在零点漂移，低频特性差的特色约束其运用。而直流扩大式驱动电源具有静态功用好、集成度高、结构简略等特色，因而本文的规划原理选用直流扩大式压电驱动电源。直流扩大式电源的原理如图1所示。
1.2 直流扩大式压电驱动电源的体系结构
驱动电源电路首要由微处理器、D/A转化电路和线性扩大电路组成。经过微处理器操控D/A产生高精度、接连可调的直流电压（0~10 V），经过扩大电路对D/A输出的直流电压做线性扩大和功率扩大然后操控PZT驱动精细定位渠道。
该规划中选用LPC2131作为微处理器，用于产生操控信号及波形；选用18位电压输出DA芯片 AD5781作为D/A转化电路的主芯片，产生接连可调的直流低压信号；选用APEX公司的功率扩大器PA78 作为功率扩大器材，输出0~100 V 的高压信号然后驱动PZT.为完成高分辨率压电驱动器的运用，压电驱动电源分辨率的规划目标到达1 mV量级。
2 依据ARM 的低压电路规划
2.1 ARM操控器简介
压电陶瓷驱动电源中ARM操控器首要供给两方面功用：作为通讯设备供给通用的输入/输出接口；作为操控器运转相关操控算法以及产生操控信号或波形完成PZT的静态定位操作。针对如上需求，本规划选用LPC2131作为主操控器，LPC2131是 Philips公司出产的依据支撑实时仿真和盯梢的32 位ARM7TDMI-S-CPU的微操控器，主频可到达60 MHz;LPC2131内部具有8 KB片内静态RAM和32 KB嵌入的高速FLASH存储器；具有两个通用UART接口、I2C接口和一个SPI接口。因为LPC2131具有较高的数据处理才能和丰厚的接口资源使其可以作为压电驱动电源的操控芯片。
2.2 D/A电路规划
因为压电驱动电源要求输出电压规模为0~100 V，分辨率到达毫伏级，所以D/A的分辨率需到达亚毫伏级。本规划选用AD5781作为D/A器材。AD5781是一款SPI接口的18位高精度转化器，输出电压规模-10~10 V，供给±0.5 LSB INL，±0.5 LSB DNL和7.5 nV/ Hz噪声频谱密度。别的，AD5781 还具有极低的温漂（0.05 ppm/℃）特性。因而，该D/A转化器芯片特别合适于精细模仿数据的获取与操控。D/A 电路规划如图2 所示。
在硬件电路规划中，因为AD5781 选用的精细架构，要求强制检测缓冲其电压基准输入，确保到达规则的线性度。因而挑选用于缓冲基准输入的扩大器应具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性。这儿选用AD8676，AD8676 是一款超精细、36 V、2.8 nV/ Hz 双通道运算扩大器，具有0.6 μV/℃低失调漂移和2 nA输入偏置电流，因而能为AD5781供给精细电压基准。经过下拉电阻将AD5781的CLR和LDAC引脚电平拉低，用于设置AD5781为DAC二进制寄存器编码格局和装备输出在SYNC的上升沿更新。
在ARM端的软件规划中，除正确装备AD5781的相关寄存器外，还应正确装备SPI的时钟相位、时钟极性和通讯形式。正确的SPI接口时序装备图如图3所示。
3 高压线性扩大电路规划
本文压电驱动电源选用直流扩大原理，经过高压线性扩大电路得到0~100 V接连可调的直流电压驱动压电陶瓷。扩大电路决议着电源输出电压的分辨率和线性度，是整个电源的要害。
3.1 经典线性扩大电路规划
扩大电路选用美国APEX公司出产的高压运算扩大器PA78作为主芯片。PA78的输入失调电压为 8 mV，温漂-63 V/°C，转化速率350 V/μs，输入阻抗108 Ω，输出阻抗44 Ω，共模抑制比118 dB.依据PA78的线性扩大电路规划如图4所示。装备PA78为正向扩大器，扩大倍数为Gain=1+ R2 R1 ，得到输出电压规模为0~100 V.
假如运放两个输入端上的电压均为0 V，则输出端电压也应该等于0 V.但事实上，因为扩大器制作工艺的原因，不可避免地形成同相和反相输入端的不匹配，使输出端总有一些电压，该电压称为失调电压。失调电压跟着温度的改动而改动，这种现象被称为温度漂移（温漂），温漂的巨细随时刻而改动。PA78的失调电压和温漂别离为8 mV、-63 V/°C，而且失调电压和温漂都是随机的，使PA78无法运用于毫伏级分辨率的电压输出，需求对扩大电路进行改善。
3.2 扩大电路的改善
这儿将PA78视为被控目标G（S），将失调电压和温漂视为扰动N（S），这样就把进步扩大器输出电压精度转化成减小操控体系的稳态差错的操控器规划的问题。在操控器的规划中常用的校对办法有串联校对和反响校对两种。一般来说反响校对所需的元件数少、电路简略。但是在高压扩大电路中，反响信号是由PA78的输出级供给。反响信号的功率较高，为元件选型和电路规划带来不方便，故线性扩大电路中不运用反响校对法。而在串联校对办法中，有源器材的输入不包括高压反响信号，所以该规划选用串联校对办法，选用模仿PI（份额-积分）操控器G1（S）进行校对，如图 5 所示。
成份额的反响输入信号e（t）及其积分，即：
由式（2）调查可得，PI操控器相当于在操控体系中添加了一个坐落原点的开环极点，开环极点的存在可以进步体系的型别，因为体系的型别的进步可以减小体系的阶跃扰动稳态差错（关于线性扩大电路，可视失调电压和温漂为阶跃扰动）。一起PI操控器还添加了一个坐落复平面中左半平面的开环零点，复实零点的添加可以进步体系的阻尼程度，然后改善体系的动态功用，缓解由献身的动态功用交换稳态功用对体系产生的晦气影响。
扩大电路的规划中选用有源模仿PI操控器，改善后的线性扩大电路如图6所示。其间PI操控器的扩大器选用AD8676，AD8676的输入失调电压低于50 μV（满温度行程下），电压噪声≤0.04 μV（P-P）@0.1~10 Hz，因而合适用于串联校对环节，以进步体系稳态功用、减小输出电压漂移。
3.3 相位补偿
从工程视点考虑，因为搅扰源的存在，会使体系的安稳性产生改动，导致体系产生震动。因而确保操控体系具有必定的抗搅扰性的办法是使体系具有必定的安稳裕度即相角裕度。
因为实践电路中存在杂散电容，其间扩大器反向输入端的对地电容对体系的安稳性有较大的影响。如图6所示，选用C5和C6补偿反向端的杂散电容。从体系函数的视点看，即构成超前校对，添加开环体系的开环截止频率，从事添加体系带宽进步呼应速度。
PA78有两对相位补偿引脚，经过外部的RC网络对扩大器内部的零极点进行补偿。经过PA78的数据表可知，PA78内部的零极点坐落高频段。依据操控体系抗噪声才能的需求，装备RC网络使高频段的幅值特性曲线敏捷衰减，然后进步体系的抗搅扰才能。图 6中，R4，C1与R5，C2构成RC补偿网络。
此外电路中C3的效果是避免输出信号下降沿的振荡引起的搅扰；R10起到偏置电阻的效果，将电源电流注入到扩大器的输出级，进步PA78的驱动才能。
将PI操控器的参数别离设置为KP=10、KI=0.02;超前校对补偿%&&&&&%别离为12 pF和220 pF;RC补偿网络为R=10 kΩ、C=22 pF.运用线性扩大电路的Spice模型进行仿真得到幅频特性和相频特性曲线如图7所示。从图中调查可得，扩大体系的带宽可达100 kHz，然后确保了体系杰出的动态特性，一起相角裕度γ》60°使体系具有较高的安稳性（因为PZT的负载电抗特性一般呈容性，所以留有较大的相角裕度十分必要）。
4 驱动电源试验成果
试验用压电陶瓷驱动电源的稳压电源选用长峰向阳电源公司的4N%&&&&&%-X56ACDC 直流电源，输出电压精度≤1%，电压调整率≤0.5%，电压纹波≤1 mV（RMS）、10 mV（P-P）。丈量设备选用KEITHLEY 2000 6 1/2Multimeter.
首要对DAC输出分辨率进行丈量，ARM操控器输出继续5 s的阶跃信号，一起在DAC输出端对电压信号进行丈量，将丈量成果部分显现见图8.图8 中显现AD5781的输出电压分辨率可达3.89e-5 V，即38.9 μV.
在模仿电路中，噪声是不可避免的。关于压电驱动电源来说，噪声的等级约束了驱动电源的输出分辨率。
图8、9别离给出经典扩大电路和改善后的扩大电路的测验噪声。从图中可得经过运用PI操控器和相位补偿元件将压电驱动电源的输出噪声从1.82 mV（RMS）下降至0.43 mV（RMS）。
图10给出了扩大电路的输出分辨率，扩大电路的分辨率决议了PZT的定位精度，如要完成纳米级的定位精度，驱动电源的分辨率需求到达毫伏级。图10中，输出电压的分辨率可到达1.44 mV.
最终，给出驱动电源电压线性度曲线。线性度可以实在的反映出输出值相关于输入真值的差错程度。
线性度曲线如图11所示。得到拟合直线Yfit=9.846Vin+0.024 2，最大非线性差错为0.024%，可以满意精细定位需求。
5 定论
本文规划的依据ARM的高分辨率压电陶瓷驱动电源的计划，该计划选用直流扩大原理，具有低电路噪声、高分辨率和低输出非线性度等特性，一起驱动电源的带宽可达100 kHz.以上特性使本计划的压电驱动电源可以运用于纳米级静态定位的需求，因为其性价比高、结构简略，故具有很高的实用价值。而试验成果也标明：本计划所规划的电源输出电压噪声低于0.43 mV、输出最大非线性差错低于0.024%、分辨率可达1.44 mV，可以满意高分辨率微位移定位体系中静态定位操控的需求。
