基于ARM的高分辨率压电陶瓷驱动电源

摘要：根据压电陶瓷微位移器对驱动电源的需求，设计了压电驱动电源系统。详细介绍了电源系统中的数字电路部分和模拟电路部分，并对驱动电源的精度与稳定性进行了分析与改进。最后对驱动电源的性能进行了实验验证，实验结果表明：所设计的电源输出电压噪声低于0．43 mV、输出最大非线性误差低于0．024％、分辨率可达1．44 mV，能够满足高分辨率微位移定位系统中静态定位控制的需求。
关键词：ARM；压电陶瓷；驱动电源；PI控制器

0 引言
压电陶瓷驱动器(PZT)是微位移平台的核心，其主要原理是利用压电陶瓷的逆压电效应产生形变，从而驱动执行元件发生微位移。压电陶瓷驱动器具有分辨率高、响应频率快、推力大和体积小等优点，在航空航天、机器人、微机电系统、精密加工以及生物工程等领域中得到了广泛的应用。然而压电陶瓷驱动器的应用离不开性能良好的压电陶瓷驱动电源。要实现纳米级定位的应用，压电陶瓷驱动电源的输出电压需要在一定范围内连续可调，同时电压分辨率需要达到毫伏级。因此压电陶瓷驱动电源技术已成为压电微位移平台中的关键技术。

1 压电驱动电源的系统结构
1．1 压电驱动电源的分类
随着压电陶瓷微位移定位技术的发展，各种专用于压电陶瓷微位移机构的驱动电源应运而生。目前驱动电源的形式主要有电荷控制式和直流放大式两种。电荷控制式驱动电源存在零点漂移，低频特性差的特点限制其应用。而直流放大式驱动电源具有静态性能好、集成度高、结构简单等特点，因而本文的设计原理采用直流放大式压电驱动电源。直流放大式电源的原理如图1所示。

1．2 直流放大式压电驱动电源的系统结构
驱动电源电路主要由微处理器、D／A转换电路和线性放大电路组成。通过微处理器控制D／A产生高精度、连续可调的直流电压(0～10 V)，通过放大电路对D／A输出的直流电压做线性放大和功率放大从而控制PZT驱动精密定位平台。
该设计中采用LPC2131作为微处理器，用于产生控制信号及波形；采用18位电压输出DA芯片AD5781作为D／A转换电路的主芯片，产生连续可调的直流低压信号；采用APEX公司的功率放大器PA78作为功率放大器件，输出0～100 V的高压信号从而驱动PZT。为实现高分辨率压电驱动器的应用，压电驱动电源分辨率的设计指标达到1 mV量级。

2 基于ARM的低压电路设计
2．1 ARM控制器简介
压电陶瓷驱动电源中ARM控制器主要提供两方面功能：作为通信设备提供通用的输入／输出接口；作为控制器运行相关控制算法以及产生控制信号或波形实现PZT的静态定位操作。针对如上需求，本设计采用LPC2131作为主控制器，LPC2131是Philips公司生产的基于支持实时仿真和跟踪的32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，主频可达到60MHz；LPC2131内部具有8KB片内静态RAM和32KB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。由于LPC2131具有较高的数据处理能力和丰富的接口资源使其能够作为压电驱动电源的控制芯片。
2．2 D／A电路设计
由于压电驱动电源要求输出电压范围为0～100 V，分辨率达到毫伏级，所以D／A的分辨率需达到亚毫伏级。本设计采用AD5781作为D／A器件。AD5781是一款SPI接口的18位高精度转换器，输出电压范围-10～10 V，提供±0．5 LSB INL，±0．5 LSB DNL和7．5 nV／噪声频谱密度。另外，AD5781还具有极低的温漂(0．05 ppm／℃)特性。因此，该D／A转换器芯片特别适合于精密模拟数据的获取与控制。D／A电路设计如图2所示。

在硬件电路设计中，由于AD5781采用的精密架构，要求强制检测缓冲其电压基准输入，确保达到规定的线性度。因此选择用于缓冲基准输入的放大器应具有低噪声、低温漂和低输入偏置电流特性。这里选用AD8676，AD8676是一款超精密、36 V、2．8 nV／双通道运算放大器，具有0．6μV／℃低失调漂移和2 nA输入偏置电流，因而能为AD5781提供精密电压基准。通过下拉电阻将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式和配置输出在SYNC的上升沿更新。

在ARM端的软件设计中，除正确配置AD5781的相关寄存器外，还应正确配置SPI的时钟相位、时钟极性和通信模式。正确的SPI接口时序配置图如图3所示。

3 高压线性放大电路设计
本文压电驱动电源采用直流放大原理，通过高压线性放大电路得到0～100 V连续可调的直流电压驱动压电陶瓷。放大电路决定着电源输出电压的分辨率和线性度，是整个电源的关键。
3．1 经典线性放大电路设计
放大电路采用美国APEX公司生产的高压运算放大器PA78作为主芯片。PA78的输入失调电压为8mV，温漂-63V／℃，转换速率350 V／μs，输入阻抗108Ω，输出阻抗44 Ω，共模抑制比118 dB。基于PA78的线性放大电路设计如图4所示。配置PA78为正向放大器，放大倍数为Gain= 1+R2／R1，得到输出电压范围为0～100 V。